按摩是以中醫(yī)的臟腑、經(jīng)絡(luò)學說為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合西醫(yī)的解剖和病理診斷，而用手法作用于人體體表的特定部位以調(diào)節(jié)機體生理、病理狀況，達到理療目的的方法，從性質(zhì)上來說，它是一種物理的治療方法。從按摩的治療上，可分為保健按摩、運動按摩和醫(yī)療按摩。

如今，許多運動員也選擇用機械按摩槍、筋膜槍等來幫助恢復訓練后的身體。但除了讓人感覺比較舒服之外，這種“機械性按摩療法”真的能有效地改善肌肉受傷后的修復和愈合嗎？

10月11日，哈佛大學的Wyss生物啟發(fā)工程研究所與John A. Paulson 工程與應(yīng)用科學學院 (SEAS) 的研究人員們，在Science Translational Medicine上發(fā)表的一項研究，對上述問題進行了回答。

哈佛大學的研究團隊使用一個專門定制設(shè)計的機器人系統(tǒng)，向有肌肉損傷的小鼠腿部肌肉進行均勻且可調(diào)節(jié)的壓縮力。他們發(fā)現(xiàn)這種機械載荷 (ML) 可快速清除嚴重受傷肌肉組織中，一種稱為中性粒細胞的免疫細胞。同時，這個過程還去除了肌肉中中性粒細胞釋放的炎性細胞因子，進而增強了肌纖維再生的過程。

本研究的第一作者Bo Ri Seo博士和她的同事們，在幾年前開始探索機械療法對小鼠受傷組織的影響，并發(fā)現(xiàn)機械療法可以在兩周內(nèi)使肌肉再生速度加倍，并且大大減少了組織疤痕。他們相信機械刺激療法通過干預免疫功能，可以促進骨骼、肌腱、頭發(fā)和皮膚在內(nèi)的各種組織再生，也可以用于輔助使用藥物干預的疾病患者。而遺憾的是，在此研究之前，還沒有一種完全系統(tǒng)化、高重復性的機械療法用于組織修復。因此他們對機械刺激可以促進再生和增強肌肉功能十分感興趣，并決定更深入地探索該過程在體內(nèi)的確切運作方式，同時找出哪些參數(shù)可以最大限度地促進愈合。

此研究團隊在幾年前開始與軟體機器人專家著手研究如何開發(fā)更細致的按摩機械槍，并對其功能進行研究。而為了研究按摩機械槍對于受損肌肉的功能，他們制造了有肌肉損傷的小鼠模型。

研究員們對小鼠的腿部肌肉注射了肌肉毒素，在此基礎(chǔ)上得以研究小鼠缺血后的后肢肌肉再生的情況。繼而使用了定制開發(fā)的軟界面機器人系統(tǒng)對小鼠的后肢肌肉施加壓力（類比按摩），發(fā)現(xiàn)這個過程促進了中性粒細胞的清除，減少了促炎細胞因子和趨化因子，并因此改善了肌肉纖維的組成和功能。他們得出的結(jié)論是，治療性機械刺激方案是支持和加速肌肉再生的。

此研究的一個重大突破，就是開發(fā)了對肌肉系統(tǒng)性、重復性施壓的小型軟體機器人設(shè)備。軟體機器人是一種新型的柔軟機器人，與人類的交互更安全。機器人本體是用柔軟材料制作的，并且區(qū)別于傳統(tǒng)機器人的電機驅(qū)動，軟體機器人的驅(qū)動方式主要取決于設(shè)計的智能材料對于電場、壓力、磁場、化學反應(yīng)、光、溫度等的反應(yīng)。

Seo和同事們與哈佛生物設(shè)計實驗室的軟體機器人專家進行合作，在Wyss副教員和Conor Walsh 博士的領(lǐng)導下，創(chuàng)建了本研究中使用的小型設(shè)備，該設(shè)備使用傳感器和執(zhí)行器來監(jiān)測和控制施加在小鼠肢體上的力。此設(shè)備能夠精確控制施加的力的大小和頻率等參數(shù)，從而能夠以比手動方法更系統(tǒng)的方法來幫助組織愈合。設(shè)備研究并制作完畢后，研究員們就通過設(shè)備的軟硅膠尖端對小鼠的腿部肌肉施加力進行試驗，并使用超聲波來觀察腿部肌肉組織的反應(yīng)。他們觀察到肌肉承受了10-40%的應(yīng)變，這證實了組織正在承受機械力。

他們還使用這些超聲成像數(shù)據(jù)來開發(fā)和驗證了一個計算模型，該模型可以預測不同載荷下的組織應(yīng)變量。同時，他們還對組織進行了詳細的生物學評估，分析了未經(jīng)治療與治療肌肉中的各種炎癥相關(guān)因素，比如細胞因子和趨化因子。

圖1. 多路機器人驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用于小鼠后肢肌肉的治療方式。來源:science.org

經(jīng)過對小鼠三天的機械治療后，研究員們觀察到接受治療的肌肉中的一些細胞因子顯著降低，這些細胞因子都與稱為中性粒細胞的免疫細胞的活動有關(guān)，其在炎癥過程中發(fā)揮著許多作用。接受治療的肌肉組織中的中性粒細胞也比未接受治療的肌肉少，這表明與之相關(guān)的細胞因子減少導致了中性粒細胞的減少。研究員們將治療繼續(xù)，觀察并記錄了治療3天、7天和14天的大量多項生物因子數(shù)據(jù)。下圖為其中一項中性粒細胞相關(guān)的圖表。

圖2. 對比控制組和軟體機械治療后的小鼠肌肉中，中性粒細胞的分泌種類及其分泌量。

中性粒細胞可以殺死和清除病原體和受損組織，但在這項研究中，研究員們又在此基礎(chǔ)上確定了它們對肌肉細胞的直接影響，即機械療法施加在肌肉上的力可以有效地將中性粒細胞和細胞因子從受傷組織中擠出。他們通過將熒光分子注入肌肉的方法，觀察到分子的運動在施加力時更顯著，從而證實了這一理論。同時，該團隊通過在受傷后第三天消耗小鼠中的中性粒細胞，確定了受傷肌肉中中性粒細胞存在的最佳時間。與未接受治療的小鼠相比，接受治療的小鼠的肌肉顯示出更大的纖維尺寸和更大的力量恢復，這證實了雖然中性粒細胞在損傷恢復的最早階段是必需的，但盡早讓它們離開損傷部位可以改善肌肉的再生。也就是說，雖然炎癥反應(yīng)對于愈合初始階段的再生很重要，但炎癥迅速得到解決以使再生過程能夠順利進行也同樣重要。

在過去，力學可以影響細胞和組織功能這個觀點一直未被得到證實，并被很多人認為是無效的。而這項研究的發(fā)現(xiàn)證實了我們確實可以通過這種無毒害、非侵入性的方式來改善人體免疫系統(tǒng)的功能。同時研究中對肌肉修復軟體機器人的開發(fā)，也為未來開發(fā)體外使用的軟體治療機器提供了巨大的動力。

Reference：

Bo Ri Seo, Christopher J. Payne, Stephanie L. McNamara, Benjamin R. Freedman, Brian J. Kwee, Sungmin Nam, Irene de Lázaro, Max Darnell, Jonathan T. Alvarez, Maxence O. Dellacherie, Herman H. Vandenburgh, Conor J. Walsh, David J. Mooney. Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils. Science Translational Medicine, 2021; 13 (614) DOI: 10.1126/scitranslmed.abe8868

撰文|Sherry Lyu

編輯|小耳朵

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