隨著天氣的不斷回暖，登山、徒步等戶外運動又逐漸成為人們?nèi)粘Ｐ菹⒎潘傻倪x擇。但在開展戶外運動進行放松的同時，也需要保護好自己的安全，因劇烈運動導致的各類受傷情況也時有發(fā)生。其中骨骼肌的機械性損傷是較為常見的受傷情況之一，尤其是對于運動員、登山者、護林員，會嚴重影響他們的日常工作和生活。傳統(tǒng)治療策略的緩慢和藥物的副作用要求研究者設(shè)計和開發(fā)新型的生物材料，來治療這種損傷。
近日，Niranjan Chatterjee教授和他的團隊開發(fā)了一種用于協(xié)助肌管再生的肌肉彈性聚合物-碳復合材料（MusCAMLR）。通過在PNIPAM水凝膠中加入納米碳材料，以模擬肌肉組織的各向異性。
PNIPAM作為一種溫度敏感的聚合物，已知在32℃時顯示各向同性的凝膠行為，因此不能對骨骼肌的擴張-收縮行為作出各向異性的反應(yīng)。研究團隊通過在水凝膠中加入添加劑來調(diào)整性狀，具有親水性、生物相容性且易于生產(chǎn)的碳納米顆粒（CNPs）成為了首選。另外由于CNPs具有熒光性質(zhì)，在后續(xù)的研究中更易進行追蹤。
通過微波輔助氧化將碳納米顆粒和PNIPAM水凝膠結(jié)合起來，產(chǎn)生了MusCAMLR，它在生理溫度下提供結(jié)構(gòu)各向異性，類似于正常的骨骼肌。
圖1 MusCAMLR制備過程
研究團隊在實驗鼠身上進行了測試，為了研究MusCAMLR在搶救機械損傷的骨骼肌中的作用，使用離心型運動作為機械刺激，建立了一個延遲性肌肉酸痛（DOMS）的動物模型。由于離心型運動導致肌肉纖維的延長，這種肌肉損傷也被稱為應(yīng)變性損傷，它導致肌肉纖維的收縮元素的破壞，肌肉蛋白在血漿中的泄漏，免疫反應(yīng)的激活，以及肌肉性能的降低。
在應(yīng)用MusCAMLR之前，第2組（DOMS組）和第3組（MusCAMLR治療組）的肌肉損傷在誘導后36小時，血清肌酸激酶水平明顯上升（圖2b）。據(jù)觀察，在肱三頭肌肌肉內(nèi)注射MusCAMLR后，在應(yīng)用后72小時內(nèi)，即108小時的時間點，血清肌酸激酶水平得到了恢復（圖2c）。在解剖動物進行染色切片觀察后，并未發(fā)現(xiàn)心臟、肝臟、肺、腎臟、脾臟和腸道有毒性跡象、免疫激活和其他組織的不良影響（圖2d-i），接近于DOMS組，表明材料具有良好的生物相容性。對健康組、DOMS組和MusCAMLR治療組的肌肉組織的力圖數(shù)據(jù)分析（圖2j-i），顯示DOMS組肱三頭肌肌肉的組織硬度明顯增加，在MusCAMLR治療后72小時內(nèi)降低到正常水平。
圖2 在罹患延遲性肌肉酸痛（DOMS）動物模型進行實驗
此外，研究團隊還對骨骼肌的完整性進行了檢測。發(fā)現(xiàn)DOMS組受損肌肉的橫截面積（圖3d）和集中核的百分比（圖3e）都明顯減少，這意味著肌肉發(fā)生了萎縮。而注射了MusCAMLR的實驗組，這兩項數(shù)據(jù)基本與正常組一致。為了評估肌節(jié)的Z線，對肱三頭肌組織使用甲苯胺藍染色。健康的肌節(jié)間的界限十分明顯（圖3f），而DOMS組由于機械損傷，其界限被破壞和擴散，表明Z盤被破壞（圖3g）。注射了MusCAMLR的實驗組的肌肉結(jié)構(gòu)整體上趨于完整（圖3h），表明MusCAMLR對于恢復骨骼肌的結(jié)構(gòu)完整有一定的作用。
圖3 肱三頭肌的橫截面以及縱截面組織切片
總結(jié)
在實驗中使用由離心型運動引發(fā)的DOMS損傷模型是為了模仿現(xiàn)實中的場景，如下山、張臂運動等。由于肱三頭肌是伸肌，在下坡跑后會表現(xiàn)出更大的損傷效果。MusCAMLR能夠支持肌細胞的生長和分化，以及受損肌肉的進一步恢復。MusCAMLR出色的機械兼容性和調(diào)整后的各向異性也為實現(xiàn)肌肉模擬的目標提供了一個方向，也許未來可能用于治療肌肉萎縮癥患者。
此外由于目前治療DOMS的方法主要為冷凍治療、應(yīng)用電刺激、使用超聲波和使用抗炎藥物。其中非甾體抗炎藥能在一定程度上減少酸痛感，但其拯救受損肌肉微觀結(jié)構(gòu)的能力并不完善。因此研究團隊并未找到合適的金標準來對比治療效果。未來的研究中會考慮對MusCAMLR的功能結(jié)果進行進一步研究。
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