Il massaggio è stato usato per trattare i muscoli doloranti e feriti per più di 3000 anni e oggi molti atleti giurano che le pistole per massaggi riabilitano i loro corpi. Ma oltre a far star bene le persone, queste “meccanoterapie” migliorano effettivamente la guarigione dopo un grave infortunio? Secondo un nuovo studio dei ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard e della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), la risposta è “sì”.
Utilizzando un sistema robotico progettato su misura per fornire forze di compressione coerenti e regolabili ai muscoli delle gambe dei topi, il team ha scoperto che questo carico meccanico (ML) elimina rapidamente le cellule immunitarie chiamate neutrofili dal tessuto muscolare gravemente ferito. Questo processo ha anche rimosso le citochine infiammatorie rilasciate dai neutrofili dai muscoli, migliorando il processo di rigenerazione delle fibre muscolari. La ricerca è pubblicata su Science Translational Medicine .
“Molte persone hanno cercato di studiare gli effetti benefici del massaggio e di altre meccanoterapia sul corpo, ma fino a quel momento non era stato fatto in modo sistematico e riproducibile. Il nostro lavoro mostra una connessione molto chiara tra stimolazione meccanica e funzione immunitaria. Ciò promette di rigenerare un’ampia varietà di tessuti tra cui ossa, tendini, capelli e pelle e può essere utilizzato anche in pazienti con malattie che impediscono l’uso di interventi basati sui farmaci”, ha affermato il primo autore Bo Ri Seo, Ph.D. ., che è un borsista post-dottorato nel laboratorio del membro della facoltà principale Dave Mooney, Ph.D. al Wyss Institute e SEAS.
Una pistola da massaggio più meticolosa
Seo e i suoi coautori hanno iniziato a esplorare gli effetti della meccanoterapia sui tessuti danneggiati nei topi diversi anni fa e hanno scoperto che ha raddoppiato il tasso di rigenerazione muscolare e ridotto le cicatrici tissutali nel corso di due settimane. Eccitato dall’idea che la stimolazione meccanica da sola possa favorire la rigenerazione e migliorare la funzione muscolare, il team ha deciso di indagare più a fondo esattamente come funzionava quel processo nel corpo e di capire quali parametri avrebbero massimizzato la guarigione.
Hanno collaborato con esperti di robotica morbida nell’Harvard Biodesign Lab, guidati dal membro della Wyss Associate Faculty Conor Walsh, Ph.D. , per creare un piccolo dispositivo che utilizzasse sensori e attuatori per monitorare e controllare la forza applicata all’arto di un topo. “Il dispositivo che abbiamo creato ci consente di controllare con precisione parametri come la quantità e la frequenza della forza applicata, consentendo un approccio molto più sistematico alla comprensione della guarigione dei tessuti di quanto sarebbe possibile con un approccio manuale”, ha affermato il co-secondo autore Christopher Payne, Ph. D., un ex Postdoctoral Fellow presso il Wyss Institute e l’Harvard Biodesign Lab che ora è un ingegnere robotico presso Viam, Inc.
Una volta che il dispositivo era pronto, il team ha sperimentato l’applicazione della forza ai muscoli delle gambe dei topi tramite una punta in silicone morbido e ha utilizzato gli ultrasuoni per dare un’occhiata a cosa è successo al tessuto in risposta. Hanno osservato che i muscoli hanno subito uno sforzo compreso tra il 10 e il 40%, confermando che i tessuti stavano subendo una forza meccanica. Hanno anche usato quei dati di imaging ad ultrasuoni per sviluppare e convalidare un modello computazionale in grado di prevedere la quantità di deformazione tissutale sotto diverse forze di carico.
Hanno quindi applicato una forza costante e ripetuta ai muscoli feriti per 14 giorni. Mentre sia i muscoli trattati che quelli non trattati mostravano una riduzione della quantità di fibre muscolari danneggiate, la riduzione era più pronunciata e l’area della sezione trasversale delle fibre era più grande nel muscolo trattato, indicando che il trattamento aveva portato a una maggiore riparazione e recupero della forza. Maggiore è la forza applicata durante il trattamento, più forti sono diventati i muscoli lesionati, a conferma che la meccanoterapia migliora il recupero muscolare dopo l’infortunio. Ma come?
Eliminazione dei neutrofili per migliorare la rigenerazione
Per rispondere a questa domanda, gli scienziati hanno eseguito una valutazione biologica dettagliata, analizzando un’ampia gamma di fattori correlati all’infiammazione chiamati citochine e chemochine nei muscoli non trattati rispetto a quelli trattati. Un sottoinsieme di citochine era notevolmente inferiore nei muscoli trattati dopo tre giorni di meccanoterapia e queste citochine sono associate al movimento delle cellule immunitarie chiamate neutrofili, che svolgono molti ruoli nel processo di infiammazione. I muscoli trattati avevano anche meno neutrofili nei loro tessuti rispetto ai muscoli non trattati, suggerendo che la riduzione delle citochine che li attraggono aveva causato la diminuzione dell’infiltrazione dei neutrofili.
Il team aveva la sensazione che la forza applicata al muscolo dalla meccanoterapia avesse efficacemente spremuto i neutrofili e le citochine dal tessuto danneggiato. Hanno confermato questa teoria iniettando molecole fluorescenti nei muscoli e osservando che il movimento delle molecole era più significativo con l’applicazione della forza, supportando l’idea che aiutasse a svuotare il tessuto muscolare.
Per distinguere quale effetto hanno i neutrofili e le loro citochine associate sulla rigenerazione delle fibre muscolari, gli scienziati hanno eseguito studi in vitro in cui hanno coltivato cellule progenitrici muscolari (MPC) in un mezzo in cui erano stati precedentemente coltivati i neutrofili. Hanno scoperto che il numero di MPC è aumentato, ma la velocità con cui si sono differenziati (sviluppati in altri tipi di cellule) è diminuita, suggerendo che i fattori secreti dai neutrofili stimolano la crescita delle cellule muscolari, ma la presenza prolungata di tali fattori compromette la produzione di nuovi fibre muscolari.
“È noto che i neutrofili uccidono ed eliminano gli agenti patogeni e i tessuti danneggiati, ma in questo studio abbiamo identificato i loro impatti diretti sui comportamenti delle cellule progenitrici muscolari”, ha affermato la co-seconda autrice Stephanie McNamara, ex borsista post-laurea presso il Wyss Institute che è ora un MD-Ph.D. studente presso la Harvard Medical School (HMS). “Mentre la risposta infiammatoria è importante per la rigenerazione nelle fasi iniziali della guarigione, è altrettanto importante che l’infiammazione si risolva rapidamente per consentire ai processi rigenerativi di compiere il suo corso completo”.
Seo e i suoi colleghi sono quindi tornati al loro modello in vivo e hanno analizzato i tipi di fibre muscolari nei topi trattati rispetto a quelli non trattati 14 giorni dopo l’infortunio. Hanno scoperto che le fibre di tipo IIX erano prevalenti nel muscolo sano e in quello trattato, ma il muscolo ferito non trattato conteneva un numero minore di fibre di tipo IIX e un numero maggiore di fibre di tipo IIA. Questa differenza spiegava la dimensione della fibra allargata e la maggiore produzione di forza dei muscoli trattati, poiché le fibre IIX producono più forza delle fibre IIA.
Infine, il team ha individuato la quantità di tempo ottimale per la presenza di neutrofili nel muscolo danneggiato esaurendo i neutrofili nei topi il terzo giorno dopo l’infortunio. I muscoli dei topi trattati hanno mostrato una dimensione delle fibre più grande e un maggiore recupero della forza rispetto a quelli dei topi non trattati, confermando che mentre i neutrofili sono necessari nelle prime fasi del recupero dall’infortunio, farli uscire presto dal sito della lesione porta a una migliore rigenerazione muscolare.
“Questi risultati sono notevoli perché indicano che possiamo influenzare la funzione del sistema immunitario del corpo in modo non invasivo e privo di farmaci”, ha affermato Walsh, che è anche professore di ingegneria e scienze applicate Paul A. Maeder presso SEAS. e il cui gruppo è esperto nello sviluppo di tecnologie indossabili per la diagnosi e il trattamento delle malattie. “Ciò fornisce una grande motivazione per lo sviluppo di interventi meccanici esterni per aiutare ad accelerare e migliorare la guarigione di muscoli e tessuti che hanno il potenziale per essere rapidamente tradotti in clinica”.
Il team sta continuando a indagare su questa linea di ricerca con più progetti in laboratorio. Hanno in programma di convalidare questo approccio meccanoterapeutico in animali più grandi, con l’obiettivo di poterne testare l’efficacia sull’uomo. Sperano anche di testarlo su diversi tipi di lesioni, perdita muscolare legata all’età e miglioramento delle prestazioni muscolari.
“I campi della meccanoterapia e dell’immunoterapia raramente interagiscono tra loro, ma questo lavoro è una testimonianza di quanto sia cruciale considerare sia gli elementi fisici che quelli biologici quando si studia e si lavora per migliorare la salute umana”, ha affermato Mooney, che è l’autore corrispondente di il documento e il Professore di Bioingegneria della famiglia Robert P. Pinkas presso SEAS.
“L’idea che la meccanica influenzi la funzione cellulare e tissutale è stata ridicolizzata fino agli ultimi decenni, e mentre gli scienziati hanno fatto grandi passi avanti per stabilire l’accettazione di questo fatto, sappiamo ancora molto poco su come questo processo funzioni effettivamente a livello di organo. Questa ricerca ha rivelato un tipo di interazione precedentemente sconosciuto tra meccanobiologia e immunologia che è fondamentale per la guarigione del tessuto muscolare, oltre a descrivere una nuova forma di meccanoterapia che potenzialmente potrebbe essere potente quanto le terapie chimiche o geniche, ma molto più semplice e meno invasiva, ” ha affermato il direttore fondatore di Wyss Don Ingber , MD, Ph.D., che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology at (HMS) e il Vascular Biology Program presso il Boston Children’s Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.
