隨著天氣的不斷回暖，登山、徒步等戶外運(yùn)動(dòng)又逐漸成為人們?nèi)粘Ｐ菹⒎潘傻倪x擇。但在開(kāi)展戶外運(yùn)動(dòng)進(jìn)行放松的同時(shí)，也需要保護(hù)好自己的安全，因劇烈運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的各類受傷情況也時(shí)有發(fā)生。其中骨骼肌的機(jī)械性損傷是較為常見(jiàn)的受傷情況之一，尤其是對(duì)于運(yùn)動(dòng)員、登山者、護(hù)林員，會(huì)嚴(yán)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(jì)和開(kāi)發(fā)新型的生物材料，來(lái)治療這種損傷。
近日，Niranjan Chatterjee教授和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于協(xié)助肌管再生的肌肉彈性聚合物-碳復(fù)合材料（MusCAMLR）。通過(guò)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(shí)顯示各向同性的凝膠行為，因此不能對(duì)骨骼肌的擴(kuò)張-收縮行為作出各向異性的反應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在水凝膠中加入添加劑來(lái)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(jìn)行追蹤。
通過(guò)微波輔助氧化將碳納米顆粒和PNIPAM水凝膠結(jié)合起來(lái)，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(guò)程
研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)鼠身上進(jìn)行了測(cè)試，為了研究MusCAMLR在搶救機(jī)械損傷的骨骼肌中的作用，使用離心型運(yùn)動(dòng)作為機(jī)械刺激，建立了一個(gè)延遲性肌肉酸痛（DOMS）的動(dòng)物模型。由于離心型運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致肌肉纖維的延長(zhǎng)，這種肌肉損傷也被稱為應(yīng)變性損傷，它導(dǎo)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(dǎo)后36小時(shí)，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(shí)內(nèi)，即108小時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，血清肌酸激酶水平得到了恢復(fù)（圖2c）。在解剖動(dòng)物進(jìn)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(duì)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(shí)內(nèi)降低到正常水平。
圖2 在罹患延遲性肌肉酸痛（DOMS）動(dòng)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)骨骼肌的完整性進(jìn)行了檢測(cè)。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(shí)驗(yàn)組，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)基本與正常組一致。為了評(píng)估肌節(jié)的Z線，對(duì)肱三頭肌組織使用甲苯胺藍(lán)染色。健康的肌節(jié)間的界限十分明顯（圖3f），而DOMS組由于機(jī)械損傷，其界限被破壞和擴(kuò)散，表明Z盤被破壞（圖3g）。注射了MusCAMLR的實(shí)驗(yàn)組的肌肉結(jié)構(gòu)整體上趨于完整（圖3h），表明MusCAMLR對(duì)于恢復(fù)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(shí)驗(yàn)中使用由離心型運(yùn)動(dòng)引發(fā)的DOMS損傷模型是為了模仿現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景，如下山、張臂運(yùn)動(dòng)等。由于肱三頭肌是伸肌，在下坡跑后會(huì)表現(xiàn)出更大的損傷效果。MusCAMLR能夠支持肌細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，以及受損肌肉的進(jìn)一步恢復(fù)。MusCAMLR出色的機(jī)械兼容性和調(diào)整后的各向異性也為實(shí)現(xiàn)肌肉模擬的目標(biāo)提供了一個(gè)方向，也許未來(lái)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(tuán)隊(duì)并未找到合適的金標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)比治療效果。未來(lái)的研究中會(huì)考慮對(duì)MusCAMLR的功能結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步研究。
