为什么按摩这么爽?哈佛大学研究首次揭示原理

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按摩是以中医的脏腑、经络学说为理论基础,并结合西医的解剖和病理诊断,而用手法作用于人体体表的特定部位以调节机体生理、病理状况,达到理疗目的的方法,从性质上来说,它是一种物理的治疗方法。从按摩的治疗上,可分为保健按摩、运动按摩和医疗按摩。


如今,许多运动员也选择用机械按摩枪、筋膜枪等来帮助恢复训练后的身体。但除了让人感觉比较舒服之外,这种“机械性按摩疗法”真的能有效地改善肌肉受伤后的修复和愈合吗?


10月11日,哈佛大学的Wyss生物启发工程研究所与John A. Paulson 工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员们,在Science Translational Medicine上发表的一项研究,对上述问题进行了回答。


为什么按摩这么爽?哈佛大学研究首次揭示原理


哈佛大学的研究团队使用一个专门定制设计的机器人系统,向有肌肉损伤的小鼠腿部肌肉进行均匀且可调节的压缩力。他们发现这种机械载荷 (ML) 可快速清除严重受伤肌肉组织中,一种称为中性粒细胞的免疫细胞。同时,这个过程还去除了肌肉中中性粒细胞释放的炎性细胞因子,进而增强了肌纤维再生的过程。


本研究的第一作者Bo Ri Seo博士和她的同事们,在几年前开始探索机械疗法对小鼠受伤组织的影响,并发现机械疗法可以在两周内使肌肉再生速度加倍,并且大大减少了组织疤痕。他们相信机械刺激疗法通过干预免疫功能,可以促进骨骼、肌腱、头发和皮肤在内的各种组织再生,也可以用于辅助使用药物干预的疾病患者。而遗憾的是,在此研究之前,还没有一种完全系统化、高重复性的机械疗法用于组织修复。因此他们对机械刺激可以促进再生和增强肌肉功能十分感兴趣,并决定更深入地探索该过程在体内的确切运作方式,同时找出哪些参数可以最大限度地促进愈合。


此研究团队在几年前开始与软体机器人专家着手研究如何开发更细致的按摩机械枪,并对其功能进行研究。而为了研究按摩机械枪对于受损肌肉的功能,他们制造了有肌肉损伤的小鼠模型。


研究员们对小鼠的腿部肌肉注射了肌肉毒素,在此基础上得以研究小鼠缺血后的后肢肌肉再生的情况。继而使用了定制开发的软界面机器人系统对小鼠的后肢肌肉施加压力(类比按摩),发现这个过程促进了中性粒细胞的清除,减少了促炎细胞因子和趋化因子,并因此改善了肌肉纤维的组成和功能。他们得出的结论是,治疗性机械刺激方案是支持和加速肌肉再生的。


此研究的一个重大突破,就是开发了对肌肉系统性、重复性施压的小型软体机器人设备。软体机器人是一种新型的柔软机器人,与人类的交互更安全。机器人本体是用柔软材料制作的,并且区别于传统机器人的电机驱动,软体机器人的驱动方式主要取决于设计的智能材料对于电场、压力、磁场、化学反应、光、温度等的反应。


Seo和同事们与哈佛生物设计实验室的软体机器人专家进行合作,在Wyss副教员和Conor Walsh 博士的领导下,创建了本研究中使用的小型设备,该设备使用传感器和执行器来监测和控制施加在小鼠肢体上的力。此设备能够精确控制施加的力的大小和频率等参数,从而能够以比手动方法更系统的方法来帮助组织愈合。设备研究并制作完毕后,研究员们就通过设备的软硅胶尖端对小鼠的腿部肌肉施加力进行试验,并使用超声波来观察腿部肌肉组织的反应。他们观察到肌肉承受了10-40%的应变,这证实了组织正在承受机械力。


他们还使用这些超声成像数据来开发和验证了一个计算模型,该模型可以预测不同载荷下的组织应变量。同时,他们还对组织进行了详细的生物学评估,分析了未经治疗与治疗肌肉中的各种炎症相关因素,比如细胞因子和趋化因子。


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图1. 多路机器人驱动系统应用于小鼠后肢肌肉的治疗方式。来源:science.org


经过对小鼠三天的机械治疗后,研究员们观察到接受治疗的肌肉中的一些细胞因子显著降低,这些细胞因子都与称为中性粒细胞的免疫细胞的活动有关,其在炎症过程中发挥着许多作用。接受治疗的肌肉组织中的中性粒细胞也比未接受治疗的肌肉少,这表明与之相关的细胞因子减少导致了中性粒细胞的减少。研究员们将治疗继续,观察并记录了治疗3天、7天和14天的大量多项生物因子数据。下图为其中一项中性粒细胞相关的图表。


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图2. 对比控制组和软体机械治疗后的小鼠肌肉中,中性粒细胞的分泌种类及其分泌量。


中性粒细胞可以杀死和清除病原体和受损组织,但在这项研究中,研究员们又在此基础上确定了它们对肌肉细胞的直接影响,即机械疗法施加在肌肉上的力可以有效地将中性粒细胞和细胞因子从受伤组织中挤出。他们通过将荧光分子注入肌肉的方法,观察到分子的运动在施加力时更显著,从而证实了这一理论。同时,该团队通过在受伤后第三天消耗小鼠中的中性粒细胞,确定了受伤肌肉中中性粒细胞存在的最佳时间。与未接受治疗的小鼠相比,接受治疗的小鼠的肌肉显示出更大的纤维尺寸和更大的力量恢复,这证实了虽然中性粒细胞在损伤恢复的最早阶段是必需的,但尽早让它们离开损伤部位可以改善肌肉的再生。也就是说,虽然炎症反应对于愈合初始阶段的再生很重要,但炎症迅速得到解决以使再生过程能够顺利进行也同样重要。


在过去,力学可以影响细胞和组织功能这个观点一直未被得到证实,并被很多人认为是无效的。而这项研究的发现证实了我们确实可以通过这种无毒害、非侵入性的方式来改善人体免疫系统的功能。同时研究中对肌肉修复软体机器人的开发,也为未来开发体外使用的软体治疗机器提供了巨大的动力。


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

编辑|小耳朵

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