机械疗法是使用机械力刺激组织愈合的概念，几十年来一直被用作一种物理疗法来帮助治愈受伤的肌肉。然而，机械疗法的生物学基础和最佳设置仍然知之甚少，特别是对于老年患者。鉴于众所周知的愈合能力随着年龄的增长而下降，老年患者将从有效的非侵入性肌肉骨骼治疗方法中受益匪浅。

一项新的多学科研究有助于缩小机械疗法对老年肌肉有效性的知识差距。该研究由Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员进行，由Wyss核心教员David Mooney博士领导，与副教员和Paul A. Maeder工程与应用科学教授Conor Walsh博士合作。

在以前的工作中，合作者利用沃尔什实验室在可穿戴机器人系统方面的专业知识来开发一种机器人机械治疗设备，其功能类似于高度先进的按摩枪。这项技术能够将非侵入性机械疗法精确地输送到小鼠受伤的肌肉中，使研究小组能够测量其生物效应。研究人员使用这种装置来优化施加在年轻动物肌肉上的力的大小，持续时间和频率，以加速愈合，并发现机械疗法通过减轻受伤后的炎症来加速肌肉愈合。

现在，在老化的肌肉上使用这种设备，研究人员发现，帮助年轻肌肉在受伤后更快地愈合的相同机械疗法实际上与衰老具有相反的效果 - 促进年轻肌肉愈合的设置加剧了旧肌肉的损伤。为了寻找这些结果的解释，研究小组发现机械疗法放大而不是减轻了老化肌肉的炎症，最终通过破坏肌肉干细胞的行为来阻碍正常的愈合过程，肌肉干细胞是负责替换受损肌肉组织的细胞子集。

在这些发现的推动下，研究人员接下来询问控制炎症以及提供机械疗法是否有助于实现老年肌肉的愈合效果。他们发现情况确实如此：将机械疗法与抗炎治疗相结合，显着改善了老化肌肉的愈合，并且优于单独的抗炎治疗。这项工作发表在《科学机器人》上，为治愈老年患者的肌肉损伤开辟了一条令人兴奋的非侵入性治疗途径。

“我们的研究强调了肌肉干细胞和免疫细胞在年龄背景下如何对机械力做出反应的关键差异，以及上调炎症如何额外损害老年肌肉再生所需的衰老干细胞的功能，”穆尼说，他也是SEAS生物工程的Robert P. Pinkas家族教授。“因此，肌肉机械疗法可能不会是'一刀切'的。为了实现它们的好处，它们必须针对患者群体量身定制，特别是针对老年人，这将是调节炎症的关键。

从惊喜到解决方案

在他们令人惊讶地发现，仅机械疗法实际上通过与免疫系统相互作用来阻碍衰老肌肉的正常再生过程之后，研究小组更深入地研究了肌肉的干细胞。对肌肉施加机械负荷，就像在机械治疗期间所做的那样，通过几种分子“机械转导途径”影响肌肉细胞的行为，这些途径也会影响干细胞。

“我们发现，尽管衰老的干细胞行为被升高的炎症所破坏，但它们仍然能够'感觉到'加载的机械力，正如我们通过这些途径的激活所证明的那样，”第一作者Stephanie McNamara说，他是Mooney团队的研究生，目前参加了哈佛/麻省理工学院联合MD-Ph.D.计划。“这实际上促使我们询问控制炎症是否可能使这些细胞对机械刺激做出反应 - 确实如此。

研究小组发现，以糖皮质激素的形式进行抗炎治疗以及机械疗法抑制了关键的促炎途径，并将受伤的老年肌肉的整体炎症水平降低到受伤的年轻肌肉中。然而，在细胞水平上，肌肉细胞继续经历机械转导，通过消除炎症的负面影响，受伤的衰老肌肉可以对机器人提供的机械负荷做出积极反应。

“众所周知，随着年龄的增长，许多正常的肌肉愈合和炎症过程都会发生变化。重要的是要质疑在年轻动物中进行的研究中看到的相同机制是否随着身体年龄的增长而保持不变，“麦克纳马拉说。“通过利用我们在这项研究和我们以前的工作中学到的知识，并将其与可穿戴软机器人系统日益增长的专业知识相结合，我们相信未来可以开发个性化的机械治疗方法来治愈所有年龄段的损伤。

“这一发现，当与抗炎疗法相结合时，非侵入性机械疗法可以刺激老年人的肌肉修复，为老年人群的再生和修复开辟了一条全新的道路。机械疗法显然具有改变患者生活的巨大潜力，但它是真正的跨学科合作，例如戴夫·穆尼和康纳·沃尔什在威斯研究所的小组之间的合作，为将它们推进到临床现实奠定了基础，“Wyss创始主任Donald Ingber博士说，他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授， 以及哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的Hansjörg Wyss生物启发工程教授。