骨骼肌
關注創(chuàng)建者：非金非土非木 創(chuàng)建時間：2021-04-12
骨骼肌的實例教程
【科研摘要】
骨骼肌的組織工程學已被提出作為廣泛的肌肉損傷的一種潛在的再生治療方法。在這方面，骨骼肌的高度組織化的結(jié)構(gòu)使細胞的排列在肌肉組織工程中尤其不可或缺。然而，實現(xiàn)所需的對準繼續(xù)證明是有挑戰(zhàn)性的，尤其是在
3D工程組織構(gòu)造中。
最近
，
韓國科學技術學院
Nakwon Choi
/延世大學
Seung‐Woo Cho
教授
團隊
展示了一種仿生方法，
通過概括3D肌肉樣細胞和細胞外組織來生成功能性骨骼肌束樣組織。實現(xiàn)了肌肉細胞外基質(zhì)（MEM）納米纖維的各向異性3D對齊，該納米纖維能夠通過調(diào)節(jié)可拉伸彈性體芯片中的纖維形成動力學來提供促肌原性微環(huán)境。
重新編程的肌肉祖細胞沿著對齊的MEM納米纖維以3D構(gòu)型發(fā)育肌纖維
，最終達到骨骼肌的結(jié)構(gòu)和功能成熟。
由此產(chǎn)生的
3D肌肉束狀結(jié)構(gòu)可支持從頭肌肉再生，并在造成體積肌肉丟失和先天性肌營養(yǎng)不良的動物模型中誘導受傷肌肉的功能恢復。
這項研究不僅強調(diào)了模擬肌肉的結(jié)構(gòu)指導線索對3D肌肉組織工程的基本作用，而且還揭示了人工肌肉構(gòu)造在再生醫(yī)學中的臨床潛力。
相關論文以題為
Reconstruction of Muscle Fascicle‐Like Tissues by Anisotropic 3D Patterning
發(fā)表在《
Advanced
Functional
Materials
》上。
圖1
MEM的表征和3D對齊的MEM水凝膠的生成。
圖2
MEM的蛋白質(zhì)組學表征。
圖3
在
3D工程化骨骼肌構(gòu)造中增強了iMPC的肌發(fā)生。
展開 通過電熱效應操控LM-LCE纖維形變時，纖維溫度及升溫速率均可通過改變電刺激的參數(shù)進行調(diào)控：通過調(diào)控電壓，LM-LCE纖維在各個通電時間下均可以達到約43%的最大形變率，與人類骨骼肌的最大收縮率（>40%）相近。在15 V，0.1 s的電壓刺激下，纖維的升溫速率達到最大，約為562 °C·s-1，此時，纖維的平均形變速率也達到最大，約為284 %·s-1，是人類骨骼肌收縮速率（>50%·s-1）的5倍以上。
圖3. 模仿人類肱三頭肌的LM-LCE纖維驅(qū)動的精確拋球。
最后，該團隊展示了LM-LCE纖維作為人工肌肉對外做功的能力。設計了人工手臂以模擬投籃時肱三頭肌快速收縮做功的過程：LM-LCE纖維在脈沖電刺激下發(fā)生快速收縮，帶動模擬前臂的投射桿將小球加速投出。由于LM-LCE纖維可以通過調(diào)控電壓及通電時間發(fā)生可控形變，因此所制備的人工手臂實現(xiàn)了對小球拋射速度和距離的精確控制。在這一過程中，LM-LCE纖維的特征功率可以通過改變輸入電能實現(xiàn)在0~367 W·kg-1的大范圍內(nèi)精確控制，且纖維輸出的最大特征功率超過了人類骨骼肌（280 W·kg-1）。LM-LCE纖維在電致形變過程中能抬起自身重量220倍以上的物體，輸出0.6 MPa的收縮應力，并產(chǎn)生最大417 kJ·m-3的功密度，是人類骨骼肌性能（40 kJ·m-3）的10倍。
以上研究成果以《Ultra-Fast, High-Contractile Electrothermal-Driven Liquid Crystal Elastomer Fibers towards Artificial Muscles》為題，發(fā)表在Small上。
展開 下一步在進行患者臨床試驗之前研究人員還需要進行大規(guī)模的動物研究來檢測這種基因療法的安全性，AAV所介導的基因療法目前已經(jīng)在歐洲和美國獲批用來治療多種類型的基因，而且研究人員在利用AAV介導的肝臟和骨骼肌基因轉(zhuǎn)移上也具有廣泛的臨床經(jīng)驗，因此未來研究人員有望利用基于FGF21的基因療法來治療2型糖尿病、肥胖癥及其相關的疾病。
來源：生物醫(yī)學實驗共享平臺
人體骨骼肌具有優(yōu)異的機械訓練自增強、應變硬化、智能驅(qū)動等綜合特征，使得肌肉能夠不斷自我強化抵抗外界作用力，并能根據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)的電流信號對外做功來改造環(huán)境。受之啟發(fā)的人工肌肉功能材料在醫(yī)療器械、機器人、智能驅(qū)動等領域具有重要的應用前景。但是，要把人體骨骼肌的這些優(yōu)異特征全部集成到單一合成材料上是一個巨大的挑戰(zhàn)。
圖1 人體骨骼肌基本特征
近日，華南理工大學劉偉峰和廣東工業(yè)大學邱學青教授團隊使用極其常見的三元乙丙橡膠（EPDM）和極其普通的工業(yè)木質(zhì)素（一般人都不會注意它）為原料，利用木質(zhì)素協(xié)同配位增強的功能，結(jié)合機械訓練方法，首次構(gòu)建出同時具備機械訓練自增強、應變硬化和智能驅(qū)動等綜合特征的人工肌肉功能材料。
圖2 人工肌肉制備和變形機理示意圖
首先向EPDM基體內(nèi)添加具有配位能力的木質(zhì)素作為綠色增強劑，同時在木質(zhì)素與EPDM相界面引入鋅離子配位鍵，再通過反復的機械訓練，促使配位交聯(lián)網(wǎng)絡重排，構(gòu)建出具有局部鏈段穩(wěn)定取向的EPDM復合材料。重構(gòu)的配位交聯(lián)網(wǎng)絡不但能集中斷裂耗散能量，而且能更有效促進鏈段取向結(jié)晶，使材料呈現(xiàn)機械訓練自增強和應變硬化的特點。并且，EPDM特殊的鏈段微結(jié)構(gòu)使復合材料能在外界熱/電刺激下往復對外做功，執(zhí)行應變可超過40%，執(zhí)行應力高達1.5 MPa（人體骨骼肌的執(zhí)行應變40%，執(zhí)行應力0.35 MPa），能提起自身重量10000倍的重物，具有出色的對外做功能力。
展開 白色脂肪組織（WAT）和骨骼肌（SkM）分別是最受肥胖和運動影響的組織（之一）。因此，一直是在組織水平上研究的重點。
為了探索這個復雜的問題，Manolis Kellis 團隊決定對小鼠骨骼肌、內(nèi)臟白色脂肪組織（vWAT）和皮下白色脂肪組織（scWAT）進行單細胞 RNA 測序。vWAT 聚集在內(nèi)臟器官周圍，主要儲存脂肪；scWAT 存在于皮膚下，主要負責燃燒脂肪。這些組織來自四個不同實驗組的小鼠。兩組小鼠被分別喂食正常飲食和高脂肪飲食。三周后，兩組動物又被進一步分為久坐組和運動組。
研究人員在所有三種組織中發(fā)現(xiàn)了1386個組織水平差異表達基因?；虮倔w論途徑富集和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用分析揭示了干預措施和組織之間共同和獨特的生物學過程。
他們還生成了一個包含204883個細胞的單細胞圖譜，用于研究肥胖-運動相互作用。通過分析這些小鼠的組織，研究人員可以全面地對53種不同細胞類型中被運動激活或抑制的基因進行分類。
他們觀察到在所有三種類型的組織中，間充質(zhì)干細胞（MSC）似乎控制了他們觀察到的許多飲食和運動誘導的影響。間充質(zhì)干細胞是一種可以分化為其他類型細胞的干細胞，包括脂肪細胞和成纖維細胞。研究團隊發(fā)現(xiàn)，在脂肪組織中，高脂肪飲食調(diào)節(jié)了間充質(zhì)干細胞分化為脂肪儲存細胞，而運動則逆轉(zhuǎn)了這種作用。
除了促進脂肪儲存，研究人員發(fā)現(xiàn)高脂肪飲食還刺激間充質(zhì)干細胞分泌重塑細胞外基質(zhì)的因子。細胞外基質(zhì)（ECM）是一種蛋白質(zhì)和其他分子組成的網(wǎng)絡，包圍并支持體內(nèi)的細胞和組織。ECM的重塑有助于為擴大的脂肪存儲細胞提供結(jié)構(gòu)，同時還創(chuàng)造了一個更具炎癥性的環(huán)境。
Manolis Kellis 表示，隨著脂肪細胞的脂質(zhì)超載，壓力會非常大，這會進一步導致低度炎癥。這種炎癥是全身性的并且可以長期存在。
展開 
骨骼肌的最新內(nèi)容
白色脂肪組織（WAT）和骨骼肌（SkM）分別是最受肥胖和運動影響的組織（之一）。因此，一直是在組織水平上研究的重點。
為了探索這個復雜的問題，Manolis Kellis 團隊決定對小鼠骨骼肌、內(nèi)臟白色脂肪組織（vWAT）和皮下白色脂肪組織（scWAT）進行單細胞 RNA 測序。vWAT 聚集在內(nèi)臟器官周圍，主要儲存脂肪；scWAT 存在于皮膚下，主要負責燃燒脂肪。
圖2 生物材料中存在的分層級結(jié)構(gòu)：(a) 甲蟲鞘翅；(b) 蜘蛛網(wǎng)；(c) 骨骼肌；(d) 肌腱；(e) 骨骼；(f) 柚皮；(g)竹子。
與標準水凝膠中的相同細胞相比，垂直冷凍生物打印水凝膠支架中的骨骼肌成肌細胞顯示出增強的細胞活力、伸展和排列形態(tài)。該方法進一步擴展到多材料打印，在界面組織工程中尋找潛在應用，例如創(chuàng)建肌肉-肌腱單元和肌肉-微血管單元。這種的獨特的垂直冷凍生物打印技術在各向異性組織的組織工程、藥物發(fā)現(xiàn)和個性化治療等中將有廣泛應用（圖2）。
在這一過程中，LM-LCE纖維的特征功率可以通過改變輸入電能實現(xiàn)在0~367 W·kg-1的大范圍內(nèi)精確控制，且纖維輸出的最大特征功率超過了人類骨骼肌（280 W·kg-1）。
Shrike Zhang教授：體外構(gòu)建可注射型內(nèi)皮細胞化微纖維用于微創(chuàng)原位再生新生血管新進展
華僑大學陳愛政教授課題組和哈佛醫(yī)學院張宇教授課題組：在高度貫通多孔微載體用于骨骼肌細胞微創(chuàng)原位遞送方面取得新進展
哈佛醫(yī)學院《Adv. Funct. Mater.》
基于以上兩點，粘附型水凝膠電子器件在可植入式電子器件以及組織器官遠程監(jiān)測方面具有很大應用潛力，例如其對于心臟、肺部、神經(jīng)或骨骼肌等組織器官的監(jiān)測及修復。
但是，要把人體骨骼肌的這些優(yōu)異特征全部集成到單一合成材料上是一個巨大的挑戰(zhàn)。
Shrike Zhang教授：體外構(gòu)建可注射型內(nèi)皮細胞化微纖維用于微創(chuàng)原位再生新生血管新進展
華僑大學陳愛政教授課題組和哈佛醫(yī)學院張宇教授課題組：在高度貫通多孔微載體用于骨骼肌細胞微創(chuàng)原位遞送方面取得新進展
哈佛醫(yī)學院《Adv. Funct. Mater.》
研究的主要作者、UOW澳大利亞創(chuàng)新材料研究所的杰弗里·斯賓克斯（Geoffrey Spinks）教授說道：“使用模擬骨骼肌的驅(qū)動材料為微型機器人提供動力很有吸引力，但它們太復雜了，無法輕易縮小尺寸。因此，我們期待人造肌肉來為機器人提供良好的機械驅(qū)動?！?/div>
Shrike Zhang教授：體外構(gòu)建可注射型內(nèi)皮細胞化微纖維用于微創(chuàng)原位再生新生血管新進展
華僑大學陳愛政教授課題組和哈佛醫(yī)學院張宇教授課題組：在高度貫通多孔微載體用于骨骼肌細胞微創(chuàng)原位遞送方面取得新進展
哈佛醫(yī)學院《Adv. Funct. Mater.》
