W nowym badaniu wykorzystano wszczepialne czujniki, aby pokazać, jak trening oporowy oparty na danych może poprawić gojenie kości.
Naukowcy stworzyli wszczepialne czujniki, które monitorują gojenie kości w czasie rzeczywistym i wykazują znaczną poprawę w zakresie regeneracji kości udowej szczurów w wyniku ośmiotygodniowego programu treningu oporowego. Ta innowacja ma potencjał do zastosowań klinicznych u ludzi w zakresie dostosowywania i ulepszania rehabilitacji.
Innowacyjne wszczepialne czujniki do gojenia kości
Malutkie, wszczepialne czujniki pomagają badaczom w Uniwersytet Oregonu poprawić gojenie się poważnych urazów kości.
Naukowcy z kampusu Phila i Penny Knight na Uniwersytecie UO stworzyli miniaturowe czujniki, które można wszczepiać w miejsca urazów, aby przesyłać dane w czasie rzeczywistym. W niedawnym badaniu wykazano, że stosowanie tych czujników w programie rehabilitacji obejmującym trening oporowy znacznie łagodzi urazy kości udowej u szczurów w ciągu zaledwie ośmiu tygodni.
Czujniki śledzą właściwości mechaniczne gojącej się kości, dostarczając ciągłych, szczegółowych danych na temat procesu regeneracji. Technologia ta, jeśli w przyszłości zostanie zastosowana u ludzi, może pomóc lekarzom w tworzeniu spersonalizowanych programów rehabilitacji poprzez monitorowanie postępów i dostosowywanie ćwiczeń w razie potrzeby.
Wspólne badania i obiecujące wnioski
Praca jest wynikiem współpracy laboratoriów Boba Guldberga, Nicka Willetta i Keata Ghee Onga w kampusie Knight i jest częściowo finansowana przez Wu Tsai Human Performance Alliance. Naukowcy opisali swoje odkrycia 12 grudnia w czasopiśmie npj Medycyna Regeneracyjna.
„Nasze dane potwierdzają wczesną rehabilitację oporową jako obiecującą terapię zwiększającą tworzenie kości, siłę gojenia się kości i promującą pełne przywrócenie właściwości mechanicznych do poziomu sprzed urazu” – powiedział Bob Guldberg, dyrektor Knight Campus i główny autor artykułu.
Zasada Złotowłosej w ćwiczeniach regeneracyjnych
Od dawna wiadomo, że ćwiczenia po urazie opierają się na zasadzie „złotowłosej”: za mało lub za dużo może utrudniać powrót do zdrowia, a odpowiednia ilość może przyspieszyć gojenie.
Określenie dokładnego rodzaju i intensywności ćwiczeń potrzebnych do najlepszej regeneracji może być trudne, zwłaszcza że różni się ono w zależności od pacjenta.
Specjalistyczne czujniki opracowane w kampusie Knight mogą pomóc to zmienić, zapewniając wgląd w to, co dzieje się wewnątrz gojącej się kości podczas okresu rekonwalescencji. Czujniki te, pierwotnie opracowane we współpracy laboratoriów Ong i Guldberg, zostały udoskonalone przez niedawną doktorantkę Kylie Williams.
Testowanie treningu oporowego pod kątem gojenia kości
Mając czujniki w ręku, badacze chcieli sprawdzić, czy bieganie z oporem, które jest szczególnym rodzajem ćwiczeń regeneracyjnych, może zapewnić odpowiednią stymulację mechaniczną w celu poprawy regeneracji kości. W tym celu zbudowali niestandardowe hamulce do kółek do ćwiczeń dla gryzoni, które zwiększały opór podobny do zwiększania nachylenia na bieżni.
Szczury z urazami kości udowej i wszczepionymi czujnikami biegały następnie na zwykłym kole do ćwiczeń lub na zmodyfikowanym kole do ćwiczeń oporowych. Czujniki przesyłały dane o obciążeniu podczas ćwiczeń, dając badaczom wgląd w środowisko mechaniczne komórek kostnych podczas regeneracji.
W ciągu ośmiotygodniowego badania naukowcy monitorowali proces gojenia uszkodzonych kości udowych i odkryli, że szczury wytrenowane oporowo wykazywały wczesne oznaki gojenia się kości w porównaniu ze szczurami prowadzącymi siedzący tryb życia lub nie stawiającymi oporu. Pod koniec ośmiotygodniowego okresu rekonwalescencji wszystkie grupy – prowadzące siedzący tryb życia, nieoporowe i trenujące oporowo – wykazały gojenie się kości.
Jednakże zwierzęta trenujące oporowo miały gęstszą tkankę, co wskazuje, że rehabilitacja oporowa poprawia tworzenie kości. W rzeczywistości uszkodzone kości szczurów trenujących oporowo wykazywały właściwości mechaniczne, takie jak moment obrotowy i sztywność, porównywalne z kościami nieuszkodzonymi.
Oznacza to, że trening oporowy przyspiesza regenerację, nawet bez stosowania dodatkowych leków lub stymulantów biologicznych, powiedział Guldberg.
Potencjalne zastosowania kliniczne rehabilitacji oporowej
W badaniach nad regeneracją często wykorzystuje się czynniki biologiczne, takie jak BMP, cząsteczka sprzyjająca wzrostowi kości. Jednakże zespół Guldberga wykazał całkowity powrót do sprawności funkcjonalnej poprzez sam trening oporowy, podkreślając jego potencjał do zastosowania klinicznego.
„Jednym z najbardziej wpływowych aspektów tej pracy jest to, że nasza rehabilitacja oporowa może zregenerować kość udową do normalnej siły w ciągu ośmiu tygodni bez stymulantów biologicznych, co nas naprawdę ekscytuje” – powiedział Williams, główny autor badania.
Jednym z ograniczeń badania jest to, że wszystkie zwierzęta uzyskały stały poziom odporności przez cały czas trwania eksperymentu. Jednak naukowcy z laboratorium Guldberg badają obecnie, w jaki sposób zwiększanie lub zmniejszanie poziomu intensywności rehabilitacji w ciągu tygodni gojenia może wpływać na regenerację kości.
Obiecujące wyniki i perspektywy na przyszłość
Chociaż badania przeprowadzono na gryzoniach, zespół ma nadzieję, że rehabilitację opartą na danych można również zastosować do poprawy gojenia pacjentów, którzy doznali urazów układu mięśniowo-szkieletowego. Aby osiągnąć ten cel, Penderia Technologies, start-up w kampusie Knight Campus, pracuje nad dalszymi udoskonaleniami wszczepialnych czujników, w tym nad konstrukcją niewymagającą baterii i przenośnymi monitorami, które ułatwią stosowanie u pacjentów. Po ukończeniu studiów w grudniu Williams dołączy do doktora Onga i rosnącego zespołu Penderia, aby dalej badać kliniczne zastosowanie przedklinicznych czujników naprężenia zastosowanych w tym badaniu.
„Mamy nadzieję, że pewnego dnia tę pracę uda się przełożyć na warunki kliniczne, gdzie czujniki te będą mogły rejestrować spersonalizowane pomiary uwzględniające rodzaj i ciężkość urazu, co pomoże w podejmowaniu najlepszych decyzji dotyczących rehabilitacji” – powiedział Guldberg.
Odniesienie: „Wczesna rehabilitacja oporowa poprawia regenerację funkcjonalną po urazie segmentowego ubytku kości” 12 grudnia 2024 r., npj Medycyna Regeneracyjna.
