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在运动和日常劳作中，我们往往不可避免会发生肌肉损伤。骨骼肌的受损会影响人体的正常运动功能，限制日常生活活动，最终降低生活质量。而按摩被用于缓解肌肉酸痛或治疗肌肉损伤，早已有几千年的历史。如今，也衍生出了许多机械按摩设备，如按摩枪，可达到放松肌肉的效果。
但是，按摩真的可以促进肌肉的修复和再生吗？
事实上，机械疗法，即对受伤组织施加机械负荷（Mechanical loading, ML），已被广泛用作骨骼肌损伤后的替代和补充疗法。已有的研究数据表明其可通过增加血流量、减少炎症和增加线粒体生物合成等来促进肌肉骨骼组织的康复。
然而，不同研究团队使用的方法存在高度不一致性，这也就限制了关于机械疗法疗效的评估和比较。此外，减少炎症和功能再生的特定细胞和分子成分之间的直接联系尚未明确。
为了应对上述的难题，哈佛大学工程与应用科学学院的研究团队在 Science Translational Medicine 发表了题为 Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils 的研究性文章。
他们开发了一种机器人按摩设备，配备了实时力度控制设备，并同时用超声成像进行组织分析。研究结果表明，在特定力量范围内的反复按压可显著改善小鼠严重损伤肌肉的功能恢复，这种改善部分归因于中性粒细胞群和中性粒细胞介导因子的快速清除。这项工作的结论将有助于广泛推进组织再生的新治疗策略的研发。
图片来源：Science Translational Medicine
主要研究内容
开发机器装置为小鼠骨骼肌提供可量化的压力
首先，研究人员开发了一种外部机器装置，可对啮齿动物的胫骨前肌施加可控的压缩力，作为一种非侵入性治疗工具，可通过软界面将压缩载荷传递给胫骨前肌，将预定的力度精确应用于肌肉组织。
图片来源：Science Translational Medicine
反复按压可改善严重损伤骨骼肌的功能恢复
随后，他们在严重胫骨前肌损伤的小鼠模型中探讨了机械疗法的作用。从损伤后第 1 天开始，分别施加三种不同的力（0.15、0.3 或 0.6N），持续刺激 14 天，而对照组小鼠保持未治疗状态。随后发现，应用三种不同的力均可显著减少胫骨前肌中的间质纤维化和受损肌纤维，此外，在施压处理肌肉中的肌纤维更长。
图片来源：Science Translational Medicine
接下来，为了评估按压介导的损伤肌肉组织学特征的改善是否与肌肉力量恢复相关，他们检测了胫骨前肌肌肉的力量。
结果发现，在所有三种力条件下，经按压治疗的胫骨前肌肌肉表现出比未经治疗的对照组更高的力量，而三个不同力道治疗组之间没有显著差异。这些发现表明，特定范围的力量能够促进严重受损肌肉的功能恢复。
图片来源：Science Translational Medicine
机械按压可迅速减少与中性粒细胞转运相关的促炎因子
为了探讨按摩处理是否会改变治疗组织中的局部免疫反应，他们对接受按压治疗的胫骨前肌肌肉中广泛的炎症因子（细胞因子和趋化因子）的数量进行了量化。结果发现，在治疗第 7 天和第 14 天，治疗组和对照组小鼠肢体中的大多数炎症因子数量相似。
但是在第 3 天时，与未治疗对照组相比，治疗组中超过一半的细胞因子都出现了减少。进一步的基因富集分析显示，这些显著减少的细胞因子与炎症反应和粒细胞迁移，特别是中性粒细胞趋化和迁移有关。
同时，与对照组肌肉相比，按压处理的肌肉在第 3 天时中性粒细胞显著减少，在空间上，中性粒细胞及其过氧化物酶在对照肌肉的广泛区域中明显存在，而它们仅存在于按压处理肌肉的部分区域。这一发现与细胞因子定量分析的结果一致，均表明刺激中性粒细胞趋化和迁移的细胞因子数量减少是按压处理肌肉内中性粒细胞数量迅速减少的原因。
图片来源：Science Translational Medicine
机械按压可促进肌生成和成熟肌纤维类型成分的恢复
接下来，他们评估了机械按压对早期肌源性特征的影响。结果发现，与未治疗组相比，在按压处理的组织中发现肌生成调节因子 MyoD 的表达和延长的肌间线蛋白的细胞数量的显著增加。
随后，他们还探索了损伤急性期的机械按压治疗是否足以实现完全功能恢复。他们在前 7 天进行治疗，但在随后的 7 天内停止按摩，与对照组和使用 ML 治疗 14 天的实验组之间的数据表明，早期的 ML 是必要的，但不足以完全恢复肌肉功能。
他们还根据解剖结构和功能，对每个肌肉组织包含的不同肌纤维类型组成进行了分析。结果发现，在健康的胫骨前肌肌肉中，IIB 型纤维是最丰富的纤维类型，占总肌肉纤维的 50% 或更多，受伤的胫骨前肌肌纤维的组成中 IIB 型纤维也是最丰富的纤维类型。
图片来源：Science Translational Medicine
不过，与按摩处理和健康胫骨前肌肌肉相比，受伤后未处理的胫骨前肌肌肉中含有较少数量的 IIX 型纤维，而 IIA 型纤维数量则出现了增加，按摩处理的小鼠肌肉中 I 型纤维有少量增加，IIX 型纤维含量越高，IIA 纤维的比例越小，说明按摩处理后肌肉的纤维尺寸越大，肌肉力量越大。
图片来源：Science Translational Medicine
肌肉损伤后中性粒细胞的短暂消耗可改善骨骼肌修复
最后，为了直接探索中性粒细胞在肌肉再生中的作用，研究人员在小鼠缺血损伤后的前 3 天内，使用 Ly6g 抗体将其中性粒细胞耗尽，以模拟在这段时间内用按摩治疗小鼠中观察到的中性粒细胞清除。结果表明，与使用相应对照抗体治疗组相比，使用 Ly6g 抗体治疗的小鼠显示出显著减少的肌肉损伤和纤维化。
对肌纤维大小的分析表明，肌肉按压治疗和中性粒细胞的缺失都使得肌肉纤维更长。此外，经抗 Ly6g 抗体去除中性粒细胞的受伤肌肉显示出更大的收缩力，其对功能恢复的影响与肌肉按压治疗的影响相似。
上述这些发现表明，在这种损伤模型中，损伤肌肉中中性粒细胞丰度的时间控制与按压治疗对肌肉再生的影响相关。
图片来源：Science Translational Medicine
结语
综上所述，该团队借助一个机器系统，通过施加不同肌肉按压治疗，以确定用于小鼠肌肉再生的治疗力量范围和相应的组织应答，表明了按压治疗对于严重损伤肌肉组织的恢复是有益的，而其细胞分子机制是依赖于中性粒细胞的减少。
同时，这项研究还将按压治疗介导的肌肉再生与特定的免疫调节特征联系起来，建立了目前机械疗法和免疫疗法这两个不同领域的交叉融合。
参考资料：
[1]Bo Ri Seo et al. Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils. Science Translational Medicine (2021).
[2]J. G. Tidball, Regulation of muscle growth and regeneration by the immune system. Nat. Rev. Immunol. 17, 165–178 (2017).
[3]C. F. Guimarães, L. Gasperini, A. P. Marques, R. L. Reis, The stiffness of living tissues and its implications for tissue engineering. Nat. Rev. Mater. 5, 351–370 (2020).
