Крошечные датчики открывают новую надежду на более быстрое восстановление после травм костей
Крошечные имплантируемые датчики помогают исследователям из Орегонского университета оптимизировать процесс восстановления после тяжелых травм костей.
Ученые из кампуса имени Фила и Пенни Найт по ускорению научного воздействия при Университете Огайо разработали миниатюрные имплантируемые датчики , которые передают данные в реальном времени о том, что происходит в месте травмы. В новом исследовании они используют технологию, чтобы показать, что программа реабилитации с использованием силовых тренировок может значительно улучшить состояние при травмах бедренной кости у крыс всего за восемь недель.
Датчики открывают окно в механические свойства кости , предоставляя ученым подробные текущие данные о процессе заживления . Если когда-нибудь их применить к людям, эти датчики позволят врачам лучше адаптировать программу реабилитации к индивидуальному пациенту, отслеживая его прогресс и корректируя упражнения по ходу дела.
Работа является результатом сотрудничества лабораторий Боба Гулдберга, Ника Уиллетта и Кита Гхи Онга в кампусе Найт. Исследователи описывают свои выводы 12 декабря в журнале npj Regenerative Medicine .
«Наши данные подтверждают, что ранняя реабилитация с использованием резистентности является перспективным методом лечения, способствующим формированию костной ткани, укреплению заживления кости и полному восстановлению механических свойств до уровня, существовавшего до травмы», — сказал Боб Гулдберг, директор кампуса Найт и старший автор статьи.
Давно известно, что упражнения после травм следуют принципу «Златовласки»: слишком мало или слишком много упражнений могут затруднить восстановление, в то время как правильное их количество может ускорить заживление.
Определение точного типа и интенсивности упражнений, необходимых для наилучшего восстановления, может оказаться сложной задачей, особенно с учетом того, что они различаются у разных пациентов.
Специализированные датчики, разработанные в кампусе Найт, могут помочь изменить это, предоставив окно в то, что происходит внутри заживающей кости в процессе восстановления. Первоначально разработанные в сотрудничестве между лабораториями Онга и Гулдберга, эти датчики были дополнительно усовершенствованы недавней выпускницей докторантуры Кайли Уильямс.
Имея датчики в руках, исследователи решили проверить, может ли бег с сопротивлением, который является особым типом восстановительных упражнений, обеспечить правильную механическую стимуляцию для улучшения восстановления костей. Для этого они создали специальные тормоза для колес для упражнений грызунов, которые добавляли сопротивление, похожее на увеличение наклона на беговой дорожке.
Крысы с травмами бедренной кости и имплантированными датчиками затем бегали либо на обычном колесе для упражнений, либо на модифицированном колесе для упражнений с сопротивлением. Датчики передавали данные о деформации на протяжении всех упражнений, предлагая исследователям возможность заглянуть в механическую среду костных клеток во время восстановления.
В течение восьминедельного исследования ученые наблюдали за процессом заживления травмированных бедренных костей и обнаружили, что у крыс, тренированных с сопротивлением, наблюдались ранние признаки заживления костей по сравнению с теми, кто вел малоподвижный образ жизни или не подвергался сопротивлению. К концу восьминедельного периода восстановления все группы — малоподвижные, не подвергавшиеся сопротивлению и тренированные с сопротивлением — показали заживление костей.
Однако у тренированных с сопротивлением животных ткань была плотнее, что указывает на то, что реабилитация с сопротивлением усилила формирование костей. Фактически, поврежденные кости тренированных с сопротивлением крыс демонстрировали механические свойства, такие как крутящий момент и жесткость, сопоставимые с показателями неповрежденных костей.
Это говорит о том, что силовые тренировки ускоряют восстановление даже без дополнительных препаратов или биологических стимуляторов, сказал Гулдберг.
Биологические агенты, такие как BMP, молекула, которая способствует росту костей, часто используются в исследованиях регенерации. Однако команда Гулдберга продемонстрировала полное функциональное восстановление только с помощью силовых тренировок, что подчеркивает его потенциал для клинического применения .
«Одним из наиболее впечатляющих аспектов этой работы является то, что наша реабилитация с сопротивлением может восстановить нормальную прочность бедренной кости в течение восьми недель без биологических стимуляторов, и мы действительно воодушевлены этим», — сказал Уильямс, ведущий автор исследования.
Одним из ограничений исследования является то, что все животные получали постоянный уровень сопротивления в течение всего эксперимента. Однако исследователи в лаборатории Гулдберга сейчас изучают, как увеличение или уменьшение уровней интенсивности реабилитации в течение недель заживления может повлиять на регенерацию костей.
Хотя исследование проводилось на грызунах, команда надеется, что реабилитация с использованием данных также может быть использована для улучшения заживления у пациентов-людей, получивших травмы опорно-двигательного аппарата. Для достижения этой цели Penderia Technologies, стартап из Knight Campus, работает над дальнейшими усовершенствованиями имплантируемых датчиков, включая конструкцию без батареек и носимые мониторы для помощи в использовании у пациентов-людей.
После окончания университета в декабре Уильямс присоединится к доктору Онгу и растущей команде Penderia для дальнейшего изучения клинической трансляции доклинических датчиков деформации, используемых в этом исследовании.
«Мы надеемся, что однажды эту работу можно будет перенести в клинические условия, где датчики смогут фиксировать персонализированные измерения, учитывающие тип и тяжесть травмы, чтобы принимать наиболее обоснованные решения о реабилитации», — сказал Гулдберг.