Ученые из Кампуса ускорения научного воздействия Университета Фила и Пенни Найт разработали миниатюрные имплантируемые датчики, которые в режиме реального времени передают данные о том, что происходит в месте травмы. В новом исследовании они используют эту технологию, чтобы показать, что программа реабилитации с помощью тренировок с сопротивлением может значительно улучшить травмы бедренной кости у крыс всего за восемь недель.

Датчики позволяют наблюдать за механическими свойствами кости, предоставляя ученым подробные текущие данные о процессе заживления. Если когда-нибудь эти датчики будут применены на людях, они позволят врачам лучше подбирать программу реабилитации под конкретного пациента, отслеживая его прогресс и корректируя упражнения по ходу дела.

Эта работа является совместной работой лабораторий Боба Гулдберга, Ника Уиллетта и Кит Ги Онг в кампусе Найт и частично финансируется Альянсом Ву Цай по человеческой деятельности. Исследователи описали свои результаты 12 декабря в журнале Regenerative Medicine.

Наши данные подтверждают, что ранняя резистентная реабилитация является многообещающим методом лечения, позволяющим увеличить образование костной ткани, повысить прочность костей и способствовать полному восстановлению механических свойств до уровня, предшествующего травме, — говорит Боб Гулдберг, директор кампуса Найта и старший автор статьи.

Давно известно, что физические нагрузки после травмы подчиняются принципу «Златовласки»: слишком малое или слишком большое количество упражнений может помешать восстановлению, в то время как правильное их количество может ускорить процесс заживления.

Определить точный тип и интенсивность упражнений, необходимых для наилучшего восстановления, может быть непросто, особенно если они варьируются от пациента к пациенту.

Специальные датчики, разработанные в кампусе Найта, могут помочь изменить эту ситуацию, позволяя увидеть, что происходит внутри заживающей кости на протяжении всего периода восстановления. Первоначально датчики были разработаны в сотрудничестве между лабораториями Онг и Гулдберг, а затем их усовершенствовала недавняя выпускница докторантуры Кайли Уильямс.

С датчиками 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 сконструировали специальные тормоза для тренажерных колес грызунов, которые добавляли сопротивление сродни увеличению наклона на беговой дорожке.

Крысы с травмами бедра и имплантированными датчиками бегали либо на обычном тренажере, либо на модифицированном тренажере с сопротивлением. Датчики передавали данные о деформации во время упражнений, позволяя исследователям взглянуть на механическую среду костных клеток во время восстановления.

В течение восьми недель исследователи следили за процессом заживления травмированных бедренных костей и обнаружили, что крысы, тренировавшиеся с сопротивлением, демонстрировали ранние признаки заживления костей по сравнению с теми, кто вел сидячий образ жизни или не занимался сопротивлением. К концу восьминедельного восстановительного периода во всех группах — сидячей, не тренирующейся и тренирующейся — наблюдалось заживление костей.

Однако у животных, тренировавшихся с сопротивлением, ткань была более плотной, что свидетельствует о том, что реабилитация с сопротивлением способствовала формированию костей. Более того, поврежденные кости крыс, тренировавшихся с сопротивлением, по своим механическим свойствам, таким как крутящий момент и жесткость, были сопоставимы с неповрежденными костями.

Это говорит о том, что тренировки с сопротивлением способствуют восстановлению даже без дополнительных лекарств или биологических стимуляторов, говорит Гулдберг.

Биологические агенты, такие как BMP, молекула, способствующая росту костей, часто используются в исследованиях регенерации. Однако команда Гульдберга продемонстрировала полное восстановление функций только с помощью тренировок на сопротивление, что подчеркивает потенциал этого метода для клинического применения.

Одним из наиболее впечатляющих аспектов этой работы является то, что наша реабилитация с помощью сопротивления смогла восстановить бедренную кость до нормальной прочности в течение восьми недель без биологических стимуляторов, и мы очень рады этому, — сказал Уильямс, ведущий автор исследования.

Одним из ограничений исследования является то, что все животные получали постоянный уровень сопротивления на протяжении всего эксперимента. Однако сейчас исследователи из лаборатории Гулдберга изучают, как увеличение или уменьшение интенсивности реабилитации в течение нескольких недель может повлиять на регенерацию костной ткани.

Хотя исследование проводилось на грызунах, команда надеется, что реабилитация с использованием данных также может быть использована для улучшения заживления костей у людей, получивших травмы опорно-двигательного аппарата. Для достижения этой цели Penderia Technologies, стартап-компания из Найт-Кампуса, работает над дальнейшим усовершенствованием имплантируемых датчиков, включая разработку конструкции без батарей и носимых мониторов для использования на людях. После окончания университета в декабре Уильямс присоединится к доктору Онгу и растущей команде Penderia, чтобы продолжить изучение клинического применения доклинических датчиков деформации, использованных в этом исследовании.

Мы надеемся, что однажды эта работа может быть перенесена в клинические условия, где эти датчики смогут проводить персонализированные измерения, учитывающие тип и тяжесть травмы, чтобы наилучшим образом обосновать решения по реабилитации, — говорит Гулдберг.

Ранее ученые уже заявляли о намерении восстанавливать сломанные кости с помощью имплантов.