随着天气的不断回暖，登山、徒步等户外运动又逐渐成为人们日常休息放松的选择。但在开展户外运动进行放松的同时，也需要保护好自己的安全，因剧烈运动导致的各类受伤情况也时有发生。其中骨骼肌的机械性损伤是较为常见的受伤情况之一，尤其是对于运动员、登山者、护林员，会严重影响他们的日常工作和生活。传统治疗策略的缓慢和药物的副作用要求研究者设计和开发新型的生物材料，来治疗这种损伤。
近日，Niranjan Chatterjee教授和他的团队开发了一种用于协助肌管再生的肌肉弹性聚合物-碳复合材料（MusCAMLR）。通过在PNIPAM水凝胶中加入纳米碳材料，以模拟肌肉组织的各向异性。
PNIPAM作为一种温度敏感的聚合物，已知在32℃时显示各向同性的凝胶行为，因此不能对骨骼肌的扩张-收缩行为作出各向异性的反应。研究团队通过在水凝胶中加入添加剂来调整性状，具有亲水性、生物相容性且易于生产的碳纳米颗粒（CNPs）成为了首选。另外由于CNPs具有荧光性质，在后续的研究中更易进行追踪。
通过微波辅助氧化将碳纳米颗粒和PNIPAM水凝胶结合起来，产生了MusCAMLR，它在生理温度下提供结构各向异性，类似于正常的骨骼肌。
图1 MusCAMLR制备过程
研究团队在实验鼠身上进行了测试，为了研究MusCAMLR在抢救机械损伤的骨骼肌中的作用，使用离心型运动作为机械刺激，建立了一个延迟性肌肉酸痛（DOMS）的动物模型。由于离心型运动导致肌肉纤维的延长，这种肌肉损伤也被称为应变性损伤，它导致肌肉纤维的收缩元素的破坏，肌肉蛋白在血浆中的泄漏，免疫反应的激活，以及肌肉性能的降低。
在应用MusCAMLR之前，第2组（DOMS组）和第3组（MusCAMLR治疗组）的肌肉损伤在诱导后36小时，血清肌酸激酶水平明显上升（图2b）。据观察，在肱三头肌肌肉内注射MusCAMLR后，在应用后72小时内，即108小时的时间点，血清肌酸激酶水平得到了恢复（图2c）。在解剖动物进行染色切片观察后，并未发现心脏、肝脏、肺、肾脏、脾脏和肠道有毒性迹象、免疫激活和其他组织的不良影响（图2d-i），接近于DOMS组，表明材料具有良好的生物相容性。对健康组、DOMS组和MusCAMLR治疗组的肌肉组织的力图数据分析（图2j-i），显示DOMS组肱三头肌肌肉的组织硬度明显增加，在MusCAMLR治疗后72小时内降低到正常水平。
图2 在罹患延迟性肌肉酸痛（DOMS）动物模型进行实验
此外，研究团队还对骨骼肌的完整性进行了检测。发现DOMS组受损肌肉的横截面积（图3d）和集中核的百分比（图3e）都明显减少，这意味着肌肉发生了萎缩。而注射了MusCAMLR的实验组，这两项数据基本与正常组一致。为了评估肌节的Z线，对肱三头肌组织使用甲苯胺蓝染色。健康的肌节间的界限十分明显（图3f），而DOMS组由于机械损伤，其界限被破坏和扩散，表明Z盘被破坏（图3g）。注射了MusCAMLR的实验组的肌肉结构整体上趋于完整（图3h），表明MusCAMLR对于恢复骨骼肌的结构完整有一定的作用。
图3 肱三头肌的横截面以及纵截面组织切片
总结
在实验中使用由离心型运动引发的DOMS损伤模型是为了模仿现实中的场景，如下山、张臂运动等。由于肱三头肌是伸肌，在下坡跑后会表现出更大的损伤效果。MusCAMLR能够支持肌细胞的生长和分化，以及受损肌肉的进一步恢复。MusCAMLR出色的机械兼容性和调整后的各向异性也为实现肌肉模拟的目标提供了一个方向，也许未来可能用于治疗肌肉萎缩症患者。
此外由于目前治疗DOMS的方法主要为冷冻治疗、应用电刺激、使用超声波和使用抗炎药物。其中非甾体抗炎药能在一定程度上减少酸痛感，但其拯救受损肌肉微观结构的能力并不完善。因此研究团队并未找到合适的金标准来对比治疗效果。未来的研究中会考虑对MusCAMLR的功能结果进行进一步研究。
