マッサージは、筋肉の痛みを緩和するだけでなく、筋肉の回復を早め、強くします

マッサージは、筋肉の感触を良くするだけでなく、筋肉の回復を早め、強くします健康

マウスの筋肉再生における機械療法と免疫療法の関連性を確認した研究

マッサージは3,000年以上も前から、筋肉の痛みや怪我の治療に用いられてきました。

現在では、多くのアスリートがリハビリのためにマッサージガンを愛用しています。

しかし、これらの「メカノセラピー」は、人を気持ちよくさせるだけでなく、実際に重度の損傷後の治癒を改善するのでしょうか?

ハーバード大学のヴィース研究所とジョンA.ポールソン工学部および応用科学部 (SEAS)の研究者らによる新しい研究によると、その答えは「イエス」であるといいます。

研究チームは、独自に設計したロボットシステムを用いて、マウスの足の筋肉に一貫した調整可能な圧縮力を与えたところ、この機械的負荷(ML)によって、重度の損傷を受けた筋肉組織から好中球と呼ばれる免疫細胞が速やかに除去されることを発見しました。

この過程で、好中球が放出する炎症性サイトカインも筋肉から除去され、筋繊維の再生プロセスが促進されました。

この研究成果は、Science Translational Medicine誌に掲載されました。

「これまで、多くの人がマッサージなどのメカノセラピーの身体への有益な効果を研究しようとしてきましたが、これまでは体系的で再現性のある方法では行われていませんでした。今回の研究では、機械的な刺激と免疫機能の間に非常に明確な関係があることがわかりました。これは、骨、腱、毛髪、皮膚など、さまざまな組織の再生に役立つと期待されています。また、薬物による治療ができない病気の患者さんにも使用できます。」と、筆頭著者のBo Ri Seo博士は述べています。

損傷した筋肉にメカノセラピーを施す(右)、未処置の筋肉(左)に比べて筋線維タイプの組成が変化することを示す免疫蛍光画像。

損傷した筋肉にメカノセラピーを施す(右)、未処置の筋肉(左)に比べて筋線維タイプの組成が変化することを示す免疫蛍光画像。治療を受けた筋肉は、健康な筋肉に近い組成になっており、治療によって筋肉の機能が正常に回復していることを示している。©Wyss Institute at Harvard University

よりきめ細やかなマッサージガン

Seo氏と共著者たちは、数年前からマウスの損傷組織に対する機械的療法の効果を調べ始め、2週間の間に筋肉の再生速度が2倍になり、組織の瘢痕化が減少することを発見しました。

研究チームは、機械的な刺激だけで筋肉の再生と機能の向上が可能であるというアイデアに興奮し、そのプロセスが体内でどのように機能するかを正確に調べ、どのようなパラメータを設定すれば治癒が最大化するかを解明することにしました。

研究チームは、Conor Walsh博士が率いるハーバード・バイオデザイン・ラボのソフトロボティクスの専門家と協力して、センサーとアクチュエーターを使ってマウスの手足にかかる力を監視・制御する小型の装置を開発しました。

共同研究者のChristopher Payne博士は、元ヴィース研究所およびハーバード・バイオデザイン・ラボの博士研究員で、現在はViamのロボット工学エンジニアです。

装置の準備ができた後、研究チームは、柔らかいシリコン製のチップを使ってマウスの足の筋肉に力を加える実験を行い、超音波を使って組織に何が起こるかを調べました。

その結果、筋肉には10〜40%の機械的ひずみが生じていることが確認されました。

さらに、この超音波画像データを用いて、さまざまな負荷をかけたときの組織のひずみ量を予測できる計算モデルを開発し、検証しました。

そして、負傷した筋肉に14日間、一定の力を繰り返し加えました。

その結果、治療した筋肉と治療していない筋肉では、損傷した筋線維の量が減少していましたが、治療した筋肉では、その減少がより顕著で、線維の断面積も大きくなっていました。

また、治療時に加える力が大きいほど、傷ついた筋肉は強くなり、メカノセラピーが傷ついた筋肉の回復を促進することが確認されました。

動画:超音波画像により、ロボット装置の力に応じた組織の変形がリアルタイムで可視化される。©Wyss Institute at Harvard University

好中球を退避させて再生を促す

この疑問を解決するために、科学者たちは詳細な生物学的評価を行い、サイトカインやケモカインと呼ばれる幅広い炎症関連因子を、治療を受けていない筋肉と治療を受けた筋肉で分析しました。

これらのサイトカインは、炎症プロセスで多くの役割を果たす好中球と呼ばれる免疫細胞を引き寄せ、活性化させることに関連していました。

また、治療を受けた筋肉は、治療を受けていない筋肉に比べて組織内の好中球の数が少なかったことから、好中球を引き寄せるサイトカインが減少したことで、好中球の浸潤が減少したことが示唆されました。

負傷したマウスの筋肉にメカノセラピーを3日間行ったところ(上)、組織全体に多くの好中球が分布していた未処理の筋肉(下)に比べて、好中球(ピンク色)の数が有意に減少しいることがわかった。

負傷したマウスの筋肉にメカノセラピーを3日間行ったところ(上)、組織全体に多くの好中球が分布していた未処理の筋肉(下)に比べて、好中球(ピンク色)の数が有意に減少しいることがわかった。©Wyss Institute at Harvard University

研究チームは、メカノセラピーによって筋肉に加えられた力が、傷ついた組織から好中球とサイトカインを効果的に絞り出したのではないかと考えました。

研究チームは、筋肉に蛍光分子を注入してこの理論を確認し、力を加えたときに分子の動きがより顕著になることを観察して、筋肉組織を洗い流すのに役立ったという考えを裏付けました。

さらに、好中球とそれに関連するサイトカインが再生中の筋線維にどのような影響を及ぼすのかを調べるため、研究者たちは、あらかじめ好中球を培養した培地で筋前駆細胞(MPC)を培養する試験管内実験を行いました。

その結果、MPCの数は増加しましたが、MPCが分化(特殊な筋肉細胞になること)する割合は減少しました。

このことから、好中球が分泌する因子は、筋肉細胞の増殖を促すが、その因子が長期にわたって存在すると、細胞が新しい筋線維を形成する能力が損なわれることが示唆されました。

共同研究者のStephanie McNamara氏(ヴィース研究所の元ポストグラデュエート・フェローで、現在はハーバード・メディカル・スクール(HMS)の医学博士・博士課程に在籍しています。)は、「好中球は、病原体や損傷した組織を殺して除去することで知られていますが、今回の研究では、好中球が筋前駆細胞の行動に直接影響を与えていることが明らかになりました。治癒の初期段階では炎症反応が再生に重要ですが、再生プロセスを完全に実行するためには、炎症を速やかに解消することも同様に重要です。」と述べています。

続いてSeo氏らは、生体内モデルに戻って、損傷から14日後に治療を受けたマウスと未治療のマウスの筋繊維の種類を分析しました。

その結果、健康な筋肉に多いIIX型は、健康な筋肉と治療した筋肉にも存在していたが、未治療の負傷した筋肉では、IIX型線維の数が少なく、IIA型線維の数が増えていました。

この違いは、IIX線維がIIA線維よりも大きな力を生み出すことから、治療した筋肉の線維サイズの拡大と大きな力の発生を説明するものでした。

最後に、研究チームは、損傷後3日目にマウスの好中球を枯渇させることで、損傷した筋肉に好中球が存在する最適な時間を特定しました。

その結果、処置を施したマウスの筋肉は、未処置のマウスに比べて繊維径が大きくなり、筋力の回復が見られました。

このことから、好中球は損傷回復の初期段階では必要ですが、早期に損傷部位から退避させることが、筋再生の改善につながることが確認されました。

SEASのPaul A. Maeder教授(工学・応用科学)でもあり、病気の診断や治療のためのウェアラブル技術の開発で経験を積んでいるWalsh氏は、「今回の発見は、薬剤を使わず、非侵襲的に身体の免疫系の機能に影響を与えることができるという点で注目に値します。このことは、筋肉や組織の治癒を促進・改善するための外部からの機械的介入を開発する上で、大きなモチベーションとなり、迅速に臨床に応用できる可能性があります。」

研究チームは、研究室内の複数のプロジェクトで、この研究ラインの調査を続けています。

研究チームは、この機械的治療法をより大きな動物で検証し、その有効性をヒトで検証することを目標としています。

また、さまざまな種類のケガ、加齢による筋肉の衰え、筋肉のパフォーマンス向上などについても検証したいと考えています。

論文の原著者であり、SEASのバイオエンジニアリング学科のRobert P. Pinkas Family教授であるMooney氏は、「メカノセラピーと免疫療法の分野が相互に作用することはほとんどありませんが、今回の研究は、人間の健康を研究したり改善したりする際に、物理学的および生物学的な要素を考慮することがいかに重要であるかを証明するものです。」と述べています。

「力学が細胞や組織の機能に影響を与えるという考えは、ここ数十年の間は嘲笑されていました。科学者たちは、この事実を受け入れることで大きな進歩を遂げましたが、そのプロセスが臓器レベルで実際にどのように機能するかについては、まだほとんど分かっていません。今回の研究では、筋肉組織の治癒に不可欠なメカノバイオロジーと免疫学との間のこれまで知られていなかった相互作用が明らかになっただけでなく、化学療法や遺伝子治療と同等の効果が得られる可能性がありながら、はるかにシンプルで侵襲性の低い新しいメカノセラピーについても述べられています。」と、ヴィース研究所の創設者であり、ボストン小児病院の血管生物学プログラムのJudah Folkman教授およびSEASのバイオエンジニアリング教授でもあるDon Ingber医学博士は述べています。

Published by Harvard University. Skeletal muscle regeneration with robotic actuation–mediated clearance of neutrophils, Science Translational Medicine (2021). www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abe8868
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