مقالة منهجية

محاكاة رحلة فضائية إلى كوكب المريخ باستخدام تفريغ اللكتات وتحمل في الفئران الوزن الجزئي

DOI:

10.3791/59327

⸱

أبريل 4, 2019

 ,  ,  , 
1Department of Neurology, Harvard Medical School - Beth Israel Deaconess Medical Center, 2Department of Orthopaedics, Harvard Medical School - Beth Israel Deaconess Medical Center

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

باستخدام نموذج مبتكر التماثلية القائمة على أرض الواقع، ونحن قادرة على محاكاة مهمة الفضاء بما في ذلك القيام برحلة إلى (0 ز) والبقاء على سطح المريخ (0.38 غ) في الفئران. يسمح هذا النموذج لإجراء تقييم طولية للتغيرات الفسيولوجية التي تحدث أثناء مرحلتي هيبو الجاذبية للبعثة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نماذج القوارض أرضية تستخدم على نطاق واسع لفهم الآثار الفسيولوجية للفضاء الطيران على نظام الفسيولوجية، وقد استخدمت بصورة روتينية منذ عام 1979 وتطوير هند أطرافهم التفريغ (لو). ومع ذلك، تتضمن الخطوات التالية في استكشاف الفضاء الآن للسفر إلى المريخ حيث تكون الجاذبية 38% الجاذبية الأرضية. حيث شهدت أي إنسان هذا المستوى من الجاذبية الجزئي، نموذج مستدام على الأرض اللازمة للتحقيق في الجسم، وضعف الفعل بالوقت الذي يقضيه في الجاذبية الصغرية، وكيف سيكون رد فعل لهذا التحميل الجزئي. هنا، كنا نموذجنا (PWB) تحمل الوزن الجزئي مبتكرة تحاكي بعثة قصيرة، والبقاء على سطح المريخ لتقييم العاهات الفسيولوجية في العضلات أطرافهم هند المستحث بمستويين مختلفين من انخفاض الجاذبية تطبق بطريقة متسلسلة. هذا يمكن أن توفر نموذجا آمنة، وأرضية لدراسة التكيفات العضلية الهيكلية إلى تغيير الجاذبية ووضع تدابير مضادة فعالة للحفاظ على صحة رواد والدالة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أهداف خارج كوكب الأرض، بما في ذلك القمر والمريخ، تمثل مستقبل استكشاف الفضاء البشرية، ولكن كلا من الجاذبية أضعف بشكل كبير من الأرض. وفي حين آثار انعدام الوزن على العضلي درست على نطاق واسع في رواد الفضاء1،2،3،،من45 والقوارض6، 7 , 8 , 9، هذه الأخيرة بفضل اللكتات راسخة التفريغ (لو) النموذجي10، القليل جداً يعرف عن آثار الجاذبية الجزئي. خطورة المريخ هو 38 في المائة الأرض وهذا الكوكب أصبح تركيز طويل الأجل استكشاف11؛ ومن ثم فمن الأهمية بمكان لفهم التعديلات العضلات التي قد تحدث في هذا الإعداد. للقيام بذلك، قمنا بتطوير نظام وزن جزئي واضعة (PWB) في الفئران12، استناداً إلى العمل السابق الذي قامت في الفئران6،13، والتي تم التحقق من صحتها باستخدام نتائج كل من العضلات والعظام. ومع ذلك، سيسبق استكشاف المريخ فترة طويلة من الجاذبية الصغرى، التي لم تعالج في نموذج هو موضح سابقا لدينا12. ولذلك في هذه الدراسة، غيرت نموذجنا لمحاكاة رحلة إلى المريخ، وتتألف المرحلة الأولى من مجموع اللكتات وتفريغ وتليها مباشرة مرحلة ثانية من تأثير الوزن الجزئي في 40% تحميل العادي.

خلافا لمعظم النماذج لو، اخترنا استخدام تسخير الحوض (تستند الموضحة شودري et al.9) بدلاً من تعليق ذيل لتحسين الراحة للحيوانات وتكون قادرة على الانتقال بسلاسة ودون عناء من لو إلى PWB في دقائق معدودة. بالتزامن، استخدمنا الأقفاص وأجهزة تعليق أننا وضعت سابقا وعلى نطاق واسع ووصف12. بالإضافة إلى توفير بيانات موثوقة/متسقة، أثبتنا سابقا أيضا أن النقطة مرفق ثابت لنظام التعليق في المركز قضيب لم تمنع الحيوانات من نقل، والاستمالة، والتغذية أو الشرب. في هذا المقال، ونحن سوف تصف كيفية تفريغ هند أطرافه الحيوانات (كلياً وجزئياً)، والتحقق من مستويات الخطورة المحققة، كذلك كيفية تقييم التعديلات العضلات الناتجة عن استخدام قبضة وظيفيا الرطب وقوة العضلات. ستكون مفيدة للغاية للباحثين تسعى إلى التحقيق في آثار الجاذبية الجزئي (مصطنعة أو خارج الأرض) على نظام العضلات والعظام خطر فعلا، مما يسمح لهم بالتحقيق في كيفية تكيف الكائنات الحية لهذا النموذج الجزئية إعادة شحن، ووضع التدابير المضادة التي يمكن تطويرها للمحافظة على الصحة أثناء وبعد رحلات الفضاء البشرية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

بموافقة جميع الأساليب الموصوفة هنا "رعاية الحيوان المؤسسية" واستخدام اللجنة (IACUC) من بيت إسرائيل ديكونيس الطبي تحت رقم البروتوكول 067-2016.

ملاحظة: يتم استخدام الذكور ويستار الفئران الذين تتراوح أعمارهم بين 14 أسبوعا في خط الأساس (يوم 0). يتم إيواء الفئران منفردة في أقفاص مخصصة ح 24 خط الأساس السابقة للسماح للتأقلم.

1-اللكتات وتفريغ

ملاحظة: يمكن وضع تسخير الحوض على الحيوانات أما تخديره أو مستيقظا. هنا، يرد وصف للبروتوكول عن تخديره من الحيوانات. ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة (معدات الوقاية الشخصية) للتعامل مع الحيوانات.

  1. وضع الفئران في مربع تخدير مع isoflurane 3.5 ٪ وتدفق الأوكسجين 2 لتر في الدقيقة.
    ملاحظة: أنيسثيتيزيشن الصحيح ويتأكد عند رشة مخلب خلفي ثابت لا يثير رد فعل.
  2. حالما يتم تخديره الحيوان تماما، مكان الفئران على مقاعد البدلاء مع غاز مخدر قادمة من نوسيكوني مع إيسوفلوراني 2% وتدفق الأوكسجين 1.5 لتر في الدقيقة.
  3. وضع الفئران في موقف معرضة ووضع تسخير الحوض في حركة rostro والذيلية.
  4. برفق لا ينحني تسخير الحوض لتوفير دافئ تناسب مع الحرص على الضغط هيندليمبس لمنع سحجات والانزعاج.
  5. إرفاق سلسلة الفولاذ المقاوم للصدأ مع المشبك قطب إلى الجزء العلوي من تسخير الحوض، حيث تم إرفاق هوك في قاعدة الذيل.
  6. إزالة الفئران من التخدير ووضع الحيوان في قفص مخصص في سلسلة تمتد إلى الحد الأقصى.
  7. بمجرد الفئران مستيقظا تماما والمتنقلة، تقصير السلسلة باستخدام المشبك قطب أعلى حتى أطرافه هند لم يعد يمكن الوصول إلى الكلمة.
  8. مراقبة الحيوانات لبضع دقائق لتقييم الراحة والتأكد من أن في كل الأوقات، وكل أطرافه هند تظل تفرغ تماما.

2. تأثير الوزن الجزئي

ملاحظة: يمكن أن تتحقق هذه الخطوة في الحيوانات مستيقظا وتخديره.

  1. تحويل الجهاز تعليق لو في تعليق PWB بإضافة جزء على شكل مثلث يتألف من سلاسل الفولاذ المقاوم للصدأ والكروم الخلفي.
  2. تخدير الحيوان اتباع نفس الإجراءات المفصلة لو (خطوات 1.1 و 1.2).
  3. وضع سترة حبل من الحجم المناسب على الأمامية الفئران (م للفئران من 400 غرام أو أقل، L للفئران وزنها أعلاه 400 غرام) وإغلاقه في استخدام الموسع حمالة الظهر.
  4. إرفاق قفل واحد جزء على شكل مثلث لربط الموجود على الموسع حمالة الظهر والمشبك المعاكس على هوك يقع على تسخير الحوض عند قاعدة الذيل.
  5. السماح للحيوان للتعافي من التخدير في القفص. بمجرد مستيقظا، تحقق من أن التعليق متساوية في الأمامية وهيندليمبس بتقصير السلسلة وتعديل موقع المشبك قطب السفلي إذا لزم الأمر.
    ملاحظة: هذه الخطوة يمكن أيضا أن تتحقق باستخدام لوحة قوة للتأكد من تحميل متساوية في جميع أطرافه.
  6. ضع الفئران على رأس جدول لتسجيل وزن الجسم "تحميل"، أي وزن الحيوان والجهاز برمته، دون تقصير السلسلة.
  7. تقصير السلسلة حتى يعرض الحجم 40 في المائة من وزن الجسم "تحميل" وسجل تحقيق مستوى الجاذبية (معبراً عنها كالنسبة بين الوزن تفريغ وتحميل الوزن).
  8. مراقبة الحيوانات للتأكد من أن يفرغ وزن مستقرة وأن الفئران يتم تحميلها على قدم المساواة في جميع أطرافه.
  9. إزالة الجهاز برمته من نطاق استخدام القضيب والفئران مرة أخرى في قفصة.

3-تقييم اللكتات قبضة القوة

  1. عقد الفئران مع ضبط النفس تقليدية عن طريق وضع يد واحدة تحت الأمامية. اضغط برفق الذيل باليد الثانية.
  2. التعامل مع آثار أقدام خلفية شريط قبضة وتأكد من أن كلا الكفوف يستريح تماما على الشريط.
    ملاحظة: إذا لا تماما قبضة الشريط الفئران أو لا يتم عرض أية أدلة من التبرعات التي تجتاح، قليلاً الإفراج بضبط النفس. إذا لم ينجح هذا، تعود الفئران إلى قفصة وإعادة المحاولة بعد بضع دقائق.
  3. اجذب الفئران مستقيم الظهر حتى أنها إصدارات قبضتها. سجل القوة القصوى المعروضة على محول.
  4. انتظر حوالي 30 ثانية بين القياسات وتكرار الاختبار 3 مرات.
  5. حساب متوسط القياسات الثلاثة للتهديف، لحساب للتعب.

4-تسجيل للعضلات الرطب الجماهيري

  1. وضع الفئران في دائرة القتل رحيم2 CO. وبعد انتظار الوقت المناسب وفقا للمبادئ التوجيهية إياكوك ووبرايتون، تأكيد القتل الرحيم بملاحظة بصرية لنقص في التنفس.
  2. وضع الفئران على طاولة التشريح في موقف معرضة وإزالة الفراء والجلد بواسطة إينسيسينج قرب الكاحل باستخدام مقص تشريح الصغيرة. استخدام اليدين لسحب طبقة الجلد قبالة.
  3. باستخدام مقص تشريح الصغيرة، بلطف كسر اللفافة العضلية وعزل وتر عقبى.
    ملاحظة: هو وتر عقبى نقطة المرفق سولاس وعضلات الساق.
  4. أثناء الضغط وتر عقبى مع زوج صغيرة من ملاقط، استخدام مقص تشريح لعزل عضلات الساق وسولاس من الفخذية ذات الرأسين، الموجود أعلاه.
  5. مرة واحدة معزولة، قطع نقطة مرفق في عضلات الساق وسولاس في منطقة المابضيه.
  6. بلطف سحب سولاس بعيداً عن الساق وفصل لهم بقطع وتر عقبى.
  7. وضع الفئران في موقف ضعيف. بعناية إزالة اللفافة وقشر الظنبوبي الأمامي من الكاحل في حركة تصاعدية.
  8. قطع الظنبوبي الأمامي عند نقطة مرفق متفوقة.
  9. تسجيل كتلة العضلات قصت كل استخدام مقياس دقة تاريد وقارب وزنها الرطب الدقيق.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الاستفادة من أقفاص جديدة أن نحن مصممة مسبقاً، ووصف بالتفصيل12، استخدمنا جهاز يستند إلى سلسلة تعليق فولاذ المقاوم للصدأ مناسبة لتفريغ اللكتات (لو، الشكل 1) وتحمل الوزن الجزئي (PWB, الشكل 2). ميزة حاسمة لدينا تصميم هو القدرة على الانتقال من نوع من تفريغ الأخرى في غضون دقائق مع الحفاظ على بيئة مماثلة للحيوانات. كنا تسخير الحوض مصنوعة خصيصا (الشكل 2A) المرتبط بسلسلة واحدة من فولا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هذا النموذج يعرض التناظرية الأرضية الأولى وضعت للتحقيق في مستويات التفريغ الميكانيكي المتعاقبة ويهدف إلى محاكاة رحلة إلى والبقاء على سطح المريخ.

خطوات كثيرة لهذا البروتوكول أمرا حاسما لضمان نجاحها، وتحتاج إلى أن تدرس بعناية. أولاً، من الأهمية بمكان رصد رفاه الحيوانات والتأكد من أنها هي الحفاظ على سلوك عادي (أي، أداء المهام مثل الأكل، والراحة، واستكشاف)، لا سيما أثناء حالة PWB حيث أنها تحافظ على عادية نسبيا الموقف الفسيولوجية. ثانيا، على الرغم من مستوى PWB يجري الغاية ثابتة على مر الزمن، والتي ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيده هذا العمل بالإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا: NNX16AL36G). المؤلف يود أن يشكر "سمبل كارسون" لتوفير الرسومات المدرجة في هذه المخطوطة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
10G معزول الأسلاك النحاسية الصلبةGrainger4WYY8100 قدم سلك بناء صلب مع نوع سلك THHN وحجم سلك 10 AWG ، أسود
2 جدران زجاجية بتصميم مخصصP & K مخصص الاكريليك Inc.N / A2 واضح زجاج شبكي الجدار المخصص 3/16 "علامة, عرض 12 3/16", ارتفاع 18 13/16", 1 فتحة مستديرة 0.25 في القطر تقع في الجزء العلوي الأوسط من الجدار
3M Transpore الشريط الجراحيفيشر العلمية18-999-380Transpore الشريط الجراحي 
ملحق الإمساك بار الفئرانهارفاردجهاز 76-0479ملحق الإمساك شريط الفئران ، الكفوف الأمامية أو الخلفية
مقياس تحليليفيشر Scientific01-920-251OHAUS Adventurer Analytic Balance
مقياس حيوانيZIEIS بواسطة AmazonN / Aمقياس رقمي بسعة 70 رطلا كبير أعلى 11.5 بوصة × 9.3 بوصة منصة جافية Z-seal محول 0.5 أونصة دقة
موسعاتحمالة الصدر الخلفيةLuzen by AmazonN / A17 قطعة 2 خطاف 3 صفوف متنوعة ألوان عشوائية للنساء تباعد حمالة الصدر كليب موسع حزام
Force GageWagner InstrumentsDFE2-01050 N سعة قبضة رقمية قوة متر Chatillon DFE II
شاشفيشر Scientific13-761-52إسفنج شاش قطني غير معقم   ؛
حلقات المفاتيح والتصفيق الدوارPaxcoo Direct من AmazonN / APaxCoo 100 قطعة من الحبل المعدني الدوار خطاف المفاجئة مع حلقات المفاتيح جراد
البحر تصفيقالباندا مجوهرات الدولية المحدودة من AmazonN / APandahall 100 قطعة الصف A مشابك مخلب جراد البحر من الفولاذ المقاوم للصدأ 13x8mm
سترة حبل الفئران - سترة حبلكبيرة من Braintree ScientificRJ L
سترة حبل الفئران - متوسطةسترة القوارض من Braintree ScientificRJ M
أنابيب سيليكونVersilon St Gobain السيراميك والبلاستيكABX00011SPX-50 أنابيب سيليكون
سلاسل الفولاذ المقاوم للصدأSuper Lover by AmazonN / A4.5 متر 15FT وصلة سلسلة كابلات من الفولاذ المقاوم للصدأ بكميات كبيرة 6x8 مم
Digital -

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Desplanches, D. Structural and Functional Adaptations of Skeletal Muscle to Weightlessness. International Journal of Sports Medicine. 18 (S4), S259-S264 (1997).
  2. Fitts, R. H., Riley, D. R., Wildrick, J. J. Physiology of a microgravity environment : Invited review : microgravity and skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 89, 823-839 (2000).
  3. Fitts, R. H., Riley, D. R., Widrick, J. J. Functional and structural adaptations of skeletal muscle to microgravity. The Journal of Experimental Biology. 204 (Pt 18), 3201-3208 (2001).
  4. Narici, M. V., De Boer, M. D. Disuse of the musculo-skeletal system in space and on earth. European Journal of Applied Physiology. 111 (3), 403-420 (2011).
  5. di Prampero, P. E., Narici, M. V. Muscles in microgravity: from fibres to human motion. Journal of Biomechanics. 36 (3), 403-412 (2003).
  6. Wagner, E. B., Granzella, N. P., Saito, H., Newman, D. J., Young, L. R., Bouxsein, M. L. Partial weight suspension: a novel murine model for investigating adaptation to reduced musculoskeletal loading. Journal of Applied Physiology (Bethesda, Md. : 1985). 109 (2), 350-357 (2010).
  7. Sung, M., et al. Spaceflight and hind limb unloading induce similar changes in electrical impedance characteristics of mouse gastrocnemius muscle. Journal of Musculoskeletal and Neuronal Interactions. 13 (4), 405-411 (2013).
  8. Mcdonald, K. S., Blaser, C. A., Fitts, R. H. Force-velocity and power characteristics of rat soleus muscle fibers after hindlimb suspension. Journal of Applied Physiology. 77 (4), 1609-1616 (1994).
  9. Chowdhury, P., Long, A., Harris, G., Soulsby, M. E., Dobretsov, M. Animal model of simulated microgravity: a comparative study of hindlimb unloading via tail versus pelvic suspension. Physiological Reports. 1 (1), e00012(2013).
  10. Morey, E. R., Sabelman, E. E., Turner, R. T., Baylink, D. J. A new rat model simulating some aspects of space flight. The Physiologist. 22 (6), S23-4 (1979).
  11. NASA. National Space Exploration Campaign Report. , Available from: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/nationalspaceexplorationcampaign.pdf (2018).
  12. Mortreux, M., Nagy, J. A., Ko, F. C., Bouxsein, M. L., Rutkove, S. B. A novel partial gravity ground-based analogue for rats via quadrupedal unloading. Journal of Applied Physiology. 125, 175-182 (2018).
  13. Ellman, R., et al. Combined effects of botulinum toxin injection and hind limb unloading on bone and muscle. Calcified Tissue International. 94 (3), (2014).
  14. Swift, J. M., et al. Partial Weight Bearing Does Not Prevent Musculoskeletal Losses Associated with Disuse. Medicine & Science in Sports & Exercise. 45 (11), 2052-2060 (2013).
  15. Morey-Holton, E. R., Globus, R. K. Hindlimb unloading rodent model: technical aspects. Journal of Applied Physiology. 92 (4), 1367-1377 (2002).
  16. Andreev-Andrievskiy, A. A., Popova, A. S., Lagereva, E. A., Vinogradova, O. L. Fluid shift versus body size: changes of hematological parameters and body fluid volume in hindlimb-unloaded mice, rats and rabbits. Journal of Experimental Biology. 221 (Pt 17), (2018).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة