方法文章

利用大鼠的后肢卸荷和部分重量轴承模拟火星空间飞行任务

DOI：

10.3791/59327

⸱

2019年4月4日

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

本文内容

摘要

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

通过使用创新的地面模拟模型, 我们能够模拟一个空间飞行任务, 包括一次前往 (0 克) 和在大鼠身上停留 (0.38 克)。该模型允许对任务的两个低重力阶段发生的生理变化进行纵向评估。

摘要

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

啮齿类动物地面模型被广泛用于了解空间飞行对生理系统的生理影响, 并自1979年以来一直在照常使用, 并发展了后肢卸荷 (HLU)。然而, 太空探索的下一步现在包括前往重力为地球引力38% 的火星。由于没有人经历过这种局部重力水平, 因此有必要建立一个可持续的地面模型, 以调查已经因在微重力下度过的时间而受损的身体将如何对这种部分负荷做出反应。在这里, 我们使用我们的创新的部分负重 (PWB) 模型来模拟一个短暂的任务, 并留在火星上, 以评估生理损伤的后肢肌肉引起的生理损伤由两个不同的水平的降低重力应用顺序的方式。这可以为研究肌肉骨骼对重力变化的适应性和建立有效的对策以保护航天员的健康和功能提供一个安全的地面模型。

引言

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

包括月球和火星在内的外星目标代表了人类太空探索的未来, 但两者的引力都大大弱于地球。虽然在宇航员1、2、3、4、5和啮齿类动物6中广泛研究了失重对肌肉骨骼系统的影响,7.,8,9、后者得益于成熟的后肢卸荷 (hlu) 模型10, 对部分重力的影响了解甚少。火星重力占地球的 38%, 这个星球已经成为长期探索的焦点11;因此, 了解在这种情况下可能发生的肌肉变化是至关重要的。为此, 我们在大鼠12号的部分负重 (pwb) 系统的基础上, 根据以前在小鼠613只身上所做的工作, 利用肌肉和骨骼结果对其进行了验证。然而, 在探索火星之前, 将有一段长时间的微重力, 而我们先前描述的模型 12没有涉及这一问题。因此, 在这项研究中, 我们改变了我们的模型, 以模仿火星之旅, 包括一个完整的后肢卸载的第一阶段, 然后立即在正常负荷的40% 的部分重量承担的第二阶段。

与大多数 HLU 型号不同的是, 我们选择使用骨盆线束 (基于 Chowdhury 等人描述的那个), 而不是尾巴悬架, 以提高动物的舒适性, 并能够在几分钟内无缝、毫不费力地从 hlu 移动到 PWB。同时, 我们使用了我们之前开发和广泛描述的笼子和悬挂装置.除了提供可靠的一致数据外, 我们之前还证明, 吊杆中心悬架系统的固定连接点并不妨碍动物移动、梳理、喂养或饮酒。在这篇文章中, 我们将描述如何卸载动物的后肢 (全部和部分), 验证他们达到的重力水平, 以及如何在功能上评估由此产生的肌肉变化使用抓地力和湿肌肉质量。这种模型对于研究人员来说是非常有用的, 他们试图调查部分重力 (人造或外生) 对已经受损的肌肉骨骼系统的后果, 从而使他们能够研究生物体如何适应部分重新装载, 并制定可在载人航天飞行期间和之后维持健康的对策。

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方案

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这里描述的所有方法都是由贝丝以色列执事医疗中心动物护理和使用机构委员会 (IACUC) 根据第067-2016 号协议批准的。

注: 使用在基线 (第0天) 年龄为14周的雄性 Wistar 大鼠。老鼠被单独安置在定制笼子提前24小时基线, 以适应。

1. 后肢卸料

注: 骨盆线束可以放在麻醉或清醒的动物身上。在这里, 该协议的描述是麻醉动物。佩戴适当的个人防护装备 (PPE) 来处理动物。

  1. 将大鼠放入麻醉箱中, 使用3.5% 异氟醚, 氧气流量为 2 l2 min。
    注: 当后爪的牢固夹点不会引起反应时, 正确的麻醉被确认。
  2. 一旦动物被完全麻醉, 将老鼠放置在长凳上, 麻醉气体来自2% 异氟醚和 1.5 lmmin 的氧气流。
  3. 将大鼠放置在一个俯卧的位置, 并将骨盆线束放在一个转子尾状运动。
  4. 轻轻弯曲骨盆线束, 以提供一个舒适的适合, 同时要小心, 不要挤压后肢, 以防止擦伤和不适。
  5. 将不锈钢链与旋转扣连接到骨盆线束的顶部, 在尾巴的底部安装一个钩子。
  6. 将大鼠从麻醉中取出, 并将动物放入定制的笼子中, 其链延伸到其最大值。
  7. 一旦大鼠完全清醒和移动, 缩短链使用顶部旋转扣, 直到后肢不能再到达地板。
  8. 观察动物几分钟, 以评估其舒适性, 并确保在任何时候, 两肢都保持完全卸载。

2. 部分负重

注: 这一步可以在醒着和麻醉的动物身上实现。

  1. 通过添加由不锈钢链条和后杆组成的三角形部分, 将 HLU 悬挂装置转换为 PWB 悬架。
  2. 按照与 HLU 详细说明的程序 (步骤1.1 和 1.2) 相同的程序对动物进行麻醉。
  3. 将适当大小的系绳夹在大鼠的前肢上 (400 克或以下的大鼠为 m, 重量在400克以上的大鼠为 l), 并使用后胸罩扩展器将其关闭。
  4. 将三角形部件的一个扣子固定在位于后胸罩扩展器上的钩子上, 并将位于尾部底部骨盆线束上的挂钩上的相反扣子连接在一起。
  5. 让动物从笼子里的麻醉中恢复。一旦醒来, 通过缩短链和修改底部旋转扣的位置, 验证悬吊在前肢和后肢是相等的, 如果需要的话。
    注: 此步骤也可以通过力板来确认所有肢体上的相等载荷来实现。
  6. 将老鼠放在秤的顶部, 记录 "装载" 的体重, 即动物和整个仪器的重量, 而不缩短链条。
  7. 缩短链条, 直到刻度显示40% 的 "加载" 体重, 并记录所达到的重力水平 (以卸载重量和装载重量之间的比率表示)。
  8. 观察动物, 确保卸载的重量是稳定的, 老鼠同样加载在所有四肢上。
  9. 使用棒从秤上取下整个设备, 并将老鼠放回笼子中。

3. 评估后肢抓地力

  1. 用传统的约束将一只手放在前肢下, 以传统的约束将老鼠抱住。用第二只手轻轻握住尾巴。
  2. 用后爪接近抓地杆, 并确保两个爪子都完全靠在杆上。
    注: 如果老鼠没有完全抓住酒吧或没有显示任何自愿抓握的证据, 稍微释放约束。如果这不成功, 请将老鼠返回到其保持架, 几分钟后重试。
  3. 轻轻地把老鼠直接拉回来, 直到它释放它的抓地力。记录传感器上显示的最大力。
  4. 在两次测量之间等待大约 30秒, 并重复测试3次。
  5. 计算三个测量值的平均值, 以考虑疲劳。

4. 肌肉湿质量的记录

  1. 将大鼠放入二氧化碳安乐死室。在根据 IACUC 和 AVMA 指南等待适当的时间后, 通过对呼吸不足的目视观察来确认安乐死。
  2. 将大鼠放在解剖台上, 放在容易出现的位置, 用小的解剖剪刀在脚踝附近割伤皮草和皮肤。用双手将皮肤层拉掉。
  3. 使用小解剖剪刀, 轻轻地打破肌肉筋膜, 并隔离跟骨肌腱。
    注: 跟腱是鞋底和腓肠肌的附着点。
  4. 当拿着一小副推子的跟骨肌腱时, 用解剖剪刀将腓肠肌和独角肌与上面的双股肌隔离开来。
  5. 一旦隔离, 切断腓肠肌和单侧肌肉在腹股沟区域的附着点。
  6. 轻轻地将鞋底从肩部取下, 并通过切割跟骨肌腱将其分离。
  7. 将老鼠置于仰角位置。小心地取出筋膜, 并在向上运动中从脚踝前剥去胫骨。
  8. 在其上附着点前切胫骨。
  9. 使用一个点色的精密秤和一艘称重船记录每个切除肌肉的确切湿质量。

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结果

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利用我们之前设计和详细描述的新保持架 12, 我们使用了不锈钢链基悬挂装置, 既适用于后肢卸除 (hlu,图 1) 和部分负重 (pwb, 图 2)。我们设计的关键优势是能够在几分钟内从一种卸载到另一种卸载, 同时为动物保持相同的环境。我们使用了一个定制的骨盆线束 (图 2a), 它连接到一个定制的不锈钢链, 每一侧都有一个旋转的扣, 用于 hlu。为了修改这种悬挂装置并实现 PWB, 唯一的要求是增加一块三角形的不锈钢链条, 其中包括一个不灵活的后杆, 设计为坐在脊椎上方 (图 3)。这些步骤可以在清醒或麻醉的动物身上执行。

有了本实验提供的多功能环境, 我们可以成功...

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讨论

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该模型介绍了第一个地面模拟开发, 以调查连续的机械卸载水平, 并旨在模仿火星之旅和留在火星上。

该议定书的许多步骤对于确保其成功至关重要, 需要仔细审查。首先, 监测动物的健康状况, 确保它们保持正常的行为 (即执行饮食、休息和探索等任务), 特别是在 PWB 状态下, 它们保持相对正常生理姿势。其次, 尽管 pwb 的水平随着时间的推移非常稳定, 并且需要最少的人工干预12,14, 但必须记录所实现的部分重力, 以最大限度地减少动物之间的变化。此外, 当动物从完全机械卸载过渡到部分重力 (pwb40) 时, 它们已经显示出巨大的肌肉萎缩和功能6,9, 15的丧失, 这可能会导致短暂的难以恢复四足负重行为, 并导致一时尴尬的步态。

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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这项工作得到了美国国家航空和航天局 (NASA:NNX16AL36G) 的支持。作者要感谢卡森·塞姆普尔提供了这份手稿中包含的图纸。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
10G 绝缘实心铜线Grainger4WYY8100 英尺实心建筑电线，THHN 线型和 10 AWG 线径，黑色
2 定制设计有机玻璃墙P&K Custom Acrylics 公司N/A2个透明有机玻璃定制墙3/16"刻度，宽度12 3/16"，高度18 13/16"，1个直径0.25英寸的圆形槽，位于墙的中心顶部
3M Transpore手术胶带Fisher Scientific18-999-380Transpore手术胶带 
配件抓杆大鼠佛仪器76-0479配件抓杆大鼠，前爪或后爪
分析秤Fisher Scientific01-920-251OHAUS Adventurer 分析平衡
动物秤ZIEIS by AmazonN/A70磅容量数字秤 大顶 11.5" x 9.3" 硬脑膜平台 Z-Seal 110V 适配器 0.5 盎司精度
背部文胸延长器Luzen by AmazonN/A17 件 2 钩 3 行各种随机颜色女性间距文胸夹延长带
数字测力计瓦格纳仪器DFE2-01050 N 容量数字握力计 Chatillon DFE II
纱布Fisher Scientific13-761-52非无菌棉纱布海绵 
钥匙环和旋转扣Paxcoo Direct by AmazonN/APaxCoo 100个金属旋转挂绳弹簧钩带钥匙环
龙虾扣Panda Jewelry International Limited by AmazonN/APandahall 100个A级不锈钢龙虾爪扣 13x8mm
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鼠绳夹克 - 中号Braintree ScientificRJ M啮齿动物夹克
硅胶管Versilon St Gobain 陶瓷和塑料ABX00011SPX-50 硅胶管
不锈钢链Super Lover by AmazonN/A4.5m 15FT 不锈钢电缆链环散装 6x8mm
哈号

参考文献

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  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).

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