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
April 4th, 2019
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。
我们的协议提供了显著的优势，创造了将动物暴露在连续卸载水平的可能性。过去，地面模型分别使用后压式卸载或部分承重。这项技术的主要优点是使用单一的仪器和环境提供许多可能性，如模拟火星之旅和短期停留。
该模型将有助于了解登陆火星时的生理状态，以及宇航员在任务期间暴露在几个卸载级别的生理挑战。这个模型可以帮助研究人员探索广泛的生理变化，包括但不限于行为、记忆、表现或压力。演示这个程序的将是丹妮拉·里弗罗斯，我们实验室的研究员。
要执行后片卸载，请将完全麻醉的老鼠放在长凳上，麻醉气体来自鼻锥，每分钟有 2%的异氟和 1.5 升的氧气流量。将大鼠置于易发位置，并戴上骨盆线束进行玫瑰花运动。轻轻弯曲骨盆线束，以提供舒适的配合，同时小心不要挤压后肢，以防止擦伤和不适。
将带旋转扣的不锈钢链连接到骨盆线束的顶部，其中钩在尾部底部连接。将大鼠从麻醉中去除，将动物放在一个自定义的笼子里，将链条延长至最大。一旦大鼠完全清醒和移动，使用顶部旋转扣缩短链条，直到后肢不能再到达地板。
通过添加由不锈钢链和背杆组成的三角形部分，将后压式卸载悬架装置转换为部分承重悬架装置。将适当尺寸的系绳夹克放在大鼠的四肢上，并使用背部胸罩延长器将其关闭。将挂钩的三角形部分的一个扣子连接到后胸罩延长器上，在位于尾部底部骨盆线束上的挂钩上连接相反的扣。
将大鼠放在秤的顶部，记录加载的体重，包括整个仪器的重量，而不会缩短链条。缩短链条，直到刻度显示 40% 的加载体重，并记录达到的重力水平。用杆，从秤上取下整个装置，把老鼠放回笼子里。
要评估后肢抓地力，请用一只手放在前四肢下方，用传统的约束来握住大鼠。用第二只手轻轻握住尾巴。用后爪接近抓握杆，并确保两个爪子都完全放在抓爪上。
最后，轻轻地将大鼠拉回，直到它松开抓地力。重复三次并记录传感器上显示的最大力。计算三种测量值的平均值，以考虑疲劳。
一周的HLU，接着是一周的PWB40，导致体重显著下降，与只暴露在PWB40的老鼠中观察到的相同持续时间相似。然而，这些大鼠在随后接触PWB40时继续减肥。与年龄匹配的控制相比，一周的总卸载导致后力抓地力降低。
然而，在PWB40的后续一周后，没有观察到抓地力的进一步变化。此外，与PWB40组相比，经过总卸载后，然后是部分承重的老鼠的抓地力损失要大得多。HLU-PWB40组中的PWB40与年龄匹配的对等控制体相比，鞋底、胃肠和头骨的湿质明显降低。
然而，PWB40和HLU-PWB40组湿质量之间没有显著差异。此方法的成功取决于部分承重水平的准确性。频繁的监控对于评估动物的健康和每天卸货至关重要。
此方法是非侵入性的，因此不会阻止使用有关所有系统的其他测试过程。如果装载时间保持控制，纵向措施也很容易实施。这种方法完全在实验室中开发，使用定制设备对于新团队来说可能具有挑战性。
这项技术为部分承重作用的广泛研究开辟了方向。这可能包括临床情况，如使用辅助设备，如拐杖，拐杖或石膏，以及水疗法。
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概述
本研究介绍了一种新型的地面模拟模型，该模型可以模拟太空任务，包括零重力环境下的旅程和火星上的停留。该模型可以全面评估大鼠在这些低重力条件下的生理变化。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生理学
- 航空航天医学
背景
- 以往的模型主要集中在后肢卸载或部分负重上。
- 本研究旨在模拟火星任务的条件。
- 了解生理反应对于宇航员的健康至关重要。
- 地面模型为研究提供了一个受控环境。
研究目的
- 评估大鼠在模拟太空条件下的生理状态。
- 探索不同卸载水平对行为和表现的影响。
- 提供关于宇航员可能在火星上面临的挑战的见解。
使用的方法
- 用于模拟太空任务的创新地面模拟模型。
- 对大鼠生理变化的纵向评估。
- 用于多个卸载水平的单一装置。
- 研究期间的行为和表现评估。
主要结果
- 证明了在实验室环境中模拟火星任务的可行性。
- 确定了与不同重力水平相关的生理变化。
- 为未来关于宇航员健康的研究提供了框架。
- 强调了在卸载条件下理解压力和表现的重要性。
结论
- 该模型提供了研究低重力影响的独特机会。
- 研究结果可能为减轻宇航员风险的策略提供信息。
- 需要进一步的研究来探索全面的生理变化。
常见问题
Executive Industry Relevance
This ground-based model enables sequential exposure to hypo-gravitational conditions, supporting preclinical evaluation of musculoskeletal adaptations relevant to astronaut health during Mars missions. By simulating mission-phase gravity transitions, it provides a controlled system for target de-risking in countermeasure development. The approach offers translational value for assessing physiological resilience under combined unloading and partial weight-bearing scenarios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to muscle atrophy under progressive gravity reduction.
- Operational Value: Supports functional target validation by modeling hindlimb muscle response to combined unloading and weight-bearing.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for assessing compound effects on muscle grip force and wet mass.
- Operational Value: Standardizes physiological readouts such as soleus, gastrocnemius, and tibialis anterior wet mass for reproducible screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Provides disease-relevant system insights into musculoskeletal impairment during gravity transitions.
- Operational Value: Facilitates preclinical continuity from discovery to validation of countermeasures for astronaut health.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology by enabling hypothesis testing on musculoskeletal pathways under sequential hypo-gravity exposure, supporting lead identification for countermeasures.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification and biological de-risking of targets involved in muscle atrophy.
- Screening: Delivers quantitative outputs like grip force and muscle wet mass for reliable compound evaluation.
- Analytics: Enables statistical comparison of physiological changes across unloading levels to inform go/no-go decisions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by modeling Mars-relevant gravity exposure sequences.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for studying gravitational change effects across multiple physiological systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in muscle atrophy pathways.
- Operational Value: Enhances reproducibility and scalability through standardized apparatus and loading protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early physiological readouts under mission-relevant conditions.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of countermeasures based on sequential unloading response data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent handling, surgical harness placement, and gravity level calibration.
- Depends on custom apparatus including pelvic harness, stainless steel chains, and triangle-shaped partial weight-bearing components.
- Necessitates cross-team standardization for consistent partial weight-bearing level achievement and monitoring.
- Involves adaptation considerations when translating protocols across different rodent strains or ages.
- Limited by the need for daily wellness checks and accurate loading time control to maintain model validity.
