後肢とラットの部分的な荷重を使用して火星への宇宙ミッションを模倣
April 4th, 2019
革新的な地上のアナログ モデルを使用して、我々 はラット (0 g) への旅行および火星 (0.38 g) の宿泊を含む宇宙ミッションをシミュレートすることができます。このモデルは、ミッションの 2 つのハイポ重力段階中に発生する生理的変化の縦断的評価のことができます。
当社のプロトコルは、連続した荷下ろしレベルに動物を公開する可能性を作成することにより、重要な利点を提供しています。過去には、地上モデルは後肢の荷下ろしまたは部分的な重量負担のいずれかを別々に使用してきました。この技術の主な利点は、単一の装置と環境を使用して、火星への旅行を模倣し、短期滞在するなど、多くの可能性を提供することです。
このモデルは、火星に着陸したときの生理学的状態と、ミッション中にいくつかの荷下ろしレベルにさらされた宇宙飛行士の生理学的課題を理解するのに役立ちます。このモデルは、研究者が行動、記憶、パフォーマンスまたはストレスを含むがこれらに限定されない生理学的変化の広い範囲を探求するのに役立つ可能性がある。この手順を実証するのが、当研究室のダニエラ・リベロス研究員です。
後肢のアンロードを行うために、完全麻酔ラットをベンチに置き、鼻コーンから出てくる麻酔ガスを2%イソフルラン、酸素流量1分あたり1.5リットル。ラットを起こしやすい位置に置き、骨盤ハーネスを回転運動に置きます。骨盤ハーネスをそっと曲げてぴったりフィット感を与えながら、後肢を絞って擦り傷や不快感を防ぐように注意してください。
ステンレス鋼チェーンをスイベル留めで骨盤ハーネスの上部に取り付け、尾部の底部にフックを取り付けます。麻酔からラットを取り除き、チェーンを最大に伸ばしたカスタムケージに動物を入れます。ラットが完全に目を覚まし、移動したら、後肢が床に到達できなくなるまで、トップスイベル留め金を使用してチェーンを短くします。
ステンレスチェーンとバックロッドで構成される三角形の部品を追加して、後肢荷下ろしサスペンションデバイスを部分的な重量を持つサスペンションデバイスに変換します。ラットの前肢に適切なサイズのテザージャケットを置き、バックブラエクステンダーを使用して閉じます。バックブラエクステンダーにあるフックの三角形の部分の1つの留め金を取り付け、尾部の底部にある骨盤ハーネスにあるフックに反対側の留め金を取り付けます。
ラットをスケールの上に置き、チェーンを短くすることなく装置全体の重量を含む装填された体重を記録する。スケールがロードされた体重の40%を表示するまでチェーンを短くし、達成された重力レベルを記録します。ロッドで、スケールから装置全体を取り外し、ラットをケージに戻します。
後肢のグリップ力を評価するには、前肢の下に片手を置くことによって、伝統的な拘束でラットを保持します。尾を秒手でそっと持ち上げます。後足でグリップバーに近づき、両方の足がバーの上に完全に休んでいるようにします。
最後に、ラットがグリップを離れるまで、ラットをまっすぐにそっと引き戻します。3回繰り返し、トランスデューサに表示される最大力を記録します。疲労を考慮して、3 つの測定値の平均を計算します。
HLUの1週間に続いてPWB40の1週間が続き、同じ期間にPWB40のみで暴露されたラットで観察されたものと同様の有意な体重減少をもたらした。しかし、これらのラットは、その後PWB40にさらされながら、時間の経過とともに体重を減らし続けた。総アンロードの1週間は、年齢に一致したコントロールと比較して後肢のグリップ力の低下につながった。
しかし、PWB40の1週間後には、グリップ力に関してそれ以上の変化は認められなかった。さらに、総荷下ろしを経て部分的な体重負荷を受けたラットは、PWB40群と比較して有意に大きなグリップ力損失を示した。HLU-PWB40群のPWB40は、年齢に一致したコントロールよりもソレウス、胃頭筋、脛表筋の湿った塊が有意に低かった。
しかし、PWB40群とHLU-PWB40群の湿潤質量との間に有意差は認められなかった。この方法の成功は部分的な体重負荷レベルの精度に依存します。頻繁な監視は、動物のウェルネスと毎日のアンロードを評価するために重要です。
この方法は非侵襲的であるため、すべてのシステムに関する追加のテスト手順の利用を妨げるものではありません。積載時間が制御されたままであれば、縦方向の測定も簡単に実装できます。この方法は、実験室で完全に開発され、カスタム機器の利用は、新しいチームのために困難なことができます。
この技術は、部分的な体重負荷が遊んでいる広範な研究のための道を開きます.これには、松葉杖、杖、キャストなどの補助機器の使用、および水療法などの臨床状況が含まれる可能性があります。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概要
この研究では、無重力への旅と火星での滞在を含む宇宙ミッションをシミュレートする新しい地上アナログモデルを導入します。このモデルは、これらの低重力条件下でのラットの生理学的変化を包括的に評価することを可能にします。
研究の主要な構成要素
科学分野
- 神経科学
- 生理学
- 航空宇宙医学
背景
- 以前のモデルは後肢のアンロードまたは部分的な体重負荷に焦点を当てていました。
- この研究は火星ミッションの条件を模倣することを目指しています。
- 生理学的反応を理解することは宇宙飛行士の健康にとって重要です。
- 地上モデルは研究のための制御された環境を提供します。
研究の目的
- シミュレートされた宇宙条件下でのラットの生理学的状態を評価すること。
- 異なるアンロードレベルが行動とパフォーマンスに与える影響を探ること。
- 宇宙飛行士が火星で直面する可能性のある課題についての洞察を提供すること。
使用された方法
- 宇宙ミッションをシミュレートするための革新的な地上アナログモデル。
- ラットの生理学的変化の長期的な評価。
- 複数のアンロードレベルのための単一の装置。
- 研究中の行動とパフォーマンスの評価。
主な結果
- 実験室環境で火星ミッションをシミュレートする実現可能性を示しました。
- 異なる重力レベルに関連する生理学的変化を特定しました。
- 宇宙飛行士の健康に関する将来の研究のための枠組みを提供しました。
- アンロード条件下でのストレスとパフォーマンスを理解することの重要性を強調しました。
結論
- このモデルは低重力の影響を研究する独自の機会を提供します。
- 結果は宇宙飛行士のリスクを軽減するための戦略に情報を提供する可能性があります。
- 生理学的変化の全範囲を探るためにさらなる研究が必要です。
よくある質問
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.
