Methodenartikel

Het nabootsen van een ruimtemissie naar Mars met behulp van stuk lossen en gedeeltelijke gewicht dragen bij ratten

DOI:

10.3791/59327

⸱

4 april 2019

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Met behulp van een innovatieve grond analoge model, zijn we in staat om te simuleren een ruimtemissie met inbegrip van een reis naar (0 g) en een verblijf op Mars (0.38-g) bij ratten. Dit model zorgt voor een longitudinale beoordeling van de fysiologische veranderingen die zich voordoen tijdens de twee hypo-gravitationele fasen van de missie.

Samenvatting

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

Knaagdier grond-gebaseerde modellen worden veel gebruikt om te begrijpen van de fysiologische gevolgen van de ruimte vlucht op het fysiologische systeem en routinematig hebben gewerkt sinds 1979 en de ontwikkeling van hind ledematen lossen (HLU). Echter, omvatten de volgende stappen in de verkenning van de ruimte nu om te reizen naar Mars waar de zwaartekracht is 38% van de aardse zwaartekracht. Omdat geen mens dit niveau van gedeeltelijke zwaartekracht ervaren heeft, is een duurzaam model van de grond nodig om te onderzoeken hoe het lichaam, al aangetast door de tijd doorgebracht in microzwaartekracht, zou reageren op deze gedeeltelijke belasting. Hier, we gewend onze innovatieve gedeeltelijke gewicht dragende (PWB) model na te bootsen van een korte missie en blijf op Mars te beoordelen van de fysiologische afboekingen in de spieren van de hind-limb geïnduceerd door twee verschillende niveaus van de verminderde zwaartekracht op sequentiële wijze toegepast. Dit kan zorgen voor een veilige, op de grond gebaseerde model te bestuderen van de spier-en aanpassingen van gravitationele verandering en om doeltreffende tegenmaatregelen voor het behoud van de gezondheid en de functie van de astronauten.

Inleiding

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

Buitenaardse streefcijfers, met inbegrip van de maan en Mars, de toekomst van menselijke ruimtevaart vertegenwoordigen, maar beide hebben aanzienlijk zwakker zwaartekracht dan de aarde. Terwijl de gevolgen van gewichtloosheid op het bewegingsapparaat zijn uitvoerig bestudeerd astronauten1,2,3,4,5 en knaagdieren6, 7 , 8 , 9, het laatste dankzij de gevestigde stuk lossen (HLU) model10, is weinig bekend over de effecten van gedeeltelijke zwaartekracht. Martian zwaartekracht is 38% van het aardoppervlak en deze planeet geworden de focus van langdurige exploratie-11; Daarom is het cruciaal om te begrijpen van de gespierde wijzigingen voordoen bij deze instelling. Om dit te doen, ontwikkeld we een gedeeltelijke gewicht dragen (PWB) systeem in ratten12, op basis van eerdere werkzaamheden in muizen6,13, waarin werd gevalideerd met behulp van zowel spieren en botten resultaten. Echter, de verkenning van Mars zal worden voorafgegaan door een langdurige periode van microzwaartekracht, die niet werd behandeld in ons eerder beschreven model12. Daarom in deze studie, we gewijzigd van ons model om na te bootsen van een reis naar Mars, bestaat uit een eerste fase van totale stuk lossing en onmiddellijk gevolgd door een tweede fase van gedeeltelijke gewicht lager op 40% van het normale laden.

In tegenstelling tot de meeste HLU modellen, kozen we voor een bekken harnas (gebaseerd op beschreven door Chowdhury et al.9) gebruiken in plaats van een schorsing van de staart om dieren comfort en te kunnen bewegen naadloos en moeiteloos van HLU naar PWB in een kwestie van minuten. In combinatie gebruikten we de kooien en schorsing apparaten dat we eerder ontwikkeld en uitgebreid12beschreven. Naast het verstrekken van betrouwbare/consistente gegevens, toonden we ook eerder aan dat de vaste bevestigingspunt van het systeem inzake schorsing in het midden van de staaf niet de dieren dat belette uit verplaatsen, verzorgen, eten of drinken. In dit artikel beschrijven we hoe uitladen van de dieren hind ledematen (zowel volledig als gedeeltelijk), controleren van bereikte zwaartekracht kwalificatieniveaus, evenals hoe functioneel beoordelen de resulterende gespierd aanpassingen met behulp van de greep kracht en natte spiermassa. Dit model zou zeer nuttig zijn voor onderzoekers willen onderzoeken de gevolgen van gedeeltelijke zwaartekracht (kunstmatige of Extra-Terrestrial) op een reeds geïnfecteerd houdings-en bewegingsapparaat, waardoor ze om te onderzoeken hoe organismen zich aanpassen aan gedeeltelijke herladen, en voor de ontwikkeling van de tegenmaatregelen die zouden kunnen worden ontwikkeld om de gezondheid te behouden tijdens en na de bemande ruimtevaart.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

Alle methoden die hier worden beschreven zijn door de institutionele Animal Care en gebruik Comité (IACUC) van Beth Israël diaken Medical Center onder protocolnummer 067-2016 goedgekeurd.

NB: Mannelijke Wistar ratten leeftijd van 14 weken op basislijn (dag 0) worden gebruikt. Ratten zijn individueel gehuisvest in aangepaste kooien 24u voorafgaande basislijn toe voor acclimatisatie.

1. stuk lossen

Opmerking: Het bekken harnas kan worden gelegd op de narcose of wakker dieren. Hier wordt de beschrijving van het protocol op narcose dieren gegeven. Draag de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) te behandelen dieren.

  1. Schakel de rat in een verdoving met 3,5% Isofluraan en een stroom van zuurstof van 2 L/min.
    Opmerking: Juiste afstomping wordt bevestigd wanneer een stevige snuifje van de achterste poot is niet een reactie uitlokken.
  2. Nadat het dier is volledig verdoofd, plaatsen de rat op de Bank met verdoving gas vanuit een neuskegel met 2% Isofluraan en een zuurstof stroom van 1,5 L/min.
  3. Plaats van de rat in een liggend en zet het bekken harnas op in een rostro-caudal beweging.
  4. Bocht het bekken harnas te verstrekken een snug passen terwijl voorzichtig Knijp zachtjes niet de hindlimbs om te voorkomen dat schaafwonden en ongemak.
  5. Bevestig de keten van roestvrij staal met de draaibare gesp aan de bovenkant van het bekken harnas, waarop een haak is aangesloten aan de voet van de staart.
  6. De rat uit narcose verwijderen en plaatsen van het dier in een aangepaste kooi met de keten uitgebreid op zijn maximum.
  7. Zodra de rat volledig wakker en mobiele is, verkorten de keten met behulp van de bovenste draaibare gesp, tot de achterste ledematen kan niet langer het woord.
  8. Observeer het dier voor een paar minuten om te beoordelen zijn comfort en zorg ervoor dat op alle tijden, beide hind ledematen blijven volledig gelost.

2. gedeeltelijke gewicht dragende

Opmerking: Deze stap kan worden gerealiseerd in zowel wakker en narcose dieren.

  1. Het apparaat van de schorsing HLU converteren naar een PWB schorsing door toevoeging van de driehoek-vormige deel samengesteld uit RVS kettingen en een terug staaf.
  2. Anesthetize het dier na de gedetailleerde regels voor de HLU (stap 1.1 en 1.2).
  3. Plaats van een ketting jasje van de juiste grootte op de voorpoten van de rat (M voor ratten van 400 g of lager, L voor ratten met een gewicht boven 400 g) en sluit het gebruik van de extender terug beha.
  4. Bevestig een gesp van de driehoek-vormige deel aan de haak ligt op de rug BH-extender en de tegenovergestelde gesp op de haak ligt op het bekken harnas aan de voet van de staart.
  5. Laat het dier om te herstellen van verdoving in de kooi. Eenmaal wakker is, Controleer of de schorsing gelijk op zowel de hindlimbs als de voorpoten door verkorting van de keten en wijzigen van de locatie van de bodem draaibare gesp indien nodig.
    Opmerking: Deze stap kan ook worden gerealiseerd met behulp van een plaat van de kracht om te bevestigen het gelijk laden op alle ledematen.
  6. Plaats de rat op de top van de schaal voor het opnemen van het "geladen" lichaamsgewicht, dat wil zeggen, het gewicht van het dier en het hele apparaat, zonder verkorting van de keten.
  7. Verkorten van de keten, totdat de schaal wordt weergegeven 40% van de "geladen" lichaamsgewicht en record het bereikte niveau van de zwaartekracht (uitgedrukt als de verhouding tussen gelost gewicht en geladen gewicht).
  8. Observeer het dier om ervoor te zorgen dat het gelost gewicht stabiel is en dat de rat op alle ledematen even geladen is.
  9. Het hele apparaat verwijderen uit de schaal met behulp van de staaf en de rat plaats terug in zijn kooi.

3. beoordeling van stuk grip kracht

  1. Houd de rat met een traditionele beperking door het plaatsen van één hand onder de voorpoten. Zachtjes Houd de staart met de tweede hand.
  2. Aanpak van de bar van de greep met de achterste poten en ervoor te zorgen dat beide poten volledig op de balk rusten.
    Opmerking: Als de rat doet niet volledig grip de bar of enig bewijs van vrijwillige aangrijpend niet wordt weergegeven, enigszins laat de terughoudendheid. Als dit mislukt, de rat terug te keren naar zijn kooi en na een paar minuten opnieuw.
  3. Trek voorzichtig de rat rechte terug tot het vrijkomen van zijn greep. Record de maximale kracht die op de transducer wordt weergegeven.
  4. Wacht ongeveer 30 s tussen metingen en herhaal de test 3 keer.
  5. Bereken het gemiddelde van de drie meetwaarden voor scoren, bij account voor vermoeidheid.

4. opname van spier natte massa

  1. Plaats de rat in een zaal CO2 euthanasie. Na het wachten op het juiste moment volgens de richtlijnen van de IACUC en AVMA, euthanasie te bevestigen door een visuele waarneming van een gebrek aan ademhaling.
  2. De rat plaats op de tafel van de dissectie in een horizontale positie en verwijder de vacht en huid gebeuren in de buurt van de enkel met behulp van kleine dissectie schaar. Gebruik de handen de huidlaag om af te trekken.
  3. Met behulp van kleine dissectie schaar, zachtjes breken de spier fascia en isoleren van de pees van de calcaneus.
    Opmerking: De pees hielbeen is het bevestigingspunt voor zowel de soleus en de gastrocnemius spieren.
  4. Houd de pees hielbeen met een kleine pincet en gebruik de dissectie schaar te isoleren van de gastrocnemius en soleus spieren van de musculus biceps femoris, gelegen boven.
  5. Het geïsoleerde, snijd het bevestigingspunt van de gastrocnemius en soleus spieren in de popliteale gebied.
  6. Zachtjes trekken de soleus uit de buurt van de gastrocnemius en losmaken van hen door het snijden van de pees van de calcaneus.
  7. Plaats de rat in een liggende positie. Zorgvuldig verwijderen van de fascia en schil de tibialis anterior van de enkel in een opwaartse beweging.
  8. Snijd de tibialis anterior op haar superieure bevestigingspunt.
  9. Noteer de exacte natte massa van elke verwijderde spier met behulp van een getarreerde precisie-schaal en een gewicht van de boot.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Profiteren van de nieuwe kooien dat we eerder ontworpen en beschreven in detail12, we een roestvrij stalen ketting gebaseerde schorsing-apparaat dat is geschikt voor zowel stuk lossen gebruikten (HLU, Figuur 1) en gedeeltelijke gewicht dragende (PWB, Figuur 2). Het cruciale voordeel van ons ontwerp is de mogelijkheid om te gaan van het ene type van lossing naar de andere in een kwestie van minuten terwijl...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Dit model presenteert de eerste grond analoge ontwikkeld om te onderzoeken van opeenvolgende mechanische lossen niveaus en wil nabootsen van een reis naar en verblijf op Mars.

Vele stappen van dit protocol zijn essentieel voor het welslagen en moeten grondig worden onderzocht. Ten eerste, het is cruciaal dat toezicht op het welzijn van de dieren en zorgen dat ze het behoud van een normaal gedrag (dat wil zeggen, uitvoerende taken zoals eten, rusten en verkennen), met name tijdens de PWB staat ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gesteund door de National Aeronautics and Space Administration (NASA: NNX16AL36G). Auteurs bedank Carson Semple voor het verstrekken van de tekeningen die zijn opgenomen in dit manuscript.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
10G Insulated Solid Copper WireGrainger4WYY8100 ft solid building wire met THHN draadtype en 10 AWG draadmaat, zwart
2 Custom design plexiglass wallsP&K Custom Acrylics Inc.N/A2 heldere plexiglas aangepaste wanden van 3/16" dik, breedte 12 3/16", hoogte 18 13/16", 1 afgeronde sleuf van 0,25 inch diameter gelegen in het midden bovenaan de muur
3M Transpore Surgical TapeFisher Scientific18-999-380Transpore Surgical Tape 
Accessory Grasping Bar RatHarvard Apparatus76-0479Accessoire grijphaak voor rat, voor- of achterpoten
Analytical ScaleFisher Scientific01-920-251OHAUS Adventurer Analytische Weegschaal
Animal ScaleZIEIS by AmazonN/A70 lb capaciteit digitale weegschaal groot top 11,5" x 9,3" duurzaam platform z-seal 110V adapter 0,5 ounce nauwkeurigheid
Back Bra ExtendersLuzen by AmazonN/A17 stuks 2 haakjes 3 rijen willekeurige kleur vrouwen tussenstuk bh clip extender band
Digital Force GageWagner InstrumentsDFE2-01050 N Capaciteit Digitale Grip Kracht Meter Chatillon DFE II
GauzeFisher Scientific13-761-52Niet-steriele Katoenen Gauze Sponzen 
Key rings and swivel clapsPaxcoo Direct by AmazonN/APaxCoo 100 stuks metalen zwenkbare lanyard snaphaak met sleutelringen
Lobster ClapsPanda Jewelry International Limited by AmazonN/APandahall 100 stuks graad A roestvrijstalen klauwen 13x8mm
Rat Tether Jacket - LargeBraintree ScientificRJ LRodent Jacket
Rat Tether Jacket - MediumBraintree ScientificRJ MRodent Jacket
Silicone tubingVersilon St Gobain Ceramics and PlasticsABX00011SPX-50 Silicone Tubing
Stainless Steel ChainsSuper Lover by AmazonN/A4,5m 15FT roestvrijstalen kabelketting in bulk 6x8mm

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Mars zwaartekrachtsimulatieachterpootspieren van rattengripkrachtbeoordelinggewichtsverliessoleusspieranalysegastrocnemiusspiermusculus tibialis anteriorop maat gemaakt ophangapparaat

Gerelateerde artikelen