Artykuł metodologiczny

Naśladowanie misji kosmicznej na Marsa przy użyciu rozładunku kończyn tylnych i częściowego obciążania szczurów

DOI:

10.3791/59327

⸱

4 kwietnia 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Korzystając z innowacyjnego naziemnego modelu analogowego, jesteśmy w stanie symulować misję kosmiczną, w tym podróż na (0 g) i pobyt na Marsie (0,38 g) u szczurów. Model ten pozwala na podłużną ocenę zmian fizjologicznych zachodzących podczas dwóch hipograwitacyjnych etapów misji.

Streszczenie

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

Modele naziemne gryzoni są powszechnie używane do zrozumienia fizjologicznych konsekwencji lotów kosmicznych dla systemu fizjologicznego i są rutynowo stosowane od 1979 roku i rozwoju rozciążania kończyn tylnych (HLU). Jednak kolejne kroki w eksploracji kosmosu obejmują teraz podróż na Marsa, gdzie grawitacja wynosi 38% grawitacji Ziemi. Ponieważ żadna istota ludzka nie doświadczyła takiego poziomu częściowej grawitacji, niezbędny jest zrównoważony model naziemny, aby zbadać, jak ciało, już osłabione przez czas spędzony w mikrograwitacji, zareagowałoby na to częściowe obciążenie. W tym przypadku wykorzystaliśmy nasz innowacyjny model częściowego obciążenia (PWB), aby naśladować krótką misję i pobyt na Marsie, aby ocenić fizjologiczne upośledzenia mięśni kończyn tylnych wywołane przez dwa różne poziomy zmniejszonej grawitacji zastosowane w sposób sekwencyjny. Może to zapewnić bezpieczny, naziemny model do badania adaptacji układu mięśniowo-szkieletowego do zmian grawitacyjnych i ustanowienia skutecznych środków zaradczych w celu zachowania zdrowia i funkcji astronautów.

Wprowadzenie

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

Pozaziemskie cele, w tym Księżyc i Mars, reprezentują przyszłość ludzkiej eksploracji kosmosu, ale oba mają znacznie słabszą grawitację niż Ziemia. Podczas gdy konsekwencje nieważkości dla układu mięśniowo-szkieletowego były szeroko badane u astronautów1,2,3,4,5 oraz u gryzoni6,7,8,9, ten ostatni dzięki dobrze ugruntowanemu modelowi odprowadzania kończyn tylnych (HLU)10, bardzo niewiele wiadomo o skutkach częściowej grawitacji. Marsjańska grawitacja wynosi 38% ziemskiej grawitacji, a planeta ta stała się przedmiotem długoterminowych badań11; Dlatego ważne jest, aby zrozumieć zmiany mięśniowe, które mogą wystąpić w tym ustawieniu. W tym celu opracowaliśmy system częściowego obciążenia (PWB) u szczurów12, w oparciu o wcześniejsze prace wykonane na myszach6,13, który został zweryfikowany na podstawie wyników zarówno mięśni, jak i kości. Jednak eksploracja Marsa będzie poprzedzona długotrwałym okresem mikrograwitacji, który nie został poruszony w naszym wcześniej opisanym modelu12. Dlatego w tym badaniu zmieniliśmy nasz model, aby naśladować podróż na Marsa, składającą się z pierwszej fazy całkowitego obciążenia kończyn tylnych, a zaraz po niej drugiej fazy częściowego obciążenia przy 40% normalnego obciążenia.

W przeciwieństwie do większości modeli HLU, zdecydowaliśmy się użyć uprzęży miednicy (opartej na tej opisanej przez Chowdhury'ego i wsp.9) zamiast zawieszenia ogona, aby poprawić komfort zwierząt i móc płynnie i bez wysiłku przejść z HLU do PWB w ciągu kilku minut. W połączeniu użyliśmy klatek i urządzeń do zawieszania, które wcześniej opracowaliśmy i szczegółowo opisaliśmy12. Oprócz dostarczania wiarygodnych/spójnych danych, wykazaliśmy również, że stały punkt mocowania systemu zawieszenia w środku pręta nie przeszkadzał zwierzętom w poruszaniu się, pielęgnacji, karmieniu lub piciu. W tym artykule opiszemy, w jaki sposób rozładować tylne kończyny zwierząt (zarówno całkowicie, jak i częściowo), zweryfikować osiągnięty przez nie poziom grawitacji, a także jak funkcjonalnie ocenić powstałe zmiany mięśniowe za pomocą siły chwytu i mokrej masy mięśniowej. Model ten byłby niezwykle przydatny dla naukowców chcących zbadać konsekwencje częściowej grawitacji (zarówno sztucznej, jak i pozaziemskiej) dla już uszkodzonego układu mięśniowo-szkieletowego, umożliwiając im w ten sposób zbadanie, w jaki sposób organizmy przystosowują się do częściowego przeładowania, a także dla opracowania środków zaradczych, które można opracować w celu utrzymania zdrowia podczas i po załogowym locie kosmicznym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

Wszystkie opisane tutaj metody zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) z Beth Israel Deaconess Medical Center na podstawie protokołu numer 067-2016.

UWAGA: Używane są samce szczurów rasy Wistar w wieku 14 tygodni na początku badania (dzień 0). Szczury są trzymane indywidualnie w niestandardowych klatkach 24 godziny przed punktem odniesienia, aby umożliwić aklimatyzację.

1. Rozładunek kończyn tylnych

UWAGA: Uprząż miednicy może być założona zarówno znieczulonym, jak i zbudzonym zwierzętom. Tutaj opis protokołu jest podany na znieczulonych zwierzętach. Nosić odpowiednie środki ochrony osobistej (PPE) do obchodzenia się ze zwierzętami.

  1. Umieść szczura w pudełku anestezjologicznym z 3,5% izofluranem i przepływem tlenu 2 l/min.
    UWAGA: Prawidłowe znieczulenie jest potwierdzone, gdy mocne uszczypnięcie tylnej łapy nie wywołuje reakcji.
  2. Gdy zwierzę zostanie w pełni znieczulone, połóż szczura na ławce z gazem znieczulającym pochodzącym z nosa z 2% izofluranem i przepływem tlenu 1,5 l/min.
  3. Ułóż szczura w pozycji leżącej i załóż uprząż miednicy ruchem rostro-ogonowym.
  4. Delikatnie zegnij uprząż miednicy, aby zapewnić dokładne dopasowanie, uważając, aby nie ściskać tylnych kończyn, aby zapobiec otarciom i dyskomfortowi.
  5. Przymocuj łańcuszek ze stali nierdzewnej za pomocą obrotowego zapięcia do górnej części uprzęży miednicy, gdzie u podstawy ogona przymocowany jest haczyk
    6. .
  6. Wyjmij szczura ze znieczulenia i umieść zwierzę w niestandardowej klatce z łańcuchem rozciągniętym do maksimum.
  7. Gdy szczur jest w pełni przytomny i mobilny, skróć łańcuch za pomocą górnego obrotowego zapięcia, aż tylne kończyny nie będą już mogły dosięgnąć podłogi.
  8. Obserwuj zwierzę przez kilka minut, aby ocenić jego komfort i upewnić się, że przez cały czas obie tylne kończyny pozostają całkowicie nieobciążone.

2. Częściowe obciążenie

UWAGA: Ten krok może być zrealizowany zarówno u zwierząt obudzonych, jak i znieczulonych.

  1. Przekształć urządzenie zawieszenia HLU w zawieszenie PWB, dodając część w kształcie trójkąta składającą się z łańcuchów ze stali nierdzewnej i pręta tylnego.
  2. Znieczulić zwierzę zgodnie z tymi samymi procedurami, które opisano dla HLU (kroki 1.1 i 1.2).
  3. Umieść kamizelkę na uwięzi o odpowiednim rozmiarze na przednich kończynach szczura (M dla szczurów o wadze 400 g lub mniejszej, L dla szczurów o masie ciała powyżej 400 g) i zamknij ją za pomocą przedłużacza biustonosza z tyłu.
  4. Przymocuj jedno zapięcie części w kształcie trójkąta do haczyka znajdującego się na tylnym przedłużeniu biustonosza, a przeciwległe zapięcie na haczyku znajdującym się na uprzęży miednicy u nasady ogona.
  5. Pozwól zwierzęciu dojść do siebie po znieczuleniu w klatce. Po przebudzeniu sprawdź, czy zawieszenie jest równe zarówno na kończynach przednich, jak i tylnych, skracając łańcuch i w razie potrzeby modyfikując położenie dolnego zapięcia obrotowego.
    UWAGA: Ten krok można również wykonać za pomocą płytki siłowej, aby potwierdzić równe obciążenie wszystkich kończyn.
  6. Umieść szczura na górze wagi, aby zarejestrować "załadowaną" masę ciała, tj. wagę zwierzęcia i całego aparatu, bez skracania łańcucha.
  7. Skróć łańcuch do momentu, aż waga pokaże 40% "załadowanej" masy ciała i zapisz osiągnięty poziom grawitacji (wyrażony jako stosunek masy nieobciążonej do masy załadowanej).
  8. Obserwuj zwierzę, aby upewnić się, że rozładowany ciężar jest stabilny i że szczur jest równomiernie obciążony na wszystkie kończyny.
  9. Wyjmij cały aparat z wagi za pomocą pręta i umieść szczura z powrotem w klatce.

3. Ocena siły nacisku na kończyny tylne

  1. Trzymaj szczura tradycyjnym unieruchomieniem, umieszczając jedną rękę pod przednimi kończynami. Delikatnie przytrzymaj ogon drugą ręką
    2. .
  2. Podejdź do uchwytu tylnymi łapami i upewnij się, że obie łapy całkowicie spoczywają na drążku.
    UWAGA: Jeśli szczur nie chwyta całkowicie drążka lub nie wykazuje żadnych oznak dobrowolnego chwytania, lekko zwolnij ograniczenie. Jeśli to się nie powiedzie, włóż szczura z powrotem do klatki i spróbuj ponownie po kilku minutach.
  3. Delikatnie pociągnij szczura prosto do tyłu, aż zwolni uścisk. Zapisz maksymalną siłę wyświetlaną na przetworniku.
  4. Odczekaj około 30 s między pomiarami i powtórz test 3 razy.
  5. Oblicz średnią z trzech pomiarów do oceny punktowej, aby uwzględnić zmęczenie.

4. Zapis mokrej masy mięśniowej

  1. Umieść szczura w komorze eutanazji CO2 . Po odczekaniu odpowiedniego czasu zgodnie z wytycznymi IACUC i AVMA, potwierdź eutanazję poprzez wzrokową obserwację braku oddechu.
  2. Umieść szczura na stole sekcyjnym w pozycji leżącej i usuń sierść i skórę, nacinając w pobliżu kostki za pomocą małych nożyczek do preparowania. Użyj rąk, aby ściągnąć warstwę skóry.
  3. Za pomocą małych nożyczek preparacyjnych delikatnie rozerwij powięź mięśniową i odizoluj ścięgno piętowe.
    UWAGA: Ścięgno kości piętowej jest punktem przyczepu zarówno mięśnia płaszczkowatego, jak i mięśnia brzuchatego łydki.
  4. Trzymając ścięgno kości piętowej małą pęsetą, użyj nożyczek preparacyjnych, aby odizolować mięśnie brzuchatego łydki i płaszczkowatego od mięśnia dwugłowego uda, znajdującego się powyżej.
  5. Po odizolowaniu odetnij punkt przyczepu mięśni brzuchatego łydki i płaszczkowatego w okolicy podkolanowej.
  6. Delikatnie odciągnij płaszczkowaty od mięśnia brzuchatego łydki i odłącz je, przecinając ścięgno piętowe.
  7. Ułóż szczura w pozycji leżącej. Ostrożnie zdejmij powięź i oderwij piszczel przedni od kostki ruchem w górę.
  8. Przetnij piszczel przedni w jego górnym punkcie przyczepu.
  9. Zapisać dokładną mokrą masę każdego wyciętego mięśnia za pomocą tarowanej wagi precyzyjnej i łódki wagowej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Korzystając z nowych klatek, które wcześniej zaprojektowaliśmy i szczegółowo opisaliśmy12, użyliśmy urządzenia do zawieszania na łańcuchu ze stali nierdzewnej, które nadaje się zarówno do rozładowywania kończyn tylnych (HLU, Rysunek 1), jak i częściowego obciążania (PWB, Rysunek 2). Kluczową zaletą naszego projektu jest możliwość przejścia z jednego rodzaju rozładunku do drugiego w ciągu kilku minut przy zachowaniu identyczne...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Model ten jest pierwszym naziemnym analogiem opracowanym w celu zbadania kolejnych poziomów rozładowania mechanicznego i ma na celu naśladowanie podróży na Marsa i pobytu na nim.

Wiele etapów tego protokołu ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia jego powodzenia i należy je dokładnie zbadać. Po pierwsze, ważne jest, aby monitorować dobrostan zwierząt i upewnić się, że utrzymują one normalne zachowanie (tj. wykonują zadania takie jak jedzenie, odpoczynek i eksploracja), szczególnie w stanie PWB, ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA: NNX16AL36G). Autorzy pragną podziękować Carsonowi Semple'owi za udostępnienie rysunków zawartych w tym manuskrypcie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Izolowany drut miedziany 10GGrainger4WYY8100 ft solidny drut budowlany z drutem typu THHN i rozmiarem drutu 10 AWG,
2 Ściany z pleksiglasu o niestandardowym projekcieP & K Niestandardowe Akryle Inc.Nie dotyczy2 przezroczystości z pleksi niestandardowa ściana 3/16 "tick, szerokość 12 3/16", wysokość 18 13/16", 1 zaokrąglona szczelina o średnicy 0,25 cala znajdująca się w środkowej górnej części ściany
Taśma chirurgiczna 3M TransporeFisher Scientific18-999-380Taśma chirurgiczna Transpore 
Akcesorium Chwytak Szczur PrętAparat Harvard76-0479Akcesorium Chwytanie szczura prętowego, przednie lub tylne łapy
Skala analitycznaFisher Scientific01-920-251Waga analityczna OHAUS Adventurer Waga
dla zwierzątZIEIS by AmazonNie dotyczyWaga cyfrowa o pojemności 70 funtów Big Top 11,5 "x 9,3" Platforma dura Adapter Z-Seal 110 V Dokładność 0,5 uncji
Przedłużaczebiustonosza z tyłuLuzen by AmazonN/A17 sztuk 2 haczyki 3 rzędy różne losowe kolory kobiety odstępy biustonosz klips przedłużacz pasek
Cyfrowy miernik siłyInstrumentsDFE2-01050 N Pojemność Cyfrowy miernik siły chwytu Chatillon DFE II
GauzeFisher Scientific13-761-52Niesterylne bawełniane gąbki z gazy 
Breloki i klapkiPaxcoo Direct by AmazonNie dotyczyPaxCoo 100 sztuk metalowy karabińczyk na smycz obrotową z breloczkami
Lobster ClapsPanda Jewelry International Limited przez AmazonNie dotyczyPandahall 100 sztuk klaśnik ze stali nierdzewnej klasy A Zapięcia na pazury homara 13x8mm
Kurtka Rat Tether - dużaBraintree ScientificRJ LKurtka dla gryzoni
Kurtka Rat Tether - średniaKurtka dlagryzoniRJ M
Rurki silikonoweVersilon St Gobain Ceramika i tworzywa sztuczneABX00011SPX-50 Rurki silikonowe
Łańcuchy ze stali nierdzewnejSuper Lover firmy AmazonN / A4,5 m 15FT ogniwo łańcucha kablowego ze stali nierdzewnej luzem 6x8mm
Wagner obrotowe Braintree Scientific

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Symulacja grawitacji marsja skiejmi nie ko czyn tylnych szczuraocena si y chwytuutrata masy cia aanaliza mi nia p aszczowategomi sie brzuchaty ydkimi sie piszczelowy przedniniestandardowe urz dzenie do zawieszenia

Powiązane artykuły