Naśladowanie misji kosmicznej na Marsa przy użyciu rozładunku kończyn tylnych i częściowego obciążania szczurów
4 kwietnia 2019
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.
Nasz protokół ma istotną zaletę, ponieważ stwarza możliwość wystawienia zwierząt na kolejne poziomy rozładunku. W przeszłości modele naziemne wykorzystywały albo odciążanie kończyn tylnych, albo częściowe przenoszenie ciężaru. Główną zaletą tej techniki jest wykorzystanie jednego aparatu i środowiska, aby zapewnić wiele możliwości, takich jak naśladowanie podróży na Marsa i krótkiego pobytu na Marsie.
Model ten pomoże zrozumieć stan fizjologiczny po wylądowaniu na Marsie oraz wyzwania fizjologiczne stojące przed astronautami narażonymi na kilka poziomów rozładunku podczas misji. Model ten może pomóc naukowcom w badaniu szerokiego zakresu zmian fizjologicznych, w tym między innymi zachowania, pamięci, wydajności lub stresu. Procedurę zademonstruje Daniela Riveros, pracownik naukowy w naszym laboratorium.
Aby wykonać rozładunek kończyn tylnych, połóż w pełni znieczulonego szczura na ławce z gazem znieczulającym pochodzącym ze stożka nosowego z 2% izofluranem i przepływem tlenu 1,5 litra na minutę. Ułóż szczura w pozycji leżącej i załóż uprząż miednicy ruchem rostrocaudalnym. Delikatnie zegnij uprząż miednicy, aby zapewnić dokładne dopasowanie, uważając, aby nie ściskać tylnych kończyn, aby zapobiec otarciom i dyskomfortowi.
Przymocuj łańcuszek ze stali nierdzewnej za pomocą obrotowego zapięcia do górnej części uprzęży miednicy, gdzie u podstawy ogona przymocowany jest haczyk. Wyjmij szczura ze znieczulenia i umieść zwierzę w niestandardowej klatce z łańcuchem rozciągniętym do maksimum. Gdy szczur jest w pełni przytomny i mobilny, skróć łańcuch za pomocą górnego obrotowego zapięcia, aż tylne kończyny nie będą już mogły dosięgnąć podłogi.
Przekształć urządzenie do zawieszania rozładunku kończyn tylnych w urządzenie do zawieszania z częściowym obciążeniem, dodając część w kształcie trójkąta, składającą się z łańcuchów ze stali nierdzewnej i tylnego pręta. Umieść kurtkę na uwięzi o odpowiednim rozmiarze na przednich kończynach szczura i zapnij ją za pomocą przedłużacza biustonosza z tyłu. Przymocuj jedno zapięcie trójkątnej części haczyka znajdującej się na tylnym przedłużeniu biustonosza, a przeciwległe zapięcie na haczyku znajdującym się na uprzęży miednicy u nasady ogona.
Umieść szczura na górze wagi, aby zarejestrować masę załadowanego ciała, w tym wagę całego aparatu, bez skracania łańcucha. Skróć łańcuch, aż waga wyświetli 40% masy załadowanego ciała i zarejestruje osiągnięty poziom grawitacji. Za pomocą pręta wyjmij cały aparat z wagi i umieść szczura z powrotem w klatce.
Aby ocenić siłę chwytu kończyn tylnych, przytrzymaj szczura z tradycyjnym ograniczeniem, umieszczając jedną rękę pod kończynami przednimi. Delikatnie przytrzymaj ogon drugą ręką. Podejdź do uchwytu tylnymi łapami i upewnij się, że obie łapy całkowicie spoczywają na drążku.
Na koniec delikatnie pociągnij szczura prosto do tyłu, aż zwolni uścisk. Powtórz trzy razy i zapisz maksymalną siłę wyświetlaną na przetworniku. Oblicz średnią z trzech pomiarów, aby uwzględnić zmęczenie.
Jeden tydzień HLU, a następnie tydzień PWB40 spowodował znaczną utratę masy ciała, podobną do tej, którą zaobserwowano u szczurów narażonych na tylko PWB40 przez ten sam czas. Jednak szczury te z czasem nadal traciły na wadze, a następnie były narażone na PWB40. Jeden tydzień całkowitego rozładowania doprowadził do zmniejszenia siły chwytu kończyn tylnych w porównaniu z grupą kontrolną dopasowaną do wieku.
Jednak po jednym kolejnym tygodniu PWB40 nie zaobserwowano dalszych zmian w zakresie siły chwytu. Ponadto szczury, które zostały poddane całkowitemu rozładowaniu, a następnie częściowemu obciążeniu, wykazywały znacznie większą utratę siły chwytu w porównaniu z grupą PWB40. PWB40 w grupach HLU-PWB40 miał istotnie niższą mokrą masę mięśni płaszczkowatych, brzuchatych łydki i piszczelowych przednich niż osoby kontrolne dopasowane do wieku.
Nie zaobserwowano natomiast istotnej różnicy pomiędzy mokrą masą grup PWB40 i HLU-PWB40. Powodzenie tej metody zależy od dokładności częściowego poziomu obciążenia. Częste monitorowanie ma kluczowe znaczenie dla oceny stanu zdrowia zwierzęcia i codziennego rozładunku.
Metoda ta jest nieinwazyjna, a zatem nie wyklucza zastosowania dodatkowych procedur testowych w odniesieniu do wszystkich systemów. Pomiary wzdłużne są również łatwe do wdrożenia, jeśli czas załadunku pozostaje pod kontrolą. Metoda ta została w całości opracowana w laboratorium, a wykorzystanie niestandardowego sprzętu może być wyzwaniem dla nowych zespołów.
Technika ta otwiera drogę do szeroko zakrojonych badań, w których w grę wchodzi częściowe obciążenie ciała. Może to obejmować sytuacje kliniczne, takie jak korzystanie ze sprzętu pomocniczego, na przykład kul, lasek lub gipsów, a także aquaterapia.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie wprowadza nowatorski naziemny model analogowy symulujący misję kosmiczną, obejmujący podróż w warunkach zerowej grawitacji oraz pobyt na Marsie. Model ten umożliwia kompleksową ocenę zmian fizjologicznych u szczurów w tych warunkach hipograwitacyjnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurobiologia
- Fizjologia
- Medycyna lotnicza i kosmiczna
Wstęp
- Poprzednie modele koncentrowały się albo na odciążeniu kończyn tylnych, albo na częściowym przenoszeniu ciężaru ciała.
- Celem niniejszego badania jest odtworzenie warunków misji na Marsa.
- Zrozumienie reakcji fizjologicznych jest kluczowe dla zdrowia astronautów.
- Modele naziemne zapewniają kontrolowane środowisko do prowadzenia badań.
Cel badania
- Aby ocenić stan fizjologiczny szczurów w symulowanych warunkach kosmicznych.
- Aby zbadać wpływ różnych poziomów odciążenia na zachowanie i wydajność.
- Aby dostarczyć informacji na temat wyzwań, z jakimi mogą mierzyć się astronauci na Marsie.
Zastosowane metody
- Innowacyjny naziemny model analogowy do symulacji misji kosmicznych.
- Podłużna ocena zmian fizjologicznych u szczurów.
- Pojedyncze urządzenie zapewniające wiele poziomów odciążenia.
- Oceny behawioralne i wydajnościowe w trakcie badania.
Główne wyniki
- Wykazano możliwość symulacji misji na Marsa w warunkach laboratoryjnych.
- Zidentyfikowano zmiany fizjologiczne związane z różnymi poziomami grawitacji.
- Stworzono ramy dla przyszłych badań nad zdrowiem astronautów.
- Podkreślono znaczenie zrozumienia stresu i wydajności w warunkach odciążenia.
Wnioski
- Model ten oferuje wyjątkową możliwość badania skutków hipograwitacji.
- Wyniki mogą pomóc w opracowaniu strategii łagodzenia zagrożeń dla astronautów.
- Niezbędne są dalsze badania w celu pełnego poznania zakresu zmian fizjologicznych.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ten model naziemny umożliwia sekwencyjną ekspozycję na warunki hipograwitacyjne, co wspiera przedkliniczną ocenę adaptacji układu mięśniowo-szkieletowego istotnych dla zdrowia astronautów podczas misji na Marsa. Poprzez symulowanie przejść grawitacyjnych charakterystycznych dla poszczególnych faz misji, model ten zapewnia kontrolowany system redukcji ryzyka w opracowywaniu środków przeciwdziałania. Podejście to ma wartość translacyjną w ocenie odporności fizjologicznej w scenariuszach łączących odciążenie i częściowe obciążenie kończyn.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez terapeutycznych związanych z atrofią mięśni w warunkach progresywnej redukcji grawitacji.
- Wartość operacyjna: Wspiera walidację celów funkcjonalnych poprzez modelowanie odpowiedzi mięśni kończyn tylnych na połączone odciążenie i obciążenie.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do oceny wpływu związków na siłę chwytu mięśniowego oraz masę mokrą.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje pomiary fizjologiczne, takie jak masa mokra mięśnia soleus, mięśnia brzuchatego łydki i mięśnia piszczelowego przedniego, w celu zapewnienia powtarzalności badań przesiewowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Dostarcza istotnych z punktu widzenia chorób informacji systemowych na temat upośledzenia układu mięśniowo-szkieletowego podczas przejść grawitacyjnych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia ciągłość badań przedklinicznych od etapu odkryć do walidacji środków przeciwdziałających dla zdrowia astronautów.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z biologią odkrywczą, umożliwiając testowanie hipotez dotyczących szlaków mięśniowo-szkieletowych podczas sekwencyjnej ekspozycji na hipograwitację, co wspiera identyfikację potencjalnych celów dla działań przeciwdziałających.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie szlaków sygnałowych i ograniczanie ryzyka biologicznego w odniesieniu do celów terapeutycznych zaangażowanych w atrofię mięśni.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowych wyników, takich jak siła chwytu i mokra masa mięśni, umożliwiając wiarygodną ocenę związków.
- Analityka: Umożliwia statystyczne porównanie zmian fizjologicznych przy różnych poziomach odciążenia w celu podjęcia decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go).
- Badania translacyjne: Łączy z walidacją przedkliniczną poprzez modelowanie sekwencji ekspozycji na grawitację istotnych w warunkach marsjańskich.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do badania efektów zmian grawitacyjnych w wielu układach fizjologicznych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w szlakach zaniku mięśni.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i skalowalność dzięki zestandaryzowanej aparaturze oraz protokołom obciążania.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez dostarczenie wczesnych odczytów fizjologicznych w warunkach istotnych dla misji.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację środków przeciwdziałania z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o sekwencyjne dane dotyczące odpowiedzi na odciążenie.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obchodzeniu się z gryzoniami, rozmieszczaniu uprzęży chirurgicznej oraz kalibracji poziomu grawitacji.
- Zależne od specjalistycznej aparatury, w tym od uprzęży miednicznej, łańcuchów ze stali nierdzewnej oraz trójkątnych komponentów do częściowego odciążenia kończyn.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w celu zapewnienia spójnego osiągania i monitorowania poziomu częściowego odciążenia.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji przy przenoszeniu protokołów pomiędzy różnymi szczepami lub grupami wiekowymi gryzoni.
- Ograniczone koniecznością codziennego monitorowania stanu zdrowia zwierząt oraz precyzyjną kontrolą czasu obciążenia w celu zachowania poprawności modelu.
