Naśladowanie misji kosmicznej na Marsa przy użyciu rozładunku kończyn tylnych i częściowego obciążania szczurów
April 4th, 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.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie wprowadza nowy model analogowy oparty na ziemi, który symuluje misję kosmiczną, w tym podróż w warunkach braku grawitacji i pobyt na Marsie. Model umożliwia kompleksową ocenę zmian fizjologicznych u szczurów w tych warunkach niskiego ciążenia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Fizjologia
- Medycyna lotnicza i kosmiczna
Tło
- Poprzednie modele koncentrowały się na rozładowaniu tylnych kończyn lub częściowym obciążeniu.
- To badanie ma na celu naśladowanie warunków misji na Marsie.
- Rozumienie reakcji fizjologicznych jest kluczowe dla zdrowia astronautów.
- Modele naziemne zapewniają kontrolowane środowisko do badań.
Cel badania
- Ocenić stan fizjologiczny szczurów podczas symulowanych warunków kosmicznych.
- Zbadać wpływ różnych poziomów rozładowania na zachowanie i wydajność.
- Dostarczyć wglądu w wyzwania, którym mogą stawić czoło astronauci na Marsie.
Stosowane metody
- Innowacyjny model analogowy oparty na ziemi do symulacji misji kosmicznych.
- Długotrwała ocena zmian fizjologicznych u szczurów.
- Pojedynczy aparat do wielu poziomów rozładowania.
- Oceny behawioralne i wydajnościowe w trakcie badania.
Główne wyniki
- Wykazał możliwość symulacji misji na Marsie w warunkach laboratoryjnych.
- Zidentyfikował zmiany fizjologiczne związane z różnymi poziomiami grawitacji.
- Dostarczył ram dla przyszłych badań nad zdrowiem astronautów.
- Podkreślił znaczenie zrozumienia stresu i wydajności w warunkach rozładowania.
Wnioski
- Model oferuje unikalną możliwość badania wpływu niskiego ciążenia.
- Wyniki mogą pomóc w opracowywaniu strategii zmniejszania ryzyka dla astronautów.
- Potrzebne są dalsze badania, aby zbadać pełny zakres zmian fizjologicznych.
Często zadawane pytania
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.
