利用大鼠的后肢卸荷和部分重量轴承模拟火星空间飞行任务
Summary
通过使用创新的地面模拟模型, 我们能够模拟一个空间飞行任务, 包括一次前往 (0 克) 和在大鼠身上停留 (0.38 克)。该模型允许对任务的两个低重力阶段发生的生理变化进行纵向评估。
Abstract
啮齿类动物地面模型被广泛用于了解空间飞行对生理系统的生理影响, 并自1979年以来一直在照常使用, 并发展了后肢卸荷 (HLU)。然而, 太空探索的下一步现在包括前往重力为地球引力38% 的火星。由于没有人经历过这种局部重力水平, 因此有必要建立一个可持续的地面模型, 以调查已经因在微重力下度过的时间而受损的身体将如何对这种部分负荷做出反应。在这里, 我们使用我们的创新的部分负重 (PWB) 模型来模拟一个短暂的任务, 并留在火星上, 以评估生理损伤的后肢肌肉引起的生理损伤由两个不同的水平的降低重力应用顺序的方式。这可以为研究肌肉骨骼对重力变化的适应性和建立有效的对策以保护航天员的健康和功能提供一个安全的地面模型。
Introduction
包括月球和火星在内的外星目标代表了人类太空探索的未来, 但两者的引力都大大弱于地球。虽然在宇航员1、2、3、4、5和啮齿类动物6中广泛研究了失重对肌肉骨骼系统的影响,7.,8,9、后者得益于成熟的后肢卸荷 (hlu) 模型10, 对部分重力的影响了解甚少。火星重力占地球的 38%, 这个星球已经成为长期探索的焦点11;因此, 了解在这种情况下可能发生的肌肉变化是至关重要的。为此, 我们在大鼠12号的部分负重 (pwb) 系统的基础上, 根据以前在小鼠613只身上所做的工作, 利用肌肉和骨骼结果对其进行了验证。然而, 在探索火星之前, 将有一段长时间的微重力, 而我们先前描述的模型 12没有涉及这一问题。因此, 在这项研究中, 我们改变了我们的模型, 以模仿火星之旅, 包括一个完整的后肢卸载的第一阶段, 然后立即在正常负荷的40% 的部分重量承担的第二阶段。
与大多数 HLU 型号不同的是, 我们选择使用骨盆线束 (基于 Chowdhury 等人描述的那个), 而不是尾巴悬架, 以提高动物的舒适性, 并能够在几分钟内无缝、毫不费力地从 hlu 移动到 PWB。同时, 我们使用了我们之前开发和广泛描述的笼子和悬挂装置.除了提供可靠的一致数据外, 我们之前还证明, 吊杆中心悬架系统的固定连接点并不妨碍动物移动、梳理、喂养或饮酒。在这篇文章中, 我们将描述如何卸载动物的后肢 (全部和部分), 验证他们达到的重力水平, 以及如何在功能上评估由此产生的肌肉变化使用抓地力和湿肌肉质量。这种模型对于研究人员来说是非常有用的, 他们试图调查部分重力 (人造或外生) 对已经受损的肌肉骨骼系统的后果, 从而使他们能够研究生物体如何适应部分重新装载, 并制定可在载人航天飞行期间和之后维持健康的对策。
Protocol
Representative Results
Discussion
该模型介绍了第一个地面模拟开发, 以调查连续的机械卸载水平, 并旨在模仿火星之旅和留在火星上。
该议定书的许多步骤对于确保其成功至关重要, 需要仔细审查。首先, 监测动物的健康状况, 确保它们保持正常的行为 (即执行饮食、休息和探索等任务), 特别是在 PWB 状态下, 它们保持相对正常生理姿势。其次, 尽管 pwb 的水平随着时间的推移非常稳定, 并且需要最少的人工干预<…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了美国国家航空和航天局 (NASA:NNX16AL36G) 的支持。作者要感谢卡森·塞姆普尔提供了这份手稿中包含的图纸。
Materials
| 10G Insulated Solid Copper Wire | Grainger | 4WYY8 | 100 ft solid building wire with THHN wire type and 10 AWG wire size, black |
| 2 Custom design plexiglass walls | P&K Custom Acrylics Inc. | N/A | 2 clear plexiglass custom wall 3/16" tick, width 12 3/16", height 18 13/16", 1 rounded slot 0.25 in of diameter located at the center top of the wall |
| 3M Transpore Surgical Tape | Fisher Scientific | 18-999-380 | Transpore Surgical Tape |
| Accessory Grasping Bar Rat | Harvard Apparatus | 76-0479 | Accessory grasping bar rat, front or hind paws |
| Analytical Scale | Fisher Scientific | 01-920-251 | OHAUS Adventurer Analytic Balance |
| Animal Scale | ZIEIS by Amazon | N/A | 70 lb capacity digital scale big top 11.5" x 9.3" dura platform z-seal 110V adapter 0.5 ounce accuracy |
| Back Bra Extenders | Luzen by Amazon | N/A | 17 pcs 2 hook 3 rows assorted random color women spacing bra clip extender strap |
| Digital Force Gage | Wagner Instruments | DFE2-010 | 50 N Capacity Digital Grip Force Meter Chatillon DFE II |
| Gauze | Fisher Scientific | 13-761-52 | Non-sterile Cotton Gauze Sponges |
| Key rings and swivel claps | Paxcoo Direct by Amazon | N/A | PaxCoo 100 pcs metal swivel lanyard snap hook with key rings |
| Lobster Claps | Panda Jewelry International Limited by Amazon | N/A | Pandahall 100 pcs grade A stainless steel lobster claw clasps 13x8mm |
| Rat Tether Jacket – Large | Braintree Scientific | RJ L | Rodent Jacket |
| Rat Tether Jacket – Medium | Braintree Scientific | RJ M | Rodent Jacket |
| Silicone tubing | Versilon St Gobain Ceramics and Plastics | ABX00011 | SPX-50 Silicone Tubing |
| Stainless Steel Chains | Super Lover by Amazon | N/A | 4.5m 15FT stainless steel cable chain link in bulk 6x8mm |
Referências
- Desplanches, D. Structural and Functional Adaptations of Skeletal Muscle to Weightlessness. International Journal of Sports Medicine. 18 (S4), (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- di Prampero, P. E., Narici, M. V. Muscles in microgravity: from fibres to human motion. Journal of Biomechanics. 36 (3), 403-412 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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), (1979).
- . National Space Exploration Campaign Report Available from: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/nationalspaceexplorationcampaign.pdf (2018)
- 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).
- Ellman, R., et al. Combined effects of botulinum toxin injection and hind limb unloading on bone and muscle. Calcified Tissue International. 94 (3), (2014).
- 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).
- Morey-Holton, E. R., Globus, R. K. Hindlimb unloading rodent model: technical aspects. Journal of Applied Physiology. 92 (4), 1367-1377 (2002).
- 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).
