Härma en rymdsond till Mars med bakbenet lossning och delvis viktbärande hos råttor
Summary
Genom att använda en innovativ markbaserade analog modell, kan vi simulera ett rymduppdrag som bland annat en resa till (0 g) och en vistelse på Mars (0,38 g) hos råttor. Denna modell tillåter en längsgående bedömning av de fysiologiska förändringar som sker under de två hypo-gravitationella stadierna av uppdraget.
Abstract
Gnagare markbaserade modeller används ofta för att förstå de fysiologiska konsekvenserna utrymme flyg på fysiologiska system och rutinmässigt har varit anställd sedan 1979 och utvecklingen av hind extremiteter lossning (HLU). Nästa steg i utforskningen av rymden nu innehåller dock för att resa till Mars där gravitationen är 38% av jordens gravitation. Eftersom ingen människa har upplevt denna nivå av partiell gravitation, är en hållbar markbaserade modell nödvändigt att undersöka hur kroppen, redan nedsatt av tiden i mikrogravitation, skulle reagera på detta dellast. Här, använde vi vår innovativa delvis viktbärande (PWB) modell att efterlikna ett kort uppdrag och bo på Mars att bedöma de fysiologiska nedskrivningar i bakbenen musklerna induceras av två olika nivåer av minskad gravitation tillämpas i sekventiella mode. Detta kan ge en säker, markbaserade modell att studera muskuloskeletala anpassningarna för gravitationella förändring och att upprätta effektiva motåtgärder för att bevara astronauters hälsa och funktion.
Introduction
Utomjordiska mål, inklusive månen och Mars, representerar framtiden för mänskliga rymdutforskning, men båda har betydligt svagare gravitation än jorden. Medan konsekvenserna av tyngdlöshet på rörelseapparaten har studerats i astronauter1,2,3,4,5 och gnagare6, 7 , 8 , 9, den senare tack vare den väletablerade bakbenet lossning (HLU) modell10, är mycket lite känt om effekterna av partiell allvar. Martian gravitation är 38% av jordens och denna planet har blivit fokus för långsiktiga prospektering11; Därför är det viktigt att förstå de muskulös förändringar som kan uppstå i den här inställningen. Till gör så, utvecklat vi ett system med partiell vikt bär (PWB) i råttor12, baserat på tidigare arbete i möss6,13, vilket validerades med både muskler och ben utfall. Utforskning av Mars kommer dock föregås av en långvarig period av mikrogravitation, som inte togs upp i vår tidigare beskrivna modell12. Därför i denna studie vi förändrat vår modell för att efterlikna en resa till Mars, består av en första fas i totala bakbenet lossning och omedelbart följt av en andra fas av delvis viktbärande på 40% av normal lastning.
Till skillnad från de flesta HLU modeller valde vi att använda en bäcken sele (baserat på det som beskrivs av Chowdhury et al.9) snarare än en svans suspension att förbättra djurens komfort och för att kunna flytta sömlöst och utan ansträngning från HLU till PWB i några minuter. Tillsammans använde vi burar och suspension enheter som vi tidigare utvecklats och beskrivs utförligt12. Förutom att tillhandahålla tillförlitliga/konsekventa data, visat vi också tidigare att den fasta fästpunkten av suspensionssystemet i mitten av stången inte hindrade djuren flyttar, grooming, utfodring eller dricka. I den här artikeln kommer vi att beskriva hur man lastar djuren bakbenen (både helt och delvis), verifiera deras uppnådda gravitation nivåer, samt hur funktionellt bedöma de resulterande muskulösa förändringar med hjälp av grepp kraft och våt muskelmassa. Denna modell skulle vara mycket användbart för forskare att undersöka konsekvenserna av partiell gravitationen (artificiell eller extra-terrestrial) på en redan nedsatt muskuloskeletala systemet, så att de kan undersöka hur organismer anpassar sig till partiella omlastning, och för utvecklingen av motåtgärder som skulle kunna utvecklas för att upprätthålla hälsa under och efter bemannade rymdfärder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna modell presenterar den första markbaserade analoga utvecklat för att undersöka successiva mekanisk lossning nivåer och ska efterlikna en resa till och bo på Mars.
Många steg i detta protokoll är avgörande för att garantera dess framgång och måste undersökas noggrant. Det första är det avgörande att övervaka djurens välbefinnande och säkerställa att de är att upprätthålla ett normalt beteende (dvs. utföra sysslor såsom äta, vila och stadskärnor), särskilt under …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Aeronautics and Space Administration (NASA: NNX16AL36G). Författarna vill tacka Carson Semple för att tillhandahålla ritningar ingår i detta manuskript.
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).
