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

摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

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研究方案

这里描述的所有方法都是由贝丝以色列执事医疗中心动物护理和使用机构委员会 (IACUC) 根据第067-2016 号协议批准的。

注: 使用在基线 (第0天) 年龄为14周的雄性 Wistar 大鼠。老鼠被单独安置在定制笼子提前24小时基线, 以适应。

1. 后肢卸料

注: 骨盆线束可以放在麻醉或清醒的动物身上。在这里, 该协议的描述是麻醉动物。佩戴适当的个人防护装备 (PPE) 来处理动物。

1. 将大鼠放入麻醉箱中, 使用3.5% 异氟醚, 氧气流量为 2 l2 min。
   注: 当后爪的牢固夹点不会引起反应时, 正确的麻醉被确认。
2. 一旦动物被完全麻醉, 将老鼠放置在长凳上, 麻醉气体来自2% 异氟醚和 1.5 lmmin 的氧气流。
3. 将大鼠放置在一个俯卧的位置, 并将骨盆线束放在一个转子尾状运动。
4. 轻轻弯曲骨盆线束, 以提供一个舒适的适合, 同时要小心, 不要挤压后肢, 以防止擦伤和不适。
5. 将不锈钢链与旋转扣连接到骨盆线束的顶部, 在尾巴的底部安装一个钩子。
6. 将大鼠从麻醉中取出, 并将动物放入定制的笼子中, 其链延伸到其最大值。
7. 一旦大鼠完全清醒和移动, 缩短链使用顶部旋转扣, 直到后肢不能再到达地板。
8. 观察动物几分钟, 以评估其舒适性, 并确保在任何时候, 两肢都保持完全卸载。

2. 部分负重

注: 这一步可以在醒着和麻醉的动物身上实现。

1. 通过添加由不锈钢链条和后杆组成的三角形部分, 将 HLU 悬挂装置转换为 PWB 悬架。
2. 按照与 HLU 详细说明的程序 (步骤1.1 和 1.2) 相同的程序对动物进行麻醉。
3. 将适当大小的系绳夹在大鼠的前肢上 (400 克或以下的大鼠为 m, 重量在400克以上的大鼠为 l), 并使用后胸罩扩展器将其关闭。
4. 将三角形部件的一个扣子固定在位于后胸罩扩展器上的钩子上, 并将位于尾部底部骨盆线束上的挂钩上的相反扣子连接在一起。
5. 让动物从笼子里的麻醉中恢复。一旦醒来, 通过缩短链和修改底部旋转扣的位置, 验证悬吊在前肢和后肢是相等的, 如果需要的话。
   注: 此步骤也可以通过力板来确认所有肢体上的相等载荷来实现。
6. 将老鼠放在秤的顶部, 记录 "装载" 的体重, 即动物和整个仪器的重量, 而不缩短链条。
7. 缩短链条, 直到刻度显示40% 的 "加载" 体重, 并记录所达到的重力水平 (以卸载重量和装载重量之间的比率表示)。
8. 观察动物, 确保卸载的重量是稳定的, 老鼠同样加载在所有四肢上。
9. 使用棒从秤上取下整个设备, 并将老鼠放回笼子中。

3. 评估后肢抓地力

1. 用传统的约束将一只手放在前肢下, 以传统的约束将老鼠抱住。用第二只手轻轻握住尾巴。
2. 用后爪接近抓地杆, 并确保两个爪子都完全靠在杆上。
   注: 如果老鼠没有完全抓住酒吧或没有显示任何自愿抓握的证据, 稍微释放约束。如果这不成功, 请将老鼠返回到其保持架, 几分钟后重试。
3. 轻轻地把老鼠直接拉回来, 直到它释放它的抓地力。记录传感器上显示的最大力。
4. 在两次测量之间等待大约 30秒, 并重复测试3次。
5. 计算三个测量值的平均值, 以考虑疲劳。

4. 肌肉湿质量的记录

1. 将大鼠放入二氧化碳安乐死室。在根据 IACUC 和 AVMA 指南等待适当的时间后, 通过对呼吸不足的目视观察来确认安乐死。
2. 将大鼠放在解剖台上, 放在容易出现的位置, 用小的解剖剪刀在脚踝附近割伤皮草和皮肤。用双手将皮肤层拉掉。
3. 使用小解剖剪刀, 轻轻地打破肌肉筋膜, 并隔离跟骨肌腱。
   注: 跟腱是鞋底和腓肠肌的附着点。
4. 当拿着一小副推子的跟骨肌腱时, 用解剖剪刀将腓肠肌和独角肌与上面的双股肌隔离开来。
5. 一旦隔离, 切断腓肠肌和单侧肌肉在腹股沟区域的附着点。
6. 轻轻地将鞋底从肩部取下, 并通过切割跟骨肌腱将其分离。
7. 将老鼠置于仰角位置。小心地取出筋膜, 并在向上运动中从脚踝前剥去胫骨。
8. 在其上附着点前切胫骨。
9. 使用一个点色的精密秤和一艘称重船记录每个切除肌肉的确切湿质量。

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结果

利用我们之前设计和详细描述的新保持架 12, 我们使用了不锈钢链基悬挂装置, 既适用于后肢卸除 (hlu,图 1) 和部分负重 (pwb, 图 2)。我们设计的关键优势是能够在几分钟内从一种卸载到另一种卸载, 同时为动物保持相同的环境。我们使用了一个定制的骨盆线束 (图 2a), 它连接到一个定制的不...

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讨论

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<...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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