Che imita una missione spaziale su Marte utilizzando Hindlimb lo scarico e il carico parziale in ratti
Summary
Utilizzando un modello innovativo di analogici terrestri, siamo in grado di simulare una missione spaziale, tra cui un viaggio a (0g) e un soggiorno su Marte (0,38 g) in ratti. Questo modello permette una valutazione longitudinale dei cambiamenti fisiologici che si verificano durante le due fasi IPO-gravitazionale della missione.
Abstract
Modelli del roditore terrestri sono ampiamente usati per capire le conseguenze fisiologiche di spazio volo sul sistema fisiologico e sono stati regolarmente occupate dal 1979 e lo sviluppo di hind arto scarico (HLU). Tuttavia, i prossimi passi nell’esplorazione dello spazio ora comprendono per viaggiare su Marte dove la gravità è il 38% di gravità della terra. Dato che nessun essere umano ha sperimentato questo livello di gravità parziale, un modello sostenibile basati a terra è necessario indagare come il corpo, già compromessa dal tempo trascorso in condizioni di microgravità, avrebbe reagito a questo carico parziale. Qui, abbiamo usato il nostro modello innovativo di parziale del peso-cuscinetto (PWB) per imitare una breve missione e soggiornare su Marte per valutare i danni fisiologici nei muscoli dell’arto posteriore indotti da due diversi livelli di gravità ridotta applicata in modo sequenza. Ciò potrebbe fornire un modello di cassetta di sicuro, basati a terra per studiare gli adattamenti muscolo-scheletrici al cambiamento gravitazionale e stabilire efficaci contromisure per preservare la salute e la funzione degli astronauti.
Introduction
Obiettivi extraterrestri, compresa la luna e Marte, rappresentano il futuro dell’esplorazione umana dello spazio, ma entrambi hanno considerevolmente più debole gravità della terra. Mentre le conseguenze dell’assenza di gravità sul sistema muscolo-scheletrico sono state studiate estesamente in astronauti1,2,3,4,5 e in roditori6, 7 , 8 , 9, quest’ultima grazie alla consolidata hindlimb scarico (HLU) model10, pochissimo è conosciuto circa gli effetti della gravità parziale. La gravità marziana è 38% della terra e questo pianeta è diventato il focus dell’ esplorazione a lungo termine11; quindi, è fondamentale capire le alterazioni muscolari che possono verificarsi in questa impostazione. A tale scopo, abbiamo sviluppato un sistema di cuscinetti (PWB) di peso parziale in ratti12, basato sul precedente lavoro svolto in topi6,13, che è stato convalidato utilizzando risultati sia del muscolo e dell’osso. Tuttavia, l’esplorazione di Marte sarà preceduto da un prolungato periodo di microgravità, che non è stato affrontato nel nostro modello precedentemente descritto12. Pertanto, in questo studio, abbiamo alterato il nostro modello per simulare un viaggio su Marte, composto da una prima fase di scarico totale hindlimb e immediatamente seguita da una seconda fase del cuscinetto di peso parziale al 40% di carico normale.
A differenza della maggior parte dei modelli HLU, abbiamo scelto di utilizzare una cintura pelvica (basata su quella descritta da Chowdhury et al.9) piuttosto che una sospensione di coda per migliorare il comfort degli animali e per essere in grado di muoversi senza soluzione di continuità e senza sforzo da HLU PWB in pochi minuti. Insieme, abbiamo usato le gabbie ed i dispositivi di sospensione che abbiamo precedentemente sviluppato e ampiamente descritto12. Oltre a fornire dati affidabili/coerenti, anche precedentemente abbiamo dimostrato che il punto di attacco fisso del sistema di sospensione al centro dell’asta non ha impedito gli animali dal movimento, toelettatura, alimentazione o bere. In questo articolo, descriveremo come scaricare arti posteriori degli animali (sia totalmente che parzialmente), verificare i loro livelli di gravità raggiunti, nonché come funzionalmente valutare le alterazioni muscolari risultante utilizzando presa forza e bagnato di massa muscolare. Questo modello sarebbe estremamente utile per i ricercatori che desiderano studiare le conseguenze di gravità parziale (artificiale o extra-terrestre) su un sistema muscolo-scheletrico già compromesso, permettendo loro di indagare come gli organismi si adattano alla parziale, ricarico e per lo sviluppo di contromisure che potrebbero essere sviluppati per mantenere la salute durante e dopo il volo spaziale umano.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo modello presenta il primo analogo terrestre sviluppato per studiare i successivi livelli di scarico meccanici e mira a imitare un viaggio e soggiorno su Marte.
Molti passaggi del presente protocollo sono fondamentali per garantire il suo successo e la necessità di essere esaminati attentamente. In primo luogo, è fondamentale per monitorare il benessere degli animali e garantire che essi stanno mantenendo un comportamento normale (cioè, esecuzione di attività come mangiare, riposare …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA: NNX16AL36G). Autori vorrei ringraziare Carson Semple per fornire i disegni inclusi in questo manoscritto.
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 |
References
- 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).
