Method Article
En utilisant un modèle novateur d’analogiques terrestres, nous sommes en mesure de simuler une mission spatiale, y compris un voyage à (0 g) et un séjour sur Mars (0,38 g) chez les rats. Ce modèle permet une évaluation longitudinale des changements physiologiques qui se produisent au cours des deux étapes hypo-gravitationnel de la mission.
Les modèles de rongeurs terrestres sont largement utilisés pour comprendre les conséquences physiologiques de l’espace de vol sur le système physiologique et ont travaillé régulièrement depuis 1979 et le développement de hind branche déchargement (HLU). Cependant, les prochaines étapes de l’exploration de l’espace maintenant incluent pour voyager vers Mars où la gravité est 38 % de la gravité terrestre. Puisque aucun être humain ne connaît à ce niveau de gravité partielle, un modèle durable au sol est nécessaire d’étudier comment le corps, déjà affaiblie par le temps passé en microgravité, réagirait à cette charge partielle. Ici, nous avons utilisé notre innovateur partielle portantes (PTB) pour imiter une mission courte et rester sur Mars afin d’évaluer la déficiences physiologique dans les muscles de la patte arrière induites par deux différents niveaux de gravité réduite appliquée de façon séquentielle. Cela pourrait fournir un modèle sûr, basés au sol pour étudier les adaptations musculo-squelettiques au changement gravitationnel et à mettre en place des contre-mesures efficaces pour préserver la santé des astronautes et la fonction.
Extraterrestres cibles, y compris la lune et Mars, représentent l’avenir de l’exploration spatiale humaine, mais les deux ont une gravité beaucoup plus faible que la terre. Alors que les conséquences de l’apesanteur sur le système musculo-squelettique ont été largement étudiées en astronautes1,2,3,4,5 et rongeurs6, 7 , 8 , 9, cette dernière grâce au membre postérieur bien établie déchargement (HLU) model10, très peu est connu sur les effets de gravité partielle. La gravité martienne est 38 % de la terre et cette planète est devenue le centre de l’exploration à long terme11; Il est donc important de comprendre les altérations musculaires qui peuvent survenir dans ce paramètre. Pour ce faire, nous a développé un poids partielle portant (PWB) rats12, issu des travaux précédent de souris6,13, qui a été validé à l’aide de résultats aussi bien musculaires et osseuses. Cependant, l’exploration de Mars sera précédée par une période prolongée de microgravité, qui n’a pas abordée dans notre modèle précédemment décrit12. Par conséquent, dans cette étude, nous altéré notre modèle pour simuler un voyage vers Mars, consistant en une première phase de déchargement total postérieur et immédiatement suivie d’une deuxième phase de roulement de poids partielle à 40 % de charges normales.
Contrairement à la plupart des modèles HLU, nous avons choisi d’utiliser un harnais pelvien (basé sur celui qui est décrit par Chowdhury et al.9) plutôt que d’une suspension de queue pour améliorer le confort des animaux et doit pouvoir se déplacer en toute transparence et sans effort de HLU au PTB en quelques minutes. Parallèlement, nous avons utilisé les cages et les dispositifs de suspension que nous avons précédemment développé et décrit abondamment12. En plus de fournir des données fiables/cohérentes, nous aussi déjà démontré que le point d’attache fixe du système suspension au centre de la tige n’empêchait pas les animaux de déplacement, toilettage, alimentation ou de boire. Dans cet article, nous décrirons comment décharger des membres postérieurs des animaux (totalement ou partiellement), de vérifier leur niveau de gravité atteint, ainsi que la manière d’évaluer sur le plan fonctionnel les altérations musculaires qui en résultent, Agrippez-vous force et humides de la masse musculaire. Ce modèle serait extrêmement utile pour les chercheurs qui cherchent à étudier les conséquences de gravité partielle (artificielle ou extra-terrestre) sur un système musculo-squelettique déjà compromis, leur permettant d’étudier comment les organismes s’adaptent à partielle, rechargement et pour l’élaboration de contre-mesures qui pourraient être développés pour rester en santé pendant et après les vols habités.
Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvées par l’animalier institutionnel et utilisation Comité (IACUC) de Beth Israel Deaconess Medical Center sous le numéro de protocole 067-2016.
Remarque : Mâle Wistar rats âgés de 14 semaines au départ (jour 0) sont utilisés. Des rats sont logés individuellement en cages personnalisé 24h préalables de base permettant d’acclimatation.
1. déchargement du membre postérieur
Remarque : Le harnais pelvien peut être mis sur animaux anesthésiés ou éveillés. Ici, la description du protocole est donnée sur animaux anesthésiés. Porter le bon équipement de protection individuelle (EPI) pour traiter les animaux.
2. roulement de poids partielle
Remarque : Cette étape peut être réalisée chez l’animal éveillé et anesthésiés.
3. Evaluation des pattes arrière poignée de force
4. enregistrement du muscle masse fraîche
Profitant des nouvelles cages que nous avons déjà conçu et décrit en détail12, nous avons utilisé un dispositif de suspension axée sur la chaîne en acier inoxydable qui convient à la fois du membre postérieur déchargement (HLU, Figure 1) et partiel portantes (PWB, Figure 2). L’avantage essentiel de notre conception est la capacité d’aller d’un type de déchargement à l’autre en quelques minutes tout en maintenant un environnement identique pour les animaux. Nous avons utilisé un harnais pelvien sur mesure (Figure 2 a) qui est attaché à une chaîne unique sur mesure en acier inoxydable avec un fermoir pivotant sur chaque côté pour HLU. Afin de modifier ce dispositif de suspension et atteindre PWB, l’ajout d’une seule pièce en forme de triangle de chaîne inox incorporé une tige arrière rigide, conçue pour s’asseoir juste au-dessus de la colonne vertébrale (Figure 3) est la seule exigence. Ces étapes peuvent être réalisées chez l’animal éveillé ou anesthésié.
Avec l’environnement polyvalent fourni dans cette expérience, nous pourrions décharger avec succès le postérieur de tous nos animaux pendant 7 jours sans aucune complication et exposer rapidement à une gravité partielle à 40 % de leur charge normale (PWB40, moyenne atteinte niveau de gravité de 0,4076 g ± 0,0036 g). Au cours de la première semaine de HLU total, animaux a affiché une perte de poids significative (Figure 4 a:-7.19 ± 0,87 %, n = 9, p < 0,001), qui a été vu dans d’autres modèles de14et ne diffère pas sensiblement de ce que nous avons observé dans des rats exposés à PWB40 pour la même durée (-5.53 ± 1,44 %, n = 10, p = 0,37). Toutefois, animaux ont continué à perdre du poids au fil du temps tout en étant exposées ensuite à PWB40 (-9.06 % ± 1,35 % par référence, p < 0,0001).
Force de préhension des membres postérieurs est une mesure standard de la fonction musculaire qui peut être utilisée longitudinalement (Figure 4 b). Nous avons remarqué qu’une semaine de déchargement total conduit à une diminution moyenne de la force de préhension de 50,16 % ± 4,10 % par rapport au niveau de référence (p < 0,0001). Après une semaine ultérieure du poids partielle portant à 40 % de charges normales, nous a fait remarqué aucun changement concernant la force de préhension en outre (-44.29 ± 4,67 % par rapport au niveau de référence, p < 0,0001). À tous moments, la variation en pourcentage dans la force de préhension de la patte arrière était significativement différente des contrôles appariés selon l’âge (p < 0,0001 pour jour 7 et jour 14, n = 11). En outre, nous avons observé qu’après l’achèvement de l’étude, les animaux qui ont subi un déchargement total suivi poids partielle portant (HLU-PWB40) affichent une perte de force grip significativement plus élevée par rapport au groupe PWB40 (p = 0,03).
Muscle masse humide a été enregistré à la fin de l’expérience et par rapport aux données obtenues après deux semaines de chargement normal ou deux semaines de PWB40 (Figure 4) et les données précédemment publiées par notre groupe de12. Nous avons constaté que les groupes PWB40 et HLU-PWB40 ont significativement plus faible de masse du muscle soléaire (S), muscle gastrocnémien (G), mouillé et les muscles tibialis anterior (TA) que chez les témoins appariés selon l’âge (PWB100). En effet, nous avons enregistré une masse moyenne soléaire de 0,1681 g ± 0,007 g pour nos animaux qui était significativement plus faible que les rats exposés à PWB100 pendant 2 semaines dans nos expériences antérieures (-24.60 ± 3,18 %, p < 0,0001). Pour les jumelles, nous avons enregistré une moyenne masse humide de 2,192 g ± 0,096 g (-10.55 ± 3,93 %, p = 0,038 vs PWB100) et une masse humide de 0,759 g ± 0,029 g pour le jambier antérieur (-14.40 ± 3,27 %, p = 0,009 vs PWB100). Alors que notre jeu de données mis en évidence que les animaux exposés à une mission sur Mars analogue (HLU-PWB100) avaient une masse humide une diminution des muscles Gastrocnémiens et soléaire comparativement aux animaux exposés au PWB40 pendant 2 semaines continues (-8.75 ± 3,84 % et-5.85 % ± 4,14 %, respectivement), nous n’avons pas observé une différence significative entre ces deux groupes.
Figure 1 : Description des dispositifs de suspension et comment convertir de HLU PWB. (A) compte tenu de notre conception de la précédente, nous avons utilisé une barre en aluminium au dessus de la cage de tenir une suspension stable dispositif composé d’un anneau de clé sécurisé au centre de la tige (flèche 1), une chaîne d’acier inoxydable (flèche 2), et deux pivotantes fermoirs (flèche 3). (B) pour convertir le dispositif de suspension pour atteindre PWB, une structure de forme en triangle est attaché à l’aide de la boucle de pivot inférieur. Cette pièce est composée de chaînes en acier inoxydable et d’une tige arrière de polychlorure de vinyle (PVC) qui se situe au-dessus de rachis de rat (flèche 1). De chaque côté de la tige arrière est situé une agrafe pour fixer sur le harnais et la veste, respectivement (flèche 2). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : membre postérieur déchargement à l’aide d’un harnais pelvien. (A) frontaux et latéraux découvre des dessins de la structure du harnais utilisés pour soutenir les membres postérieurs des animaux. (B) le harnais pelvien a été positionné comme décrit pour exacten autour des membres postérieurs du rat. Le lien de l’acier inoxydable est placé au-dessus de la base de la queue et attaché à la boucle de l’émerillon. L’emplacement exact et la forme du faisceau peuvent varier entre animaux mais des rats doivent être à l’aise et il est nécessaire que leurs membres postérieurs ne jamais toucher le sol. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : poids partielle roulement. Le déchargement partiel nécessite l’ajout d’une veste à l’animal afin de soutenir les membres antérieurs. La veste est ensuite fermée avec une rallonge dos soutien-gorge et un crochet est fixé à l’extendeur, située entre les omoplates. Fois la veste et le harnais pelvien sont attachés à fermoirs situés à chaque extrémité de la tige arrière. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : exemples de suivi longitudinal chez les animaux exposés à des niveaux différents de déchargement. Poids de corps (A) changement (BW). Animaux ont été pesés par semaine sans le harnais ou vestes et le poids corporel a été enregistré. PWB100 = poids partielle portant à charges normales ; PWB40 = poids partielle portant à 40 % de charges normales ; HLU-PWB40 = une semaine du membre postérieur déchargement suivi d’une semaine de PWB40. Les résultats du test post-hoc de Tukey, suite à une analyse de variance empilé 2 voies sont présentés comme * : p < 0,05, ** : p < 0,01, *** : p < 0,001, et *** : p < 0,0001 vs PWB100. (B) changement de force de préhension de la patte arrière. Force de préhension hebdomadaire, arrière patte a été mesurée, et les résultats ont été exprimés en pourcentage de changement de ligne de base pour chaque animal. Les résultats du test post-hoc de Tukey, suite à une analyse de variance empilé 2 voies sont présentés comme *** : p < 0,001 et *** : p < 0,0001 vs PWB100, α : p < 0,05 vs PWB40. (C) Muscle masse fraîche après 14 jours. Muscle masse humide a été enregistré sur une échelle de précision immédiatement après le sacrifice à 14 jours. Les résultats sont présentés sous forme de pourcentage de la masse humide obtenue dans le groupe de témoins du même âge (PWB100). S = soléaire ; G = gastrocnémien ; TA = jambier antérieur. Les résultats du test post-hoc de Tukey, suite à une ANOVA à sont présentés comme * : p < 0,05, ** : p < 0,01, et *** : p < 0,0001 vs PWB100. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Ce modèle présente le premier analogiques terrestres développé pour étudier les niveaux successifs de déchargement mécaniques et vise à imiter un voyage à et rester sur Mars.
Beaucoup d’étapes du présent protocole est essentiels pour assurer son succès et doivent être examinés attentivement. Tout d’abord, il est essentiel de surveiller le bien-être des animaux et s’assurer qu’elles maintiennent un comportement normal (c'est-à-dire, exécution de tâches telles que manger, se reposer et explorer), particulièrement pendant l’état PWB où ils maintiennent une relativement normale posture physiologique. Deuxièmement, malgré le niveau de PWB étant extrêmement stable au fil du temps et nécessitant une intervention humaine minimale12,14, il est essentiel pour enregistrer la gravité partielle réalisée afin de minimiser les variations chez les animaux. En outre, lorsque les animaux est passés de déchargement mécanique total à gravité partielle (PWB40), ils ont déjà affichent atrophie musculaire important et la perte de fonction6,9,15, qui peut causer des transitoires difficultés à la reprise du comportement de poids-roulement quadrupède et conduisent à une démarche maladroite momentanée.
En raison de l’environnement variable, plusieurs problèmes peuvent se poser et doivent être étroitement enregistrés et adressées. Par exemple, un déplacement fluid se produit pendant la période HLU en raison de la position inclinée de l’animal, s’il n’est pas présent lors de PWB16. Dans certains cas, redistribution fluide peut causer subtile un oedème plus perceptible dans le visage ou les pattes arrière et disparaît généralement dans les heures qui suivent le rechargement. Nous conseillons aux enquêteurs de marquer la sévérité de l’oedème et évaluer tous les jours. Si oedème sévère persiste pendant plus de 48 h, animaux devrait être exclues de l’expérience.
Alors que l’utilisation d’un harnais pelvien est un hôtel confort pour les animaux et la plus grande commodité à l’enquêteur, certains animaux peuvent, occasionnellement, soit totalement, soit partiellement échapper de leurs harnais pendant HLU ou PWB. Nous avons suivi le protocole d’exclusion basé sur les travaux antérieurs en souris6 dans laquelle tous les animaux qui s’échappent trois fois sont prélevé à l’étude. Comme note latérale, évasions sont extrêmement rares ; dans notre travail, moins de 1 % des animaux devait être exclu sur une période de 1 an (1 animal 148 animaux étudiés). La titration quotidienne du niveau PWB est un moment crucial où l’expérimentateur peut assurer l’ajustement parfait de la veste et le harnais pelvien, donc réduisant au minimum les risques de fuite. Tout en évaluant le poids et le bien-être des animaux, tous les jour, spécial examen devrait être mis en le maintien du harnais pelvien. Alors qu’in situ la perte des cheveux est la conséquence plus courante, à l’abrasion peut apparaître si le harnais pelvien est endommagé (c.-à-d., mâchés). Nous conseillons aux chercheurs de vérifier quotidiennement l’état de harnais et de remplacer les composants endommagés ou le harnais complet lorsque nécessaire pour prévenir l’apparition d’abrasion cutanée. Bien-être doit au moins inclure les étapes suivantes : surveillance du poids corporel, la prise alimentaire, porphyrie, présence d’urine et les fèces, perte de cheveux, abrasion cutanée, oedème.
Griffes de l’animal peuvent aussi parfois devenir pris au piège dans la fixation auto-agrippante ou de tissu, donc compromettre leur équilibre. Un moyen simple et efficace pour éviter cela est de couper délicatement les griffes sous anesthésie avant de placer la veste. Cette étape peut être répétée si nécessaire au cours de l’étude.
Une attention particulière doit être versés pendant la période de transition de HLU à PWB. Alors que nous avons observé que tous les animaux sont capables de marcher sans trop de difficulté immédiatement après avoir été placé dans le PTB, la quantité de temps nécessaire pour mettre la même quantité de poids sur l’avant et les membres postérieurs varié parmi les rats. Si un rat ne démontre pas de démarche relativement normale à l’aide de tous les membres en 24h, nous vous recommandons de qu'elle devait être exclue de l’étude.
Ce nouveau modèle conçu pour imiter les environnements gravitationnels séquentiels est fiable et durable dans le temps. Toutefois, certaines limitations existent et sont encore à relever. Tout d’abord, cette combinaison de modèles est uniquement conçue pour évaluer les changements qui se produisent dans les membres postérieurs des animaux comme le modèle HLU crée seulement en microgravité artificielle sur les membres postérieurs. Cet analogue de HLU-PTB séquentiel terrestres n’est donc pas approprié d’étudier avant modifications des membres. Deuxièmement, pendant la période de 14 jours, nos animaux a affiché une perte continue mais pas en danger la vie de la masse corporelle mettant en évidence le réajustement complex des rats à déchargement partiel (Figure 4 a). Dans notre précédente étude de modèle de rat PWB, les animaux exposés à PWB40 et PWB20 pour deux semaines a remis une perte significative plus seulement les 7 premiers jours et a retrouvé un poids par la suite12. C’était probablement dû au fait que les rats ont été capables de s’adapter au déchargement quadrupède après une période initiale d’adaptation. Toutefois, dans cette étude, les rats jamais entièrement adaptés pour les deux périodes différentes de déchargement/partielle-rechargement d’une semaine chacun, expliquant probablement la perte de poids durable. Il serait important de prolonger ces moments de plein et partiel-déchargement pour confirmer que les animaux peut pleinement s’adapter et s’installent dans chaque environnement. Niveau de stress n’ont pas été évaluées dans ce modèle encore et pourrait facilement être contrôlées à l’avenir à l’aide de prélèvements réguliers à l’aide de la queue qui reste entièrement accessible.
Nos évaluations longitudinales de la fonction musculaire et de muscle masse a montré qu’une semaine de déchargement du membre postérieur entraîne une diminution considérable dans la force de préhension de la patte arrière (Figure 4 b) avec l’un de nos rats présentant une réduction de 70 % de la force de préhension. Sans surprise, après 14 jours, animaux affiche une force de préhension significativement plus faible que les animaux qui avaient été exposés à 14 jours de PWB40 dans notre précédente étude12 alors que la moyenne de masse des muscles du membre postérieur mouillé ne différaient pas significativement entre les Groupes PWB40 et HLU-PWB40, nous avons été en mesure d’établir une forte corrélation linéaire entre nos 3 groupes (PWB100, PWB40 et HLU + PWB40) concernant le soléaire moyens masse (R2 = 0,92, p < 0,0001).
Ces résultats confirment que partielle de chargement après une total mécanique déchargement compromis muscle santé plus que ce qui serait observé pendant une période continue mais stable du déchargement partiel. Jusqu'à présent, cette lacune dans les connaissances n’a pas été étudiée. Une évaluation de ce phénomène devrait se poursuivre afin de développer des contre-mesures efficaces empêchant de déconditionnement musculaire dans le cadre d’une mission sur la lune ou sur Mars. La force de notre modèle réside également dans sa polyvalence, car il permet pour une variété de différentes expériences avec plusieurs degrés de déchargement et pendant diverses périodes de temps.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail a été soutenu par la National Aeronautics and Space Administration (NASA : NNX16AL36G). Auteurs aimeraient remercier Semple Carson qui ont fourni les dessins inclus dans ce manuscrit.
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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 |
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