П’ятнадцять днів мікрогравітації спричиняє ріст мишей на Кальварії

Бінг Чжан

Кафедра ортопедичної хірургії, Медичний центр UCSD, Каліфорнійський університет, Сан-Дієго, 350 Dickinson St. Suite 121, Сан-Дієго, Каліфорнія 92103, телефон: 619-543-6805, 619-543-3810, факс: 619-543-2540

Естер Корі

Департамент біоінженерії, Каліфорнійський університет, Сан-Дієго, 9500 Д-р Гілмана # 0412, Ла-Холла, Каліфорнія 92093-0412, телефон: 858-534-5682, факс: 858-822-1614

Рошмі Бхаттачарія

Роберт Сах

Департамент біоінженерії, Каліфорнійський університет, Сан-Дієго, 9500 Д-р Гілмана # 0412, Ла-Холла, Каліфорнія 92093-0412, телефон: 858-534-0821, факс: 858-822-1614

Алан Р Харгенс

Анотація

Реконструкція кісток може відбуватися в космічному польоті як реакція на розвантаження скелета та зміщення рідини в головному відділі. Хоча розвантаження спричиняє значну втрату кісткової маси та щільності у ніг тварин, які зазнали мікрогравітації, збільшення потоків крові та інтерстиціальної рідини, що супроводжується перерозподілом рідини, спричиненої мікрогравітацією, може спричинити протилежний ефект у голові. Сім мишей C57BL/6 були випадковим чином обрані для впливу 15-денної мікрогравітації на місії STS-131, тоді як вісім одноклубників служили наземним контролем. Після завершення місії всі 15 мишей кальварії були зображені на мікро-комп’ютерному томографічному сканері. Стандартизований прямокутний об’єм був розміщений на тім’яних кістках кожної кальварії для аналізів, і було визначено три параметри для вимірювання збільшення об’єму тім’яної кістки: об’єм кістки (BV), товщина поперечного перерізу (CsTh) і мінеральна щільність тканини (TMD). Вплив мікрогравітації спричинив статистично значуще збільшення BV групи космічних польотів (SF) порівняно з групою наземного контролю (GC) - середнє значення ± SD для групи SF становило 10,48 ± 0,47%, порівняно з 9,64 ± 0,79% для групи GC ( p Ключові слова: кістка, адаптація, простір, мікрогравітація

Вступ

Пристосування скелета до мікрогравітації є фізіологічною перешкодою, яка може обмежити тривале дослідження космосу [1]. Дослідження астронавтів демонструють різну втрату кісткової маси, що відповідає тривалості місії [2, 3, 4]. Вагомі кістки, такі як стегнова кістка, п’яткова кістка, стегно, хребет та шия, втрачають більше кісток, ніж кістки, що не мають ваги [5], встановлюючи ключову роль скелетного розвантаження при реконструкції кісток. Фізіологічні дослідження місій Skylab підтверджують підвищення рівня кальцію та фосфатів як у сироватці, так і в сечі членів екіпажу [6], що відображає поступову втрату вмісту мінеральних речовин у кістках у цих космонавтів. Деякі з цих членів екіпажу продовжують втрачати кістки після повернення на Землю, а ті, хто відчуває найбільші деструкції кісток, не відновлюються повністю навіть через п'ять років [7]. Кореляція між втратою кісткової маси та зменшенням міцності кісткової тканини свідчить про значний ризик переломів для космонавтів [8, 9, 10].

Розробка контрзаходів проти остеопенічного ефекту космічних подорожей вимагає кращого розуміння адаптації кісток. Постільний режим людини - це метод, що використовується для імітації мікрогравітації без космічного польоту. Використовуючи цю техніку, ЛеБлан і команда демонструють найбільшу втрату кісткової маси в кістках, що несуть вагу нижньої частини тіла, зокрема поперекового відділу хребта, стегнової кістки, гомілки та п'яткової кістки [11]. 60-денне дослідження постільного режиму повідомляє про найбільші втрати проксимального відділу стегнової кістки та дистальної частини гомілки [12]. Ці результати узгоджуються із змінами кісток, спричиненими космічним польотом. Вимірювання кісток на космонавтах Skylab свідчить про збільшення втрат корисних копалин у кальцині, що відповідає тривалості місії [4]. Більш всебічне порівняння між 18 космонавтами та суб'єктами, що відпочивають у ліжку, підтверджує, що космічний політ призводить до подібних, якщо не більших, втрат мінералів у кістках, що несуть вагу, ніж до постільного режиму [5]. Кістки верхніх кінцівок зазнають мінімального впливу, і спостерігається збільшення мінеральної щільності кісткової тканини (МЩКТ) черепа [4, 11, 13].

На сьогоднішній день дослідження опорно-рухового апарату щодо фізіологічних пристосувань до мікрогравітації зосереджуються на важких регіонах нижньої частини тіла. Незважаючи на те, що докладаються незначні зусилля для вивчення ремоделювання частково навантажених кісток (тобто верхніх придатків) у відповідь на невагомість, дані про ненавантажені кістки є мізерними і отримуються здебільшого під час досліджень режиму відпочинку та розвантаження задніх кінцівок гризунів. Дослідження тривалого режиму постільного режиму та нижньої частини тіла демонструють закономірності збільшення МЩКТ у кістках черепа поряд із втратою мінеральних речовин у кістках нижнього осьового та апендикулярного скелета [11, 13, 14, 15]. У своєму модельованому експерименті невагомості Рер та Ділламан знайшли важчі сухі та попелясті ваги черепів у підвішених на задніх кінцях щурів [16]. Однак незрозуміло, чи відбиті пристосування нерозвантажених кісток до бездіяльності та змодельована мікрогравітація відображають переробку цих кісток у реальній мікрогравітації.

Ця робота намагається кількісно визначити пристосованість черепних кісток до космічних польотів. Зокрема, нашими цілями є оцінка ремоделювання кісток черепа внаслідок фактичної мікрогравітації, порівняння адаптації ненавантажених кісток до фактичної мікрогравітації порівняно із імітованою мікрогравітацією, як повідомляється в літературі, та кількісна оцінка цих змін на основі вмісту мінеральних речовин та об’єму кістки. Ми припускаємо, що мікрогравітація викликає адаптивний ріст кісток, які зазвичай не мають ваги, можливо, через зміщення рідини вгору, що супроводжує фактичну мікрогравітацію.

Матеріали і методи

Групи управління та космічного польоту

Експериментальні протоколи відповідають Керівництву по догляду та використанню лабораторних тварин, опублікованому Національним інститутом охорони здоров’я США, та затверджені Комітетом з питань інституційного догляду та використання тварин Національного управління аеронавтики та космосу (НАСА). До експериментів ветеринари Космічного центру Кеннеді (KSC) усіх тварин вважали здоровими.

Сім 23-тижневих дорослих самок мишей дикого типу C57BL/C, що представляли групу космічних польотів (n = 7), переживали п'ятнадцять днів гравітації на борту 15-денної місії NASA STS-131. Вісім самок мишей дикого типу C57-BL/C, однокурсників групи космічних польотів, утримувались на суші при нормальних гравітаційних навантаженнях і представляли контрольну групу (n = 8). Обидві групи підтримували 12: 12-годинний цикл світло-темно та забезпечували заздалегідь адаптованою їжею та водою ad libitum, з 4 по 20 квітня 2010 року для льотних мишей та з 6 по 22 квітня 2010 року для наземного контролю . Обидві групи були розміщені в модулях для забору тварин, причому гравітація або її відсутність є основною екологічною різницею. Всім мишам зважували двічі - один раз безпосередньо перед завантаженням у клітку та ще раз після розвантаження клітини після закінчення 15-денного періоду та перед жертвою, і визначали зміну ваги кожної тварини.

Після завершення місії мишей у космічний політ було прийнято та евтаназовано в Космічному центрі NASA імені Кеннеді, а їх тканини збирали протягом трьох-чотирьох годин після посадки човника. Наземні контрольні миші були однаково розміщені на час місії STS-131, що починалася через 48 годин після запуску, і були евтаназовані після закінчення експериментальної тривалості через 48 годин після посадки човника. Усім тваринам обробляли та розтинали члени проекту спільного використання біозразків у NASA-KSC. Гольварії були збережені в рідкому азоті та відправлені в нашу лабораторію в Каліфорнійському університеті, Сан-Дієго для аналізу.