初探模擬失重環(huán)境影響大鼠模型的建立

摘要：模擬失重模型主要可以兩類(lèi)：人體模型與動(dòng)物模型。其中以后肢去負(fù)荷模型最為普遍，同樣也是迄今能夠較好模擬航天飛行對(duì)機(jī)體免疫功能、骨骼與肌肉系統(tǒng)等影響的一種常用模型。本文整理和闡述模擬失重環(huán)境對(duì)大鼠模型建立的可行性條件以及機(jī)體反應(yīng)出的表型特征。

關(guān)鍵詞：失重環(huán)境;大鼠模型;航天醫(yī)學(xué)

航天飛行失重試驗(yàn)受到人體無(wú)創(chuàng)性和飛行成本的限制，因而廣泛采用地面動(dòng)物模擬失重模型來(lái)研究空間飛行對(duì)機(jī)體免疫功能的影響。動(dòng)物后肢去負(fù)荷模型是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的，最初目的是為了探索空間環(huán)境下的肌肉骨骼反應(yīng)而建立的研究空間飛行不利后果的機(jī)制、反應(yīng)和治療。該模型最早由Tipton提出，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷完善與發(fā)展已被學(xué)術(shù)領(lǐng)域廣泛接受和認(rèn)可。目前常用于肌肉萎縮、廢用性骨量減少癥、失重條件下免疫功能抑制、胸腺退化、心血管疾病等領(lǐng)域研究[1]。

后肢去負(fù)荷嚙齒動(dòng)物模型對(duì)骨骼和肌肉類(lèi)疾病都有特殊的作用，而且這種模型已經(jīng)被證明在揭示詳細(xì)的機(jī)制和測(cè)試肌肉和骨骼的潛在干預(yù)方面的價(jià)值。后肢去負(fù)荷模擬失重動(dòng)物模型主要包括包括尾部懸吊，背部懸吊和骨盆懸吊等。尾吊模型由于操作方便、成本低、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物應(yīng)激小等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外眾多實(shí)驗(yàn)室一致采用。Tipton等提出改進(jìn)后的尾吊模擬失重模型，先用醫(yī)用透氣膠帶縱向平行黏附與大鼠尾巴兩側(cè)，然后使用消毒后的醫(yī)用紗布橫向圍繞大鼠尾巴進(jìn)行纏繞，期間保持一定松緊度，再使用醫(yī)用膠帶進(jìn)行從大鼠尾部上、中、下三個(gè)位置對(duì)紗布進(jìn)行橫向纏繞固定。相對(duì)于嚙齒動(dòng)物后肢去負(fù)荷模型，人類(lèi)模擬失重模型常采用受試者仰臥姿勢(shì)臥床，頭部向下傾斜呈-6度夾角，腿部不負(fù)重，血液由于重力原因向頭部聚集，這類(lèi)似于在太空飛行期間發(fā)生的情況。在-6度頭部向下傾斜7天臥床模型中，觀察到髂骨嵴骨形成率降低的現(xiàn)象。骨骼和肌肉的丟失與太空飛行中在宇航員身上觀察到的情況基本一致。同樣在長(zhǎng)期臥床休息且頭部向下傾斜6度的人體實(shí)驗(yàn)中，觀察到的骨骼和肌肉損失與太空飛行期間發(fā)生的情況相似。并且在實(shí)驗(yàn)中還使用了某些太空飛行條件的其他模型，包括隔離和睡眠剝奪破壞、晝夜節(jié)律等。

模擬失重條件下骨組織會(huì)出現(xiàn)明顯的骨量丟失。其主要表現(xiàn)為組織器官水平上，承重骨濕重、干重、直徑、密度顯著下降;組織形態(tài)學(xué)水平上，骨皮質(zhì)厚度變薄，骨內(nèi)原鈣化基質(zhì)脫鈣明顯，松質(zhì)骨骨小梁數(shù)目減少、厚度變薄，骨髓腔增大。此外，模擬失重引起大鼠后肢承重骨骨量顯著減少，且在性別、年齡、部位區(qū)別等方面存在一定差異。Hefferan等人[2]將6月齡大鼠尾吊兩周后測(cè)量脛骨近端骨組織形態(tài)變化顯示，雄性大鼠脛骨更長(zhǎng)，皮質(zhì)骨成分較多，骨小梁間隙較大，雌性大鼠骨形成率高，松質(zhì)骨成分較多，骨小梁數(shù)目多。此外在譚雄進(jìn)等人研究中發(fā)現(xiàn)，不同發(fā)育階段的大鼠尾吊后其骨丟失程度有所不同。年幼鼠與成年鼠相比，骨礦鹽丟失較為明顯，而骨鈣丟失相對(duì)較低。

后肢去負(fù)荷模型已被用來(lái)模擬地球上太空飛行環(huán)境的多個(gè)方面。在后肢去負(fù)荷時(shí)，肌肉和骨骼的生理變化與微重力作用下觀察到的變化相似。后肢去負(fù)荷過(guò)程中誘發(fā)這些變化的機(jī)制可能與實(shí)際微重力過(guò)程中發(fā)生的機(jī)制不同，但凈生理變化非常相似。因此，后肢去負(fù)荷是目前可用的最佳模型之一，已被廣泛應(yīng)用于模擬航天飛行條件對(duì)免疫系統(tǒng)的影響。后肢去負(fù)荷導(dǎo)致嚙齒動(dòng)物功能性免疫反應(yīng)的改變，其中包括細(xì)胞因子的產(chǎn)生、白細(xì)胞的成細(xì)胞作用、骨髓細(xì)胞對(duì)集落刺激因子的反應(yīng)、中性粒細(xì)胞活性以及對(duì)感染的抵抗力等。這些變化與在太空中飛行的人類(lèi)所觀察到的變化相似，并表明該動(dòng)物模型適合研究航天對(duì)免疫系統(tǒng)的影響。利用后肢去負(fù)荷模擬失重大鼠細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)的研究也取得了類(lèi)似的結(jié)果，其中包括細(xì)胞因子的產(chǎn)生和巨噬細(xì)胞的數(shù)量和功能的改變等。另外在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)后肢去負(fù)荷模擬失重大鼠胸腺退化情況與太空飛行后相似，在太空飛行與后肢去負(fù)荷中的大鼠會(huì)產(chǎn)生胸腺退化，從而抑制免疫反應(yīng)，且兩者之間總抗體水平無(wú)明顯差異。后肢去負(fù)荷對(duì)大鼠或小鼠的IFN-α/γ產(chǎn)生具有抑制作用。當(dāng)小鼠在沒(méi)有頭部向下傾斜的模擬失重情況下，與空白對(duì)照組對(duì)比免疫功能以及IFN-α/γ產(chǎn)生未被抑制。因此，后肢去負(fù)荷作為一種太空飛行模型來(lái)模擬太空失重干擾素產(chǎn)生的影響具有一定的作用。有研究顯示太空飛行和后肢去負(fù)荷都導(dǎo)致了骨髓細(xì)胞對(duì)集落刺激的反應(yīng)減少。暴露于太空中會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞因子產(chǎn)生改變，骨髓細(xì)胞對(duì)集落刺激因子的反應(yīng)能力改變，白細(xì)胞亞群分布改變以及自然殺傷細(xì)胞功能改變。因此，后肢去負(fù)荷模型在飛行實(shí)驗(yàn)和在地面上使用模擬空間飛行失重條件模型的實(shí)驗(yàn)中都已得到了充分印證。

由于太空飛行的機(jī)會(huì)非常有限，因此有必要使用模擬失重等模型以使我們對(duì)太空飛行對(duì)免疫力的影響的理解有所進(jìn)展。將人類(lèi)或嚙齒動(dòng)物納入這些模型可以模擬太空飛行的某些影響，盡管地面模擬失重實(shí)驗(yàn)與那些在太空飛行中無(wú)重力暴露后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不完全相同。但模擬失重模型在關(guān)于包括免疫系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)等生理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已被證明是相似的，這些機(jī)制可能與那些在太空飛行中的發(fā)生機(jī)制不盡相同，但模擬失重模型由于可操作性，成本低、可改進(jìn)性等方面的諸多優(yōu)勢(shì)，使其得到了航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的公認(rèn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tipton C M，Greenleaf J E. Neuroendocrine and immune system responses with spaceflights[J]. Med Sci Sports Exerc，1996，38（8）：988-998.

[2]Hefferan T E，Evans G L，Lotinun S. Effect of gender on bone turnover in adul trats during simulated weightlessness[J]. Appl Physiol，2003，95（5）：1775-1780.

[3]李景龍，劉紅菊，王飛，等.肌衛(wèi)星細(xì)胞在失重肌萎縮中的可塑性變化及機(jī)制[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2016，43（06）：607-615.

作者簡(jiǎn)介：唐璐（1990—），男，漢，四川蓬溪，碩士，運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康，宜賓學(xué)院 體育與大健康學(xué)院，644000。