尾吊模擬失重對大鼠、小鼠多種器官系統的影響

魏洪鑫 寧鈞宇

(1.北京市疾病預防控制中心/北京市預防醫學研究中心，食物中毒診斷溯源技術北京市重點實驗室，北京 100013)(2.首都醫科大學公共衛生學院，北京 100069)

航天飛行過程中，航天員處于一種異于地面的特殊環境中，包括失重、低氧、宇宙射線輻射、震動、噪聲等因素，都可能對航天員的健康造成影響。因此航天醫學的重要內容之一就是研究太空特異因素對各器官系統的影響及機制，并提出保護措施[1]。在開展航天醫學研究過程中，恰當的模型對于研究各種有害因素的影響效果及其機制具有重要意義，本文主要聚焦于失重模型的研究應用。

受條件限制，研究者們常常在地面構建失重模型，從而針對太空失重環境對機體各器官系統的影響進行研究。除獼猴頭低位臥床及小規模經過倫理學審查且無創性的人體實驗以外，操作簡單且經濟實用的嚙齒類動物(大鼠、小鼠)尾部懸吊(簡稱尾吊)模型是國際公認的地面模擬失重的實驗模型[2]。嚙齒類動物的尾吊模型構建主要采用美國國家航空航天局(NASA)認可的Wronski和Morey-Holton報道的方法[3]，即用膠布纏繞模型動物尾部的中上端，借助細繩等工具將其懸掛在尾吊籠中，使后肢離開籠底1 cm，前肢可以觸地，尾吊狀態下動物仍然可以自由飲水、進食。利用尾吊的方法，構建模擬失重的實驗是近年來的研究熱點，以下簡要綜述該模型對嚙齒類動物(大鼠、小鼠)多種器官系統的影響，以期對其他學者的后續研究提供新的思路和方法。

1 尾吊模擬失重對骨骼及肌肉的影響

骨主要由細胞和基質組成，骨細胞又包括間充質細胞、骨祖細胞、成骨細胞和破骨細胞。它的功能是運動、支持和保護身體，并容納骨髓造血，儲存礦物質。骨骼和附著于其上的骨骼肌，共同構成身體中重要的承重器官，所以骨骼和肌肉是受尾吊影響大的器官之一。

1.1 尾吊對骨生長的影響

尾吊實驗會導致小鼠干骺端骨丟失，股骨生長受到抑制[4]。在尾吊模型中破骨細胞數量增加且活性增加，尾吊組椎體骨質呈現疏松樣改變，骨小梁間隙明顯增大[5]。對尾吊組進行骨密度測試后，發現尾吊組的BMD(Bone Mineral Density骨密度)顯著減低[6]。對實驗動物的骨結構進行三維重建之后，尾吊組的SMI(Structure Model Index 結構模型指數)>正常組SMI[7]。即尾吊組的股骨超微結構發生變化的程度更大。

以股骨為代表的長管狀骨重建包括兩個方面：破骨細胞對舊骨的吸收和成骨細胞分化形成新的骨質。首先破骨細胞遷移吸附在舊骨表面，并分泌酸性物質溶解礦物質、分泌蛋白酶消化骨基質，形成骨吸收陷窩，隨后成骨細胞遷移至骨吸收的部位，分泌骨基質，并進一步分化為成熟的骨細胞，最后礦化成新骨[8]。研究表明，骨組織中產生的自由基能夠促進破骨細胞的生成[9-10]，進而加速骨細胞的成熟。大量的局部細胞因子，如IL-1,IL-6,TNF-α，白三烯和PGE2等都與骨丟失有關[11]。對尾吊后的小鼠的血清學進行測定發現，I型膠原N末端肽(NTX),環磷酰胺(CTX),成骨多肽(OG),I型膠原C端前肽(PICP)提高[4]，表明尾吊改變了骨骼的生長方式，使破骨細胞大量的生成。骨堿性磷酸酶(BLAP)和抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)是骨吸收很好的指標。有研究顯示，尾吊組BLAP和TRAP的數值均升高[12]，這提示在尾吊模型中，骨轉換率增強，骨吸收大于骨沉積，造成骨量負平衡。

1.2 肌梭形態的改變

肌梭(muscle spindle)是分布于骨骼肌中感受牽張刺激的本體感受器，主要感受骨骼肌的長度和肌纖維伸縮的變化，所以在尾吊模擬失重的實驗中，骨骼肌組織中的肌梭結構為最先受累的器官。

Zhu等[13]學者的研究顯示，尾吊實驗7 d后大鼠比目魚肌中的肌梭梭囊明顯迂曲，梭囊直徑明顯減小；尾吊14 d后肌梭內纖維直徑明顯減小，且在7～14 d時減小的幅度最大；14 d后肌梭赤道部神經纖維淡染，末梢出現輕微的溶解、斷裂；尾吊21 d后肌梭內神經末梢的密度明顯減小，赤道部神經纖維出現斷裂、溶解；28 d后神經末梢呈嚴重退行性改變，出現斷裂，迂曲。

失重性肌萎縮是目前在航天醫學領域探索的關鍵問題之一，其重要的特點是，抗重力肌萎縮的程度大于非抗重力肌，慢肌萎縮的程度比快肌嚴重[14]。有學者提出，模擬失重狀態下肌梭結構和功能活動的改變是失重性肌萎縮發生的重要原因之一[15]，即在失重條件下，由于重力的減弱或消失，肌梭受到的刺激減少，肌梭傳向中樞的神經沖動減少，隨著失重時間的延長，梭內肌纖維的代謝、結構發生變化，傳向中樞神經系統的沖動會進一步減少，反射性地引起肌緊張降低，肌肉的活動量減少，最終導致失重性肌萎縮。

失重條件對肌梭超微結構也會產生影響，主要包括線粒體結構的改變[16]，肌節損害[17]，肌梭鈣改變[18]，梭內肌纖維MHC改變[19]。線粒體結構的改變主要表現為梭內肌纖維反應糖酵解活性的mATP酶和琥珀酸脫氫酶(SDH)活性增加。肌節的損害主要表現為Z線模糊不清，排列紊亂，部分溶解消失，肌質網終池高度擴張[20]。梭內肌纖維MHC的激活正常順序為MHCⅠ→ MHCⅡa → MHC → MHCⅡb亞型轉化，肌肉萎縮會導致骨組織內的αB晶體蛋白表達減少[21]，導致對緊張型MHC單克隆抗體的免疫原性減弱，與MHC亞型轉變有關的的αB晶體蛋白和微管蛋白萎縮的比目魚肌出現最明顯的萎縮。

2 尾吊模擬失重對學習記憶能力的影響

學習和記憶是大腦重要的功能之一，學習是神經系統接受外界環境變化獲得新行為、經驗的過程，記憶是學習后經驗的保持和再現[22]。國內外很多的研究表明，尾吊會對學習和記憶能力產生負面影響。

Zhang等[23]學者對老鼠進行了穿梭箱測試，在該測試中，設置一臺計算機對老鼠的主動回避和被動回避次數進行評估，主動回避次數的多少反映學習記憶能力。實驗結果顯示，在尾吊14 d、21 d、28 d之后，大鼠的主動回避次數有顯著下降，分別降低26.8%、43.1%、41.5%。Sun等[24]人的研究發現，尾吊后的小鼠對Y-迷宮實驗的準確性降低且反應時間明顯延長，這說明尾吊實驗對小鼠的認知功能有很大的影響。Wu[25]學者的研究顯示，尾吊后跳臺和水迷宮實驗的成績都明顯下降，提示尾吊模型能夠影響小鼠的學習和記憶功能。對尾吊后的小鼠進行血清學測定，發現ROS和MDA的水平上升[26]，8-OHdG的水平顯著下降[27]，這提示在尾吊過程中模型動物長期暴露于氧化應激的環境，造成了DNA損傷和神經元破壞，從而影響了學習和記憶功能。

尾吊模擬失重的模型對海馬組織的影響是目前研究的熱點，Wang等[28]學者著重對尾吊后對大鼠海馬體中的蛋白表達進行分析，結果同樣提示局部組織發生氧化應激反應。對海馬體中蛋白組學進行分析，與對照組相比，尾吊組中的蛋白質有顯著的差異，PRDX-6(氧化蛋白)和DJ-1(肽酶C56蛋白家族之一)的水平增加，谷氨酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶的水平均下降，二者通過谷氨酸-谷氨酰胺循環和蘋果酸-天冬氨酸循環對細胞能量代謝和神經遞質的合成有影響，所以長期的尾吊會造成大鼠學習和記憶能力的下降。據Ranjan等[29]的研究發現，尾吊14 d后的小鼠大腦海馬區出現明顯改變，CA1和神經元的數目明顯減少。對海馬組織中的氧化應激的標志物進行檢測時發現，丙二醛(MDA)和過氧化氫(H2O2)的水平增加，超氧化物歧化酶(SOD)水平下降[30]，提示海馬組織中的氧化應激過程也被激活，大腦中不同腦區的AP-1和NF-KB也明顯增加[31]，提示模式動物氧化應激的細胞信號通路受到明顯影響。

3 尾吊模擬失重對心血管系統的影響

尾吊會改變實驗動物的正常體位，讓體液和血液異常聚集在頭部，中心靜脈壓升高，從而在生理上引起血液動力負荷下降，代謝需求量降低和神經內分泌等一系列的變化，這些改變將導致心肌細胞適應性改變，包括胚胎基因啟動，代謝水平下降和心肌重構[32]，最終導致心功能的下降。

實驗表明尾吊模型能夠引起小鼠心律不齊，心臟泵功能下降[33]。研究顯示，大鼠尾吊21 d后，出現心室質量減少，室間隔質量減少[34]。 Liu 等[35]學者在研究中采用小鼠尾吊實驗，結果顯示小鼠心排血量(CO)、射血分數(EF)、心臟質量指數(BW/HW)均出現下降，提示小鼠心功能下降，左心室后壁厚度(LVPWD)和左心室舒張末期容積(LVEDV)也出現下降，觀察發現膠原纖維顆粒變性和炎性細胞浸潤，提示出現心肌細胞萎縮。

總結尾吊模型對心血管系統影響的機制發現，尾吊模擬失重實驗可以減少心臟乳頭肌細胞的橫截面積，而不是誘導萎縮性心肌細胞的凋亡，這表明尾吊主要是通過造成肌漿蛋白質丟失而引起心肌萎縮的。大部分蛋白質的丟失主要是由泛素-蛋白酶體途徑或自噬溶酶體途徑降解的。Liu等的研究顯示[35]，尾吊實驗的動物自噬過度活躍，抑制自噬過程可有效逆轉尾吊引起的心臟收縮功能下降，提示在尾吊模型中，尾吊實驗的蛋白質丟失主要是通過自噬-溶酶體途徑介導的。

4 尾吊模擬失重對其它系統的影響

尾吊模擬失重對機體的影響是系統性的，除特定的器官系統受到影響外，內環境的穩態等方面也會受到失重的影響。

尾吊模擬失重還會影響免疫功能，7 d尾吊實驗表明，小鼠的抗原呈遞細胞較初始狀態比有一定的提升[36]，巨噬細胞的活性也顯著增強，Th1、Th2等細胞免疫功能具有抑制作用[37]。

此外，尾吊模擬失重實驗還會對雌激素水平產生影響[38]。這與GDF-9基因的表達有關[39], 還與PCNA基因的表達受到抑制有關。

尾吊實驗對小鼠的消化系統還會產生影響，會破壞腸黏膜屏障的保護功能[40]，并通過調節腸道微生物來降低自身免疫性疾病的發生率[41]。

尾吊實驗還能夠引起大鼠視神經超微結構改變、功能減退及視網膜細胞損傷[42]。

綜上所述，尾吊模擬失重模型對全身多個器官系統均有不同程度的影響，提示我們在進行失重研究時，應首先考慮實驗方法對模型動物的影響是否會干擾實驗結果。除應用嚙齒類動物的實驗模型，在地面模擬失重研究中，非人靈長類動物模型也有應用。其中，獼猴頭低位臥床實驗是國際上公認的研究失重環境對神經組織影響的實驗模型，因此在實驗設計階段需要綜合考慮各種因素，選擇最恰當且權威的實驗模型對機制進行研究。