初探模擬失重環境影響大鼠模型的建立

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

關鍵詞：失重環境;大鼠模型;航天醫學

航天飛行失重試驗受到人體無創性和飛行成本的限制，因而廣泛采用地面動物模擬失重模型來研究空間飛行對機體免疫功能的影響。動物后肢去負荷模型是在20世紀80年代發展起來的，最初目的是為了探索空間環境下的肌肉骨骼反應而建立的研究空間飛行不利后果的機制、反應和治療。該模型最早由Tipton提出，經過幾十年的不斷完善與發展已被學術領域廣泛接受和認可。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、心血管疾病等領域研究[1]。

后肢去負荷嚙齒動物模型對骨骼和肌肉類疾病都有特殊的作用，而且這種模型已經被證明在揭示詳細的機制和測試肌肉和骨骼的潛在干預方面的價值。后肢去負荷模擬失重動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、實驗動物應激小等優點被國內外眾多實驗室一致采用。Tipton等提出改進后的尾吊模擬失重模型，先用醫用透氣膠帶縱向平行黏附與大鼠尾巴兩側，然后使用消毒后的醫用紗布橫向圍繞大鼠尾巴進行纏繞，期間保持一定松緊度，再使用醫用膠帶進行從大鼠尾部上、中、下三個位置對紗布進行橫向纏繞固定。相對于嚙齒動物后肢去負荷模型，人類模擬失重模型常采用受試者仰臥姿勢臥床，頭部向下傾斜呈-6度夾角，腿部不負重，血液由于重力原因向頭部聚集，這類似于在太空飛行期間發生的情況。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。同樣在長期臥床休息且頭部向下傾斜6度的人體實驗中，觀察到的骨骼和肌肉損失與太空飛行期間發生的情況相似。并且在實驗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、晝夜節律等。

模擬失重條件下骨組織會出現明顯的骨量丟失。其主要表現為組織器官水平上，承重骨濕重、干重、直徑、密度顯著下降;組織形態學水平上，骨皮質厚度變薄，骨內原鈣化基質脫鈣明顯，松質骨骨小梁數目減少、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量脛骨近端骨組織形態變化顯示，雄性大鼠脛骨更長，皮質骨成分較多，骨小梁間隙較大，雌性大鼠骨形成率高，松質骨成分較多，骨小梁數目多。此外在譚雄進等人研究中發現，不同發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，而骨鈣丟失相對較低。

后肢去負荷模型已被用來模擬地球上太空飛行環境的多個方面。在后肢去負荷時，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。后肢去負荷過程中誘發這些變化的機制可能與實際微重力過程中發生的機制不同，但凈生理變化非常相似。因此，后肢去負荷是目前可用的最佳模型之一，已被廣泛應用于模擬航天飛行條件對免疫系統的影響。后肢去負荷導致嚙齒動物功能性免疫反應的改變，其中包括細胞因子的產生、白細胞的成細胞作用、骨髓細胞對集落刺激因子的反應、中性粒細胞活性以及對感染的抵抗力等。這些變化與在太空中飛行的人類所觀察到的變化相似，并表明該動物模型適合研究航天對免疫系統的影響。利用后肢去負荷模擬失重大鼠細胞進行培養的研究也取得了類似的結果，其中包括細胞因子的產生和巨噬細胞的數量和功能的改變等。另外在實驗中發現后肢去負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荷中的大鼠會產生胸腺退化，從而抑制免疫反應，且兩者之間總抗體水平無明顯差異。后肢去負荷對大鼠或小鼠的IFN-α/γ產生具有抑制作用。當小鼠在沒有頭部向下傾斜的模擬失重情況下，與空白對照組對比免疫功能以及IFN-α/γ產生未被抑制。因此，后肢去負荷作為一種太空飛行模型來模擬太空失重干擾素產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荷都導致了骨髓細胞對集落刺激的反應減少。暴露于太空中會導致細胞因子產生改變，骨髓細胞對集落刺激因子的反應能力改變，白細胞亞群分布改變以及自然殺傷細胞功能改變。因此，后肢去負荷模型在飛行實驗和在地面上使用模擬空間飛行失重條件模型的實驗中都已得到了充分印證。

由于太空飛行的機會非常有限，因此有必要使用模擬失重等模型以使我們對太空飛行對免疫力的影響的理解有所進展。將人類或嚙齒動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驗與那些在太空飛行中無重力暴露后的實驗結果并不完全相同。但模擬失重模型在關于包括免疫系統、骨骼系統等生理系統的實驗結果已被證明是相似的，這些機制可能與那些在太空飛行中的發生機制不盡相同，但模擬失重模型由于可操作性，成本低、可改進性等方面的諸多優勢，使其得到了航天醫學領域的公認。

參考文獻：

[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.肌衛星細胞在失重肌萎縮中的可塑性變化及機制[J].生物化學與生物物理進展，2016，43（06）：607-615.

作者簡介：唐璐（1990—），男，漢，四川蓬溪，碩士，運動促進健康，宜賓學院 體育與大健康學院，644000。