初探模拟失重环境影响大鼠模型的建立

摘要：模拟失重模型主要可以两类：人体模型与动物模型。其中以后肢去负荷模型最为普遍，同样也是迄今能够较好模拟航天飞行对机体免疫功能、骨骼与肌肉系统等影响的一种常用模型。本文整理和阐述模拟失重环境对大鼠模型建立的可行性条件以及机体反应出的表型特征。

关键词：失重环境;大鼠模型;航天医学

航天飞行失重试验受到人体无创性和飞行成本的限制，因而广泛采用地面动物模拟失重模型来研究空间飞行对机体免疫功能的影响。动物后肢去负荷模型是在20世纪80年代发展起来的，最初目的是为了探索空间环境下的肌肉骨骼反应而建立的研究空间飞行不利后果的机制、反应和治疗。该模型最早由Tipton提出，经过几十年的不断完善与发展已被学术领域广泛接受和认可。目前常用于肌肉萎缩、废用性骨量减少症、失重条件下免疫功能抑制、胸腺退化、心血管疾病等领域研究[1]。

后肢去负荷啮齿动物模型对骨骼和肌肉类疾病都有特殊的作用，而且这种模型已经被证明在揭示详细的机制和测试肌肉和骨骼的潜在干预方面的价值。后肢去负荷模拟失重动物模型主要包括包括尾部悬吊，背部悬吊和骨盆悬吊等。尾吊模型由于操作方便、成本低、实验动物应激小等优点被国内外众多实验室一致采用。Tipton等提出改进后的尾吊模拟失重模型，先用医用透气胶带纵向平行黏附与大鼠尾巴两侧，然后使用消毒后的医用纱布横向围绕大鼠尾巴进行缠绕，期间保持一定松紧度，再使用医用胶带进行从大鼠尾部上、中、下三个位置对纱布进行横向缠绕固定。相对于啮齿动物后肢去负荷模型，人类模拟失重模型常采用受试者仰卧姿势卧床，头部向下倾斜呈-6度夹角，腿部不负重，血液由于重力原因向头部聚集，这类似于在太空飞行期间发生的情况。在-6度头部向下倾斜7天卧床模型中，观察到髂骨嵴骨形成率降低的现象。骨骼和肌肉的丢失与太空飞行中在宇航员身上观察到的情况基本一致。同样在长期卧床休息且头部向下倾斜6度的人体实验中，观察到的骨骼和肌肉损失与太空飞行期间发生的情况相似。并且在实验中还使用了某些太空飞行条件的其他模型，包括隔离和睡眠剥夺破坏、昼夜节律等。

模拟失重条件下骨组织会出现明显的骨量丢失。其主要表现为组织器官水平上，承重骨湿重、干重、直径、密度显著下降;组织形态学水平上，骨皮质厚度变薄，骨内原钙化基质脱钙明显，松质骨骨小梁数目减少、厚度变薄，骨髓腔增大。此外，模拟失重引起大鼠后肢承重骨骨量显著减少，且在性别、年龄、部位区别等方面存在一定差异。Hefferan等人[2]将6月龄大鼠尾吊两周后测量胫骨近端骨组织形态变化显示，雄性大鼠胫骨更长，皮质骨成分较多，骨小梁间隙较大，雌性大鼠骨形成率高，松质骨成分较多，骨小梁数目多。此外在谭雄进等人研究中发现，不同发育阶段的大鼠尾吊后其骨丢失程度有所不同。年幼鼠与成年鼠相比，骨矿盐丢失较为明显，而骨钙丢失相对较低。

后肢去负荷模型已被用来模拟地球上太空飞行环境的多个方面。在后肢去负荷时，肌肉和骨骼的生理变化与微重力作用下观察到的变化相似。后肢去负荷过程中诱发这些变化的机制可能与实际微重力过程中发生的机制不同，但净生理变化非常相似。因此，后肢去负荷是目前可用的最佳模型之一，已被广泛应用于模拟航天飞行条件对免疫系统的影响。后肢去负荷导致啮齿动物功能性免疫反应的改变，其中包括细胞因子的产生、白细胞的成细胞作用、骨髓细胞对集落刺激因子的反应、中性粒细胞活性以及对感染的抵抗力等。这些变化与在太空中飞行的人类所观察到的变化相似，并表明该动物模型适合研究航天对免疫系统的影响。利用后肢去负荷模拟失重大鼠细胞进行培养的研究也取得了类似的结果，其中包括细胞因子的产生和巨噬细胞的数量和功能的改变等。另外在实验中发现后肢去负荷模拟失重大鼠胸腺退化情况与太空飞行后相似，在太空飞行与后肢去负荷中的大鼠会产生胸腺退化，从而抑制免疫反应，且两者之间总抗体水平无明显差异。后肢去负荷对大鼠或小鼠的IFN-α/γ产生具有抑制作用。当小鼠在没有头部向下倾斜的模拟失重情况下，与空白对照组对比免疫功能以及IFN-α/γ产生未被抑制。因此，后肢去负荷作为一种太空飞行模型来模拟太空失重干扰素产生的影响具有一定的作用。有研究显示太空飞行和后肢去负荷都导致了骨髓细胞对集落刺激的反应减少。暴露于太空中会导致细胞因子产生改变，骨髓细胞对集落刺激因子的反应能力改变，白细胞亚群分布改变以及自然杀伤细胞功能改变。因此，后肢去负荷模型在飞行实验和在地面上使用模拟空间飞行失重条件模型的实验中都已得到了充分印证。

由于太空飞行的机会非常有限，因此有必要使用模拟失重等模型以使我们对太空飞行对免疫力的影响的理解有所进展。将人类或啮齿动物纳入这些模型可以模拟太空飞行的某些影响，尽管地面模拟失重实验与那些在太空飞行中无重力暴露后的实验结果并不完全相同。但模拟失重模型在关于包括免疫系统、骨骼系统等生理系统的实验结果已被证明是相似的，这些机制可能与那些在太空飞行中的发生机制不尽相同，但模拟失重模型由于可操作性，成本低、可改进性等方面的诸多优势，使其得到了航天医学领域的公认。

参考文献：

[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，刘红菊，王飞，等.肌卫星细胞在失重肌萎缩中的可塑性变化及机制[J].生物化学与生物物理进展，2016，43（06）：607-615.

作者简介：唐璐（1990—），男，汉，四川蓬溪，硕士，运动促进健康，宜宾学院 体育与大健康学院，644000。