Cincisprezece zile Microgravitatea determină creșterea în Calvaria șoarecilor

Bing Zhang

Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Centrul Medical UCSD, Universitatea din California, San Diego, 350 Dickinson St. Suite 121, San Diego, CA 92103, Telefon: 619-543-6805, 619-543-3810, Fax: 619-543-2540

Esther Cory

Departamentul de Bioinginerie, Universitatea din California, San Diego, 9500 Gilman Dr. # 0412, La Jolla, CA 92093-0412, Telefon: 858-534-5682, Fax: 858-822-1614

Roshmi Bhattacharya

Departamentul de Chirurgie Ortopedică, UCSD Medical Center, Universitatea din California, San Diego, 350 Dickinson St. Suite 121, San Diego, CA 92103, Telefon: 619-543-6805, 619-543-3810, Fax: 619-543-2540

Robert Sah

Departamentul de Bioinginerie, Universitatea din California, San Diego, 9500 Gilman Dr. # 0412, La Jolla, CA 92093-0412, Telefon: 858-534-0821, Fax: 858-822-1614

Alan R Hargens

Abstract

Remodelarea oaselor poate apărea în zborul spațial ca răspuns la descărcarea scheletului și la deplasările de lichid în direcția capului. În timp ce descărcarea provoacă o pierdere semnificativă a masei osoase și a densității la picioarele animalelor expuse microgravitației, creșterea fluxului de sânge și de lichid interstițial care însoțește redistribuirea lichidelor indusă de microgravitate poate provoca un efect opus în cap. Șapte șoareci C57BL/6 au fost aleși aleatoriu pentru expunerea la 15 zile de microgravitație în misiunea STS-131, în timp ce opt coechipieri au servit drept controale la sol. La finalizarea misiunii, toți cei 15 șoareci calvari au fost imaginați pe un scaner de tomografie micro-computerizată. Un volum dreptunghiular standardizat a fost plasat pe oasele parietale ale fiecărei calvarii pentru analize și s-au determinat trei parametri pentru măsurarea volumului osos parietal crescut: volumul osos (BV), grosimea secțiunii transversale (CsTh) și densitatea minerală tisulară (TMD). Expunerea la microgravitate a determinat o creștere semnificativă statistic a BV a grupului de zbor spațial (SF) comparativ cu grupul de control la sol (GC) - media ± SD pentru grupul SF a fost de 10,48 ± 0,47%, comparativ cu 9,64 ± 0,79% pentru grupul GC p Cuvinte cheie: os, adaptare, spațiu, microgravitație

Introducere

Adaptarea scheletului la microgravitație este un obstacol fiziologic care poate limita explorarea spațiului prelungit [1]. Studiile efectuate de astronauți demonstrează pierderea osoasă variabilă corespunzătoare lungimii misiunii [2, 3, 4]. Oasele purtătoare de greutate, cum ar fi femurul, calcaneul, șoldul, coloana vertebrală și gâtul pierd mai mult decât oasele care nu suportă greutate [5], stabilind rolul esențial al descărcării scheletice la remodelarea oaselor. Studiile fiziologice ale misiunilor Skylab documentează creșterea nivelului de calciu și fosfat atât în ser, cât și în urină la membrii echipajului [6], reflectând o pierdere treptată a conținutului de minerale osoase la acești astronauți. Unii dintre acești membri ai echipajului continuă să piardă os după întoarcerea pe Pământ, iar cei care experimentează cele mai mari scăderi osoase nu se recuperează complet nici după cinci ani [7]. Corelația dintre pierderea osoasă și scăderea rezistenței osoase sugerează un risc semnificativ de fracturi pentru astronauți [8, 9, 10].

Dezvoltarea contramăsurilor împotriva efectului osteopenic al deplasărilor spațiale necesită o mai bună înțelegere a adaptării osoase. Repausul la pat uman este o metodă utilizată pentru a simula microgravitația fără zboruri spațiale. Folosind această tehnică, LeBlanc și echipa demonstrează cea mai mare pierdere osoasă a oaselor purtătoare de greutate ale corpului inferior, în special coloana lombară, femurul, tibia și calcaneul [11]. Un studiu de 60 de zile de repaus la pat raportează cea mai mare pierdere la femurul proximal și tibia distală [12]. Aceste rezultate sunt în concordanță cu modificările osoase induse de zborul spațial. Măsurătorile osoase pe astronauții Skylab arată pierderi crescânde de minerale în os calcis corespunzătoare lungimii misiunii [4]. O comparație mai cuprinzătoare între 18 cosmonauți și subiecți cu repaus la pat sprijină faptul că zborul spațial produce pierderi minerale similare, dacă nu chiar mai mari, în oasele purtătoare de greutate decât repausul la pat [5]. Oasele membrelor superioare sunt afectate minim și se observă creșteri ale densității minerale osoase (DMO) ale craniului [4, 11, 13].

Până în prezent, cercetările musculo-scheletice privind adaptările fiziologice la microgravitație se concentrează pe regiunile de greutate ale corpului inferior. În timp ce se depune un efort modest pentru a studia remodelarea oaselor parțial încărcate (adică anexele superioare) ca răspuns la greutate, datele despre oasele neîncărcate sunt rare și sunt generate în principal din studiile de repaus la pat și de descărcare a membrelor posterioare ale rozătoarelor. Studiile privind repausul la pat prelungit și dezafectarea corpului inferior demonstrează modele de creștere a DMO în oasele craniului, împreună cu pierderea minerală în oasele scheletului axial inferior și apendicular [11, 13, 14, 15]. În experimentul lor de greutate simulat, Roer și Dillaman au găsit greutăți mai mari, uscate și cenușate, ale craniilor de la șobolani suspendați la nivelul membrelor posterioare [16]. Cu toate acestea, nu este clar dacă adaptările observate ale oaselor descărcate la inactivitate și microgravitația simulată reflectă remodelarea acestor oase în microgravitate reală.

Prezenta lucrare încearcă să cuantifice adaptările oaselor craniene la zborurile spațiale. În mod specific, obiectivele noastre sunt de a evalua remodelarea oaselor craniului datorită microgravitației reale, de a compara adaptarea oaselor neîncărcate la microgravitatea reală versus microgravitația simulată așa cum este raportat în literatură și de a cuantifica aceste modificări pe baza conținutului de minerale și a volumului osos. . Ipotezăm că microgravitația induce o creștere adaptivă a oaselor care în mod normal nu suportă greutate, posibil din cauza deplasărilor de lichid care însoțesc microgravitatea reală.

Materiale și metode

Grupuri de control și zboruri spațiale

Protocoale experimentale conforme cu Ghidul pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator publicat de S.U.A. Institutele Naționale de Sănătate și au fost aprobate de Comitetul instituțional și de îngrijire și utilizare a animalelor din cadrul Administrației Naționale Aeronautice și Spațiale (NASA). Înainte de experimente, toate animalele erau considerate sănătoase de către medicii veterinari ai Centrului Spațial Kennedy (KSC).

Șapte șoareci adulți, femele, de tip sălbatic C57BL/C, reprezentând grupul de zbor spațial (n = 7), au experimentat cincisprezece zile de greutate la bordul misiunii de navetă STS-131 de 15 zile a NASA. Opt șoareci femele C57-BL/C de tip sălbatic, tovarăși ai grupului de zboruri spațiale, au fost menținuți pe uscat sub sarcini gravitaționale normale și reprezintă grupul de control (n = 8). Ambele grupuri au fost menținute pe un ciclu de lumină-întuneric de 12: 12 ore și prevăzute cu hrană și apă pre-adaptate ad libitum, în perioada 4-20 aprilie 2010 pentru șoarecii de zbor și în perioada 6-22 aprilie 2010 pentru comenzile de la sol. . Ambele grupuri au fost găzduite în module de incinte pentru animale, gravitatea sau lipsa acestora fiind principala diferență de mediu. Toți șoarecii au fost cântăriți de două ori - o dată chiar înainte de încărcarea cuștii și din nou după descărcarea cuștii la sfârșitul perioadei de 15 zile și înainte de sacrificiu, iar schimbarea de greutate a fiecărui animal a fost determinată.

După finalizarea misiunii, șoarecii de zbor spațial au fost primiți și eutanasiați la Centrul Spațial Kennedy al NASA, iar țesuturile lor au fost recoltate în decurs de trei până la patru ore de la aterizarea navetei. Șoarecii de control la sol au fost adăpostiți identic pe durata misiunii STS-131 începând 48 de ore după lansare și au fost eutanasiați la terminarea duratei lor experimentale 48 de ore după aterizarea navetei. Toate animalele au fost manipulate și disecate de către membrii proiectului de partajare a biospecimenului de la NASA-KSC. Calvarele au fost conservate în azot lichid și expediate la laboratorul nostru de la Universitatea din California, San Diego pentru analiză.