尾吊模擬失重對大鼠、小鼠多種器官系統(tǒng)的影響

魏洪鑫 寧鈞宇

(1.北京市疾病預(yù)防控制中心/北京市預(yù)防醫(yī)學(xué)研究中心，食物中毒診斷溯源技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)(2.首都醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)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(huán)境中，包括失重、低氧、宇宙射線輻射、震動(dòng)、噪聲等因素，都可能對航天員的健康造成影響。因此航天醫(yī)學(xué)的重要內(nèi)容之一就是研究太空特異因素對各器官系統(tǒng)的影響及機(jī)制，并提出保護(hù)措施[1]。在開展航天醫(yī)學(xué)研究過程中，恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯τ谘芯扛鞣N有害因素的影響效果及其機(jī)制具有重要意義，本文主要聚焦于失重模型的研究應(yīng)用。

受條件限制，研究者們常常在地面構(gòu)建失重模型，從而針對太空失重環(huán)境對機(jī)體各器官系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究。除獼猴頭低位臥床及小規(guī)模經(jīng)過倫理學(xué)審查且無創(chuàng)性的人體實(shí)驗(yàn)以外，操作簡單且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的嚙齒類動(dòng)物(大鼠、小鼠)尾部懸吊(簡稱尾吊)模型是國際公認(rèn)的地面模擬失重的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚2]。嚙齒類動(dòng)物的尾吊模型構(gòu)建主要采用美國國家航空航天局(NASA)認(rèn)可的Wronski和Morey-Holton報(bào)道的方法[3]，即用膠布纏繞模型動(dòng)物尾部的中上端，借助細(xì)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(tài)下動(dòng)物仍然可以自由飲水、進(jìn)食。利用尾吊的方法，構(gòu)建模擬失重的實(shí)驗(yàn)是近年來的研究熱點(diǎn)，以下簡要綜述該模型對嚙齒類動(dòng)物(大鼠、小鼠)多種器官系統(tǒng)的影響，以期對其他學(xué)者的后續(xù)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(xì)胞和基質(zhì)組成，骨細(xì)胞又包括間充質(zhì)細(xì)胞、骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。它的功能是運(yùn)動(dòng)、支持和保護(hù)身體，并容納骨髓造血，儲(chǔ)存礦物質(zhì)。骨骼和附著于其上的骨骼肌，共同構(gòu)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(shí)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)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(xì)胞數(shù)量增加且活性增加，尾吊組椎體骨質(zhì)呈現(xiàn)疏松樣改變，骨小梁間隙明顯增大[5]。對尾吊組進(jìn)行骨密度測試后，發(fā)現(xiàn)尾吊組的BMD(Bone Mineral Density骨密度)顯著減低[6]。對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建之后，尾吊組的SMI(Structure Model Index 結(jié)構(gòu)模型指數(shù))>正常組SMI[7]。即尾吊組的股骨超微結(jié)構(gòu)發(fā)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(gè)方面：破骨細(xì)胞對舊骨的吸收和成骨細(xì)胞分化形成新的骨質(zhì)。首先破骨細(xì)胞遷移吸附在舊骨表面，并分泌酸性物質(zhì)溶解礦物質(zhì)、分泌蛋白酶消化骨基質(zhì)，形成骨吸收陷窩，隨后成骨細(xì)胞遷移至骨吸收的部位，分泌骨基質(zhì)，并進(jìn)一步分化為成熟的骨細(xì)胞，最后礦化成新骨[8]。研究表明，骨組織中產(chǎn)生的自由基能夠促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成[9-10]，進(jìn)而加速骨細(xì)胞的成熟。大量的局部細(xì)胞因子，如IL-1,IL-6,TNF-α，白三烯和PGE2等都與骨丟失有關(guān)[11]。對尾吊后的小鼠的血清學(xué)進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，I型膠原N末端肽(NTX),環(huán)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(xì)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(biāo)。有研究顯示，尾吊組BLAP和TRAP的數(shù)值均升高[12]，這提示在尾吊模型中，骨轉(zhuǎn)換率增強(qiáng)，骨吸收大于骨沉積，造成骨量負(fù)平衡。

1.2 肌梭形態(tài)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(shí)驗(yàn)中，骨骼肌組織中的肌梭結(jié)構(gòu)為最先受累的器官。

Zhu等[13]學(xué)者的研究顯示，尾吊實(shí)驗(yàn)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??；尾吊14 d后肌梭內(nèi)纖維直徑明顯減小，且在7～14 d時(shí)減小的幅度最大；14 d后肌梭赤道部神經(jīng)纖維淡染，末梢出現(xiàn)輕微的溶解、斷裂；尾吊21 d后肌梭內(nèi)神經(jīng)末梢的密度明顯減小，赤道部神經(jīng)纖維出現(xiàn)斷裂、溶解；28 d后神經(jīng)末梢呈嚴(yán)重退行性改變，出現(xiàn)斷裂，迂曲。

失重性肌萎縮是目前在航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域探索的關(guān)鍵問題之一，其重要的特點(diǎn)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(yán)重[14]。有學(xué)者提出，模擬失重狀態(tài)下肌梭結(jié)構(gòu)和功能活動(dòng)的改變是失重性肌萎縮發(fā)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(jīng)沖動(dòng)減少，隨著失重時(shí)間的延長，梭內(nèi)肌纖維的代謝、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，傳向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的沖動(dòng)會(huì)進(jìn)一步減少，反射性地引起肌緊張降低，肌肉的活動(dòng)量減少，最終導(dǎo)致失重性肌萎縮。

失重條件對肌梭超微結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生影響，主要包括線粒體結(jié)構(gòu)的改變[16]，肌節(jié)損害[17]，肌梭鈣改變[18]，梭內(nèi)肌纖維MHC改變[19]。線粒體結(jié)構(gòu)的改變主要表現(xiàn)為梭內(nèi)肌纖維反應(yīng)糖酵解活性的mATP酶和琥珀酸脫氫酶(SDH)活性增加。肌節(jié)的損害主要表現(xiàn)為Z線模糊不清，排列紊亂，部分溶解消失，肌質(zhì)網(wǎng)終池高度擴(kuò)張[20]。梭內(nèi)肌纖維MHC的激活正常順序?yàn)镸HCⅠ→ MHCⅡa → MHC → MHCⅡb亞型轉(zhuǎn)化，肌肉萎縮會(huì)導(dǎo)致骨組織內(nèi)的αB晶體蛋白表達(dá)減少[21]，導(dǎo)致對緊張型MHC單克隆抗體的免疫原性減弱，與MHC亞型轉(zhuǎn)變有關(guān)的的αB晶體蛋白和微管蛋白萎縮的比目魚肌出現(xiàn)最明顯的萎縮。

2 尾吊模擬失重對學(xué)習(xí)記憶能力的影響

學(xué)習(xí)和記憶是大腦重要的功能之一，學(xué)習(xí)是神經(jīng)系統(tǒng)接受外界環(huán)境變化獲得新行為、經(jīng)驗(yàn)的過程，記憶是學(xué)習(xí)后經(jīng)驗(yàn)的保持和再現(xiàn)[22]。國內(nèi)外很多的研究表明，尾吊會(huì)對學(xué)習(xí)和記憶能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

Zhang等[23]學(xué)者對老鼠進(jìn)行了穿梭箱測試，在該測試中，設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)對老鼠的主動(dòng)回避和被動(dòng)回避次數(shù)進(jìn)行評估，主動(dòng)回避次數(shù)的多少反映學(xué)習(xí)記憶能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在尾吊14 d、21 d、28 d之后，大鼠的主動(dòng)回避次數(shù)有顯著下降，分別降低26.8%、43.1%、41.5%。Sun等[24]人的研究發(fā)現(xiàn)，尾吊后的小鼠對Y-迷宮實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性降低且反應(yīng)時(shí)間明顯延長，這說明尾吊實(shí)驗(yàn)對小鼠的認(rèn)知功能有很大的影響。Wu[25]學(xué)者的研究顯示，尾吊后跳臺(tái)和水迷宮實(shí)驗(yàn)的成績都明顯下降，提示尾吊模型能夠影響小鼠的學(xué)習(xí)和記憶功能。對尾吊后的小鼠進(jìn)行血清學(xué)測定，發(fā)現(xiàn)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(dòng)物長期暴露于氧化應(yīng)激的環(huán)境，造成了DNA損傷和神經(jīng)元破壞，從而影響了學(xué)習(xí)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(diǎn)，Wang等[28]學(xué)者著重對尾吊后對大鼠海馬體中的蛋白表達(dá)進(jìn)行分析，結(jié)果同樣提示局部組織發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)。對海馬體中蛋白組學(xué)進(jìn)行分析，與對照組相比，尾吊組中的蛋白質(zhì)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(huán)和蘋果酸-天冬氨酸循環(huán)對細(xì)胞能量代謝和神經(jīng)遞質(zhì)的合成有影響，所以長期的尾吊會(huì)造成大鼠學(xué)習(xí)和記憶能力的下降。據(jù)Ranjan等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，尾吊14 d后的小鼠大腦海馬區(qū)出現(xiàn)明顯改變，CA1和神經(jīng)元的數(shù)目明顯減少。對海馬組織中的氧化應(yīng)激的標(biāo)志物進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(yīng)激過程也被激活，大腦中不同腦區(qū)的AP-1和NF-KB也明顯增加[31]，提示模式動(dòng)物氧化應(yīng)激的細(xì)胞信號通路受到明顯影響。

3 尾吊模擬失重對心血管系統(tǒng)的影響

尾吊會(huì)改變實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(dòng)力負(fù)荷下降，代謝需求量降低和神經(jīng)內(nèi)分泌等一系列的變化，這些改變將導(dǎo)致心肌細(xì)胞適應(yīng)性改變，包括胚胎基因啟動(dòng)，代謝水平下降和心肌重構(gòu)[32]，最終導(dǎo)致心功能的下降。

實(shí)驗(yàn)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(xiàn)心室質(zhì)量減少，室間隔質(zhì)量減少[34]。 Liu 等[35]學(xué)者在研究中采用小鼠尾吊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示小鼠心排血量(CO)、射血分?jǐn)?shù)(EF)、心臟質(zhì)量指數(shù)(BW/HW)均出現(xiàn)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(xiàn)下降，觀察發(fā)現(xiàn)膠原纖維顆粒變性和炎性細(xì)胞浸潤，提示出現(xiàn)心肌細(xì)胞萎縮。

總結(jié)尾吊模型對心血管系統(tǒng)影響的機(jī)制發(fā)現(xiàn)，尾吊模擬失重實(shí)驗(yàn)可以減少心臟乳頭肌細(xì)胞的橫截面積，而不是誘導(dǎo)萎縮性心肌細(xì)胞的凋亡，這表明尾吊主要是通過造成肌漿蛋白質(zhì)丟失而引起心肌萎縮的。大部分蛋白質(zhì)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(shí)驗(yàn)的動(dòng)物自噬過度活躍，抑制自噬過程可有效逆轉(zhuǎn)尾吊引起的心臟收縮功能下降，提示在尾吊模型中，尾吊實(shí)驗(yàn)的蛋白質(zhì)丟失主要是通過自噬-溶酶體途徑介導(dǎo)的。

4 尾吊模擬失重對其它系統(tǒng)的影響

尾吊模擬失重對機(jī)體的影響是系統(tǒng)性的，除特定的器官系統(tǒng)受到影響外，內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)等方面也會(huì)受到失重的影響。

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

此外，尾吊模擬失重實(shí)驗(yàn)還會(huì)對雌激素水平產(chǎn)生影響[38]。這與GDF-9基因的表達(dá)有關(guān)[39], 還與PCNA基因的表達(dá)受到抑制有關(guān)。

尾吊實(shí)驗(yàn)對小鼠的消化系統(tǒng)還會(huì)產(chǎn)生影響，會(huì)破壞腸黏膜屏障的保護(hù)功能[40]，并通過調(diào)節(jié)腸道微生物來降低自身免疫性疾病的發(fā)生率[41]。

尾吊實(shí)驗(yàn)還能夠引起大鼠視神經(jīng)超微結(jié)構(gòu)改變、功能減退及視網(wǎng)膜細(xì)胞損傷[42]。

綜上所述，尾吊模擬失重模型對全身多個(gè)器官系統(tǒng)均有不同程度的影響，提示我們在進(jìn)行失重研究時(shí)，應(yīng)首先考慮實(shí)驗(yàn)方法對模型動(dòng)物的影響是否會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。除應(yīng)用嚙齒類動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停诘孛婺M失重研究中，非人靈長類動(dòng)物模型也有應(yīng)用。其中，獼猴頭低位臥床實(shí)驗(yàn)是國際上公認(rèn)的研究失重環(huán)境對神經(jīng)組織影響的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因此在?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段需要綜合考慮各種因素，選擇最恰當(dāng)且權(quán)威的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯C(jī)制進(jìn)行研究。