地面模拟失重实验方法概况

虽然载人航天事业已得到突破性的进展,但航天员对失重的适应和返回地球后的再适应,无论在理论上还是实践中都是尚未攻克的技术难题。航天失重环境下航天飞行综合征的发生机理及对抗措施,仍是航天医学的重要课题。在地面上无法创造长期的失重环境,但根据失重对机体产生的生理效应可实现地面模拟失重实验。本文概述了地面模拟失重的人体实验、动物实验概况,为更好开展地面模拟失重条件下相关研究提供参考。     

失重或模拟失重对大脑功能的影响研究进展

在失重或模拟失重环境中,机体会经历一系列的生理和心理变化。大脑作为"中央控制器",其基本功能是控制运动、感觉、认知、情感和记忆等。大脑功能受损将直接影响航天任务的完成,影响航天事业的发展。因此,失重或模拟失重对大脑的影响是航天医学亟待解决的重要问题。综述了失重或模拟失重对大脑功能影响的研究现状,并且从其对神经系统、血管的影响说明其作用机制,以期为解决失重对大脑功能造成的影响相关研究提供参考。     

长期航天飞行心血管保护:问题与挑战

我国即将运行的空间站要求航天员长期驻留太空,航天飞行引发的心血管功能及循环系统调控改变直接影响航天员的健康和工作效能,其中失重是最重要的环境因素.目前人们对短期航天飞行机体的生理变化及适应规律已有一定的经验,但对长期失重所致的心血管变化规律、特征以及相关生理效应发生机制的认识还不够全面和深入,相应的心血管保护措施仍有待...     

长期失重的地面模拟——卧床及其生理研究

航天员对失重的适应和返回地球后的再适应问题,无论在理论上和实践中都未彻底解决。因此,空间适应的机理和“空间适应综合征”的防治,仍是航天医学的重要课题。在地面无法创造长期失重环境,但根据失重对机体的影响,可采用失重模拟实验。其中卧床或头低位卧床是国内外应用最广泛的一种方法。本文概述了模拟失重卧床实验的目的、方法、研究内容、主要结果及国内外研究概况。     

模拟失重对人成骨样细胞凋亡的影响

为了探讨失重对人成骨样细胞凋亡情况的影响及对相关分子的作用,采用双向多样本回转器模拟失重效应,将培养的人成骨样细胞MG-63随机分为静止对照组、水平旋转对照组和失重实验组(用回转器模拟失重条件),在实验的12 h取细胞用流式细胞仪检测早期凋亡情况,同时检测bcf-2、NF-κB(p65)mRNA和P53的表达.结果显示,在模拟失重12 h时,MG-63细胞表现出一定的早期凋亡趋势,且bcl-2、NF-κB(p65)的表达明显降低,P53表达增加,提示失重可能通过影响这几种凋亡相关因子的表达,启动成骨细胞凋亡,从而破坏骨形成和骨吸收之间的平衡.成骨细胞凋亡的启动可能是航天员骨丢失的原因之一.     

颅内压动力学仿真

颅内压(Intracranial Pressure,ICP)研究在临床上有十分重要的意义。生理上由于内外多种原因会引起颅内压变化,而同时心搏、呼吸、以及神经调节等的影响也会使颅内压出现波动。本研究在动物(犬)实验结果的基础上,建立了反映颅内压变化的集中参数数学模型。模型中包括了脑血管床、脑脊液的生成和吸收、颅脑顺应性等模块以及这些模块之间的相互作用。脑血管顺应性是表征脑血管弹性程度的重要参量,仿真采用指数拟合的脑血管容积压力实验关系来表示脑血管顺应性。模型较好地模拟了颅内压动力学以及颅内压的波动,模型参数的变化和动物实验状况的变化相吻合,可以为临床颅内压监护及诊疗提供一定的参考。     

结合模拟失重,改进大学生理学骨骼肌收缩实验

骨骼肌收缩实验作为大学生理学课程中一个传统的教学实验,在国内各高校的生理学教学中多有开设。本教研室一直致力于模拟失重致骨骼肌废用性萎缩方面的研究,结合科研课题对该教学实验进行了改进:以模拟失重小鼠作为实验动物,代替原用的蛙或蟾蜍;在保留原有实验内容的基础上,加入正常小鼠与模拟失重小鼠骨骼肌收缩能力的测定等新内容。通过在教学中的实际应用,发现改进后的实验不但能够完成传统的实验内容,还可通过模拟失重小鼠与正常小鼠收缩能力的测定和对比,体现模拟失重对骨骼肌收缩功能的影响,进而加深学生对骨骼肌收缩过程的理解,提高学生对失重影响人体生理功能的认识。改进后的骨骼肌收缩实验丰富了传统实验的内容,拓宽了该实验的理论和应用,有助于激发学生对生理学的学习兴趣,明显提升教学效果。     

肌管细化是失重性肌萎缩结构和功能变化的基础

本文通过新生大鼠原代培养获取骨骼肌肌管,利用水平回转器模拟失重效应,通过F-actin/G-actin以及F-actin/pERK免疫细胞化学染色,观察研究了模拟失重对肌管形态、微丝及磷酸化ERK表达的影响。通过建立的航天飞行失重性肌萎缩的细胞学模型研究发现:回转后肌管变细,F-actin染色减弱伴有G-actin染色增强,同时pERK染色减弱。表明回转模拟失重条件下肌管发生萎缩、微丝解聚并伴随信号转导活性分子磷酸化ERK表达下降。提示肌管细化是失重性肌萎缩结构和功能变化的结构基础     

微重力环境对大鼠血浆蛋白质谱的影响

目的:探讨模拟失重环境下大鼠血浆蛋白质组变化特征.方法:健康成年雄性 Wistar 大鼠88只,按模拟失重时相随机分为11组,分别为6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、5 d、1周、2周、3周、4周及0 h 组(对照组).采用尾悬吊法建立模拟失重动物模型,实验结束时取动物静脉血,利用表面增强激光解吸电离飞行时间质谱(SELDI-TOF-MS)技术及 MB-WCX 磁珠检测大鼠静脉血浆蛋白质谱,应用 Ciphergen Protein Chip Software 3.2.0和 Biomarker Wizard 3.1.0软件分析数据.结果:发现18个重力敏感蛋白,其中在模拟失重早期,相对分子质量较小的6个蛋白的表达呈上调趋势,而相对分子质量较大的12个蛋白的表达则逐渐下调;在模拟失重后期(悬尾2~3周后),上述蛋白的表达均呈回归趋势.结论:模拟失重环境对大鼠静脉血浆蛋白质谱产生明显影响,研究重力敏感蛋白对进一步揭示失重对机体的影响及机制具有重要意义,并对医监医保可能有一定的价值.     

失重/模拟失重对内皮细胞的影响实验研究进展

血管内皮作为血管壁的衬里,参与调节组织器官的局部血流和机体其它生理进程,在维持血管完整性和内环境稳定中发挥关键作用。内皮细胞对包括重力在内的机械应力刺激极为敏感,重力变化可对其形态和功能构成不同程度的影响。研究发现,失重/模拟失重通过诱导内皮细胞细胞骨架重塑、质膜caveolae重布,使其合成分泌血管活性物质、炎性介质的能力以及细胞表面粘附分子表达发生改变,这些分子变化又对内皮细胞的生长、增殖、凋亡、迁移和血管生成等具有精细调控作用。本文综合评述了失重/模拟失重对内皮细胞功能的影响,同时围绕文献报道中一些尚存争议的观点进行了适当讨论。     

光合作用—蒸腾作用—气孔导度的耦合模型及C3植物叶片对环境因子的生理 …

以叶片的气体传输过程为基础,将蒸腾作用包括在以往光合作用－气孔导度的耦合模型中,建立了光合作用－蒸腾作用－气孔导度的耦合模型。该模型可以模拟边界层导度对生理过程的影响。模拟了Ｃ３植物叶片对环境因子,如光照、温度、湿度、边界层导度和ＣＯ２浓度等的生理响应（光合作用、蒸腾作用、气孔导度）以及Ｃｉ和水分利用效率的变化。在环境因子变化于较大范围的情况下,模拟结果符合许多实验结论。     

光合作用-蒸腾作用-气孔导度的耦合模型及C_3植物叶片对环境因子的生理响应(英文)

以叶片的气体传输过程为基础,将蒸腾作用包括在以往光合作用气孔导度的耦合模型中,建立了光合作用蒸腾作用气孔导度的耦合模型。该模型可以模拟边界层导度对生理过程的影响。模拟了Ｃ３植物叶片对环境因子,如光照、温度、湿度、边界层导度和ＣＯ２浓度等的生理响应（光合作用、蒸腾作用、气孔导度）以及Ｃｉ和水分利用效率的变化。在环境因子变化于较大范围的情况下,模拟结果符合许多实验结论。     

模拟失重对大肠杆菌K12基因表达及表型的影响

【目的】通过低剪切力模拟失重(Low-shear modeled microgravity,LSMMG)连续传代培养大肠杆菌,检测大肠杆菌在模拟失重条件下的表型变化及基因改变。【方法】利用旋转细胞培养系统模拟失重环境对大肠杆菌K12进行连续传代培养,对菌株进行增殖速率、耐酸性和生物膜形成的测定,以此评估LSMMG对大肠杆菌K12表型的影响。利用转录组测序检测模拟失重条件下差异表达的基因,与表型作比对。【结果】模拟失重导致大肠杆菌增殖速率降低,耐酸性下降,生物膜形成能力增强;模拟失重条件下,营养代谢相关差异表达基因有25个,其中20个表达下降,2个与耐酸相关基因表达均下降。【结论】模拟失重会引起大肠杆菌表型及相应的基因变化,其中生物膜形成能力的增强可能对航天飞行造成潜在威胁。     

解除模拟失重后清醒大鼠血压信号的谱分析

本文旨在观察模拟失重28 d大鼠解除尾部悬吊前、后(2 h内),清醒自由活动状态下动脉收缩压(systolic bloodpressure,SBP)、舒张压(diastolic blood pressure,DBP)和心率(heart rate,HR)的变化.采用自回归模型法对不同时间点的收缩压变异性(SBP variability,SBPV)和心率变异性(HR variability,HRV)进行自谱与互谱分析,并比较自回归法与周期图法的自谱分析结果:由传递函数分析得到反映压力感受器-心率反射敏感性(baroreceptor-heart rate reflex sensitivity,BRS)变化的有关数据.结果显示,用自回归模型法对清醒大鼠血压信号进行短时程谱分析可得到较为平滑、谱峰清楚的谱估计曲线.28 d模拟失重大鼠解除尾部悬吊前、后,SBP、DBP和HR及其主要谱指标,以及高、低频段传递函数的平均增益均无显著性变化,不同时间点的谱指标也无显著差别;但模拟失重组的SBP、DBP和HR却显著高于对照组.上述结果提示,中期模拟失重大鼠恢复正常体位后,其清醒状态的BPV与HR均处于升高状态,但其短时程BPV与HRV谱及BRS均无显著变化,与最近报道的航天员HRV与BRS无显著改变一致.     

模拟失重对白假丝酵母菌增殖和毒性的影响

【背景】近年来研究发现,失重条件可对一些致病微生物的增殖和毒性产生影响,白假丝酵母菌(Candida albicans)是典型的条件性致病真菌,在太空环境和人体中普遍存在,研究失重条件下白假丝酵母菌的增殖和毒性意义重大。【目的】利用旋转细胞培养系统(Rotary cell culture system,RCCS)模拟失重环境对白假丝酵母菌进行连续传代培养,检测模拟失重环境对白假丝酵母菌增殖情况、毒性以及基因表达的变化。【方法】将白假丝酵母菌接种在旋转生物反应器(High aspect rotating vessel,HARV)中,利用旋转细胞培养系统连续传代培养14 d,然后对菌株进行增殖速率测定、不同pH条件下增殖能力测定、生物膜相对形成能力测定和细胞毒性和动物毒力测定;利用转录组测序技术找出差异表达基因,结合性状分析模拟失重可能对白假丝酵母菌增殖和毒力的影响。【结果】与对照组相比,模拟失重组白假丝酵母菌对数期提前,增殖速率加快,在适宜pH条件下的增殖能力普遍提高,但其生物膜形成能力相对减弱,对LoVo细胞和小鼠的毒性减弱;转录组测序发现,模拟失重组共有280个基因表达差异达1.5倍以上(P0.05),其中248个上调、32个下调。差异基因经基因功能注释(Gene ontology,GO)和京都基因及基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析发现,相关胞膜形成及细胞分裂基因表达上调,生物膜形成、细胞黏附及共生粘连宿主基因表达下调。【结论】模拟失重环境可引起白假丝酵母菌增殖和毒性水平发生变化,相关改变可为研究失重环境对微生物的影响提供参考。     

实验动物替代研究进展

随着科学的进步与实验动物伦理管理的完善,动物实验的减少(reduction)、替代(replacement)和优化(refinement)的3R原则日益被研究人员接受。实验动物替代的方法主要是用低等动物代替高等动物和用组织细胞或用计算机模拟等新方法代替实验动物。生物材料、基因编辑和微型生理系统等新技术,推动了脏器芯片(organ-on-a-chip)和微器官培养(organoid cultures)等3D培养技术在实验动物替代中的应用。与传统方法相比,这些技术不仅可以用于毒理评价,还可以用于建立疾病模型来研究疾病发病过程,在阐明非遗传性疾病和复杂性疾病的发病机制方面具有优势,可以大幅减少实验动物的使用量,具有很好的应用前景。现对实验动物替代发展及其部分进展进行介绍。     

一种磁液悬浮心室辅助装置主动停工在体实验动物研究

目的磁液悬浮心室辅助装置(以下简称为血泵)主动停工在体实验动物研究,旨在观察停泵后血液的反流情况和血泵的血液相容性、生物相容性,以及实验动物生理状态,为后期实验以及临床应用积累可靠数据。方法选用健康绵羊1只,左侧开胸建立左心辅助模型。正常运行6周后主动停泵,停服抗凝药物华法林。观察实验动物生理状态,记录血泵停工羊术前及1～12周血液、生化、凝血检查结果并进行研究。血泵停工后16周进行超声检查。结果左心辅助模型建立成功,血泵运行期间工况良好,实验羊在血泵停工前后6周精神状态良好、活动自如、进食良好、尿便正常。血泵停工后16周的超声显示人工血管未堵塞,有反向血流。结论此血泵停工,对血液相容性、对实验羊生理状态和脏器功能未见明显影响,人工血管通畅且未见血栓,对左心功能无明显影响。为后期临床应用过程中出现意外停泵的处理提供一定参考依据。此血泵血液相容性好。后续将进行左心辅助低剂量抗凝治疗及多组停工实验进行不断完善。     

模拟失重及高+Gx对猕猴心肌超微结构、血浆内皮素-1及C-反应蛋白的影响

目的:探讨30天模拟失重后高+Gx过载对猴猴心肌超微结构、血浆内皮素-1及C反应蛋白的影响,来研究模拟失重超重对心血管的影响,本实验为研究抗荷服和飞船轨道运行段应急返回超重医学提供实验数据.方法:15只雄性猕猴随机分为5组,即模拟失重组(对照组,A),+13 Gx/230 s组(B),模拟失重超重组+11 Gx/270 s(C),模拟失重超重组+13 Gx/230 s(D)和模拟失重超重组+15 Gx/200 s(E).动物放血处死,抽取血液测定血浆内皮素-1及C反应蛋白的含量,组织取材后经戊二醛固定,制成电镜标本,观察猴心肌超微结构的变化.结果:C组、D组和E组血浆内皮素-1及C反应蛋白含量较A组升高,有统计学意义(P＜0.05),C、D、E组之间无统计学意义(P＞0.05).D组血浆内皮素-1及C反应蛋白含量较B组升高,有统计学意义(P＜0.05).电镜下A组可见线粒体双层膜结构清晰,线粒体嵴清晰;B、C、D组部分线粒体出现双层膜结构消失,嵴数量减少;E组线粒体出现水肿、空泡样变,肌节断裂.结论:(1)失重后超重+13 Gx可引起心肌轻微损伤,失重后超重+15 Gx心肌损伤严重,且损伤程度随着+Gx值的增加而加重.(2)失重后超重比单纯超重心肌损伤严重.(3)本实验为超重耐力研究和提出科学合理的飞船轨道运行段应急返回超重医学提供实验支持.     

空间环境下肠道菌群失调的研究进展

空间环境中的特殊因素会导致航天员肠道菌群及其代谢产物的失调，对机体会产生系统性的生理影响。本文综述了近年来太空飞行/模拟空间环境对肠道菌群及其代谢产物影响的研究进展。太空飞行/模拟空间环境（space flight/simulated space environment，SF/SPE）可导致侵袭性致病菌的增多及有益菌的减少，肠道炎症加剧与通透性增加，也会引起菌群的有益代谢物减少或有害代谢物增加，进而导致机体内代谢的紊乱，或可诱发其他系统的损伤，从而不利于航天员的健康与工作效率。总结太空飞行/模拟空间环境对肠道菌群产生的影响，可为该领域的后续研究与航天员的在轨健康防护提供科学依据。     

失重/模拟失重条件下心肌萎缩的发生机制

心肌能够应对内外环境改变而发生重塑。失重/模拟失重等去负荷条件可导致心肌萎缩、心脏功能下降。从系统和细胞分子层面揭示失重/模拟失重造成心肌萎缩的机制对于航天飞行后心血管功能紊乱的对抗研究至关重要。失重/模拟失重导致机体血流动力负荷下降、代谢需求降低和神经内分泌变化;同时导致包括钙相关信号、NF-κB通路、ERK通路、泛素-蛋白酶体途径以及自噬等通路的改变,上述变化在心肌萎缩的发生发展过程中发挥着关键调控作用。本文从系统和细胞分子层面对失重/模拟失重引起心肌萎缩的发生机制进行综述。