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。     

失重条件对小鼠NK细胞体外生物活性的影响

建立在失重环境下NK细胞的培养体系,探讨失重培养条件对NK细胞活性的影响。取C57BL/6小鼠脾,分离NK细胞,在正常重力和失重状态下旋转细胞两种培养体系中培养NK细胞48 h。以Yac-1细胞为靶细胞,采用MTT法检测其杀伤活性;半定量PCR分析穿孔素、颗粒酶的转录水平。与正常重力培养对照相比,失重培养的NK细胞杀伤活性显著降低,其穿孔素和颗粒酶B的转录水平均显著低于正常重力培养组,穿孔素/GAPDH结果为失重培养组0.625±0.042;正常重力培养组1.054±0.036(P<0.01);得到颗粒酶B/GAPDH结果为失重培养组0.700±0.042;正常重力培养组1.068±0.058(P<0.01)。成功建立了NK细胞体外培养体系,在失重环境下NK细胞杀伤活性降低。     

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     

模拟失重实验动物模型的建立与评价

随着航天技术不断发展，航天员太空飞行的时长不断增加。研究发现，航天失重环境可能会使航天员的生理和心理发生一定变化，对航天员的身体健康产生一些影响。为探究这些影响的机制并找出合理的对抗措施，使用实验动物建立模拟失重模型进行深入的研究至关重要，选择与人体组织器官、生理机能和习性相似的实验动物建立模拟失重模型，能更好地帮助相关研究。失重模型应参照能否模拟出由于失重引起心血管骨骼、肌肉等主要系统的变化，来评估模拟失重模型是否成功建立。本文对现有的地面模拟失重动物模型建立和相关研究情况进行了概述，以期为开展相关研究工作提供参考借鉴。     

模拟失重对大鼠腹主动脉L-Arg-NO-cGMP通路的影响

目的:观察尾部悬吊模拟失重对大鼠腹主动脉舒张反应性与一氧化氮合酶表达的影响。方法:体重300~330 g的20只雄性SD大鼠按体重配对随机分为对照组与模拟失重组,模拟失重大鼠采用尾部悬吊方法模拟失重。4周后,利用离体动脉血管环舒张实验与Western blot蛋白免疫印迹方法观察了腹主动脉舒张反应性和腹主动脉一氧化氮合酶eNOS(endothelial NOS)和iNOS(inducible NOS)的表达。结果:悬吊大鼠腹主动脉环对左旋精氨酸(L-Arg)与乙酰胆碱(Ach)的舒张反应显著低于对照,而对硝普钠(SNP)与环磷酸鸟苷(cGMP)的舒张反应在两组间无显著不同。其敏感性在两组间均无显著差别。腹主动脉的eNOS与iNOS表达在模拟失重组与对照组间亦未发现显著差别。结论:本工作提示尾部悬吊模拟失重下大鼠腹主动脉舒张反应的减弱可能是动脉血管内皮功能改变的结果,尤其是NOS活性的变化可能更为重要。     

模拟失重环境对大肠杆菌K12表型异质性亚群菌株的影响

【背景】我国未来几年深空探索任务将呈"井喷式"发展,微生物对于航天活动的影响越来越引起关注,而国内外少有表型异质性亚群的研究。【目的】从表型异质性的角度探讨低剪切力模拟失重环境(Low-shearmodeledmicrogravity,LSMMG)和低剪切力正常重力环境(Low-shearnormalgravity,LSNG)对大肠杆菌K12造成的影响。【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,从单克隆形态、颜色以及菌体形态等方面挑选出表型异质性的亚群菌株,对不同菌株进行增殖速率、抗生素耐药性、生物被膜形成、环境压力抵抗力以及细胞毒性的测定,以此评估低剪切力和模拟失重环境对大肠杆菌K12的影响。【结果】利用旋转细胞培养系统连续传代培养,总共分离出4株形态不同的表型异质性亚群菌株,其中2株来自模拟失重组(M1,Ma),另外2株来自正常重力对照组(N1,Na);4株亚群与原始菌株(P)相比,在增殖速率、生物被膜形成、环境压力抵抗力和细胞毒性方面均有增强或减弱的明显变化,对于抗生素的耐药性无明显变化。【结论】低剪切力模拟失重环境以及存在低剪切力的正常重力环境均能引起大肠杆菌表型异质性变化,与原始菌株相比,表型异质性亚群菌株在分化上并没有统一的方向,但仍需警惕那些可能对人类造成危害的变化表型。     

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。     

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。     

慢性阻断血管紧张素Ⅱ1型受体不能完全防止模拟失重大鼠血管的适应性结构变化

我们以前的工作提示,在模拟失重所引起的血管区域特异性适应变化中,局部肾素．血管紧张素系统（local reninangiotensin system,L-RAS）可能发挥关键调控作用。本文以losartan慢性阻断血管紧张素Ⅱ1型受体（angiotensin Ⅱtypelreceptor,AT1R）,观察模拟失重是否仍能引起血管的这种适应性改变,并检测大血管管壁L-RAS主要成分的表达是否也发生相应变化。以尾部悬吊大鼠模型模拟失重的生理影响。制作基底动脉、胫前动脉、颈总动脉和腹主动脉的HE染色切片,在光学显微镜下进行形态观测：用免疫组织化学技米测量颈总动脉和腹主动脉壁的血管紧张素原（angiotensinogen,AGT）及AT-R的表达变化。结果表明：4周模拟失重引起大鼠基底动脉中膜和颈总动脉管壁各平滑肌肌层肥厚,而胫前动脉和腹主动脉则发生萎缩性改变;给予losartan4周引起上述4种血管皆发生萎缩性变化;阻断AT1R,模拟失重仍然能引起基底动脉、颈总动脉发生相对肥厚性改变和腹主动脉萎缩加重。4周模拟失重还引起颈总动脉壁中AGT和AT1R表达上调,而腹主动脉壁及血管周围组织中AGT和AT1R表达下调;给予losartan4周仅引起腹主动脉壁中AGT和AT1R表达减少;阻断AT1R,模拟失重使腹主动脉壁AT1R表达进一步减少。结果提示,4周模拟失重引起大鼠脑、颈部与后身大、中动脉血管的形态结构改变和L-RAS主要成分表达发生上调或下调,血管L-RAS在其中可能发挥关键性调控作用;但在慢性阻断AT1R的条件下,其它调控机制仍可能在脑血管适应性调节中发挥一定作用。     

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。     

Proteomic Analysis of Mouse Hypothalamus under Simulated Microgravity

Exposure to altered microgravity during space travel induces changes in the brain and these are reflected in many of the physical behavior seen in the astronauts. The vulnerability of the brain to microgravity stress has been reviewed and reported. Identifying microgravity-induced changes in the brain proteome may aid in understanding the impact of the microgravity environment on brain function. In our previous study we have reported changes in specific proteins under simulated microgravity in the hippocampus using proteomics approach. In the present study the profiling of the hypothalamus region in the brain was studied as a step towards exploring the effect of microgravity in this region of the brain. Hypothalamus is the critical region in the brain that strictly controls the pituitary gland that in turn is responsible for the secretion of important hormones. Here we report a 2-dimensional gel electrophoretic analysis of the mouse hypothalamus in response to simulated microgravity. Lowered glutathione and differences in abundance expression of seven proteins were detected in the hypothalamus of mice exposed to microgravity. These changes included decreased superoxide dismutase-2 (SOD-2) and increased malate dehydrogenase and peroxiredoxin-6, reflecting reduction of the antioxidant system in the hypothalamus. Taken together the results reported here indicate that oxidative imbalance occurred in the hypothalamus in response to simulated microgravity.     

失重状态下肌萎缩研究进展

失重条件下人和动物生理状态会发生一系列的变化,其中骨骼肌萎缩和力量下降较为显著,目前其发生的机制仍不明确且缺少特效的干预措施。本文从肌肉湿重及肌纤维横截面积的变化、肌纤维类型的变化、肌纤维超微结构的变化、肌梭的适应性变化四个方面进行简要阐述,探讨肌肉萎缩的可能发生机制。     

微重力及模拟微重力对植物生长的影响

重力对地球上生物的生长、发育、代谢及繁殖等具有重要影响.植物细胞的重力敏感性已被众多研究所证明,在空间微重力环境或地面模拟微重力环境下,植物表现特殊的微重力反应.微重力或模拟微重力会对植物体生长产生一系列的影响.综述微重力及模拟微重力对植物生长的影响,并对近期这一领域的研究进行了概括.     

Simulated microgravity promoted differentiation of bipotential murine oval liver stem cells by modulating BMP4/Notch1 signaling

Faster growth and differentiation of liver stem cells to hepatocyte is one of the key factors during liver regeneration. In recent years, simulated microgravity, a physical force has shown to differentially regulate the differentiation and proliferation of stem cells. In the present work, we studied the effect of simulated microgravity on differentiation and proliferation of liver stem cells. The cells were subjected to microgravity, which was simulated using indigenously fabricated 3D clinostat. Proliferation, apoptosis, immunofluorescence assays and Western blot analysis were carried out to study the effects of simulated microgravity on liver stem cells. Microgravity treatment for 2 h enhanced proliferation of stem cells by twofold without inducing apoptosis and compromising cell viability. Analysis of hepatocyte nuclear factor 4‐α (HNF4‐α) expression after 2 h of microgravity treatment revealed that microgravity alone can induce the differentiation of stem cells within 2–3 days. Probing bone morphogenic protein 4 (BMP4) and Notch1 in microgravity treated stem cells elaborated downregulation of Notch1 and upregulation of BMP4 after 2 days of incubation. Further, blocking BMP4 using dorsomorphin and chordin conditioned media from chordin plasmid transfected cells attenuated microgravity mediated differentiation of liver stem cells. In conclusion, microgravity interplays with BMP4/Notch1 signaling in stem cells thus inducing differentiation of stem cells to hepatocytes. Present findings can be implicated in clinical studies where microgravity activated stem cells can regenerate the liver efficiently after liver injury. J. Cell. Biochem. 112: 1898–1908, 2011. © 2011 Wiley‐Liss, Inc.     

水平回转对马铃薯细胞超微结构的影响

本文报道了水平回转即模拟微重力条件下马铃薯植株的生长及叶片细胞超微结构的变化,如:植株长高,叶片细胞出现了壁质分离现象,部分细胞壁扭曲、收缩变形,部分叶绿体片层结构出现了弯曲、排列疏松、内含物溢出,部分线粒体出现了边缘模糊及嵴消失,同时有细胞内淀粉粒明显增多的现象发生。在脱离水平回转即模拟微重力处理一周后,电镜观察发现变异的超微结构出现不同程度的恢复。     

Simulated microgravity promotes nitric oxide-supported angiogenesis via the iNOS-cGMP-PKG pathway in macrovascular endothelial cells

Angiogenesis is a physiological process involving the growth of blood vessel in response to specific stimuli. The present study shows that limited microgravity treatments induce angiogenesis by activating macrovascular endothelial cells. Inhibition of nitric oxide production using pharmacological inhibitors and inducible nitric oxide synthase (iNOS) small interfering ribo nucleic acid (siRNA) abrogated microgravity induced nitric oxide production in macrovascular cells. The study further delineates that iNOS acts as a molecular switch for the heterogeneous effects of microgravity on macrovascular, endocardial and microvascular endothelial cells. Further dissection of nitric oxide downstream signaling confirms that simulated microgravity induces angiogenesis via the cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-PKG dependent pathway.     

模拟微重力诱导PC12细胞衰老的初步探讨

目的：构建模拟微重力条件下PC12细胞的培养体系,探讨模拟微重力对PC12细胞衰老的影响。方法：用Cytodex-3型微载体作为PC12细胞的贴附载体,旋转细胞培养系统所提供10-2g的微重力环境进行模拟微重力条件下的细胞培养。在倒置显微镜下观察PC12细胞的生长情况;用扫描电镜观察PC12细胞超微结构的变化;衰老相关β半乳糖苷酶（SA-β-gal）特异性染色对衰老的PC12细胞进行评估。结果：光镜下模拟微重力培养的PC12细胞表现出类衰老细胞的形态,扫描电子显微镜下观察发现其微绒毛增多。SA-β-gal染色的结果显示在模拟微重力的作用下,PC12细胞SA-β-gal的活性升高。结论：模拟微重力可以引起PC12细胞衰老样的形态变化,以及SA-β-gal的活性升高。