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

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

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.

Trebuie remarcat faptul că misiunea STS-131 purta inițial unsprezece șoareci C57BL/C adulți, femele, de tip sălbatic. Cu toate acestea, doar șapte au fost incluse în studiul actual. Trei dintre cei unsprezece șoareci au fost eutanasiați la o zi după aterizare, în loc de patru ore. Același număr de zile a fost valabil și pentru trei dintre cei unsprezece șoareci de control la sol, pe care i-am exclus. În plus, o calvaria din grupul de zboruri spațiale a suferit fracturi osoase multiple din cauza manipulării și depozitării necorespunzătoare și a fost considerată nepotrivită pentru analiză.

Evaluarea micro-computerizată a tomografiei șoarecilor Calvariae

Probele au fost decongelate și fotografiate pe un scaner de tomografie micro-computerizată, Skyscan 1076 (Kontich, Belgia). Calvariae au fost înfășurate în hârtie de țesut umezită cu soluție salină tamponată cu fosfat (PBS) și scanate la dimensiunea voxelului de 9 μm, aplicând un potențial electric de 50 kVp și curent de 200 uA și folosind un filtru de aluminiu de 0,5 mm. Densitatea minerală tisulară (TMD) a fost determinată prin calibrarea imaginilor împotriva tijelor de hidroxiapatită (HA) cu diametrul de 2 mm (250 și 750 mg/cm 3) cu un algoritm de corecție a întăririi fasciculului aplicat în timpul reconstrucției imaginii.

cincisprezece

Scanare MicroCT a unei calvarii murine din grupul de zboruri spațiale prezentate în diferite puncte de vedere. Panoul A: Calvaria cu volum de interes (VOI), care este volumul dreptunghiular plasat pe oasele parietale pentru a determina creșterea calvaria. Oasele parietale sunt situate în centrul calvariei murine, flancate de o pereche de oase frontale rostral și un os interparietal singular caudal. Panouri B - E: felii transaxiale separate de 0,3 mm de la bază până la vârful calvarei. Panoul E captează sutura sagitală între cele două oase parietale. Panoul F: Vedere sagittală a calvarei. Panoul G: Vedere coronală a calvariei cu volumul de interes. Rețineți sutura sagitală de la îmbinarea oaselor parietale. Panoul H: Volumul de interes este izolat și rotit cu 30 °.

Analize statistice

Toate calculele au fost efectuate cu SPSS. Efectul zborului spațial în raport cu controlul la sol a fost evaluat prin teste t cu două cozi nepereche pentru parametrii schimbării greutății, BV/TV, Cs.Th și, respectiv, TMD. Semnificația a fost stabilită la p Fig. 4A). În mod corespunzător, Cs.Th a arătat o tendință de creștere (p = 0,12) de la o medie de 0,099 ± 0,006 mm în grupul de control la sol la 0,104 ± 0,005 mm în grupul de zbor spațial (Fig. 4B). Nu a existat niciun efect aparent asupra TMD (p = 0,31), cu o medie de 0,878 ± 0,029g/cc în grupul de control la sol și 0,889 ± 0,028g/cc în grupul de zbor spațial (Fig. 4C).

Comparația grupurilor de control la sol și zboruri spațiale pentru volumul osos, grosimea secțiunii transversale și densitatea minerală tisulară. Datele sunt medii ± SD; n = 7 în Spaceflight, 8 în grupurile Ground Control. Remodelarea osoasă indusă de microgravitație a fost reflectată de creșterea tuturor celor trei parametri pe care i-am folosit pentru a defini creșterea calvaria. În comparație cu colegii lor de control la sol, șoarecii din misiunea navetă au prezentat o diferență relativă de + 8,7% în fracțiunea de volum osos calvaria, + 5,1% în grosimea secțiunii transversale și + 1,8% în densitatea minerală tisulară. Deși doar fracțiunea volumului osos a atins semnificația, credem că o misiune de durată mai lungă și/sau un număr mai mare de probe va reprezenta mai bine impactul microgravitației asupra osului descărcat (vezi discuția).

Dintre cei trei parametri utilizați pentru determinarea creșterii osoase, calvaria BV/TV din grupul de zbor spațial a prezentat o creștere semnificativă statistic de 8,7% (10,48/9,64 - 1) față de grupul de control la sol. Cs.Th a indicat o tendință de creștere la 5,1% (0,104/0,099 - 1). Creșterea TMD între cele două grupuri a fost mult mai mică, la 1,8% (0,893/0,878 - 1). Comparația dintre grupuri arată că, pe lângă grosimea medie crescută a calvariei în microgravitație, a existat și o oarecare expansiune osoasă în sinusuri în interiorul oaselor parietale (Fig. 2).

Calvaria din grupul de zbor spațial (panoul B) a arătat creșterea grosimii secțiunii transversale comparativ cu calvaria din grupul de control la sol (panoul A). De asemenea, osul s-a extins în cavitatea osului parietal adiacent suturii.

În ciuda reducerii mai agresive a greutății experimentate de grupul de zboruri spațiale (10,76%) în comparație cu colegii lor de control la sol (5,77%), calvarele din grupul de zboruri spațiale au demonstrat expansiunea volumului, ceea ce contrazice schimbările observate în greutățile corporale dintre cele două grupuri.

Discuţie

Datele noastre susțin ipoteza că microgravitatea determină creșterea adaptativă a osului craniului murin, reflectată de modificări ale volumului osos și, eventual, ale densității minerale osoase. Creșterea volumului osos a atins semnificație la șoarecii expuși la microgravitație, în timp ce modificarea grosimii secțiunii transversale nu a făcut-o, posibil datorită expansiunii osoase în cavitățile craniului și sutura sagitală. Cu toate acestea, această tendință a grosimii secțiunii transversale poate fi întărită printr-o perioadă mai lungă de microgravitate. Densitatea minerală a țesuturilor nu a variat între cele două grupuri, dar studiile anterioare ale oaselor purtătoare de greutate [19] indică faptul că modificările acestui parametru sunt în general observate cu o durată mult mai lungă a zborului spațial.

Din studiile anterioare de descărcare a membrelor posterioare, atribuim ipotetic remodelarea osoasă la care am fost martori, schimbarea direcției de fluid interstițial (ISF) care însoțește microgravitatea în absența gravitației în spațiu. Hillsley și Frangos fac ipoteza că în microgravitație, descărcarea și scăderea fluxului vascular și ISF către oasele purtătoare de greutate promovează degenerarea, în timp ce aceleași forțe fluide se redistribuie la cap pentru a incita creșterea [20]. Descărcarea membrelor posterioare a șobolanilor, o altă tehnică bazată pe sol pentru a simula microgravitatea, determină scăderea perfuziei extremităților distale murine și o creștere corespunzătoare rostrală a presiunii fluidelor [21, 22, 23]. Prin creșterea artificială a presiunii fluidelor intramedulare la femururile șobolanilor descărcați la nivelul membrelor posterioare și observând creșterile ulterioare ale conținutului mineral osos și dimensiunea femurului, Bergula și colegii săi stabilesc capacitatea fluxului ISF de a modifica remodelarea osoasă independent de încărcarea scheletului [24 ]. Același principiu poate fi folosit pentru a explica remodelarea calvarilor în spațiu.

În mod normal, oasele purtătoare de greutate, cum ar fi coloana lombară, scad densitatea minerală în zborul spațial sau microgravitația simulată, în timp ce oasele care nu suportă greutate, cum ar fi craniul, prezintă o DMO crescută [25]. Majoritatea studiilor care au fost efectuate pentru a determina consecințele fiziologice ale microgravitației discută modificările specifice oaselor care în mod normal suportă greutate. Un studiu care analizează efectele misiunilor de zbor spațial de lungă durată (lungimea medie de 176 ± 45 de zile) arată reduceri substanțiale ale densității minerale osoase în mai multe oase purtătoare de greutate, inclusiv coloana vertebrală lombară și piciorul, rezultând o scădere totală a DMO a corpului de 0,35%/lună [19]. Mecanismul propus pentru aceasta este o decuplare a remodelării osoase normale cu creșterea resorbției osoase fără formarea osoasă compensatorie [26]. Este posibil ca rămânerea în microgravitație pentru o durată mai lungă să conducă la modificări mai semnificative ale craniului.

Analiza calvarilor șoarecilor de zbor spațial permite compararea cu studii similare care utilizează condiții de microgravitație simulate. După 17 săptămâni de repaus orizontal în pat, mai multe oase purtătoare de greutate, inclusiv coloana lombară și calcaneul suferă pierderi minerale cuprinse între 2,2 și 10,4%, în timp ce o creștere de 3,4% este observată la nivelul craniului, constatare susținută de datele noastre [27] . În același studiu, Arnaud și asociații au implementat un alt model de simulare a zborului cu descărcarea membrelor posterioare prin suspensia cozii pentru a induce o deplasare a fluidului cefalic. După 3 săptămâni de descărcare, au stabilit că conținutul de minerale osoase este mai mare la nivelul craniului și mai mic la nivelul membrelor posterioare. Coerența rezultatelor noastre cu aceste studii este în concordanță cu capacitatea de repaus la pat și suspensia membrelor posterioare la simularea efectelor microgravitației asupra oaselor descărcate.

Creșterile măsurătorilor osoase după expunerea la microgravitație sunt probabil cauzate de deplasările de lichid cap, care au ca rezultat un sindrom similar cu hipertensiunea intracraniană idiopatică, după cum sa discutat anterior [28]. Mader și cercetătorii discută, de asemenea, rolul schimbărilor lichidului cefalic în provocarea distensiei venei jugulare, ducând la o reducere a gradientului de presiune între lichidul cefalorahidian și fluxul sanguin venos. Gradientul mai mic nu permite drenarea suficientă a lichidului cefalorahidian, ducând la o creștere a presiunii intracraniene.

Studiul nostru oferă o perspectivă inițială asupra efectelor microgravitației asupra oaselor neportante. Studiile viitoare în acest domeniu vor include o durată mai mare de zbor de 30 de zile pe satelitul rus Bion. Cu toate acestea, dacă este limitată de lipsa oportunităților de zbor spațial, descărcarea membrelor posterioare a șoarecilor și repaus la pat poate servi drept modele valide pentru simularea microgravitației. Adunând mai întâi dovezi cu privire la modificările scheletice asociate cu microgravitația, este posibil să se exploreze alte modificări fiziologice pentru a obține o mai bună înțelegere a mecanismelor care cauzează modificări scheletice în timpul și după zborul spațial la astronauți.

Concluzie

Cincisprezece zile de microgravitate la bordul misiunii STS-131 au indus modificări adaptative în calvaria murină fără greutate. Dintre cei trei parametri măsurați, a existat o creștere semnificativă statistic a volumului osos și o tendință de creștere a grosimii secțiunii transversale. Densitatea minerală a țesutului a rămas relativ neschimbată.