（化学专业论文）基于nmr的代谢组学方法分析模拟空间辐射及微重力对大鼠脑和免疫组织的影响.pdf

ffii y 1 芗毯嘈。d 芍。 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：至缝盈 日期：鲨! ! ：! ：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：鳓 日期： 加f r ，雌 导师签名：聱芸厶近塾一日期：一主望! ：塞兰 学位论文数据集 中图分类号 q 5 9 1 1 学科分类号 l5 0 2 5 2 5 论文编号 1 0 0 l o l o l l1 0 0 5密级无 学位授予单位代码 l o o l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李艳丽学号2 0 0 8 0 0 1 0 0 5 获学位专业名称 化学获学位专业代码0 7 0 3 0 2 主管部f - - j ( 部委级) 课题来源研究方向核磁共振 项目 基于n m r 的代谢组学方法分析模拟空间辐射及微重力对大鼠脑和 论文题目 免疫组织的影响 关键词代谢组学；1 h n m r ；太空辐射：空间微重力；神经系统；免疫系统 论文答辩日期2 0 l1 0 5 1 7论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师胡高飞讲师北京化工大学核磁共振 评阅人1 杨屹 教授 北京化工大学 分析化学 分析化学 评阅人2肖盛元副教授北京理工大学 神经生物学 评阅人3 评阅人4 答辩委员会主席杨屹教授 北京化工大学分析化学 答辩委员1 吕超 教授 北京化工大学 分析化学 答辩委员2 杜振霞教授 北京化工大学分析化学 答辩委员3张丽娟副教授 北京化工大学分析化学 答辩委员4 杨俊佼 副教授 北京化工大学分析化学 答辩委员5 师慧敏博士 北京化工大学 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 基于n m r 的代谢组学方法分析模拟空间辐射及 微重力对大鼠脑和免疫组织的影响 摘要 太空辐射尤其是重离子辐射可造成d n a 的破坏、细胞死亡、以及一 些癌症的发生，而空间微重力等因素会导致机体心血管功能失调、神经系 统疾病、免疫功能下降等一系列生理反应，但其作用机制目前尚不清楚， 这些问题都是人类深空探索进程中急需克服的难题。本文通过重离子加速 器产生1 2 c 6 + 重离子束对大鼠头部进行一定剂量的辐射，模拟空间重离子 辐射对中枢神经系统( c n s ) 的生物学效应。采用基于1 hn m r 的代谢组学 方法对辐射大鼠大脑额叶皮质区进行了测定分析，结合数据的统计分析和 检验，发现了包括一些重要c n s 神经递质在内的代谢物含量发生明显变 化。这些代谢物主要为：牛磺酸、乳酸、谷氨酸、4 氨基丁酸、以及磷酸 胆碱等。结合差异蛋白质组结果分析，包括4 氨基丁酸、谷氨酸、乳酸、 牛磺酸等在内的代谢物参与的主要生物途径，如神经递质的合成途径，以 及神经递质受体介导的信号途径可能受重离子辐射的负面影响。这些发现 将为进一步阐明重离子辐射效应的分子机制提供有利信息，从而为从生物 学途径探寻有效重离子辐射防护措施提供依据。论文还通过代谢组学方法 研究微重力对免疫器官的影响，试图发现与微重力效应相关的关键代谢 物，为进一步分析代谢通路，探明微重力效应的分子机制奠定基础。采用 大鼠吊尾模型模拟微重力效应，并基于1 hn m r 和模式识别方法( p r ) 分析进行研究，发现在吊尾大鼠的脾脏极性提取物中与对照组相比乳酸、 磷酸乙醇胺、天冬氨酸、甘氨酸、抗坏血酸、牛磺酸等代谢物的相对含量 发生了较为明显的变化；而在吊尾大鼠胸腺的极性代谢提取物中牛磺酸、 o 磷酸胆碱、抗坏血酸、丙氨酸、乳酸、甘氨酸等几种代谢物的相对含量 北京化工大学硕士学位论文 发生了明显的变化。 关键词：1 hn m r ，代谢组学，1 2 c 6 + 重离子辐射，大鼠额叶皮质，神经递 质，微重力效应 f r o mh e a v yi o nr a d i a t i o n a l lt h e s ef i n d i n g sw i l lp r o v i d ef a v o r a b l ei n f o r m a t i o n t of u r t h e rc l a r i f yt h em o l e c u l a rm e c h a n i s mo fh e a v yi o nr a d i a t i o ne f f e c t s ，s oa s i l l 北京化工大学硕士学位论文 t op r o v i d ef o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n ge f f e c t i v ec o u n t e r m e a s u r e st oh e a v yi o n s r a d i a t i o nf r o mb i o l o g i c a lw a y s t h er a tt a i ls u s p e n s i o nm o d e lw a st a k e nt o s i m u l a t et h em i c r o g r a v i t ye f f e c to nt h ei m m u n es y s t e m t h ei m m u n eo r g a n s w e r ee x t r a c t e da n ds t u d i e db ym e t a b o n o m i c sa n a l y s i sb a s e do nn u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e ( n m r ) a n dp a t t e r nr e c o g n i t i o n ( p r ) t e c h n i q u e s f i n a l l y ， w ef o u n dt h a tt h em e t a b o l i t e sv a r i e do b v i o u s l yi nt ss p l e e na sc o m p a r e dt o t h ec o n t r o lg r o u pw e r el a c t a t e ，o p h o s p h o e t h a n o l a m i n e , a s p a r t a t e ，g l y c i n e ， a s c o r b a t e ，t a u r i n e t h em a r k e rm e t a b o l i t e si nt h y m u sw e r ea sf o l l o w ：l a c t a t e ， g l y c i n e ，a s c o r b a t e ，t a u r i n e ，o p h o s p h o c h o l i n e ，a l a n i n e k e yw o r d s ：1 hn m r , m e t a b o n o m i c s ，1 2 c 6 + h e a v yi o nr a d i a t i o n ，r a t f r o n t a lc o r t e x ，n e u r o t r a n s m i t t e r , m i c r o g r a v i t y 目录 目录 符号说明 第一章绪论 目录 i l 1 1 弓l 言1 1 2 空间环境对生物体的影响。1 1 2 1 微重力效应对生物体的影响2 1 2 2 空间辐射对生物体的影响3 1 3 地而模拟空间微重力环境模型与空间辐射环境模型。5 1 3 1 微重力模型s 1 3 1 1 动物吊尾s 1 3 1 2 旋转细胞培养器( r o t a t o r yc e l lc u l t u r es y s t e m ) 。6 1 3 1 3 人头低位卧床。6 1 3 2 空间辐射模型6 1 4 基于核磁共振的代谢组学研究7 1 4 1 代谢组学技术的研究现状7 1 4 2 核磁共振技术( n m r ) 在代谢组学研究中的应用8 1 4 3 模式识别技术简介9 1 4 3 1 模式识别技术1 0 1 4 1 3 2 主成分分析法1 1 1 4 3 3 偏最小二乘法1 2 1 4 3 4 数据处理相关软件简介1 2 1 5 基于核磁共振代谢组学研究中生物样品的制备。1 3 1 5 1 尿液1 3 1 s 2 血液。1 3 1 5 3 组织样品1 4 1 5 3 1 脑组织1 4 1 5 3 2 其他组织1 4 1 6 本课题的研究内容、目的和意义1 4 1 6 1 本课题的主要研究内容1 s 1 6 2 本课题的目的和意义1 6 第二章重离子辐射对大鼠脑组织影响的代谢组分析1 7 2 1 前言1 7 2 2 实验部分1 8 2 2 1 式剂1 8 2 2 2 仪器。1 9 2 2 3 实验动物1 9 2 2 41 2 c 6 + 重离子辐射1 9 2 2 5 人鼠脑组织取材及代谢物提取。1 9 北京化工大学硕士学位论文 2 2 61 hn m r 实验条件2 0 2 2 7 数据预处理及统计分析2 0 2 3 结果与讨论2 l 2 3 11 hn m r 谱分析2 1 2 3 2 数据统计分析2 3 2 3 3p c a 多子析2 4 2 3 4 结合差异蛋白质组分析结果的讨论。2 6 2 4 月、结2 8 第三章模拟微重力对大鼠免疫组织影响的代谢组分析2 9 3 1 前言2 9 3 2 实验部分3 0 3 2 1 式剂”3 0 3 2 2 仪器“3 1 3 2 3 数据处理与分析软件3 1 3 3 模拟微蕈力效应的大鼠吊尾模型3 1 3 4 样品处理3 2 3 4 1 组织取材3 2 3 4 2 代谢物提取3 2 3 5 h - n m r 实验3 3 3 6 结果与讨论3 3 3 6 1 脾脏”3 3 3 6 i - l 脾脏的1 hn m r 分析3 4 3 6 1 2 脾脏1 hn m r 谱图的p c a 分析3 9 3 6 2 胸腺”4 3 3 6 2 1 胸腺的1 hn m r 分析4 4 3 6 2 2 胸腺的1 hn m r 测定结果的p c a 分析4 6 3 7 偏最小二乘分析( p l s ) 4 9 3 8d 、结5 2 第四章结论与建议5 3 4 1 结论5 3 4 2 仓u 新点。s 3 4 3 建议s 4 参考文献 致谢” 研究成果及发表的学术论文 导师和作者简介 5 5 6 3 6 5 6 7 c o n t e n t s c o n t e n t s c o n t e n t s s y m b o le x p l a n a t i o n 川1 v l i c h a p t e rll i t e r a t u r er e v i e w 。1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2s p a c ee n v i r o n m e n te f f e c t so nt h eo r g a n i s m 1 1 2 1e f f e c t so f m i c r o g r a v i t yo no r g a n i s m s 2 1 2 2t h ee f f e c t so fs p a c er a d i a t i o no r g a n i s m s 3 1 3g r o u n ds i m u l a t i o nm o d e lo fm i c r o g r a v i t ya n ds p a c er a d i a t i o n 5 1 3 1t h em o d e lo f m i c r o g r a v i t y 5 1 3 1 1t _ h em o d e lo f t a i ls u s p e n s i o n 5 1 3 1 2r o t a t o r yc e i lc u l t u r es y s t e m 6 1 3 1 3t h em o d e lo f h e a dd o w nf o rh u m a n 6 1 3 2t h em o d e lo fs p a c er a d i a t i o n 6 1 4n 【r b a s e dm e t a b o i n o m i c s 7 1 4 1p r o g r e s si nm e t a b o l o m i c sr e s e a r c h 7 1 4 2t h ea p p l i c a t i o no fn m ri nm e t a b o n o m i c s 。8 1 4 3i n t r o d u c t i o no f p a t t e r nr e c o g n i t i o n 9 1 4 3 1p a t t e mr e c o g n i t i o n 1 i y ： 1 4 3 2p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) 1 l 1 4 3 3p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ( p l s ) 1 2 1 4 3 4i n t r o d u c t i o no f d a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e 1 2 1 5t h es a m p l ep r e p a r a t i o nm e t h o r d so fo r g a n i s m s i nn m r b a s e dm e t a b o n o m i c sr e s e a r c h 。1 3 1 5 1u r i n es a m p l e 1 3 1 5 2b l o o ds a m p l e 13 1 5 3t i s s u es a m p l e 1 4 1 5 3 1b r a i ns a m p l e 14 1 5 3 2o t h e r s a m p l e 14 1 6c o n t e n t s 。p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 1 4 1 6 1m a i nc o n t e n t s 1 5 1 6 2p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 1 6 i i i 北京化工大学硕士学位论文 c h a p t e r2e f f e c t so fh e a r yi o nr a d i a t i o no nr a t f r o n t a lc o r t e xs t u d i e db yn m r b a s e dm e t a b o n o m i c sd a t aa n a l y s i s o o o 0 0 0 1 7 2 1i n t r o d u c t i o n 1 7 2 2e x p e m e n t a l 1 8 2 2 1r e a g e n t s 1 8 2 2 2e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 1 9 2 2 3a n i m a l s 1 9 2 2 41 2 c 6 + h e a v yi o nr a d i a t i o n 1 9 2 2 5t h eh a r v e s to f r a tb r a i na n dm e t a b o l i t e se x t r a c t i o nm e t h o r d 1 9 2 2 61 hn m re x p e r i m e n t s 2 0 2 2 7d a t ap r e p r o c e s s i n ga n ds t a t i s t i c a la n a l y s i s 2 0 2 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 1 2 3 1a n a l y s i so f l hn m rs p e c t r u m 。2 1 2 3 2s t a t i s t i c a la n a l y s i s 2 3 2 3 3p c aa n a l y s i s 2 4 2 3 4t h ed i s c u s s i o nc o m b i n i n gd i f f e r e n t i a lp r o t e o m i ca n a l y s i s 2 6 2 4s u m m a r y 2 8 c h a p t e r3e f f e c t so fm i c r o g r a r i t yo nr a ti m m u n e t i s s u e ss t u d i e db yn m l 0 b a s e dm e t a b o n o m i c sd a t a 久n 必s i s 2 9 3 1i n t r o d u c t i o n 2 9 3 2e x p e i u m e n t a l 3 0 3 2 1r e a g e n t s 3 0 3 2 2e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 3 1 3 2 3d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i ss o f t w a r e 3 1 3 3m i c r o g r a v i t ym o d e l 3 1 3 4s a m p l et r e a t m e n t 3 2 3 4 1t h eh a r v e s to ft i s s u e 3 2 3 4 2m e t a b o l i t ee x t r a c t i o n 3 2 3 51 h n m re x p e r i m e n t a l 3 3 3 6r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 3 3 3 6 1t h er e s u l t so f s p l e e n 3 3 3 6 1 11 hn m ra n a l y s i so f t h es p l e e n 3 4 3 6 1 2p c aa n a l y s i so fs p l e e n 3 9 3 6 2t h y m u s 4 3 3 6 2 11 hn m ra n a l y s i so f t h et h y m u s 。4 4 3 6 2 2p c aa n a l y s i so f t h et h y m u s 4 6 3 7p l sa n a l y s i s 4 9 3 8r e s u l t s ”5 0 c h a p t e r4c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s 5 3 4 1c o n c l u s i o n s “5 3 4 2i n n o v a t i o n 5 3 4 3r e c o m m e n d a t i o n s 5 4 r e f e r e n c e s 。5 5 a c k n o w l e d g m e n t 。6 3 p u b l i s h e dr e s e a r c hp a p e r s 。”6 5 i n t r o d u c t i o no ft h eg u i d ea n d t h e a u t h o r v 6 7 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 符号注释 n m r 核磁共振 m _ a s 魔角旋转 p c a 主成分分析 p l s 偏最小二乘法 r c c s 旋转细胞培养器 1 d - n m r 一维核磁共振实验 t s p 2 ，2 ，3 ，3 三甲基甲硅烷基丙酸 g c r 银河宇宙射线 s p e 太阳粒子事件 c n s 中枢神经系统 a t p a m p 三磷酸腺苷一磷酸腺苷 粥j ，第一主成分 p c 2第二主成分 p c主成分 g a b a4 氨基丁酸 r 2 模型能够解释的总方差 万 化学位移 d 双重峰 t三重峰 g 四重峰 北京化工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 “开发太空资源，造福全人类”是人类航天事业的根本目标。随着我国空间技术 的发展以及神六、神七载人飞船的成功发射，人类探索太空也成为越来越热门的话题。 但是，对于长久以来居住在地球上的人们来说，对外太空的探索就必需要面对摆脱地 球环境的保护，接受太空环境的挑战这一问题。研究表明，空间环境对在很多方面对 宇航员都有十分大的影响，它不仅对生物体的细胞、染色体畸变、基凶表达等方面有 影响f i 】，更加对生物体内的各个系统有重要影响，如：心血管系统、血液系统、骨骼 肌肉系统、内分泌系统、免疫系统、神经系统等 2 - 6 】。 在太空飞行中，宇航员经常会出现神经系统功能障碍，电解质代谢紊乱，空间运 动病，心血管功能失调，骨钙丢失，肌肉萎缩，免疫功能下降、心理障碍等生理问题。 这些都严重威胁着宇航员的健康，也对航天任务的顺利完成产生了巨大的挑战。因此， 通过一些较为先进的方法研究空间环境对生物体的影响机制，对于进一步探寻有效的 空间防护措施具有十分重要的意义，同时也为航天生物医学研究提供了新的研究方法 和理论依据。 代谢组学方法是近些年来发展起来的后基因组学技术，它从根本上改变了从复杂 的生物体系中信息的输出，产生大量而复杂的数据，这些数据可以通过化学计量学和 生物信息学方法处理，来实现疾病的诊断和预测。其中，基于核磁共振的代谢组学方 法对于分析大量、复杂的内源性代谢产物的变化情况是一种十分有效的手段【7 1 。 1 2 空间环境对生物体的影响 空间环境一般是距离地表1 0 0k m 以外的太空环境，这种环境中包含着强辐射、 极端温度、强磁场、高真空等，对生物体有着很大的影响。其中，对生物体影响较大 的是空间辐射和微重力。当航天器绕地球旋转时，由于受到自旋和大气阻力等条件的 影响，航天器内部表现为类似微重力的环境【7 】。空问环境中含有很多高能粒子，对生 物体影响较大的主要有电离辐射和非电离辐射两种形式，其中电离辐起主要作用，非 电离辐射对生物体则几乎没有影响【l 7 1 。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 1 微重力效应对生物体的影响 在太空飞行中，宇航员因身体摆脱地球引力而处于失重状态( 一般太空飞行中， 飞船中的重力为地球重力的百万分之一) 。因此，宇航员在空问航行后会出现肌肉萎缩、 骨质丢失、心血管功能失调、代谢紊乱等现象【_ 7 1 。失重环境下肌肉萎缩的发生是由于 骨骼肌蛋白质代谢的紊乱，包括蛋白合成降低和蛋白降解增强所致【6 】。在失重条件下， 航天员每月的骨骼损失量约为总骨骼含量的1 2 1 9 , 9 1 。许多因素对骨骼肌蛋白质代谢 也有着重要的影响，如肌原纤维m r n a 的表达、热休克蛋白和泛素的改变等。大量 的研究资料表明：处于微重力环境下，初期会引起蛋白质的合成减缓，随着失重时间 的延长蛋白蛋的降解会增强，致使肌肉质量明显地减少。 表1 - 1 空间环境和模拟微重力导致的内分泌腺体功能改变f 1 0 l t a b l e1 - 1t h ec h a n g e si nt h ee n d o c r i n eg l a n df u n c t i o nc a u s e db ys p a c ee n v i r o n m e n ta n d s i m u l a t e dm i c r o g r a v i t y 注：竹：明显增加；t ：增加；上j ，：明显减低；j ，：减低；一：无明显变化 在空间条件下，生物体的心血管系统及神经系统等都会发生一些适应性的变化。 2 非电离辐射， 对生物体的影 航员对辐射的 吸收剂量。而且，由于重量的因素，更厚的保护屏蔽措施还存在问题。并且，航天器 中所用到的铝等材料，最多只能宇航员所搜到的辐射剂量降低不超过2 5 ，聚乙烯不 超过3 5 的辐射剂量。除了能够被屏蔽防护措施完全吸收的太阳质子事件之外，现在 的空间屏蔽防护措施还不能够成为对空间辐射问题的有效解决方法。 图1 - 1g c r 的基本致癌机理i i f i g 1 - 1t h eb a s i cm e c h a n i s mt oc a n c e ro fg c r 在太空中，偶尔发生的非常大的太阳高能粒子事件( s f e ) ，通常都与太阳的剧烈 活动有关，这些因素也都很可能与急性放射综合症有关联，如恶心，呕吐，出血，甚 至或有可能死亡。银河宇宙射线( g c r ) 虽然没有对宇航员造成严重的影响，但是存 在着不确定的导致致命癌症和患白内障的风险，并且g c r 对中枢神经系统有破坏作 用【i l l 。空间辐射能够导致生物体内部分细胞的死亡，尤其是免疫系统的细胞。模拟空 间飞行的动物模型还表明，辐射将对t 淋巴细胞的免疫功能产生重大影响，还可能导 3 北京化工大学硕士学位论文 致慢性病毒感染和恶性肿瘤【1 2 1 。在地球上的模拟太空环境的疾病研究显示，在大多数 器官中，暴露于中度到高剂量的电离辐射会增加患癌症的风险。有研究认为暴露在空 间辐射条件下，人体细胞癌变、受辐射诱发癌症的概率会增大1 0 0 0 0 倍【13 1 。 表1 - 2 辐射的危害 t a b l e1 - 2r a d i a t i o nr i s k s r i s k ( p r o b a h i l i t yd i s t r i b u t i o no f p o t e n t i a lo u t c o m e s o b s e r v i n ge f f e c t ) c a r c i n o g e n e s i s l e u k e m i a s s o l i dc a n c e r s a g e g e n d e rd i f f e r e n c e s d e g e n e r a t i v et i s s u e e f f e c t s h e a r td i s e a s e c 剐吻_ r a c t s r e s p i r a t o r yd i s e a s e d i g e s t i v ed i s e a s e s d a m a g et ot h ec e n t r a l n e r v o u ss y s t e m m o t o rs k i l l s b e h a v i o r a c c e l e r a t e da g i n g a c u t er i s k s d e a t h v o m i t i n g n a u s e a m o r t a l i t y ： r e d u c e dl i f e s p a n i n f l i g h t ( a c u t ef r o ms p e ) p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n ： i n - f l i g h t ( g c r o rs p e ) c h a n g e si nf u n c t i o n a lt h r e s h o l d s ( t r a u m a , w o u n d h e a l i n g ，n a u s e a ) m o r b i d i t y ：p o s t - f l i g h t 图1 1 介绍了g c r 的基本致癌机理。高能的重离子袭击生物细胞后，会导致生 物体内d n a 分子结构的破坏，这种破坏随着g c r 的含量增高而增大，并且在宇宙中 暴露的时间越k 所受到g c r 危害的可能性就越大。表1 2 介绍了一些典型的空间辐 射可能对宇航员造成的伤掣1 4 1 。 4 第一章绪论 1 3 地面模拟空间微重力环境模型与空间辐射环境模型 由于直接将动物进行空间搭载实验资源有限，且耗费巨大。通过多年的研究，人 们已经成功的建立了多种地基模拟空间效应的实验模型。其中，微重力效应和辐射效 应的模型较为成熟。在接受实验模型所提供的模拟空问微重力和辐射效应作用后的动 物或细胞所表现出的生理变化，很大程度上模拟了宇航员在空间航行后所表现出来的 生理机能变化。 1 3 1 微重力模型 1 3 1 1 动物吊尾 用大鼠吊尾模型来模拟动物在太空环境中所处的微重力条件是由美国国家航空 和航天局艾姆斯研究中心于2 0 多年前发起的。这种动物吊尾模型模拟了暴露在微重 力环境下，动物后腿不承受重力，以及体液头向分布的效果，与航天员在太空微重力 环境下所引起的生理环境变化十分相似。并且，随着近年来的研究不断进展，该模型 已经从很多方面加以完善。 图1 2 吊尾大鼠模拟微重力效应模型 f i g 1 - 2r a tt a i ls u s p e n s i o nm o d e lo fs i m u l a t e dm i e r o g r a v i t ye f f e c t s 已经证明，后肢废用的吊尾模型而导致的动物体内生理和免疫功能的变化与航天 飞行时生物体内所产生的结果基本一致【嘲。因此，实验中多用大鼠吊尾实验模型模拟 5 北京化工大学硕士学位论文 空间微重力效应对生物体的影响。其基本方法是：将试验动物使用特殊的装置悬吊起 来( 如图l - 2 所示，采取悬吊躯体或悬吊尾部) 。前肢着地，后肢悬空，身体长轴与水 平面呈3 0 。角左右，控制一定的温度、湿度、照明条件，并使大鼠可在笼中可自由活 动、进食和饮水。 1 3 i 2 旋转细胞培养器( r o t a t o r yc e l lc u l t u r es y s t e m ) 除了研究动物在空间环境中可能受到的影响外，有些科学家还对细胞在模拟的空 间环境中可能受到的影响进行了研究。地面模拟细胞在空间环境中所受到的微重力的 影响研究中，旋转培养系统( r c c s ) 成为了比较好的微重力环境模拟条件。r c c s 培 养系统是一种基于地面条件下，模拟细胞在空间微重力效应下生长情况的细胞悬浮培 养装置。有研究表明，用r c c s 培养的同类细胞，在结构变化上与航天员返回地面后 观察到的变化是一致的【6 ，1 6 1 ，由此也可以证明该方法的可靠性。 r c c s 可以给细胞提供理想的气体交换和营养传递条件，并且能够降低剪应力， 减小细胞所受到的机械损伤，加速细胞代谢产物的排除，利于细胞自发形成多细胞聚 合物，是较好的地面条件下模拟细胞在空间微重力条件下生长状况的研究模型【17 1 。 1 3 i 3 人头低位卧床 由于宇航员在太空飞行中受到很多极端太空环境的威胁，因此，研究人体在空间 特殊的、极端的环境条件下所受到的影响就十分重要。在地面环境模拟人体在空间所 受到的微重力环境的模型主要采取头低位卧床的方发。该方法中接受实验的志愿者采 取水平位卧于床上方式，可以在一定程度上模拟空间环境中，重力减低导致的人体肌 肉萎缩等现象【l 引。以后又在减少活动的基础上头低位卧床，头低位的角度约为0 0 1 2 0 之间( 一般采用6 0 ) 。该方法能够模拟空间环境中，人体体液重新分配的状态，模拟微 重力的效果较为明显，被广泛用于重力生理学研究中。其它的地面条件下模拟生物体 在空间所受到的微重力条件模型还有制动模型和浸水模型等。 1 3 2 空间辐射模型 宇航员在太空飞行中，除了受到微重力的影响之外，还会受到强辐射等条件的影 响。在地面条件下模拟宇航员在人空飞行时所受到的空间辐射效应模型主要是通过质 子回旋加速器或重离子回旋加速系统等产生高能粒子束，再对实验动物进行不同剂最 的辐射，用以研究空间辐射效应对生物体的危害。目前，常用到的辐射模型有：坦c 6 + 粒子辐射、锂离子辐射、1 ，射线辐射、铁离子辐射及质子辐射等模型等【1 2 1 。 生物体在太空环境中长时问生存后，所接受的太空辐射所导致的危害会有一定程 6 学则是一门“在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢产物的变化规律，揭示机体生 命活动代谢本质”的科学【2 0 1 。b i l l yd a v i d 曾说：“基因组学和蛋白质组学的研究目的 是为了告诉我们生物体内有可能会发生哪些变化，而代谢组学的研究目的则是让我们 知道生物体内已经发生了什么变化”。 在代谢组学研究中，使用的分析检测方法主要有核磁共振波谱0 q m r ) 、质谱 ( m s ) 、红外光谱、色谱等【2 n 。其中，最为常用的方法是核磁共振分析和质谱分析， n m r 的实验操作方法和样品处理过程相对较为简便，m s 的实验方法则具有实验结果 较为精准的优点。 n m r 是既能定性，同时又能在微摩尔范围内定量分析大量成分复杂的有机化合物 的技术【2 2 1 。n m r 技术在代谢组学中的应用具无损伤性、可模拟生理条件的实验、可 研究动态系统