研究目的:在太空中,宇航员经过中长期的飞行,会使其的生理系统发生变化,其中骨骼肌的萎缩会严重影响航天员飞行中的身体健康和工作能力以及返回地面后的再适应能力。而科学的体育运动对骨骼肌的质量、面积、肌力都有较好的改善作用。低强度脉冲超声(Low-intensity pulse ultrasound,LIPUS)是一种安全有效且便捷的治疗手段,有研究表明LIPUS对肌肉组织具有生物效应,能改善肌肉损伤,促进细胞的增殖分化和蛋白质的合成,具有一定的探究空间和价值。而采用运动联合低强度脉冲超声双重干预手段在航空领域对抗以及治疗肌肉萎缩相关研究甚少。因此本实验建立大鼠尾吊失重性肌萎缩模型,采用耐力运动和低强度脉冲超声以及二者联合干预手段,从蛋白、组织学等角度去研究不同干预手段对肌萎缩大鼠腓肠肌的影响以及相关机制。此外利用代谢组学技术分析悬尾大鼠在运动、超声及两者联合三种干预途径干预后,内源性标志代谢物改变,还有与之有关的差异代谢途径。分析改善和治疗失重所致的肌肉萎缩的有效方法及其作用机制,为在太空失重情况下所导致的肌肉萎缩的恢复提供可靠分子依据及指导作用。研究方法:本研究的实验对象为体重在180-200 g健康雄性SD(Sprague-Dawley)大鼠120只。随机分为正常对照组(NC,n=12)、模型对照组(MC,n=12)、高声强超声组(HLS+80mW/cm~2,n=12)、高低声强联合超声组(HLS+30/80mW/cm~2,n=12)、低声强超声组(HLS+30mW/cm~2,n=12)、高声强联合运动组(HLS-E+80mW/cm~2,n=12)、高低声强超声联合运动组(HLS-E+30/80mW/cm~2,n=12)、低声强超声联合运动组(HLS-E+30mW/cm~2,n=12)和运动组(EC,n=12)九个组别,适应性喂养一周后,除正常对照组外均进行为期28 d的尾吊。超声组和运动超声联合组使用LIPUS仪进行超声诊治,超声治疗仪强度分别为30 mW/cm~2和80 mW/cm~2,中心频率1.5 MHz,占空比为20%,治疗时间20 min,每周治疗7 d,持续4 w超声治疗直至尾吊结束。运动组和超声联合运动组大鼠则进行适应性运动1 w后接着进行正式跑台运动,跑台速率设置为25 m/min,每组时间为40min,运动总周期为4w,每周运动7 d。14 d后进行第一次取材,从以上九组中随机取4只大鼠,留存血清和组织待后测。28d对剩余大鼠进行第二次取材,最后检测各组大鼠血清的MSTN、CK和LDH等生化指标,使用HE染色对大鼠腓肠肌进行形态学检测。运用Western Blot从蛋白水平对MSTN/Akt通路上的各关键信号分子进行分析,探讨有氧耐力运动和低强度脉冲超声对失重导致的腓肠肌萎缩的影响以及蛋白机制。运用气相色谱-质谱联用(GC-MC)技术对运动、超声及运动联合超声干预后的大鼠血液进行测定分析,借助诸多不同数据统计手段(以主成分分析法、正交偏最小二乘法为主),对潜在的差异代谢物进行挖掘,借助京都基因与基因组百科全书(KEGG)数据库,来鉴定所筛选出的生物标志物,并录入至数据库MetPA内,对相关生物标志物相关代谢通路进行筛选。研究结果:1.根据腓肠肌湿重结果显示,28d时,与NC组相比,其他组的腓肠肌均显著下降(P<0.01),HLS-E+30mW/cm~2组与MC组有显著差异(P<0.05)。2.腓肠肌肌张力显示,28d时MC组与NC组比较,肌张力显著下降(P<0.01),EC组、HLS+80mW/cm~2组和HLS-E+80mW/cm~2组肌张力与MC组相比显著提高(P<0.05)。3.大鼠血清的生化指标检测结果显示,通过28d的运动及超声干预,HLS+30mW/cm~2组的血清CK活性与EC组和MC组相比显著增高(P<0.01),HLS+30/80mW/cm~2组的血清CK与MC组、NC组、HLS+30mW/cm~2组相比有显著降低;而HLS+30/80mW/cm~2组的血清LDH活性与MC组、NC组、HLS-Eselleck NMR+30/80mW/cm~2组以及EC组相比显著降低(P<0.01)。4.通过HE染色对大鼠腓肠肌形态学指标检测结果显示,与MC组对比,NC、HLS+30/80mW/cm~2、HLS+80mW/cm~2、EC、HLS-E+30mW/cm~2、HLS-E+30/80mW/cm~2和HLS-E+80mW/cm~2组肌纤维平均横截面积增加,并存在显著差异(P<0.01)。5.WB结果显示,与NC组相比,其他各组的腓肠肌MSTN蛋白表达水平均显著增高(P<0.01);与MC组相比,HLS+30/80mW/cm~2、HLS+30mW/cm~2、HLS-E+80mW/cm~2组均显著增加而HLS+80mW/cm~2、HLS-E+30/80mW/cm~2和运动组相较于HLS+30mW/cm~2组有显著差异且呈降低趋势。而MSTN受体ActⅡB的蛋白水平检测结果显示,与NC组和MC组相比,HLS+80mW/cm~2、HLS+30/80mW/cm~2、HLS+80mW/cm~2、HLS-E+30mW/cm~2、和EC组都显著降低(P<0.01);和HLS-E+30mW/cm~2组相比,HLS-E+80mW/cm~2、HLS-E+30/80mW/cm~2组的蛋白表达量呈显著上升。悬尾大鼠腓肠肌的Akt蛋白表达量,与MC组相比,除HLS+80mW/cm~2组外,其余各组均有显著降低;HLS+30/80mW/cm~2和HLS-E+30mW/cm~2组显著高于HLS+80mW/cm~2组的蛋白表达量,而Akt的下游分子palliative medical caremTOR的趋势与Akt完全一致。提示干预手段除了声强80mW/cm~2的超声外均有效增加了Akt和mTOR的蛋白表达量。6.NC组与MC组大鼠、EC组与MC组大鼠对比有共同的两条代谢差异同通路,其一为亚油酸代谢通路,其二为苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Try)的生物合成,运动干预以及肌肉萎缩同代谢中间产物亚油酸和酪氨酸的水平改变有直接联系。NC组与HLS-E+30mW/cm~2组对比,分析得到3条代谢途径,分别为亚油酸代谢途径;甘油脂代谢途径;Phe、Tyr与Try的生物合成。NC组与HLS-E+30/80mW/cm~2组对比,分析得到5条差异代谢通路,分别为(1)Phe、Tyr与Try的生物合成;(2)甘油脂代谢;(3)Gly、Ser与Thr的代谢;(4)乙醛酸与二羧酸的代谢;(5)丙氨酸、Asp与glu的代谢。NC组与HLS-E+80mW/cm~2组对比,分析得到3条代谢途径,其一为亚油酸代谢途径;其二为Phe、Tyr与Try的生物合成途径;其三为Gly、Ser与Thr的代谢。研究结论:1.有氧耐力运动可以有效对抗悬尾所导致的大鼠骨骼肌萎缩;2.30mW/cm~2声强、80mW/cm~2声强、30/80mW/cm~2声强三种超声和运动,以及二Puromycin分子量者联合均能在一定程度上改善失重性肌萎缩;3.在失重性肌萎缩的分子机制可能是通过显著增加MSTN的蛋白表达以及抑制下游Akt、mTOR,抑制其蛋白合成,从而导致肌肉萎缩,而在施加干预手段抑制肌萎缩可能不是通过MSTN进行信号的传递;4.通过代谢组学发现腓肠肌肌萎缩和运动对抗肌萎缩主要靠调节亚油酸代谢,还有Phe、Tyr、Try的生物合成代谢途径,同时和代谢中间产物亚油酸和酪氨酸的变化有着密切的关系;在三种声强超声联合运动干预下,共同涉及了苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成这一条代谢通路。