用于在相当于人类发育全部三个孕期阶段对小鼠进行酒精暴露的蒸气舱构建方法

摘要

我们展示了利用 readily available 的材料构建酒精蒸气室的方法，该装置可同时容纳6个鼠笼。我们进一步描述了其在小鼠胎儿酒精暴露模型中的应用，该模型相当于人类妊娠的全部3 个孕期。该实验范式在妊娠期以及出生后第1至12天对动物进行暴露。

摘要

发育期间接触酒精可能导致一系列形态学和行为学异常，这些异常统称为胎儿酒精谱系障碍（Fetal Alcohol Spectrum Disorders, FASDs）。在该谱系中最严重的情况是胎儿酒精综合征（Fetal Alcohol Syndrome, FAS），其特征为生长迟缓、颅面畸形以及神经行为缺陷。包括啮齿类动物在内的动物模型研究已阐明了FASDs病理生理过程中涉及的许多分子和细胞机制。向妊娠期啮齿类动物施用乙醇已被用于模拟人类在妊娠第一和第二孕期的酒精暴露。人类妊娠第三孕期的乙醇摄入则通过新生啮齿类动物进行建模。然而，目前极少有啮齿类研究对相当于人类妊娠全部三个孕期的乙醇暴露效应进行表征，而这种暴露模式在妊娠女性中较为常见。本文中，我们展示了如何利用易得的材料构建可容纳多达六个标准小鼠笼的挥发室。我们描述了一种挥发室实验范式，可用于在全部三个孕期模拟乙醇暴露，且对动物干预极少。我们的研究表明，妊娠母鼠对乙醇产生了显著的代谢耐受性。然而，新生小鼠并未产生代谢耐受，且胎儿数量、胎儿体重、胎盘重量、每窝仔鼠数量、每窝死产数量以及仔鼠体重均未受到乙醇暴露的显著影响。该实验范式的一个重要优势在于其适用于基因修饰小鼠的研究。此外，该范式最大限度减少了对动物的操作，而操作频繁是胎儿酒精研究中的一个主要混杂因素。

引言

孕期饮酒可能对胎儿造成伤害，导致多个器官和系统的持久性改变，显著降低受影响个体及其家庭的生活质量。据估计，在美国约有10%-30%的女性在怀孕期间饮酒，其中1%-8%存在暴饮行为^1,2。胎儿发育期间暴露于乙醇所引起的一系列效应统称为胎儿酒精谱系障碍（FASDs）。最近的估计表明，FASDs是一个重大的公共卫生问题，在美国的患病率高达2%-5%³。FASDs中最严重的表现形式是胎儿酒精综合征（FAS），其特征为生长迟缓、颅面异常以及神经行为缺陷，包括学习障碍。在美国，FAS的患病率估计为0.2%-0.7%³。目前可用于FASDs的治疗方法仅部分有效，而更有效疗法的开发受到对该复杂障碍谱系的细胞与分子机制理解不足的限制。

来自国家出生缺陷预防研究（NBDPS）的数据表明，孕妇饮酒最常见于妊娠早期^st 妊娠早期（在妊娠尚未被检测出时），随后在妊娠的后期阶段禁用 ²NBDPS 还发现，妊娠期间乙醇摄入的第二种最常见模式是在整个孕期的三个阶段均饮酒。²原因包括对胎儿乙醇暴露潜在危害的认识不足（即使在低剂量下）、产前保健获取受限、神经精神疾病既往史，以及乙醇滥用或依赖⁴有趣的是，国家出生缺陷预防研究（NBDPS）报告称，第三种最常见的消费模式是在孕早期完全禁酒^st 和 2^nd 3个孕期阶段，随后在第3孕期期间摄入^rd 孕早期，此时常被认为饮酒是安全的，因为器官发生已基本完成。然而，3^rd 孕早期是神经系统对乙醇损伤高度敏感的时期，因为此时神经元回路正在经历深刻的重塑过程²。NBDPS 还确定了孕期发生的其他较为少见的饮酒模式，包括整个孕期持续饮酒^st 和 2^nd 三个孕期阶段，随后在第3个阶段戒断^rd 孕早期/孕中期/孕晚期².

为了模拟孕妇中观察到的不同乙醇摄入模式，研究人员已采用多种动物物种建立了不同的发育期乙醇暴露范式，其中以大鼠和小鼠最为常用^5,6. 这些动物的妊娠期通常持续约3周，相当于人类的1^st 和 2^nd 人类妊娠的三个阶段。许多啮齿类动物研究已评估了在此期间不同剂量和暴露模式的乙醇暴露所产生的影响。常用于向妊娠小鼠和大鼠施用乙醇的方法包括通过液体饲料给药^7,8，向饮水中添加乙醇^9,10，自愿饮用含糖精的溶液¹¹，胃灌注¹²，蒸汽吸入¹³，以及皮下或腹腔注射¹⁴这些研究的结果重现了胎儿酒精谱系障碍（FASDs）患者所表现出的多种缺陷，表明在妊娠早期暴露于酒精就足以对全脑范围内的神经环路造成损伤（详见综述于 ^6,15).

啮齿类动物实验还表明，在相当于人类妊娠第三期暴露于某些因素时^rd 人类妊娠的孕早期，大约相当于大鼠和小鼠出生后的前1-2周，这一时期的乙醇暴露会显著损害大脑发育。为模拟此阶段的暴露，研究人员通过向新生大鼠或小鼠给予乙醇来建立模型。乙醇可通过多种方式给予这些动物，包括通过胃造口喂养人工哺育的动物^16-18胃内插管¹⁹皮下注射²⁰，以及蒸汽吸入^21,22这些研究令人信服地证明，脑部快速生长期是乙醇对发育产生影响的高度敏感时期。⁶.

如上所述，妊娠期间所有三个阶段的饮酒是女性乙醇摄入的常见模式²然而，相比之下，采用动物模型评估这种暴露模式影响的研究较少。其中一些研究利用了大型动物，其中的3^rd 孕早期等效阶段发生 在子宫内 而非大鼠和小鼠所处的新生儿期。这些动物模型包括非人灵长类动物^23,24 和绵羊^25-27然而，这些动物模型在胎儿酒精谱系障碍（FASDs）研究中的应用并不广泛，部分原因在于其成本高昂且需要专门的护理设施。相比之下，啮齿类动物更常被用于表征全孕期乙醇暴露对胎儿发育的影响。⁵豚鼠在这方面具有显著优势，因其具有充分的产前发育过程，且大脑成熟过程与人类相似^28,29. 通过豚鼠，已能够表征乙醇暴露的影响 在子宫内 包括人类3个等效发育周期的时间段^rd 孕早期。由于这些动物成本较高，且妊娠期相对较长（约67天），目前仅有少数实验室将其用于胎儿酒精谱系障碍（FASDs）的研究。

由于大鼠在生物医学研究中成本较低且应用广泛，研究人员已利用其建立妊娠各阶段乙醇暴露的动物模型。在早期研究中，通过液体饲料使大鼠在妊娠期间暴露于乙醇，随后通过胃造瘘术对人工喂养的新生鼠（出生后第1–10天）给予乙醇，使母鼠的血液乙醇浓度峰值（BEC）达到0.08 g/dl。 幼鼠中为0.16 g/dl。该范式导致视神经髓鞘化出现持久性改变，并减少小脑中Bergmann胶质纤维的数量^30-32同样，Maier 及其合作者在人工饲养条件下，通过胃内插管以类似暴饮的方式向妊娠大鼠给予乙醇，随后在出生后早期阶段的部分时间内对仔鼠进行新生儿期给药。^rd 孕早期等效期（P4-9）^33,34母体和幼崽在妊娠第20天和出生后第6天（P6）的峰值血液乙醇浓度（BEC）均为0.3 g/dl。这种贯穿整个孕期的暴露模式导致了更显著的生长迟缓，其程度明显大于仅在妊娠特定阶段暴露的幼崽所观察到的生长迟缓。³³此外，在相当于全部三个孕期均暴露于乙醇的大鼠中，小脑浦肯野细胞和颗粒细胞数量的减少程度大于其他时期暴露的动物。³⁴海马区细胞数量的减少在此范式中也有报道，但这些效应似乎主要是3期间暴露所致的结果^rd 孕早期等效阶段³⁵一种通过经胃灌胃向妊娠大鼠和新生小鼠给予乙醇的方法，也被用于模拟整个孕期的暴露。³⁶该方法使母鼠（妊娠第17天）的血液乙醇浓度达到0.13 g/dL，P6幼鼠达到0.24 g/dL，导致海马和下丘脑中单胺类神经递质水平发生持久性改变，并增加海马中DNA甲基转移酶及甲基-CpG结合蛋白2的表达^37,38. 采用类似的暴露范式（母鼠血液酒精浓度为0.14–0.2 g/dl，仔鼠为0.2 g/dl），Gil-Mohapel 等.³⁹ 检测到成年大鼠齿状回中新生成的未成熟神经元数量增加，这可能代表了对乙醇诱导的神经元损伤的一种代偿机制，或成年出生神经元成熟过程的改变。研究人员还尝试通过在妊娠和哺乳期间对母鼠提供含乙醇的液体饲料或饮用酒精水，以模拟整个孕期的乙醇暴露。^9,40然而，通过母乳向幼崽暴露的方法存在局限性，因为通常会导致幼崽的血液乙醇浓度（BEC）较低（例如，0.002–0.05 g/dl； ^41,42).

小鼠也被广泛用于表征发育期乙醇暴露的影响。该动物模型具备上述大鼠模型的诸多优点，此外还可利用多种可获得的基因修饰小鼠品系。⁵小鼠已被成功用于表征乙醇在发育早期阶段的影响^st, 2^nd 或 3^rd 妊娠期的三个阶段^43,44然而，由于在技术上更难实现让小鼠暴露于相当于人类妊娠全部三个阶段的环境中，全孕期暴露对这些动物的影响尚未得到充分表征。例如，已在大鼠中成功使用的人工喂养和胃灌注方法，在小鼠中则需要更为专门的操作程序。⁴⁵据我们所知，迄今为止仅有一项研究尝试利用小鼠探讨整个孕期乙醇暴露的影响；这些动物在妊娠期和哺乳期均通过饮水摄入乙醇溶液。⁴⁶母体血液乙醇浓度（BEC）为 0.07 g/dl，仔鼠血液乙醇浓度未测定，但预计仅为母体浓度的一部分。

本文介绍了一种新的小鼠全孕期乙醇暴露模型，该模型通过吸入式蒸气舱对怀孕母鼠及新生幼鼠进行酒精暴露。蒸气舱的构建基于先前的设计⁴⁷。我们提供了构建吸入舱及实施暴露操作的详细步骤，并介绍了可达到的血液乙醇浓度（BECs）以及暴露对仔鼠存活率和生长发育的影响。

方案

所有动物实验程序均经新墨西哥大学健康科学中心机构动物护理和使用委员会批准。

1. 气相室组装

1. 使用圆锯或曲线锯按照视频中提供的尺寸切割聚碳酸酯板，用于制作箱体的顶部、底部、前部、后部、侧面和门（图1 和 表1）。
2. 使用圆锯或曲线锯在前板中央切割一个高8英寸、宽16英寸的开口。
3. 测量并标记铰链安装孔的位置，位置为将作为箱门的18英寸×10英寸聚碳酸酯板上。
4. 在门板上使用5/16英寸钻头钻出沉头孔，并使用3/16英寸钻头钻出螺钉孔。确保沉头孔位于门内侧，以便螺钉头嵌入。
5. 准备聚碳酸酯板以进行焊接。
6. 使用Weld-on #16将前板、后板和侧板组装到底板上。
7. 使用Weld-on #16密封各板之间的所有缝隙。
8. 使用Weld-on #16将顶板固定到位。
9. 使用夹具或厚重的教科书固定所有部件，直至焊缝完全固化。
10. 在前板上距开口下方1英寸处，安装一段1英寸×12英寸的聚碳酸酯条，用于连接门铰链。
11. 确保Weld-on固化时间至少为24小时。
12. 截取两段12英寸长的PEX管和一段1英寸长的PEX管。
13. 使用5/16英寸钻头，在每段12英寸长的PEX管的一端约1至2英寸处钻孔。
14. 将两段12英寸长的PEX管连接至一个3/8英寸T型接头，确保钻孔方向远离接头。
15. 使用3/8英寸堵头封闭PEX管的开放端。
16. 使用4-40机械螺钉和螺母将铰链固定在前板和门上。
17. 以门为基准，在箱体前板上的1英寸间隔条上标记铰链所需的安装孔位置。
18. 使用3/16英寸钻头在前板上钻出铰链安装孔。
19. 使用4-40机械螺钉和螺母将门和铰链固定到前板上。
20. 按照视频所示方式组装快夹，快夹侧臂两侧各加一个垫圈和一个螺母。
21. 在前板上标记并钻出3/16英寸的孔，用于安装快夹，并使用4-40机械螺钉和螺母固定快夹。
22. 在门内侧安装3/8英寸橡胶密封圈。
23. 使用5/8英寸扩孔钻头在顶板中心钻孔，用于进气口。
24. 在后板底部中心位置钻一个1/2英寸的孔，用于出气口。
25. 通过将3/8英寸穿墙接头的螺纹部分从蒸气室后壁的出气口孔中穿出，组装出气口；从室内侧用螺母固定接头。
26. 去除聚碳酸酯板上的保护膜。
27. 将1英寸长的PEX管连接至T型接头，并从室内侧将PEX管强行穿过箱体顶部的孔。
28. 从外部在1英寸长PEX管的顶部连接一个3/8英寸90度弯头。
    注意：在门上钻一个1/2英寸的孔，并将一个1/2英寸密封隔片插入该孔中。
29. 对仅通空气的对照室重复步骤1–22。

2. 支架与空气输送组件装配

1. 若将培养室放置在材料清单中提到的推车/架子上，请根据制造商的说明组装推车。
2. 使用备用螺母和螺栓，将一块废弃的聚碳酸酯板固定在架子上，用于安装气流调节器。
3. 在废弃的聚碳酸酯板任意位置标记并钻出3/4英寸的孔，用于安装气流调节器，并使用配套的螺母将调节器固定。
4. 将3/8英寸穿墙接头安装到气流调节器的进气口和出气口端口上。
5. 将乙醇瓶与曝气石、#8 塞子以及快速释放式管路连接器组装在一起。
6. 使用3/8英寸TYGON管路，按照图1所示方式将气流调节器连接至空气泵和乙醇瓶。
7. 对于仅通空气的培养室，按照图1所示，使用3/8英寸TYGON管路将气流调节器的出口端连接至3/8英寸90度弯头的进气口。

图 1. 蒸气室装置的示意图。 一个三通接头连接至低噪声空气泵。三通接头的一侧直接连接至仅通空气蒸气室的气流调节器。另一侧再次分路，连接至两个不同的气流调节器，分别用于空气和乙醇。空气室如图所示直接连接至调节器。对于乙醇蒸气室，一个气流调节器连接至浸没在滤瓶内液态乙醇中的曝气石。滤瓶的侧臂接口连接至空气调节器的输出端，如图所示。混合后的乙醇蒸气与空气随后通入乙醇蒸气室的入口。出口管（未显示）连接至室内的通风排出口。

3. 测试蒸气室并调节乙醇浓度

1. 向滤瓶中加入 600 ml 190 proof 乙醇，插入通气石，并将进气管连接至滤瓶的侧臂。
2. 关闭腔室门，启动空气泵。
3. 调节气流调节器，使通过液体乙醇的空气流量约为与其混合的纯空气流量的一半。将仅通空气的气流调节至乙醇腔室中乙醇与空气的总流量。
4. 在测量空气中乙醇浓度前，让腔室至少平衡 30 min。
5. 通过隔膜使用 18G 针头和 60 ml 注射器抽取 5 ml 空气样品。通过将活塞回拉至 60 ml 处，用室内空气稀释该样品（1:12 稀释）。按照制造商说明使用呼气酒精检测仪测量空气中乙醇浓度。需要对腔室空气进行稀释，以使乙醇蒸气浓度处于呼气酒精检测仪的检测范围内。
   注意：若使用不同浓度的乙醇暴露条件，可能需要调整稀释倍数。
6. 作为起始点，根据需要调节气流调节器，使空气中乙醇浓度达到约 4.5–5 g/dl（每 dl 空气中含 g 数的气化乙醇）。

4. 动物繁殖

1. 将雌性 C57BL/6 小鼠（2–3 月龄）以 2–3 只为一组共同饲养至少 1 周，以同步动情周期。
2. 将雄性 C57BL/6 小鼠（2–5 月龄）单独饲养至少 2 周。
3. 完成同步后，将一只雌鼠与一只雄鼠合笼饲养 5 天，以允许交配。
4. 交配结束后，移除雄鼠，将雌鼠单独分笼饲养并转移至实验用饲养盒中。

5. 孕前和产前乙醇蒸气暴露

1. 从妊娠开始，在光照周期内（光照时间为上午6点至下午6点），每天上午10点开始对孕鼠暴露于乙醇蒸气4小时，但分娩当天除外，以防止仔鼠死亡。
2. 在妊娠第5天（G5）、G13-G14和G18-G20天称量母鼠体重以监测妊娠情况；称重当天更换垫料，以尽量减少对动物的抓取。
3. 每天为乙醇暴露组更换食物，避免动物摄入吸收了乙醇的饲料颗粒。
4. 分娩当天不进行暴露。分娩后，从出生后第1天（P1）至第12天（P12），每天上午10点开始对母鼠和仔鼠暴露4小时。
5. 在P2、P8、P12和P25天称量仔鼠体重；并在P8和P12天更换垫料，以减少额外操作。
6. 最后一次暴露后（P12），立即将笼具转移至标准动物饲养室。

结果

图2A显示，怀孕小鼠及其新生后代在暴露舱内均接触了相对稳定的乙醇蒸气浓度，浓度范围为4-6 g/dl。图2B展示了怀孕小鼠血液乙醇浓度（BECs）随时间的变化情况。BECs采用基于标准乙醇脱氢酶的检测方法测定⁴⁸。在妊娠第5天（G5），暴露开始2小时后BECs迅速上升至约60 mM，并在4小时暴露期结束时达到峰值；暴露结束后再经过4小时，BECs逐渐下降至约12 mM。到妊娠第13-14天（G13-14），BECs显著降低至G5时检测水平的约60%。此外，BECs上升速度更慢，下降速度更快，表明乙醇在怀孕小鼠血液中的存留时间缩短。在接近分娩期（G18-20），BECs进一步降低至G5时水平的约30%。这些结果与怀孕小鼠体内对乙醇产生快速代谢耐受性的发育过程一致。图2C显示，新生后代暴露时的BECs接近30 mM。在这些动物中，BECs逐渐上升，在4小时暴露期结束时达到峰值，并在暴露结束后8小时逐渐恢复至基线水平。与怀孕母鼠不同的是，在新生期早期（P2）或晚期（P7-P12）暴露的新生小鼠之间，所测得的BECs水平无...

讨论

本文详细描述了构建挥发性气体吸入舱的方法。建造这些吸入舱所需的材料和工具均可从多家商业供应商处轻松获得，且构建步骤相对简单。我们在此描述的系统不包含任何用于防止回流和混合的管路单向阀。我们在仅通空气的舱中未能检测到任何可测浓度的乙醇，表明乙醇未发生混合或倒流进入仅通空气的舱。应定期对仅通空气的舱进行乙醇蒸气检测（需注意，应在测试乙醇舱之前始终先测试空气舱，以避免呼气分析仪和/或注射器中残留乙醇蒸气的干扰）。理想情况下，应将吸入舱安置在动物饲养设施的专用房间内，以便在整个暴露实验期间持续安置小鼠笼具，避免运输小鼠，从而减少应激。该实验范式仅需配备通风出口的标准房间即可。然而，若房间与其他研究人员共用，则有必要将吸入舱置于带有独立隔间的房间内，以尽量减少其他动物接触乙醇气味。每个舱可容纳最多6个标准小鼠笼，因此相较于例如经口灌胃等方法，该方法劳动强度更低。

暴露范式可根据特定实验的需求轻松修改。可在相当于人类妊娠全部三个 trimester 的时期对动物进行乙醇暴露。需要注意的是，啮齿类动物发育阶段与人类发育的对应关系可能因所考虑的脑区以及所关注的发育过程（如神经发生、突触整合等）而有...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚碳酸酯 1/4" 清晰 48" × 24"	McMaster-Carr	8574K23	10
泡沫橡胶灯泡密封圈 3/8"w × 7/32"h	McMaster-Carr	93085K67	10 英尺
焊接式 #16	McMaster-Carr	7515A11	3
钢琴铰链 12" 长	McMaster-Carr	1658A11	2 × 1 英尺
标准压紧式快速夹钳	McMaster-Carr	5126A26	8
PEX 管 1/2"	McMaster-Carr	51275K88	10 英尺
带支管三通接头（黑色），每包10个	McMaster-Carr	5463K608	1
带刺插头接头（黑色）10个/包	McMaster-Carr	5462K79	1
带倒刺弯头管接头（黑色），10 个/包	McMaster-Carr	5463K596	1
3/8" 穿墙接头，管对螺纹管	McMaster-Carr	5463K851	1
Phillips 机用螺钉 4-40	McMaster-Carr	91772A112	1
4-40 机器螺钉六角螺母	McMaster-Carr	90480A005	1
面板安装式流量计 2-20	McMaster-Carr	41945K76	3
1,000 毫升过滤烧瓶，每包6个	VWR	89001-800	2
精密封口隔垫	VWR	89084-490	1
VWR 黑色橡胶塞 #8 单孔	VWR	59581-367	1
TUBE TYGON R3603 3/8X9/16 50'	VWR	89068-556	1
TUBE TYGON R3603 1/4X11/16 50'	VWR	89068-502	1
曝气石 P2120	VWR	32573-007	1
3/8" T型连接器 Pk 20	VWR	46600-060	1
VWR 锥形断路器，每包10个	VWR	46600-110	1
3/8 英寸软管接头带阀直通接头	Colder Products Company	HFCD17612	1
中等容量气泵	LMI 制造商	DB60L	1
Nexelate 36英寸线架"W X 24"D X 63"H	全球工业	T9A990135	1
茎杆万向轮套装（4个）5" 聚氨酯轮	全球工业	T9A500591	1