一种小鼠丰富环境饲养方案

摘要

为小鼠提供环境富集需要复杂的挑战性设置，以及全面的饲养管理和操作技术，以确保小鼠产生稳定的代谢和抗肿瘤效应。本方案提供了详细的操作步骤，用于在小鼠中重现上述效应。

摘要

环境富集（EE）是一种与标准实验室饲养环境相比能够促进小鼠身心健康状况的饲养环境。我们近期的研究表明，环境富集可减少脂肪堆积、增加能量消耗、抵抗饮食诱导的肥胖，并在小鼠中引发癌症缓解和抑制。EE通常包括更大的生活空间、多种可供互动的“玩具”、跑轮，还可包含其他多种新颖的环境变化。这些因素共同促进了更复杂的社会互动以及认知和身体刺激。重要的是，玩具的位置和类型需定期更换，以促使小鼠适应频繁变化且新颖的环境。在环境富集中，多种变量均可被调控以促进小鼠的健康效应。因此，这些方法难以控制，必须进行妥善管理，才能成功复制相关表型。因此，本视频的目标是演示如何正确设置和维护环境富集系统，以确保构建一个复杂、富有挑战性且受控的环境，从而使其他研究人员能够轻松重现环境富集在抵抗肥胖和癌症方面的保护作用。

引言

环境富集（environmental enrichment, EE）是一种实验范式，用于研究复杂且具有挑战性但不会对动物造成应激的环境所产生的影响¹。EE 是一种动物饲养技术，通过增加饲养空间、促进身体活动和社交互动，从而增强感觉、认知、运动和社交方面的刺激²。在饲养环境中放置小屋（igloos）、跑轮、碟形轮、管道迷宫及其他物体，可促进动物的感觉、认知、社交和运动刺激，鼓励其进行探索和互动。饲养箱内物体的布局会定期更换，以提供新颖的环境，迫使小鼠不断适应。该策略提供轻度且短暂的挑战，诱导产生有益、良性且健康的适应性反应，即“良性应激”（eustress），而非更具负面性、敌对性的环境所引发的不良适应性应激（maladaptive distress）^3,4。通过促进良性应激并限制有害的应激反应，小鼠表现出多种有利的表型特征。

丰富环境（EE）是一种可靠的实验模型，具有广泛的应用范围，且不包含传统上认为具有应激性的因素¹。关于EE对啮齿类动物影响的研究已有半个多世纪的历史。20世纪60年代初的研究表明，当大鼠被饲养在具有更大生活空间、更多数量同伴以及多种木制玩具、迷宫和平台的环境中时，其大脑皮层的胆碱酯酶水平降低，而皮层下区域的胆碱酯酶水平升高^5,6。此外，EE与不同年龄和遗传背景小鼠在脑部、行为及代谢方面的多种适应性改变相关。因此，EE是研究环境对小鼠影响的广泛实验中一种有用的范式。仅经过一周的暴露即可观察到EE对小鼠的影响，且在长达十八个月龄的动物中仍可观察到这些效应⁷。EE常用于神经科学和神经行为学实验中，以研究功能恢复、学习与记忆²。此外，EE对多种由毒素诱导或转基因构建的人类神经系统疾病动物模型的表型具有显著影响，包括亨廷顿病、阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫、脑卒中等²。

然而，多年来，由于富集环境设计缺乏一致性，导致不同实验室之间的研究难以进行比较。例如，上述关于富集环境（EE）对人类神经退行性疾病影响的每项研究，其富集参数均不相同。一项关于亨廷顿病的研究将4至6只小鼠饲养在较大的笼子（44 × 28 × 12.5 cm³）中，笼内包含纸板箱、隧道、布片以及木制和塑料物品，这些物品每两天更换一次^8,9。一项关于阿尔茨海默病的研究则将20只小鼠饲养在更大的笼子（1 m³）中，笼内设有2个跑轮、塑料管、纸板箱和筑巢材料，这些物品每周更换或重新排列一次¹⁰。许多富集环境设置具有相似的主题，例如提供可供奔跑或躲藏的物体，但每笼饲养的小鼠数量、生活空间面积以及环境更换周期却存在较大差异。

环境富集（EE）设计的不一致性导致了EE效应重复失败。我们在癌症和代谢方面的数据共同表明，以下详细描述的EE饲养方案所提供的多种刺激组合能够产生显著的抗癌和抗肥胖效应^14,15。然而，不同实验室采用的EE设置差异可能会影响EE的结果，这一点在一项未能重复EE对小鼠体内特定移植肿瘤生长影响的研究中已有体现¹¹。结果的差异可能源于多种因素，从肿瘤细胞培养物的不同生长速率到用于清洗饲养设备的清洁剂类型均可能产生影响¹¹。为了成功重复我们在实验中观察到的结果，必须采用特定的富集设计和动物饲养管理方式。以下程序详细说明了EE饲养条件，以便其他研究人员能够成功复制我们这一有效的富集模型。

方案

以下所述操作程序已获俄亥俄州立大学机构动物照护与使用委员会（IACUC）批准。

1. 小鼠饲养前富集环境的准备

1. 仪器的清洁与维护。
   1. 将大型富集箱（120 cm × 90 cm × 76 cm）送入笼具清洗机进行清洗。典型的动物设施笼具清洗程序包括5至6个清洗循环，最后一个循环温度达到82 ºC。整个清洗过程约需40分钟。清洗后将箱子自然晾干。
      1. 如果大型富集箱或其他饲养设备无法通过笼具清洗机清洗，则按照制造商说明，使用杀孢子消毒剂喷洒并擦拭箱体内部。随后用浸过自来水的纸巾或30%乙醇擦拭箱体，并用纸巾擦干，以去除前一步消毒剂残留的气味。
   2. 在富集环境（EE）中使用塑料管、带盘状跑轮的冰屋式玩具及其他各种塑料窝式玩具。这些玩具应通过笼具清洗机清洗。若无条件使用笼具清洗机，请参照步骤 1.1.1.1。
   3. 在富集环境（EE）中使用金属跑轮。跑轮应通过笼具清洗机清洗。若跑轮表面油漆开始剥落，导致动物奔跑时发出噪音，可在跑轮与轴连接处涂抹少量凡士林。
   4. 在富集环境（EE）中使用木段。手动清除木段上的垫料或其他碎屑。然后通过高压灭菌器在干燥循环或织物循环下进行灭菌处理，条件为121 ºC持续15分钟。
   5. 使用尺寸介于29 cm × 18 cm × 12.5 cm至30.5 cm × 19 cm × 14 cm之间的笼具，用于放置饲喂和饮水用的金属丝架。在笼具前下方切割一个直径至少为5 cm的孔洞，以便小鼠从富集环境（EE）进出。这些饲喂笼应通过笼具清洗机清洗。
2. 环境设置
   1. 在大型富集箱内铺入¼英寸的玉米芯实验室动物垫料。将垫料均匀覆盖整个箱底，厚度为2–2.5 cm。
   2. 将两到三根木段放置于箱体的一个角落。 将木段置于角落以隔离出约1,225 cm²的区域。在该隔离区域内放置三个顶部带有盘状跑轮的冰屋。确保跑轮不接触箱壁、木段或其他跑轮，以保证跑轮有足够的空间自由旋转。
   3. 将塑料管件组装起来，使多个分支从中心连接件向外延伸。将此管件放置于箱体中央。
   4. 在箱体的两个对角角落各放置一个饲喂笼，笼内填充与富集箱相同的垫料，且饲喂笼前方的孔洞应朝向箱体中心。在每个饲喂笼上方放置清洁的金属丝架，用于盛放食物和水。饲喂笼无需加盖。将食物和水放置于金属丝架上。
   5. 在箱体内放置三个金属跑轮，但不要全部紧挨在一起。三种跑轮的直径分别为11.5 cm、20.5 cm和28 cm。此外，在富集箱内其他位置再分布4–5个塑料窝式玩具或隧道。
   6. 用微隔离滤纸覆盖箱体顶部。使用长尾夹将滤纸固定在箱体边缘。
   7. 新颖性对富集环境（EE）至关重要。可将本方案作为富集环境的基本框架，并定期调整上述笼具、物体和玩具的摆放位置，以持续为动物提供新颖的环境刺激。

2. 动物饲养

1. 在常规实验室饲养环境中繁殖用于实验的动物，而非富集环境（EE）。可选地，在断奶后尽早（最早21日龄）将动物放入富集环境（EE）中。在动物进入富集环境饲养前完成基因型鉴定及耳缘打孔/标记。
2. 将动物从标准笼具转移至富集箱时，应将笼具侧放于箱内，使动物能够自由地从标准笼具移动至富集箱中。禁止将筑巢材料转移至富集箱内。
3. 在富集环境中饲养10–20只同龄、同性别、同遗传品系的动物。

3. 研究期间维持环境并观察小鼠

1. 每日
   1. 安静观察动物是否有患病或不适的迹象。必要时，轻柔地抓取动物以进一步检查其健康状况。记录异常情况，若动物出现需从实验中剔除的症状，应及时咨询健康技术员或兽医人员。
   2. 对小伤口或结痂处给予三联抗生素软膏局部处理。若动物因慢性疾病或损伤需要移除，应将其从实验中移出并实施安乐死。若动物达到负责动物研究护理的委员会或兽医规定的提前移除标准，则不得将其重新放回饲养环境（EE）。
2. 每周两次
   1. 检查饲料和饮水量，确保饲料和饮水足够维持未来3-4天的需求。整理跑轮和丰富化玩具，使其分散放置，便于小鼠使用。更换过脏的设备。
3. 每周
   1. 更换水瓶为清洁的水瓶。按照第节中的设置方式重新布置环境丰富装置。 1.2. 但与上周的设置不同。 
      ​注意：如果实验需要将动物从丰富化环境中移出以进行某项操作（记录体重、采血、行为测试）， 等等。最好在动物离开 enrichment bin 时重新调整环境。
   2. 使用手洗或按照第节所述通过笼具清洗机清洁环境富集（EE）中的饲喂笼具 1.1.5. 将承放食物和水的金属丝架更换为洁净的金属丝架。
   3. 按照第 节中的说明进行操作 2.2. 将动物放回丰容环境时，应抽查大型丰容箱的其余部分，如有必要，铲除脏垫料并铺上新的清洁垫料。
4. 每两周一次
   1. 每周进行日常饲养管理时，需手工清洗玩具，或将其送至 通过笼具清洗，具体步骤详见第节 1.1.2. 如有需要，将小鼠置于标准的独立通气隔离笼中，直至完成清洁所需时间。
5. 每月一次
   1. 移动丰容玩具和饲喂笼，铲除大部分垫料，进行清洁。更换为新鲜垫料，并确保笼内所有区域均铺有1英寸厚的 bedding。如需操作，可将小鼠暂时转移至标准的独立通气笼具中，直至清洁完成。
6. 每三个月（或实验结束时）
   1. 移除所有垫料和玩具，并按照第节所述清洁和消毒 enrichment bin 1.1.1. 若实验正在进行，需更换新垫料、饲喂笼具和玩具组合，然后将小鼠放回鼠盒。
7. 如果饲养环境富集装置的研究机构有要求，应以超过每三个月一次的频率对整个富集箱进行消毒。若确有必要，且另有其他大型富集容器可用，则应按照第节中的详细说明设置备用富集容器 1.2. 将动物转移至新的容器中，同时清洁之前的容器。

4. 控制饲养条件

1. 将对照组动物饲养在尺寸为 30.5 cm x 19 cm x 14 cm 的微隔离笼中。若笼具未连接自动供水系统，则在笼内放置一个用于盛放食物的金属网架和一个饮水瓶。
2. 在对照组笼具中使用与丰富环境（EE）相同的玉米芯垫料。为小鼠提供一块 4 cm x 4 cm 的 nesting 垫料，供其筑巢使用。
3. 每周更换和/或清洁笼具、饲喂网架、饲料和饮水一次。通过笼具清洗设备或按照第 1.1.1.1 节所述方法清洗笼具和金属网架。若动物排尿频繁或饮水瓶漏水至垫料上，则需增加清洁频率。
4. 每天监测对照组饲养条件下动物的健康状况，确保动物有充足的食物和饮水。
5. 在标准小鼠笼中饲养 3~5 只同性别小鼠。笼内不得提供任何玩具、管道或窝盒。
6. 机构实验动物饲养设施的健康管理人员和实验室技术人员可负责这些对照组小鼠的日常饲养管理。
7. 动物应维持 12 小时光照/12 小时黑暗的光照周期，与丰富环境（EE）中的小鼠一致。

结果

环境富集（EE）影响生长因子的表达，促进中枢神经系统（CNS）内细胞的神经发生及存活^12,13。最近的研究表明，这种环境富集技术在三种小鼠癌症模型中均显著抑制了肿瘤生长，包括B16黑色素瘤、MC38结肠癌以及携带种系突变且极易在肠道内自发形成腺瘤的APC^min/+小鼠¹⁴。图2中的结果证实，在暴露于环境富集5周的小鼠中，植入的B16黑色素瘤肿瘤生长受到抑制（肿瘤质量减少约80%）。即使在肿瘤已形成后再开始实施环境富集，仍可观察到对肿瘤生长的抑制作用¹⁴。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠中，环境富集对黑色素瘤生长的抑制作用更强（肿瘤质量减少约70%），高于正常体重小鼠的抑制效果（肿瘤质量减少约50%）¹⁴。环境富集还引起血清生物标志物的特征性变化，包括瘦素水平显著下降、IGF-1水平降低以及脂联素水平升高¹⁴。

此外，环境富集（EE）技术通过激活下丘脑-交感神经-脂肪细胞轴¹⁵，可减少脂肪堆积、增加能量消耗、增强对饮食诱导肥胖的抵抗能力，并诱导白色脂肪向棕色脂肪的表型转化。脂肪堆积的减少在暴露于环境富集仅六天后即可观察到（图3A, B），在暴露四周的动物中再次得到证实（图3C, D）。还需注意两点：第一，环境富集所伴随的抗癌和抗肥胖效应不能仅由体力活动来解释；第二，通过在下丘脑中过表达脑源性神经营养因子（BDNF），可模拟环境富集的效应^14,15。

图 1：丰富环境箱的设置。 丰富环境区域大小为 120 cm × 90 cm，包含两个改造过的笼子、跑轮、带碟形轮的冰屋、塑料管、木段以及其他塑料材质的丰富化玩具。

图 2： 富集环境可减少 C57BL/6 雄性小鼠的肿瘤生长。 3 周龄雄性小鼠在接种肿瘤前，分别饲养于富集环境（EE）或对照笼中，持续 5 周。在右后侧腹皮下接种每只动物 10⁵ 个细胞后第 17 天，检测 B16 黑色素瘤肿瘤重量（每组 n = 10。Student’s t-检验，* p <0.05）。

图 3：富集环境可降低 C57BL/6 雄性小鼠的脂肪含量。 三周龄小鼠接受富集环境（EE）干预；一组持续 6 天，另一组持续四周。(A) EE 环境中饲养 6 天后，脂肪垫重量降低（每组 n = 5；Student’s t-检验，*p <0.05）。(B) EE 环境中饲养 6 天后，脂肪垫重量相对于体重的比例下降（每组 n = 5；Student’s t-检验，*p <0.05）。(C) EE 环境中饲养四周后，脂肪垫重量降低（每组 n = 5；Student’s t-检验，*p <0.05）。(D) EE 环境中饲养四周后，脂肪垫重量相对于体重的比例下降（每组 n = 5；Student’s t-检验，*p <0.05）。BAT：棕色脂肪组织，IWAT：腹股沟白色脂肪组织，EWAT：附睾白色脂肪组织，RWAT：腹膜后白色脂肪组织。

讨论

丰富环境（EE）对小鼠脑内基因表达、体脂减少及肿瘤生长的显著影响，在很大程度上取决于研究人员能否维持一种新颖的环境，并以促进小鼠体力活动、社交互动和认知挑战但又不引起动物应激的方式进行操作。需牢记两个最关键的实验操作步骤。第一，务必每周更换玩具、物品和笼具的摆放位置。即使使用的玩具和物品与前一周相同，小鼠仍会将环境感知为新颖。每隔一周应更换不同的玩具和物品。第二，务必保持环境清洁。若未及时清除污染的垫料，升高的氮含量可能成为动物的应激源。

此外，在本环境富集（EE）方案中还需注意多种技术细节。建议使用不同或独特的玩具，以及不同设计的塑料管迷宫。环境应具有挑战性，但不得对动物健康构成威胁。此外，需警惕功能不良的玩具，因为这些玩具可能增加小鼠肢体被卡住的风险，或在被啃咬摄入后对动物产生毒性。EE方案中一个固定不变的设置是在窝顶放置三个碟形跑轮，并用2-3根木段将该区域隔离至饲养箱的角落或一侧。这种将碟形跑轮置于木段后方的布置方式在我们所有富集研究中均保持一致。至于其他物品的使用与摆放，上述布局描述提供了EE设置的基本蓝图。在此基础框架（包括塑料管、跑轮、碟形跑轮、笼舍和木段）之上进行适当变化，应足以提供一个新颖的环境，以重现已报道的研究结果。

若使用患有糖尿病或其他代谢性疾病的转基因动物，需密切观察其食物和饮水消耗情况，以确保动物不会断粮或断水。若动物患有糖尿病，其排尿量会增加，因此丰富环境（EE）饲养装置中的垫料可能需要更频繁地进行局部检查和清理。在丰富环境饲养装置中，垫料最常需要清理的区域是角落。需记得定期调整转轮及其他玩具的位置，以确保动物能够正常使用。动物可能会将碟形转轮推入垫料中，或将跑轮撞倒。若动物年龄较小（3至5周龄），它们可能在丰富环境的笼具下挖掘并躲藏于其下，导致研究人员难以发现其位置。在更换污染垫料、替换玩具或清洁笼具时，建议将动物暂时转移至清洁的标准笼具中，以避免在调整环境时对其造成应激。若环境中可供躲藏的位置较少，则更容易将所有动物集中到一个笼具中。因此，在将动物转移至笼具前先移除玩具，可使操作更为简便。此外，在清洁或调整丰富环境期间，单个标准笼具中暂存的动物数量不应超过5至6只。丰富环境中的雄性动物可能具有攻击性，尤其是在成年后才开始丰富环境饲养的情况下。因此，必须密切观察环境中是否存在受伤或死亡的动物。

此外，我们通常在这种大型容器中饲养 10 到 20 只小鼠。其他研究人员在丰富环境（EE）中饲养的小鼠数量各不相同，通常为 10 只或更少，因此在确定适合饲养的动物数量时，应考虑笼具或容器的大小。在饲养环境中饲养过多动物可能导致雄性小鼠出现攻击行为。我们用于 EE 实验的小鼠均为 C57BL/6 品系。其他品系的小鼠在此 EE 环境中可能表现出更高或更低的攻击性，或更容易出现健康问题。在制定小鼠饲养管理方案和丰富环境设置时，应充分考虑这一因素。

四周的丰富环境（EE）饲养足以诱导体脂减少、瘦素水平下降以及B16黑色素瘤生长的抑制。更长时间的丰富环境暴露可对代谢和癌症抑制产生更强的效果。如果小鼠在暴露于丰富环境期间或之前接受了手术操作，可保留缝线进行饲养。目前尚未研究动物在保留外科缝合钉或导管的情况下是否能良好适应此种特定的丰富环境设置。此外，我们目前正在研究此种特定丰富环境对老年动物寿命或健康寿命的影响。初步数据显示，10月龄的雌性C57BL/6小鼠对丰富环境的反应与年轻小鼠相似。丰富环境饲养的一个局限性在于动物设施空间中容纳如此大型饲养箱的需求，且最好安置于性别分隔的房间内。因此，未来在较小规模上开展丰富环境效应的研究，以及寻找易于清洁、耐受高温消毒且对动物健康安全的玩具，将有助于提升丰富环境在代谢与癌症研究中的应用价值。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
大型丰富化饲养箱（120 cm × 90 cm × 76 cm）	定制	定制	由聚丙烯制成，箱体边缘厚度为1.5 cm。
大型丰富化饲养箱替代品（120 cm × 110 cm × 76 cm）	Global Industrial	155202	如有需要，此饲养箱可作为上述饲养箱的替代选项。
Habitrail迷你管	Habitrail	62720；62705；62725；62715；62054	—
带托盘轮的塑料 igloo 屋	Bio Serv	K3327；K3250	—
金属跑轮	Super Pet	61392；61394；61396	—
曼萨尼塔木啃咬棒，3"	Bio Serv	W0016
小鼠隧道	Bio Serv	K3322	—
用于大型丰富化饲养箱中的小鼠笼具	Lab Products Inc	10027 小鼠笼	—
Cage Klenz 180 碱性笼具清洗洗涤剂，Cage Klenz 250 酸性洗涤剂	Steris Life Sciences	1K1802；1K2502	这些洗涤剂用于玩具、大型丰富化饲养箱及笼具的清洗。
Sporklenz	Steris Life Sciences	6526Q8	可作为清洗玩具、饲养箱和笼具时的替代性杀孢子剂/消毒剂，无需使用笼具清洗机。
Bed-O-Cobs 1/4" 垫料	The Andersons, Inc.	4B	玉米芯垫料直径为1/4"。
对照组小鼠使用的 Nestlets 垫料	Ancare		棉质方块