本方案介绍了简化型全身体积描记仪的构建与使用方法,用于无创监测细菌性呼吸道疾病的进展。
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本方案介绍了简化型全身体积描记仪的构建与使用方法,用于无创监测细菌性呼吸道疾病的进展。
疾病研究的替代动物模型需遵循负责任研究的“3R原则”。随着新技术的不断出现,人们经常重新审视动物模型的优化方法,以确保动物福利和科学认知能够同步发展。本文展示了简化型全身体积描记法(sWBP)在致死性呼吸系统类鼻疽疾病模型中无创研究呼吸衰竭的应用。sWBP具有足够的灵敏度,可在整个疾病进程中持续检测小鼠的呼吸情况,从而对濒死相关症状(如呼吸过缓和呼吸减弱)进行测量,并有望用于制定人道终点判断标准。
在呼吸系统疾病研究中,无创小动物整体身体描记法(sWBP)的优势之一在于,宿主呼出气体的监测是所有生理学检测方法中最能接近评估主要感染组织(即肺组织)功能障碍的一种手段。除了具有重要的生物学意义外,sWBP技术还具有快速、无创的优点,可最大限度地减少实验动物的应激反应。本研究展示了利用实验室自制的sWBP装置,在鼠类呼吸系统类鼻疽病模型中,全程监测呼吸衰竭过程中疾病进展的应用。
呼吸道细菌病原体常与肺部炎症反应相关,可导致肺组织病理学改变1,2。在临床环境中,肺炎的诊断通常包括痰液培养、血氧饱和度分析以及胸部X光检查。这些技术可被应用于小型动物感染模型,但其中仅血氧饱和度分析可在小鼠中实现对疾病严重程度的快速、实时评估。既往研究曾探讨将血氧饱和度(SpO2)作为监测呼吸系统疾病进展的方法;然而,在铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)感染模型中,濒死小鼠的SpO2读数却意外地偏高3,这并不符合预测性或濒死性疾病的预期表现,可能是因为小鼠能够调节其生理活动。因此,迄今为止尚未确定可用于小鼠细菌性呼吸道疾病的SpO2诊断阈值。
因此,本研究探讨了使用其他临床相关方法来检测肺部疾病对肺功能的影响,作为一种快速的生理学测量手段。简化式全身体积描记法(sWBP)提供了一种快速、无创的生物测量分析方法,可用于研究呼吸频率和深度。先前的研究已展示了如何在实验室中组装WBP设备4;然而,这些研究中所示的多个组件目前在市场上无法购得。此外,传统的WBP需要基于湿度和温度进行复杂的数据采集与处理5,6。因此,研究决定开发一种经每日校准以适应室温/湿度的简化WBP设备,并评估受试者自身温湿度对所测呼吸容积是否存在影响。为此,已构建一种改进的sWBP设备,其组件均采用目前可获取的材料。此外,还进一步研究了该实验室自制设备是否能够检测小鼠致死性呼吸道类鼻疽模型中,随疾病进展所引起的呼吸变化。
本研究构建的sWBP装置采用市售设备和软件,将模拟压力传感器数据转换为数字读出。压力传感器通过贯通式接头安装在密封的玻璃罐上。使用玻璃罐的优点在于其材料具有较高的结构刚性,能够抵抗罐内压力的变化,从而减少对呼吸监测过程中体积变化测量的影响。采样室被设计为在方形罐体的两个平面上各有一个端口,一个通过鲁尔接头接入腔室用于校准,另一个用于安装压力传感器。所选用的压力传感器配备高灵敏度的表压变送器,可检测微小压力变化(量程为25 mbar)。
本方案采用小鼠呼吸系统类鼻疽模型进行演示。Burkholderia pseudomallei(Bp)是类鼻疽的致病菌,该疾病与世界热带地区相关7。Bp存在于自然环境中,尤其存在于静止水体和潮湿土壤中,通常通过易感宿主皮肤的伤口或擦伤引起皮下感染。然而,Bp也可通过吸入感染,并可能通过气溶胶传播被用于生物恐怖主义,构成潜在威胁。虽然具有完全毒力的Bp菌株需在BSL-3实验室中操作,但此前已构建出一种无荚膜突变株,可在BSL-2条件下安全操作,且不列入高致病性病原体管控清单8。此外,已建立一种经气管插管介导的气管内(IMIT)感染模型,用于研究Bp引起的呼吸道疾病进展过程5,9。我们利用该感染模型,对疾病进展至濒死终点期间呼吸模式的变化进行了表征。
本文所述实验程序已通过路易维尔大学机构生物安全委员会(方案编号 #14-038)和机构动物护理与使用委员会(方案编号 #19567)的审查和批准。
1. 采样室的组装
2. 系统设置
3. 系统校准
4. 受试者监测
系统校准
数据分析软件支持对自定义流量头(例如本文所述的流量头)进行直接校准。该操作在设置肺量计流量时进行。如步骤3.1所述,软件提供输入已知校准空气体积的选项,从而计算系统内部电压与体积之间的相关系数。然而,这种方法仅基于单次读数生成相关系数,而实践表明,采用n=1的标准进行校准存在较大的内在变异,实用性较差。当前的方法可弥补这一不足,允许用户通过多次读数取平均值来进行每日校准,以计算校准系数。本文展示了注入20 µL空气进行校准的操作,该体积代表典型小鼠呼吸时的较高潮气量。软件默认设定原点截距为(0,0),因此采用此方法在0–20 µL范围内进行校准。
本文提出的sWBP方法每日进行校准,从而能够消除环境湿度/温度波动的影响。针对特定WBP的原始方法可追溯至1955年Drorbaugh和Fenn提出的技术,他们开发了WBP用于测量人类婴儿的通气量5。Drorbaugh和Fenn的计算方法考虑了环境及受试者自身温度和湿度的变化。当前的方法通过每次sWBP实验前进行校准,来校正环境波动的影响。然而,仍有必要探讨小鼠鼻腔/肺部对呼吸气体的加温加湿作用是否会影响已知空气体积的测量结果。因此,设计了一套人工装置,以模拟受试动物对校准空气的加温和加湿效应。将鲁尔接头连接至一个15 mL锥形管,并将该密封锥形管串联在样品室与无泄漏校准注射器之间。首先使用置于室温(23 °C)下的空锥形管进行20 µL的校准。随后,在锥形管中加入蒸馏水至鲁尔接头下方,使锥形管顶部空间有足够时间达到平衡,以研究湿度的影响;然后重新测量校准体积。接着将锥形管置于加热块中,在湿润环境中平衡至37 °C,最后在无水条件下同样平衡至37 °C,以评估受试者体温加热的影响,同时排除额外湿度的贡献。图2显示,所测试的各种条件均未对无泄漏注射器提供的20 µL校准体积产生显著影响。基于此结果,可以得出结论:sWBP为监测实验动物呼吸提供了一种便捷的方法,无需依赖于动物体温和湿度的复杂计算,因为这些因素对测得的呼吸容积并无显著影响。
受试者监测
sWBP 用于监测由细菌病原体引起的致死性呼吸道感染疾病期间的呼吸情况 B. pseudomallei监测清醒动物呼吸时面临的一个挑战是健康动物在样本舱内活动时表现出的好奇心。小鼠的移动会导致基线持续波动,这一问题可在测量前通过让动物在数天内预先适应样本舱环境而在一定程度上得到缓解。该问题主要影响健康小鼠的基线测量,因为在感染期间动物会变得迟钝,活动减少,从而使无创全身体积描记(sWBP)更易于操作。尽管可能有人考虑使用某种形式的限制措施,如物理束缚或麻醉,但物理束缚可能因引起应激而影响正常的呼吸模式;此外,已知麻醉剂会对呼吸频率和深度产生显著影响。10;因此,决定使用实验室自制的sWBP装置来研究麻醉的影响。异氟烷通常用于实施 体内 在感染模型期间进行诊断成像,因此对一只C57BL/6小鼠实施麻醉,并利用sWBP在其从麻醉中恢复期间持续监测病情进展。本试验采用一只4周龄的白化C57BL/6J小鼠,以延长麻醉后恢复的时间窗口。 图3 表明首选的麻醉剂会导致小鼠呼吸频率减慢,但潮气量较大。当小鼠开始从镇静状态恢复时,其呼吸频率增加,而呼吸容积减小,总体效应是吸入空气总量逐渐增加。在本项试验中发现,呼吸容积在停止麻醉后的前30秒内即恢复至麻醉前水平。呼吸频率持续上升,直至停止麻醉后2–2.5分钟恢复至基础呼吸水平。每分钟通气量的变化趋势与呼吸频率高度一致,在停止麻醉后2.5分钟内恢复至基础值。该结果支持在sWBP方法中不应使用麻醉,因为麻醉会显著影响基础呼吸状态;这并不意外,因为麻醉会减缓宿主代谢,从而降低对吸入氧气的需求。此外,还应在不同实验动物之间对样本室进行清洁消毒,以满足特定研究的感染控制要求,并避免尿液或粪便中信息素对动物间应激反应造成影响。
全身体积描记法(WBP)是一种以非侵入性方式监测呼吸系统疾病模型肺功能的有吸引力的策略。本研究采用sWBP来观察在致死性呼吸型类鼻疽感染期间呼吸模式的变化(图4),其时间点与肺部生物发光监测相对应。观察发现,该模型在感染后约3天出现濒死状态之前,早期即出现嗜睡症状,并以缓慢进展的方式持续存在。同时还观察到,小鼠的呼吸频率和每分钟通气量(即每分钟吸入的总空气量)在感染第一天内迅速下降,并在感染后续过程中持续保持在较低水平(图4A,C)。这种模式与早期出现并持续至感染后接下来两天的嗜睡症状一致。相比之下,呼吸容积在最初24小时内并未急剧下降,而是呈现轻微且稳定的减少趋势,在为期3天的病程中接近线性下降(图4B)。

图1:sWBP装置。 定制的样品室由一个带密封盖的方形玻璃罐制成,其两个平面上安装有贯通式接头。其中一个贯通式接头用于安装表压传感器,并连接至桥式放大器和数据采集设备的模数转换器。 通过 一个8针DIN接口。第二个舱壁安装了鲁尔接头,用于通过气密注射器进行校准。该设备连接至运行软件的计算机。 请点击此处以查看该图的放大版本。

图 2:受试者温度和湿度对呼出气体体积的影响。 将一个带有鲁尔接头的15 mL锥形管串联安装在20 µL校准注射器与样品室之间。系统在锥形管不额外引入温湿度影响的条件下校准至20 µL。其他测量数据是在锥形管与蒸馏水饱和湿度平衡后,以及/或者将锥形管从室温(23 °C)加热至体温(37 °C)后采集的。通过单因素方差分析(One-way ANOVA)结合Tukey多重比较检验,对每种条件进行n = 5次测量,未检测到显著差异。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:气体麻醉对小鼠呼吸的影响。 一只4周龄雌性白化C57BL/6J小鼠(8.6 g)使用含3%异氟烷的氧气镇静5分钟,随后转移至sWBP样品室。在停止麻醉后,采集150秒内的呼吸体积描记(Pleth)数据。该小鼠在停止麻醉后约100秒开始初步活动。(A) 麻醉前基线呼吸状态,测得呼吸频率为4.97 Hz,单次呼吸体积为9.74 µL,每分钟通气量为2.91 mL。(B) 麻醉恢复期间前60秒内呼吸变化情况。(A-B) 纵轴表示每次呼吸的体积(µL),横轴表示时间(秒)。(C-E) 在150秒麻醉恢复期间采集通气数据,每个时间点的数据均基于≥3个呼吸周期的平均值,分别对应(C) 呼吸频率、(D) 单次呼吸体积和(E) 计算所得的每分钟通气量。各图中均以水平虚线标示麻醉前的基线值。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:呼吸道类鼻疽感染对宿主呼吸的影响。 五只8周龄雌性C57BL/6小鼠感染了4.9 log CFU的发光标记的B. pseudomallei菌株JW270。在为期3天的感染过程中持续进行sWBP检测,测量呼吸频率(A)和潮气量(B)。总吸入气量以每分钟通气量(C)计算。五只动物的每项数据均独立绘出,并采用三阶多项式回归分析。请点击此处查看该图的放大版本。
sWBP 是一种有吸引力的方法,可增强对小型动物模型中呼吸道感染的理解。重要的是,这是一种非侵入性方法,因此在感染攻毒过程中不会对实验动物造成过度应激的显著风险。实际上,监测受试对象呼吸状况的操作是一种快速检测,仅需几分钟且对动物的干预极少。该方法的科学优势在于能够高分辨率地了解微生物病原体在疾病过程中如何影响肺功能。这一方法将为基础研究带来益处,有助于阐明病原体引发疾病的具体机制,同时也具有转化应用价值,可用于评估新型治疗手段如何使受试对象恢复至呼吸健康状态。
本研究中提供的代表性结果针对的是可引发早期嗜睡反应的病原体B. pseudomallei。并非所有细菌性肺部感染在小鼠感染模型中均表现出相同的临床特征。既往其他感染模型的研究经验表明,细菌性病原体Klebsiella pneumoniae在感染小鼠后直至死亡(通常在感染后约第3天)前均表现为无症状感染11。目前推测,机体对吸入空气的需求量(即每分钟通气量)可能与特定疾病所表现出的嗜睡程度密切相关。未来还需进一步研究以明确不同细菌性病原体在呼吸道疾病期间对肺功能的影响。已知不同病原体具有独特的逃避免疫防御机制,包括以下方面的差异:(1)作为胞内或胞外病原体的倾向性;(2)引发早期或晚期低体温反应的能力;(3)使用不同类型的毒力决定因子3,12,13。因此,不同疾病的致病策略可能导致感染期间对肺功能和呼吸产生独特的影响。
本方案中描述的推荐设置可根据sWBP过程中遇到的独特挑战进行调整。在sWBP记录过程中常见的问题之一是受试者在样本室内的活动。如前所述,这种活动会改变基线,从而影响呼吸测量的准确性。可通过使用数字滤波器来校正漂移的基线,从而在存在轻微移动的情况下仍能获得有效的呼吸测量数据。过度活动可能导致基线超出归零输入的测量范围。建议采用1 mV的记录范围(通道1设置),这可在观察体积描记法峰值的同时,避免数据超出量程而丢失。对于活动特别频繁的受试者,可能需要将记录范围扩展至>1 mV,以防止信号持续超出量程。
推荐的操作流程要求每天(或每次实验 session)进行校准,以适应环境温湿度的波动。传统的全身生物电阻抗分析(WBP)采用复杂的计算方法,需同时考虑环境及受试者的温度和湿度因素。5,6已证明,在当前的sWBP装置中,环境温度/湿度对校准源测得的呼吸容积无显著影响。因此,该sWBP方法在本质上不同于 >Drorbaugh 和 Fenn 50 年前提出的方法。在此,sWBP 直接将压力变化与测得的呼吸容积相关联,无需主机进行额外校正。
必须将实验动物的全身体积描记法(WBP)与临床WBP进行对比。sWBP试图采集的生物测量数据包括呼吸容积和呼吸频率。在临床上,这些测量通常使用简易肺量计设备完成,患者将呼吸监测器置于口部,并向监测气流的装置中正常呼吸。在实验动物中进行类似的肺量测定则需要对动物进行束缚,从而导致应激反应,并固有地干扰其呼吸模式。因此,简易肺量测定法在临床上可行,却不适用于实验动物。在临床应用中,WBP用于采集更高级的数据,例如肺残余容积等。此类数据的获取依赖于受试者能够遵从关于呼吸方式的指令,包括用力呼气(通过深呼气排空肺部)。实验动物无法可靠地遵从研究人员的呼吸指令,因此在临床WBP中获得的许多高级测量指标无法在实验动物中重现。实验动物的WBP与临床WBP在本质上是不同的。实验动物WBP旨在以非束缚方式采集基本的通气数据(呼吸频率和呼吸容积),以避免动物应激和呼吸干扰。迄今为止,实验动物中WBP的应用似乎复制了临床WBP所使用的技术,包括基于环境温度、湿度以及受试者体温和湿度的复杂计算,但却无法获取能够遵从用力呼气指令的受试者所产生的高级数据。鉴于此,本研究旨在验证简化版WBP是否足以采集与呼吸系统疾病研究相关的呼吸频率和呼吸容积数据。研究采用了一次校准流程,以补偿环境温度和湿度的任何变化。此外,通过人工小鼠模型证明,受试者的体温和湿度对呼吸容积的测量结果无显著影响。研究得出结论:sWBP在实验动物研究中具有良好的应用价值,且无需使用者对数据进行繁琐的数学处理。
本研究由美国国立卫生研究院COBRE资助项目P20GM125504-01子项目8246资助。
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