果蝇（Drosophila melanogaster）被广泛用于生物学和毒理学研究。为了拓展果蝇的应用价值，我们开发了一种名为串联麻醉阵列的仪器，该仪器可同时将多个果蝇样品暴露于挥发性全身麻醉剂（VGAs）中，从而能够研究VGAs的伴随效应（毒性与保护作用）。
本文内容
摘要
摘要
挥发性全身麻醉药（VGAs）在全球范围内被用于数百万不同年龄和健康状况的人群。需要高浓度的挥发性麻醉药（数百微摩尔至低毫摩尔浓度）才能实现对脑功能的深度且非生理性的抑制，这种状态在观察者看来表现为“麻醉”。如此高浓度的亲脂性药物所引发的全部附带效应尚不完全清楚，但已有研究注意到其与免疫-炎症系统之间的相互作用，尽管这些相互作用的生物学意义仍不明确。
为了研究挥发性麻醉药（VGAs）在动物体内的生物学效应，我们开发了一种称为串联麻醉阵列（SAA）的系统，以利用果蝇（Drosophila melanogaster）所提供的实验优势。SAA由八个腔室串联排列，并连接至一个共同的进气口。部分组件可直接在实验室中获取，其余部分可方便地自行加工或购买。其中，用于精确输送VGAs的蒸发器是唯一需要商业采购的部件。在SAA运行过程中，VGAs仅占流经系统气体环境的一小部分（通常不足5%），其余大部分（通常超过95%）为载气；默认载气为空气。然而，氧气及其他任何气体也可作为载气进行研究。
SAA相较于先前系统的最主要优势在于，它能够使多个果蝇群体同时暴露于精确可调剂量的挥发性全身麻醉剂（VGAs）中。所有腔室在数分钟内即可达到完全相同的VGA浓度，从而提供无差异的实验条件。每个腔室可容纳从单只到数百只果蝇。例如，SAA可同时检测八种不同基因型，或四种基因型在不同生物学变量下的表现（如雄性与雌性、老年与年轻）。我们已利用SAA在两种与神经炎症相关的果蝇实验模型——线粒体突变体和创伤性脑损伤（TBI）模型中，研究了VGAs的药效动力学及其药物遗传学相互作用。
引言
目前普遍认为麻醉药物存在伴随性麻醉效应（即那些并非立即显现但可能具有延迟性行为后果的效应），但对其机制和风险因素的理解仍处于初级阶段1，2。由于这些效应具有延迟显现和隐匿性的特点，在哺乳动物模型中于合理时间范围内并以可接受的成本开展研究时，能够考察的潜在重要变量十分有限。果蝇（Drosophila melanogaster）在神经退行性疾病研究3以及毒理学筛选4方面具有独特优势，但迄今为止尚未被应用于麻醉伴随效应的研究。
我们开发了串联麻醉阵列（SAA），以促进果蝇在麻醉药效动力学和药理遗传学研究中的应用。SAA的一个关键优势是能够同时将多个实验组暴露于完全相同的实验条件下。结合果蝇所具有的实验灵活性，SAA的高通量特性使得对生物和环境变量的探索达到了哺乳动物模型无法实现的规模。
原则上，SAA 仅是一系列相连的麻醉区域（由 50 mL 离心管制成的腔室），载气通过该系统输送挥发性麻醉剂。系统的第一个腔室含有蒸馏水，载气在此被加湿（果蝇对脱水敏感），系统末端配有简单的流量指示器，用于指示气体在系统中的流动情况。连接管开口处放置细网，将各个腔室隔开，以防止果蝇在腔室之间迁移。串联的腔室数量受限于非加压气体流动所遇到的阻力（来自管路和细网）。
我们在此前的出版物中表征了该SAA原型的动力学特性5尽管不同SAA之间的具体药代动力学特性可能存在差异，但已通过实验验证的相关基本特性如下：（i）初始气流为1.5–2 L/min时，可在数分钟内使所有腔室（总体积 ±2分钟内即可使550 mL气体达到所需的麻醉剂浓度；（ii）由于单个腔室（50 mL）内气体所含麻醉剂的量远超过任意数量果蝇的摄取量，因此输送至各腔室的麻醉剂蒸气浓度在首尾腔室之间无明显变化；（iii）一旦腔室达到平衡状态，可降低载气流速（50–100 mL/min或更低），以减少浪费并避免环境污染（挥发性麻醉剂具有温室气体特性）。维持蒸气稳态浓度所需的最小流速主要取决于SAA系统的密闭性，因为果蝇对蒸气的摄取量可忽略不计。在标准条件（2%异氟烷，载气流速1.5 L/min）下，阵列中所有位置的果蝇均在3–4分钟内进入麻醉状态（即不动），各位置间差异不明显。挥发性麻醉剂的给药时间可从数分钟至数小时不等，我们通常采用的暴露方案时长为15分钟至2小时。为清洗系统，可关闭蒸气发生器，同时维持气流以置换约10倍系统体积的气体（1.5 L/min持续5分钟）。麻醉剂清除速度将随设定的流速而变化。
挥发性麻醉剂与许多尚未明确的靶点相互作用，包括免疫-炎症系统6。目前对各个分子靶点在主要效应（“麻醉状态”）与伴随效应（长期及短期“副作用”）中所起作用的理解仍不充分。因此，尽管果蝇与哺乳动物之间存在明显差异，一种灵敏且高通量的果蝇实验系统对于指导高等动物的研究仍具有重要价值7。事实上，某些差异可能具有优势；例如，果蝇的免疫系统与高等动物不同，缺乏适应性免疫应答部分8。尽管这看似限制了其在人类疾病研究中的应用，但它为单独研究挥发性麻醉剂（VGAs）与先天性免疫-炎症反应的相互作用提供了独特机会，而不受适应性免疫的干扰9。这使得研究人员能够在不同遗传背景下，系统探讨挥发性麻醉剂对炎症的药理作用及其调控机制。
方案
注意：有关本实验方案中使用的所有材料的详细信息，请参见材料表。
1. SAA 的构建
- 按照图1A中的尺寸切割木材，并组装成框架。
- 改装50 mL锥形管盖。
- 使用9/32英寸钻头在每个管盖上钻两个孔。打磨孔边缘以去除毛刺的塑料。打磨管盖顶部以粗糙化表面（有助于胶水粘附）。
- 通过在5 mL移液管上刻痕并沿刻线折断的方式，将其裁剪至所需长度（进液管3英寸，出液管1.5英寸）。打磨裁断后移液管的末端。
- 将网状材料粘接到管子上（确保胶水有充分的干燥时间）。待胶水干燥后，将网状材料裁剪至与管子尺寸匹配。
- 将管子插入锥形管盖的孔中，使两根管子均伸出管盖上方约3/4英寸；确保进液管伸入锥形管内的长度长于出液管（图1B）。
- 在管盖顶部的管子周围涂抹胶水，以固定各部件（继续操作前需确保胶水充分干燥）。
- 将管盖固定到框架上，并布设管道（图1C）。
- 在框架上安装粘性线缆固定扣（中心间距为3.25英寸）。
- 使用扎带将管盖固定在框架上；剪短扎带尾端。
- 裁剪并连接适当长度（9英寸）的Tygon管，将其连接至每个改装后的管盖的进液管和出液管（图1D）。从上游端开始，先连接进液管，然后依次将前一个位置的出液管连接至下一个位置的进液管。
- 在最下游的“进液”端（位置10，图1E）添加一个流量指示器。
- 在第一个位置放置一个50 mL锥形管，并加水至略低于进液管的位置（图1F）。
- 准备与雾化器的接口。取出活塞，对两个10 mL分配用注射器切出凹槽（深1/2英寸 × 宽1/4英寸，图1G），然后将它们插入雾化器的进液口和出液口，使凹槽正对雾化器前方，以对准孔位（图1H）。可选：将改装后的注射器用胶水固定。若条件允许，可使用商用歧管（参见材料表中的一种选项）。
- 连接整个系统。使用Tygon管按以下顺序连接各组件：载气钢瓶配减压阀 > 气体专用流量计 > 雾化器 > SAA（图1C）。
- 在阵列的空置位置放置空的50 mL锥形管。打开气瓶，将流量计调节至~2 L/min，并将雾化器开启至0%。通过检查雾化器上游的流量计以及SAA最后一个腔室下游的流量指示器是否有气流，确认系统内气体流动。或者，可将下游管路末端插入水中，观察是否有气泡产生。
注意：由于系统未加压，若水柱高度超过几厘米，气流将被阻断。如果阵列下游末端无气流，请检查以下项目：雾化器必须开启以允许气流通过；检查气瓶减压阀和流量计是否允许气体通过；检查阵列各位置，确保管盖已拧紧；检查改装管盖上的胶水处是否存在泄漏。
图1SAA的构建 (A) 支撑 SAA 的木架示意图及尺寸。B) 改良盖帽的示意图横截面，标注尺寸，其进液管和出液管由5 mL血清移液管制成。 (C) 组装的SAA（改编自Olufs等）5) (D) 改良的50 mL锥形盖细节，显示流入管和流出管。E) 下游（位置10）出流口，带流量指示器。F) 上游（位置1）装水的管子用于加湿载气。红色箭头指示水位。G) 用于临时搭建流路系统的改良10 mL分液注射器。红色圆圈标示了位于8 mL与10 mL刻度之间（或1/2英寸×1/4英寸）的切口凹槽。HTec7 麻醉蒸发器后视图，显示改装后注射器的插入方式与方向。本图中仅安装一支注射器，以便在左侧显示需与改装注射器缺口对齐的孔（红色箭头）。注意：若此缺口与出气口未对准，将影响麻醉剂的正常输送。该部位是此自制系统的潜在薄弱环节。若条件允许，建议使用商用歧管系统。缩写：SAA = 串联麻醉装置。 请点击此处以查看此图的放大版本。
2. 麻醉暴露前
- 在麻醉暴露前 24 小时或更早时间，根据实验需要，使用首选方法（例如 CO2 或乙醚）对果蝇群体进行分选。
SAA 的操作
- 将果蝇从培养管转移至空的50 mL锥形管中（无需使用CO2）。
- 暴露前计数并记录任何死亡的果蝇。
- 打开装有果蝇的50 mL锥形管盖子，并将其旋紧至SAA装置上。
- 打开载气，调节至所需流速。
注意：我们通常使用1–2 L/min。 - 将麻醉蒸发器设置为所需浓度。
注意：我们通常对异氟烷使用2%，对七氟烷使用3.5%，这些剂量在哺乳动物中具有等效的麻醉效力10。 - 按所需时间暴露果蝇（最短时间：15分钟）。
注意：建议最少暴露15分钟，以避免SAA不同位置间麻醉平衡状态的潜在差异。在该系统中，麻醉剂在所有位置达到平衡需要2–3分钟。 - 暴露结束后，以1.5 L/min的新鲜气体流速（将蒸发器设为0%）冲洗系统5分钟，冲洗气体总体积约为SAA总容积的10倍。
4. 实验开始前的检查清单
- 完全打开高压减压阀（位于气罐顶部），然后回旋半圈关闭，以确保载气流动。
- 沿每条管路检查 i) 流量计和 ii) 蒸发器（确保进气口/出气口连接正确），以及 iii) 检查蒸发器中的麻醉剂液位。
- 将实验对象装入腔室后，通过气泡测试或流量指示器检查空气/气体是否正常流动。
注意：部分蒸发器在旋钮处于关闭位置时不允许空气通过。 - 当气体流动时，确认流量计和下游流量指示器均显示有气流。
- 实验结束时，保持 4–5 分钟的气流，以清除残留麻醉剂。
结果
SAA 视频链接如下：Perouansky 研究方法 - 麻醉学系 - 威斯康星大学麦迪逊分校 (wisc.edu) (https://anesthesia.wisc.edu/research/researchers/perouansky-laboratory/perouansky-research-methods/)。本实验室已将 SAA 用于：(i) 研究基因型对麻醉药行为敏感性的影响5；(ii) 筛查线粒体突变体中麻醉药的伴随效应11；以及 (iii) 研究异氟烷和七氟烷在创伤性脑损伤（TBI）结局中的药效动力学12,13,14,15,16,17。已发表的结果明确表明，遗传背景会影响临床常用吸入性全身麻醉药（VGAs）的药效动力学，涉及传统麻醉表型、麻醉药毒性伴随效应以及组织保护等多个方面5,11,13,14,15。
代表性示例1（图2）：通过可重复的实验条件检测到对异氟烷毒性的恢复力中存在遗传漂变
在分别培养的ND2360114果蝇中观察到挥发性麻醉药（VGA）诱导死亡率的渐进性定量变化，这一发现体现了利用SAA在不同实验组之间可靠比较麻醉药效动力学的实用性。ND23是编码线粒体电子传递链复合体I核心亚基的基因（相当于哺乳动物中的Ndufs8）18。该亚基的突变是Leigh综合征的致病原因，而Leigh综合征是一种致命的线粒体疾病。我们在多个同时于标准实验室条件下培养（即未暴露于挥发性麻醉药）的纯合ND2360114品系中，观察到异氟烷诱导的死亡表型随时间推移逐渐减弱。这种对异氟烷毒性的进化适应是在完全未接触挥发性麻醉药的情况下发生的，可能是突变品系内部“适者生存”过程的伴随效应。若非我们确信各次实验之间以及随时间推移实验条件保持一致，这种异氟烷敏感性的渐进性变化将难以被识别。我们推断，自然选择倾向于筛选出能够修饰ND2360114效应的遗传因子，从而偶然增强了对异氟烷毒性的恢复力。鉴于中枢神经系统中的炎症在Leigh综合征发病机制中起重要作用，所观察到的抗性进化可能源于先天免疫-炎症反应的适应性改变，而对异氟烷毒性的抗性则为这一过程的偶然副产物。
图2：在进化压力下，ND2360114 果蝇中异氟烷毒性诱导死亡率的变异。从单一果蝇群体中通过单对交配分离出的七个品系（A–G），经扩增后，在10至13日龄时暴露于2%异氟烷2小时，测定其24小时死亡率（PM24），结果显示来自同一群体的品系间表型存在差异。数据以箱须图表示。箱体表示数据的第二和第三四分位数，须线延伸至最小值和最大值。均值和中位数分别用“+”号和横线表示。各个重复实验的死亡率百分比（N）以圆圈表示。N = 每品系3–4瓶，每瓶20–50只果蝇。普通单因素方差分析的P值；p = 0.012，表明各组均值间存在显著差异。请点击此处查看该图的放大版本。
代表性示例 2（图3高通量应用SAA揭示遗传背景对异氟烷药效动力学影响的示意图
作为该系统高通量特性的示例， 图3 说明在创伤性脑损伤（TBI）前接受相同时间的异氟烷暴露（15 分钟 2% 异氟烷）所产生的效应16一种在该果蝇模型中检测麻醉预处理（AP）的实验方案13,15,19。检测指标为创伤性脑损伤（TBI）后24小时的死亡率，已校正自然损耗（MI）24）。在此模型中，所有果蝇在创伤性脑损伤（TBI）后30分钟内均恢复活动能力（即存活），并在MI中记录到的死亡率24 是继发性脑损伤（sBI）的结果。在四组果蝇品系中，使用异氟烷的麻醉后处理减轻了脑损伤程度24 在不同程度上表明，对 AP 的反应性是一种数量性状。由于炎症反应是 sBI 所致发病的重要因素，AP 可能涉及免疫系统的调节20.
图 3：遗传背景对异氟烷预处理抑制死亡率（MI24）的影响。 使用 2% 异氟烷处理 15 分钟（紫色）可显著降低 w1118 和 y1w1118 品系果蝇在 24 小时内的死亡率指数（MI24）（p < 0.0001 和 p = 0.036，分别）。在预处理的 Oregon R（OR）和 Canton S（CS）品系中，MI24 未表现出显著降低（p = 0.16 和 p = 0.27，分别）。数据以箱须图表示。方框表示数据的第二和第三四分位数，须线延伸至最小值和最大值。均值和中位数分别用“+”和横线表示。各重复实验（N）的 MI24 值以圆圈表示。TBI 处理组果蝇为每瓶 30–40 只，共 15–33 瓶；未处理对照组为每瓶 30–40 只，共 2–15 瓶。P 值来自非配对双尾 Student's t 检验。请点击此处查看该图的放大版本。
讨论
构建SAA时的关键步骤包括确保各部件紧密连接，以防止麻醉气体混合物泄漏。SAA必须置于通风橱中，以避免实验室空间受到污染。应按照清单中的说明，检查从载气气瓶到SAA下游流量指示器之间的所有组件。
向果蝇施用挥发性全身麻醉剂（VGAs）的其他方法操作复杂（如醉酒计）21，通量较低22，无法同时暴露多个种群23，不能精确控制麻醉剂浓度21，或其读数难以转化为临床公认的术语24。
目前的SAA版本依赖于商用蒸发器，因此毒理学研究仅限于挥发性麻醉剂。如果将蒸发器与其他挥发性物质合用，可在校准输出后“超说明书”使用"off label"。或者，也可采用其他不同的挥发性物质蒸发方法，但这需要专门的测量手段来滴定药物浓度，如先前所述25。
除了流量指示器外，系统没有其他报警装置（例如，当储液罐排空时，SAA 中的流体流动将被中断）。根据使用频率的不同，SAA 可能需要进行清洗、紧固，或更换聚四氟乙烯（Tygon）管路。我们在 7 年的使用期间，对原始的 SAA 进行了两次"维护"。
这种麻醉果蝇的方法使得研究人员能够在高通量系统中利用果蝇（Drosophila）研究所特有的遗传工具箱。多个不同群体（例如基因型、年龄、性别）的果蝇可以同时暴露于相同的麻醉剂浓度下，并可根据具体研究问题选择合适的载气（如空气、O2、N2O、稀有气体）组合。
我们在此表明，SAA 有助于揭示 ND2360114 果蝇品系对异氟醚毒性的恢复力出现的意外变化，并且标准实验室果蝇品系对 AP 的反应性存在差异。 之所以能够发现这些结果，得益于对实验条件的严格控制以及 SAA 的高通量特性。
SAA 可以被调整用于研究其他挥发性有机化合物（VOCs）对昆虫（例如蜜蜂）的影响。对于蒸气压接近挥发性麻醉剂（如异氟烷：20 °C 时为 240 mmHg）的 VOCs，可以使用常规蒸发器，但需要对其输出进行校准。商用的地氟烷蒸发器具有加热功能，可能提供额外的灵活性。
披露
作者声明无任何利益冲突。
致谢
我们感谢威斯康星大学麦迪逊分校麻醉学系Pearce实验室的Mark G. Perkins，他协助构建了SAA原型。本研究工作由美国国家普通医学科学研究所（NIGMS）通过项目R01GM134107以及R资助。&威斯康星大学麦迪逊分校麻醉学系#38;D基金
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 序列麻醉装置阵列： | |||
| 5 mL 刻度移液管 | Fisher Scientific | 13-676-10C | 聚苯乙烯材质，5 mL 刻度移液管 |
| 50 mL 锥形离心管 | Fisher Scientific | 1495949A | 聚丙烯材质，50 mL |
| 扎带安装垫板 | Grainger | 6EEE6 | 1.25 英寸长 × 1 英寸宽 × 0.28 英寸高 |
| 分配式注射器 | Grainger | 5FVE0 | 10 mL，带鲁尔锁接头 |
| 织物网状网 | 1 mm 网孔 | ||
| 流量指示器 | Grainger | 8RH52 | 连接尺寸为 5/16 至 1/2 英寸，叶轮式 |
| Tygon 软管 | Tygon | E-3603 | 内径：5/16，外径：7/16，壁厚：1/16 |
| 木制框架 | 10 英尺长，2 英寸 × 3/4 英寸 | ||
| 扎带 | >5 英寸 | ||
| 蒸发器接口（经济型歧管替代方案）： | |||
| 分配式注射器 | Grainger | 5FVE0 | 10 mL，带鲁尔锁接头 |
| 商用歧管与蒸发器： | |||
| 1/4 英寸等径带刺 Y 型接头 | Somni Scientific | BF-9000 | |
| 1/8 英寸 NPT 转 1/4 英寸带刺弯头（塑料） | Somni Scientific | BF-9004 | |
| AIR 0–4 LPM 流量计，黑色旋钮 | Somni Scientific | FP-4002 | |
| 流量计辅助安装支架 | Somni Scientific | NonInvPart | |
| 医用空气接头，1/8 英寸 NPT 阳螺纹 × DISS 阳螺纹 | Somni Scientific | GF-11012 | |
| TT-2 台式麻醉系统，内置双分流阀系统，包含 6 英尺彩色编码软管 ×2（不含蒸发器） | Somni Scientific | TT-17000 | |
| Tec 7 异氟烷蒸发器 | GE Datex-Ohmeda | 1175-9101-000 | 特异性麻醉剂蒸发器（异氟烷） |
| Tec 7 七氟烷蒸发器 | GE Datex-Ohmeda | 1175-9301-000 | 特异性麻醉剂蒸发器（七氟烷） |
参考文献
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