孕期大鼠游泳训练方案及护理方法

摘要

本文介绍了一种明确的大鼠繁殖方法、游泳训练程序以及训练后对妊娠大鼠的产后护理方案。该方案为研究妊娠期间母体运动对子代的影响及其潜在机制提供了动物模型。

摘要

健康与疾病发育起源理论强调了早期环境对糖尿病、心血管疾病和癌症等慢性非传染性疾病的影响。利用动物模型的研究已探讨了母体营养不良、营养过剩、肥胖以及接触化学物质或缺氧等因素如何影响胎儿发育和子代健康，导致低出生体重、高血压、血脂异常和胰岛素抵抗等问题。鉴于育龄女性中超重和肥胖的 prevalence 不断上升，有效的干预措施至关重要。妊娠期间的母体运动已成为一种关键干预手段，不仅有益于母亲，也有利于子代，降低疾病风险。本研究比较了三种妊娠大鼠运动模型的差异：自主转轮跑动、电动跑台和游泳。其中游泳因其安全且可控的运动强度而成为最有益的选择。本方案详细描述了大鼠繁殖方法、妊娠期间游泳训练以及产后护理流程。该模型适用于多种大鼠和小鼠品系，可用于研究母体运动对子代健康及代际健康的益处。

引言

健康与疾病发育起源（Developmental Origins of Health and Disease, DOHaD）概念在过去二十年中逐渐形成，表明生命早期发育阶段的环境影响会改变个体日后发生慢性非传染性疾病（NCD）相关病理生理过程的风险，尤其是糖尿病、心血管疾病以及某些类型的癌症¹。在胎儿发育可塑性最强的阶段，子代暴露于宫内环境之中，基因与环境的相互作用以及子宫胎盘灌注是胎儿程序化重编程的关键因素²。以往的研究主要利用动物模型探讨妊娠期间母体营养不足、营养过剩或肥胖，以及产前接触化学物质或缺氧等不利因素对胎儿发育及子代长期表型的影响³。这些因素可导致低出生体重及后续生长异常，并对子代产生不良影响，包括血压升高、脂质代谢紊乱和胰岛素抵抗⁴。由于育龄女性中超重和肥胖的发生率正在迅速上升，迫切需要建立有效的干预措施，以防止这些有害母体状况的代际传递，这对人群健康具有重要意义^5,6。

运动长期以来一直被视为预防和治疗2型糖尿病、高血压以及多种其他疾病的重要手段⁷。孕期运动不仅对孕妇具有益处，还能对子代产生积极影响，从而减少疾病从母亲向子代的传递⁸。多年的研究已证实运动的安全性及其显著益处，包括显著降低妊娠期常见疾病如妊娠期糖尿病的发生率^9,10。然而，在保障母婴安全的前提下，实施运动训练以及产后哺乳期干预方案仍面临挑战。

David¹¹ et al. 描述了适用于心血管健康研究的动物运动模型。三种常用的运动模型——自主转轮跑、电动跑台和游泳——各有优缺点。自主转轮跑能较好地模拟大鼠的自然运动行为，使其能够按照自身的昼夜节律进行活动。然而，这种运动方式对强度和持续时间的精确调控较为困难。电动跑台可以控制运动的强度、运动量和持续时间，但有时需要使用电刺激，可能引发动物的生理和心理应激反应。由于大鼠具有天然的游泳能力，游泳在啮齿类动物研究中被广泛采用，同时还能避免电刺激或对足部及尾部造成的机械性损伤¹²。在产前运动模型的研究中^13,14，游泳是一种常用的运动方式。随着妊娠进展，大鼠腹部逐渐膨大，跑台和转轮跑运动可能导致腹部反复接触坚硬表面。相比之下，游泳所处的水环境具有浮力作用，可降低妊娠动物发生运动相关损伤的风险。

本方案介绍了大鼠的繁殖方法、妊娠期间进行游泳训练的操作步骤，以及训练后对妊娠大鼠的产后护理规程。这种妊娠期游泳训练模型可应用于多种大鼠和小鼠品系，因此可为未来利用动物模型开展的研究提供一种有价值的啮齿类模型，用于探讨母体运动对子代健康有益作用的调控机制，以及跨代运动益处的相关机制。

方案

本文所述所有方法均经北京体育大学动物伦理委员会批准，并依照美国国立卫生研究院（NIH）指南、中国动物保护法律法规及机构相关规定执行。

1. 大鼠的交配与饲养

1. 购买10周龄SPF级Wistar雌性大鼠和11周龄SPF级Wistar雄性大鼠。
2. 实施适应性喂养：喂养Wistar大鼠 随意摄取 使用标准啮齿类动物饲料喂养，并在指定饲养设施中提供自来水，适应一周时间。确保所有大鼠饲养在12小时光照-黑暗循环条件下，温度恒定为22 °C，相对湿度为45-55%。
3. 检查雌性大鼠的动情周期。
   1. 准备设备和材料，包括洁净的玻璃显微镜载玻片、直径2 mm的棉签、生理盐水（0.9% NaCl）和显微镜。
   2. 用日期和大鼠编号标记每张显微镜载玻片。
   3. 下午6点至7点之间，为尽量减少应激反应，需轻柔地固定雌性大鼠。用拇指和食指捏住尾根部，同时用其余手指对大鼠腰椎施加压力。
   4. 抬起尾巴末端，暴露阴道口。用生理盐水润湿棉签，将棉签尖端插入阴道内，轻轻旋转以采集阴道分泌物。
   5. 将拭子尖端在载玻片上滚动涂抹，避免在同一区域重复涂抹。
   6. 在显微镜下观察涂片，使用低倍物镜（10x）定位并观察细胞。
      注意：在动情期，阴道分泌物中较大的上皮细胞核消失，被积累成堆的鳞状脱落角化上皮细胞所取代。
   7. 记录每只大鼠的动情周期阶段。
4. 晚上7点至8点之间，将一只雄性大鼠和一只雌性大鼠放入交配笼中。
   注意：用于交配的雌性大鼠需处于动情前期或动情期。
5. 第二天上午7至8点之间，检查交配笼内是否有交配栓。若在交配笼底部发现交配栓，则按照步骤1.3.4–1.3.6所述方法，对雌性大鼠制备阴道分泌物涂片。
   注意：交配栓是由雄性大鼠精囊和前列腺分泌物与雌性阴道分泌物混合后形成的乳白色或微黄色凝胶状物质。
6. 确认雌性大鼠的妊娠状态： 在交配笼中发现交配栓后，观察阴道分泌物涂片中的精子。将这一天定为妊娠第1天（GD1）。
7. 将怀孕的大鼠隔离至单独的笼子中。
   注意：在妊娠初期，必须防止怀孕大鼠接触环境中陌生雄性个体的化学信号，或与陌生雄性大鼠同笼饲养。
8. 大鼠的妊娠期通常持续21至23天。从妊娠第1天（GD1）到第20天（GD20）测量并记录大鼠的体重。
9. 在妊娠第20天，将怀孕大鼠的笼子更换为清洁的笼子，并在笼内放置医用吸水棉（大小与大鼠相近）。提供足量的食物和水，满足七天的生存需求，并将笼子置于安静处。
   注意：大鼠分娩后至少 1 周内不要更换笼具。更换至清洁笼具时，需将脏笼中使用过的吸水棉转移到新笼中，以确保大鼠能够识别其后代的气味。
10. 第21天^st 产后第1天，按性别将后代分笼饲养，分别置于两个笼子中。
    注意：由于21日龄子代体型较小，需将硬质饲料颗粒放入玻璃培养皿中，再置于笼内。

2. 产前游泳训练方案

1. 对所有实验用雌性大鼠进行为期5天的适应性训练。
   1. 准备一个高度至少为20 cm的透明塑料容器，并加入10 cm深、温度为34 ± 1°C的水。
   2. 抓住大鼠尾尖将其提起，然后将其放入水中。
   3. 在15分钟的适应性训练期间，每5分钟密切监测一次水温，并添加温水以维持温度。
   4. 训练结束后，将大鼠转移至另一容器中温度为34 ± 1°C的清洁水中清洗毛发，随后将其放入铺有毛巾的笼子中，并使用吹风机将毛发吹干。
      注意：噪音和高温环境可能引起大鼠应激反应。因此，建议使用可调节温度且运行安静的吹风机。
   5. 将大鼠妥善送回各自的笼中。
2. 大鼠交配（按步骤1.3–1.6操作）。
3. 在完成步骤1.7后，将妊娠大鼠随机分为静息对照组（SED）和运动组（EX）。
4. 每次训练前每日称量大鼠体重。
   注意：在适应性训练期间，大鼠每日体重减轻不应超过3 g。在产前训练期间，大鼠体重应逐渐增加。若大鼠每日体重减少超过3 g，应将每日训练时间减少50%，以利于恢复。
5. 对EX组大鼠从妊娠第1天（GD1）至妊娠第20天（GD20）进行产前游泳训练，每周6天，每天上午8:00至9:00。
   1. 准备一个直径为50 cm、最小高度为50 cm的圆形水桶，加入40 cm深、温度为34 ± 1°C的水。
   2. 从GD1至GD5，初始游泳训练时间为每天20分钟，并逐步增加至每天60分钟。
   3. 从GD6至GD20，继续每天训练60分钟，每周6天。
   4. 后续护理参照步骤2.1.4–2.1.5。
   5. 运动结束后，给予EX组大鼠5 g啮齿类专用葵花籽，以提供营养支持。
6. 在EX组每日训练期间，将SED组大鼠置于与适应性训练相同的水环境中（见步骤2.1.1），使其在水中停留的时间与EX组相同。运动结束后，给予SED组大鼠5 g啮齿类专用葵花籽，以提供营养支持并安抚情绪。
7. 每次游泳训练结束后，使用紫外线对所有设备（包括水桶和毛巾）进行清洁和消毒。

3. 胎儿的生理特征

1. 在妊娠第20.5天上午，使用3%异氟烷麻醉雌性大鼠，并在CO₂窒息箱中实施安乐死。
2. 使用手术刀在大鼠下腹部做切口。确保切口向腹部两侧倾斜，以充分暴露子宫。
3. 使用镊子和剪刀小心打开子宫，暴露胎鼠和胎盘。用镊子轻轻分离包裹胎鼠的薄层羊膜，避免使用剪刀时对胎鼠和胎盘造成损伤。
4. 用无菌纱布清洁胎鼠身体，去除血液和黏液。根据解剖位置依次分离胎鼠和胎盘，然后称重。
5. 观察肛门与生殖器之间的距离以判断胎鼠性别。雄性胎鼠的距离大于雌性。记录胎鼠性别及数量，以供后续参考。
6. 将胎鼠平放后使用游标卡尺测量其体长。由于胎鼠仍有生命活动，解剖后可能蜷缩，因此需将其身体展开后再进行测量。
   注意：为确保实验结果的一致性及测量方法的统一，整个实验过程由同一名实验人员按照相同标准操作。胎鼠按照机构推荐的指南实施安乐死，必要时采集组织样本用于进一步分析。

结果

在大鼠繁殖方法部分（图1）中，我们通过制备阴道分泌物涂片来确定雌性大鼠的动情周期，以提高繁殖成功率。大鼠的动情周期持续4-5天，包括动情前期、动情期、动情后期和动情间期。处于动情后期或动情间期的雌性大鼠会表现出远离雄性等行为；而处于动情期的雌性大鼠则愿意交配，且其排卵大多发生在动情期末段。在动情前期，阴道涂片样本主要含有有核上皮细胞，偶见角化细胞；在动情期，阴道涂片主要由成堆聚集的角化鳞状上皮细胞组成，且动情后期所见的上皮细胞肿大细胞核已消失；在动情后期，阴道涂片主要含有白细胞及少量角化上皮细胞；动情间期的特征是白细胞占主导，偶见有核上皮细胞和角化上皮细胞（图1A）。

交配栓是由阴道分泌物和精液组成的凝胶状物质。雌性大鼠形成交配栓以防止其他雄性大鼠再次交配，同时堵塞雌性大鼠的阴道，防止雄性大鼠的精子流出。交配栓的存在并不一定表示成功配种，而仅表明发生了交配行为。因此，有必要在交配后的第二天早晨再次对雌性大鼠进行阴道涂片检查。若在阴道涂片中观察到精子，则表明配种成功。从这一天起，密切监测雌性大鼠的体重变化非常重要，若体重逐渐增加，则提示可能成功妊娠。如果在交配后两天内未形成交配栓，或虽形成交配栓但在涂片中未观察到精子，建议更换雄性大鼠并重新尝试配种。通过在显微镜下检查阴道分泌物涂片，我们可以确定雌性大鼠动情周期的阶段，并选择处于动情前期和动情期的个体用于配种。妊娠大鼠被随机分配至静息组（SED）或运动组（EX），运动组从妊娠第1天（GD1）至妊娠第20天（GD20）进行游泳训练（图1B）。为了观察大鼠交配后形成的交配栓，我们使用一种专门设计的大鼠交配笼。该交配笼由底托盘、金属网底、无底笼架以及金属网笼盖组成（图1C）。

分娩前，怀孕的大鼠可能会表现出筑巢行为（图1E），利用周围环境中的材料为后代构建一个舒适温暖的巢穴。建议在妊娠第20天（GD20）将怀孕大鼠转移至新的清洁笼具时，根据大鼠体型放入适量的脱脂棉。为了研究幼鼠，需将其饲养至特定年龄。大鼠通常在出生后约21天断奶。因此，在出生后的第21天，需按性别将幼鼠（图1F）分开进行单独饲养。大鼠性别的鉴定方法是观察生殖器与肛门之间的距离：雄性大鼠该距离较大，且在生殖器与肛门之间有毛发；雄性生殖器更为突出明显；而雌性大鼠的乳头则比雄性更明显。

建议在大鼠妊娠期间从妊娠第1天（GD1）到妊娠第20天（GD20）每日进行称重并记录（图2）。大鼠体重在妊娠期间应逐渐增加（图2A），每日体重应与前一天的体重进行比较。这一点至关重要，因为大鼠在发生流产之后往往会吞食其胚胎，仅通过观察难以察觉。此外，监测大鼠体重有助于识别过度运动的情况。如果大鼠体重减少超过3 g，则当天的运动训练时间应减少50%。在GD20.5时，解剖妊娠大鼠以获取胎鼠和胎盘，胎儿体重与胎盘体重的比值定义为胎盘效率（图2B）。将胎鼠侧放，使用直尺测量从头部顶端至臀部末端的长度，以获得胎鼠体长（图1G和2C）。

图1：大鼠妊娠模型。（A）不同动情周期阴道涂片结果、大鼠交配栓图像，以及交配后第二天阴道涂片中精子的存在情况。（B）产前游泳训练方案示意图。（C）大鼠交配笼的整体视图。（D）妊娠大鼠游泳训练的照片，显示所用水桶的直径。（E）大鼠筑巢行为。（F）21日龄大鼠雄性和雌性生殖器官的不同外观。（G）胎鼠和胎盘的外观，以及测量胎鼠体长方法的示意图。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2：孕鼠体重及其胎儿生理特征。（A）SED 组与 EX 组孕鼠从妊娠第 1 天（GD1）至妊娠第 20 天（GD20）的体重变化（每组 n = 9）。（B）两组间胎盘效率的差异。（C）SED 组与 EX 组胎儿体长的变化情况。请点击此处查看该图的放大版本。

图3：妊娠雌性大鼠不同运动方法的比较。 妊娠雌性大鼠不同运动方法的优缺点：自主跑轮运动（VWR）、电动跑台（MT）和游泳（SWIM）。请点击此处查看该图的放大版本。

图4：游泳运动训练方案。(A) 使用雌性Wistar大鼠进行的交配、妊娠、游泳运动、分娩及哺乳全过程，对应实验方案步骤1.1–1.10。(B) 妊娠期间游泳训练过程，对应实验方案步骤2.1–2.6，包括适应性训练和正式训练。整个过程中水温维持在34 ± 1 °C。适应性训练期间水深为10 cm，正式训练期间，SED组水深为10 cm，EX组为40 cm。请点击此处查看该图的放大版本。

表1：妊娠期大鼠游泳训练及产后护理中可能出现的问题及其解决方案。 请点击此处下载该表格。

表2：妊娠期雌性与雄性大鼠或小鼠运动方案的比较分析。 MT：电动跑台；VWR：自主跑轮；MLC：最大负荷能力测试。请点击此处下载该表格。

讨论

本研究旨在建立一种可行的妊娠期大鼠运动方案，包括详细的大鼠交配方法、游泳训练方案以及用于评估胎儿生理指标的研究方法。通过实践，我们已建立了一种产前游泳运动训练模型，并针对方案中可能出现的潜在问题提供了相应的解决方案（表1）。该方案将更具实用性，有助于研究人员建立产前运动模型。

我们的研究结果表明，采用我们设计的大鼠妊娠期游泳训练方案不会干扰大鼠正常的妊娠过程，也不会导致不良妊娠结局。通过检测流产率和每窝仔鼠数量，评估了产前运动对大鼠妊娠结局的影响。研究得出结论：产前运动对这些因素未产生显著影响^15,16。为了研究胎儿情况，研究人员在妊娠第20.5天（GD20.5）解剖妊娠大鼠以获取胎儿样本。解剖过程中需收集胎儿和胎盘，并准确记录每窝后代数量，以确定妊娠结局，这要求统计胎儿数目并测量胎儿体长。此外，胎盘效率定义为胎儿体重与胎盘体重的比值，因此需要同时测量胎儿和胎盘的重量。我们先前的研究结果表明，产前运动对胎儿体长无显著影响，但在高血压运动组中，胎盘效率相较于高血压对照组显著提高¹⁵。母体行为^13,17可作为评估妊娠期间运动对母体影响的指标。因此，流产率、每窝仔鼠数量、胎儿体长和体重、胎盘效率以及母体行为等指标可用于评估妊娠期运动对胎儿 结局的影响。因此，我们建议在构建妊娠运动模型时采用我们的实验方案，以避免对实验动物造成不必要的伤害。

自从DOHaD理论提出以来，人们更加重视探索生命早期环境因素对个体健康的影响¹⁸。已有大量研究利用动物模型探讨起源于胎儿期疾病的潜在病理生理通路¹⁹。由于包括孕期运动在内的啮齿类动物模型能够成功模拟这一过程，目前正通过多种动物模型研究不同类型的运动对各种胎儿源性疾病的干预效果²⁰。常见的运动干预方法包括自主跑轮、跑步平台、负重攀爬装置以及游泳方案。肥胖、糖尿病和高血压均为常用的动物模型²¹。通过对不同研究中所采用的运动方法进行分类与比较，可以看出各种运动方案各自具有不同的优势与局限性^{15,16,21,22,23,24}（图3 和 表2）。

本方案详细阐述了大鼠妊娠控制、游泳运动方案的实施以及胎鼠和子代的评估方法。通过精确控制大鼠的交配行为，可更准确地估算妊娠持续时间，从而实现在妊娠期间进行运动干预，并建立用于研究产前运动的动物模型。在妊娠第21天，可解剖获取胎鼠和胎盘样本，以评估母体妊娠期活动对胎盘功能和胎儿发育的跨代影响。此外，妊娠期运动大鼠的子代被饲养至成年甚至老年阶段，以研究这些效应所涉及的长期生理与病理过程。

在为大鼠设置游泳训练方案时，需要注意它们可能会通过躲藏在角落、爬出水池、攀附其他大鼠，甚至依靠皮毛中的气泡漂浮等方式来逃避游泳。为防止这些行为，游泳池应采用塑料材质并设计为圆柱形。池中水深应超过大鼠体长（从鼻尖到尾端）的1.5倍，水深原则上应超过50 cm，水面面积应足够大，以确保大鼠能够自由无限制地游泳。为每只大鼠提供至少1000 cm²的最小游泳空间至关重要¹¹。因此，我们设计了一种游泳训练装置，由一个高55 cm、直径50 cm的桶构成。在游泳训练过程中，水位应保持在40 cm，水面直径为45 cm。此外，水温应维持在34 ± 1°C。该装置适用于单只大鼠同时进行训练。对妊娠期大鼠进行游泳训练时，应逐步增加训练强度，以帮助其适应运动和水环境；突然增加强度可能引发应激反应，进而增加流产风险。同时，建议每周至少安排一天休息，以防止运动引起的疲劳。

我们先前关于妊娠期间运动的研究²⁵所采用的动物模型包括自发性高血压大鼠（SHR）以及血压正常的Wistar Kyoto（WKY）大鼠对照组，这使得本实验方案中的运动程序同样适用于高血压大鼠或其他疾病模型。我们的研究已发现，妊娠期间的运动显著降低了3月龄高血压子代的血压水平，并且产前运动对降低心血管反应性具有重要影响¹⁴。此外还发现，母体运动可诱导L型电压门控Ca²⁺通道α1C亚基（Cacna1c）基因、血管紧张素II 1型受体（Agtr1a）基因以及NADPH氧化酶-4（Nox4）基因发生表观遗传学修饰，从而改善高血压子代的血管功能^14,25,26。

多种因素可能影响大鼠的生殖过程。大鼠的年龄、健康状况、精子活力、雌性大鼠的动情周期，以及繁殖环境中的温度、湿度和光照变化均会影响交配行为。此外，繁殖期间的室内噪音和振动可能导致高血压大鼠躁动、引发流产或拒绝产后哺乳。因此，在繁殖期间使用隔音棉覆盖动物笼具，以减轻这些影响。

本方案中，我们提供了关于大鼠交配方法、妊娠大鼠游泳运动方案、妊娠大鼠产后护理、子代大鼠饲养方法以及胎儿体征观测技术的全面指导。我们的研究结果有助于探讨母体运动的跨代遗传效应，并展示了一种合理且有效的研究路径。我们的目标是在运动生理学领域建立一种适用于孕妇的有效游泳运动模型，以支持该领域的后续研究工作。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
游标卡尺	三丰精密量仪（上海）有限公司	530-101 N15	胎儿解剖
圆形水桶	纳利雅	N/A	大鼠游泳
实验手术器械	深圳瑞沃德生命科技有限公司	SP0001-G	胎儿解剖
玻璃显微镜载玻片	江苏世泰实验器材有限公司	80312-3161	阴道涂片
玻璃培养皿	默克生命科技	BR455751-10EA	子代饲养
吹风机	松下	EH-WNE5H	游泳后护理
信息卡	中科生命科学	SS3	大鼠交配
异氟烷	深圳瑞沃德生命科技有限公司	R510-22-10	胎儿解剖
光学显微镜	奥林巴斯	IX71-F22PH	阴道涂片
交配笼	中科生命科学	SS3	大鼠交配
医用吸水棉	宏祥卫生材料有限公司	N/A	妊娠大鼠待产
啮齿类动物麻醉机（气体麻醉）	深圳瑞沃德生命科技有限公司	R500IE	胎儿解剖
啮齿类动物繁殖饲料	北京华阜康生物技术有限公司	1032	妊娠大鼠喂养
啮齿类动物维持饲料	北京华阜康生物技术有限公司	1022	子代饲养
啮齿类动物葵花籽	乔利	JP241	营养补充
隔音棉	库夫医疗仪器	N/A	妊娠大鼠待产
无菌棉签（2 mm 直径）	库夫医疗仪器	N/A	阴道涂片
无菌纱布	库夫医疗仪器	N/A	胎儿解剖
生理盐水溶液（0.9% NaCl）	山东华鲁制药有限公司	N/A	阴道涂片
温度计	Beekman organism	N/A	大鼠游泳监测
毛巾	Grace	N/A	游泳后护理
透明塑料容器	纳利雅	N/A	游泳适应性训练
紫外线灯	默克生命科技	Z169633-1EA	游泳后护理
热水器	海尔	EC6001-Q6S	大鼠游泳
体重秤	Electronlc Acale	JM.A10001	体重测量
Wistar 大鼠	维通利华实验动物技术有限公司	N/A	实验