优化小鼠尿动力学技术以提高准确性

摘要

本方案提供了使用氰基丙烯酸酯对皮肤进行防水处理以防止毛发和皮肤吸收尿液的操作指南。内容包括将胶水涂抹于皮肤、植入膀胱导管，以及在清醒小鼠中进行膀胱测压和尿道外括约肌肌电图记录所需电极的安装说明。

摘要

在清醒小鼠中准确测量尿液参数对于理解下尿路（LUT）功能障碍至关重要，尤其是在创伤性脊髓损伤（SCI）后神经源性膀胱等疾病的研究中。然而，在小鼠中进行膀胱压力测定记录面临显著挑战。当小鼠在记录过程中处于俯卧且受限的体位时，尿液容易被毛发和皮肤吸收，导致排尿量（VV）被低估。本研究旨在提高清醒小鼠膀胱压力测定及尿道外括约肌肌电图（EUS-EMG）记录的准确性。我们开发了一种独特的方法，利用氰基丙烯酸酯粘合剂在尿道外口及腹部周围形成防水皮肤屏障，防止尿液吸收，从而确保测量的精确性。结果显示，使用氰基丙烯酸酯后，排尿量（VV）与残余尿量（RV）之和与灌注的生理盐水体积保持一致，实验结束后未观察到湿润区域，表明尿液吸收被成功阻止。此外，该方法同时稳定了连接于尿道外括约肌（EUS）的电极，保证了稳定的肌电图（EMG）信号，并减少了清醒小鼠活动及实验人员操作所引起的伪迹。本文讨论了该方法的技术细节、实验结果及其意义，强调了在临床前研究中改进尿动力学技术的重要性。

引言

尿液的储存与排出依赖于膀胱和尿道外括约肌（EUS）的协调活动。在某些病理状态下，例如神经源性膀胱，膀胱逼尿肌和括约肌均可发生功能障碍，尤其是在创伤性脊髓损伤（SCI）后，可导致严重的膀胱问题¹。

小型啮齿类动物常被用作实验模型，以研究下尿路（LUT）的临床前功能²。充盈性膀胱测压（FC）和尿道外括约肌肌电图（EUS-EMG）记录技术可提供精确的客观信息，其准确性取决于方法的选择、测量的精确性以及结果的解读³。尿动力学检测常用于评估排尿量（VV）、排尿效率（VE）和膀胱容量⁴。VE用于衡量膀胱排空自身的有效程度，其计算方法为将排尿量除以排尿量与残余尿量之和（VV+RV）。而膀胱容量则通过将VV（排尿过程中排出的尿液量）与RV（排尿后残留在膀胱内的尿液量）相加得出⁵。因此，VV和RV的测量是推导其他参数的关键。

在尿动力学检测过程中，精确测量小鼠的排尿量（VV）面临多种挑战。当啮齿类动物以俯卧位被物理固定时，其尿液由于重力作用倾向于沿腹壁向下流动⁶。这一现象可能导致尿液被腹部的毛发和皮肤吸收，从而低估实际排尿量。考虑到小鼠产生的尿液本就较少，这种吸收效应对结果准确性的干扰尤为显著⁷。此外，在脊髓损伤（SCI）模型中，由于逼尿肌-括约肌协同失调（DSD）的影响，小鼠的排尿量通常低于正常小鼠，这进一步增加了漏尿压和尿液被毛发吸收的风险⁸。这些因素均对实验结果产生显著影响。因此，在终末期尿动力学研究中，准确测量小鼠的排尿量（VV）和残余尿量（RV）至关重要⁹。目前，已发表文献中所提供的方法学细节尚不足以指导如何在小鼠模型中准确测量尿液体积。

氰基丙烯酸酯粘合剂是一种胶水，由于其快速且有效的粘合特性，常用于人类和动物模型的外科手术^10,11,12。这种粘合剂在闭合伤口和裂伤方面尤为有用，因其在皮肤上应用后可形成强韧且柔韧的粘合层¹³。此外，它还能有效阻隔可能接触毛发和伤口的尿液及其他潮湿物质¹¹。

本文中，我们开发了一种新颖且经济高效的技术，利用氰基丙烯酸酯粘合剂在清醒小鼠的膀胱测压和尿道外括约肌肌电图（EUS-EMG）记录中实现精确结果。该方法将有助于理解膀胱功能障碍的根本原因，并为下尿路（LUT）功能障碍的治疗提供更有效的策略。

方案

动物研究方案已获印第安纳大学医学院机构动物护理和使用委员会批准。批准编号：21098MD/R/MSS/HZ 批准日期：2021年9月29日。

1. 导管的准备

1. 取一段30 cm的聚乙烯PE-30导管（0.017英寸×0.030英寸）。用打火机将导管一端 flare 成喇叭状，注意导管不要接触火焰，当导管形成适当圆润的钟形尖端时立即移开打火机。flare 过程中产生的任何残留物需在手术前仔细清除或去除。
2. 将25G针头约四分之三的长度小心插入导管的另一端。准备一支1 mL注射器，并用无菌0.9% NaCl充满。将注射器连接至25G针头。
3. 缓慢注入生理盐水，检查导管尖端是否呈圆形且针头两端无渗漏。确保无明显阻力，生理盐水可顺畅流经导管。

2. 电极的制备

1. 准备两根长度为 20 cm 的钢丝。用砂纸打磨钢丝涂层区域的两端，去除 5 mm 的涂层。
2. 取一根 25G 针头，将其插入钢丝的一端。注意小心插入，避免损坏钢丝。将裸露部分弯成钩状，该钩状结构有助于将钢丝连接至 EUS 肌肉。
3. 使用焊料将插针固定在去涂层钢丝的另一端。焊接可确保插针牢固连接至钢丝，并形成稳定连接。加热锡铅焊料直至其熔化，并完全覆盖钢丝和插针。

3. 动物准备

1. 将雌性C57BL/6小鼠（8周龄，体重18-20 g）饲养于实验动物设施中，遵循机构动物护理规范，保持12小时光照-12小时黑暗循环，并自由饮水和摄取标准饲料颗粒。
   注意：在实验操作前，小鼠需在束缚装置中适应三天。在此期间，每天将每只小鼠放入束缚装置中10-15分钟，使其熟悉实验装置。观察小鼠是否有应激迹象，并作出相应调整以促进其保持安静状态。此适应过程旨在减少实验期间小鼠的焦虑情绪，提高动物福利。

4. 手术期间的麻醉

1. 将动物置于含2%异氟烷和纯氧（1 L/min）的麻醉舱中。转移至面罩前，通过脚趾夹捏无反应确认动物已完全麻醉。确认后，切换为面罩通气。
2. 确保麻醉面罩已固定在
   在无菌手术区域的适当位置放置动物，使其仰卧于覆盖无菌布的加热垫上，鼻部置于吸入式小面罩（异氟烷浓度2%，流速0.8-1 L/min）中以持续维持麻醉。

5. 手术准备

1. 用胶带固定动物的四肢。使用电动剃刀剃除下腹部及尿道口周围（生殖区域）的毛发。 术前对小鼠皮下注射3 mg/kg美洛昔康（5 mg/ml），作为预先镇痛措施，以确保有效的疼痛管理。
2. 涂抹眼膏以防止眼睛可能出现的干燥。使用聚维酮碘溶液对已剃毛区域进行消毒，随后用70%乙醇擦拭去除溶液。在手术区域覆盖无菌手术巾。
3. 将所有手术器械和电极导线 在121°C条件下高压灭菌15–20分钟，以确保手术前的无菌状态。将聚乙烯管浸泡于 戊二醛或环氧乙烷 中 20–30分钟 ，然后用无菌生理盐水充分冲洗，以去除任何残留物。

6. 手术操作

1. 膀胱导管植入
   1. 在手术显微镜下，使用直头钝性梅岑鲍姆剪刀，在腹盆部皮肤正中做1-2 cm的切口。沿正中线切开筋膜和肌肉，通过切口暴露膀胱。
   2. 当膀胱通过切口可见后，根据需要牵开周围器官或组织，以获得清晰的手术视野。操作时需注意避免对膀胱进行不必要的牵拉或施加张力，以防引起尿液渗漏或周围结构损伤等并发症。
   3. 夹住膀胱顶部，使用带圆锥尖针头的5-0不可吸收单丝缝线缝制荷包缝合线。
   4. 使用显微剪刀在荷包缝合线内做一小切口造瘘，并打孔直至尿液流出。
   5. 夹住导管的圆头端，将其插入孔中。当导管尖端穿过孔后，将荷包缝合线围绕导管打结固定。然后轻柔地向外牵拉导管，直至在缝线下方可触及导管尖端。
   6. 从导管另一端缓慢注入1 mL生理盐水以扩张膀胱。检查导管周围是否有渗漏。如发现渗漏，应加缝一针。
   7. 当生理盐水从尿道流出后，将其抽出以解除膀胱膨胀状态。
2. 尿道外括约肌（EUS）电极植入（图1）
   1. 使用手术剪刀将腹部切口向上延伸至盆底。
   2. 沿膀胱方向分离肌肉和膜性组织至阴部管区域，定位尿道及尿道外括约肌。操作时注意避免损伤髂血管、中尾侧血管及阴部神经。
   3. 使用带有电极的针头，在尿道外口两侧1 cm处穿刺皮肤。
   4. 用镊子小心夹住钩状针尖，轻柔地将针从皮肤中抽出。
   5. 利用电极尖端，小心地在双侧钩住尿道外括约肌（EUS）肌肉。避免穿刺过深，以免损伤肌肉，导致可能的尿液渗漏。
   6. 使用3-0不可吸收单丝缝线缝合盆腔和腹部的肌肉及皮肤。
3. 皮肤防水处理
   1. 在电极穿出皮肤的部位涂抹一层薄薄的氰基丙烯酸酯胶，以固定电极位置。
   2. 在尿道外口周围1 cm处以及进一步向腹部和缝合区域延伸3 cm的范围内涂抹氰基丙烯酸酯胶。为避免胶水接触，需用镊子小心提起尿道外口。
   3. 使用0.5-10 µL微量移液器吸取促凝剂液体以加速胶水干燥。
      警告：促凝剂液体为易燃液体。
   4. 添加促凝剂液体以确保充分的粘合反应。这有助于更快干燥胶水并确保其牢固固化。
4. 尿动力学检测准备
   1. 准备一个倒置的聚苯乙烯称量皿，长、宽、深均为4.5 cm。将其切割成底边为4 cm的三角形，以便将小鼠尿道外口置于该空间内。在该空间下方放置一次性基底模具（37 mm × 24 mm × 5 mm），用于收集尿液。
   2. 将小鼠重新置于俯卧位，并小心将其移至配备气体麻醉面罩的定制板上。
   3. 确保尿道外口正确位于凹槽内。用胶带轻柔固定小鼠头部和四肢，确保胸部和鼻部无遮挡以保障呼吸通畅，随后停止吸入性麻醉。通过脉搏血氧仪或观察胸壁运动监测呼吸情况。将板置于加热垫上以维持体温，并让小鼠恢复直至完全清醒（图2）。
   4. 仅在小鼠完全清醒后进行膀胱压力测定，通常为麻醉恢复后至少40分钟。

7. 膀胱压力测定和尿道外括约肌肌电图记录的准备工作

1. 根据制造商的说明设置并校准输液泵。
2. 取一个直径为 19.05 mm 的 20 mL 注射器，用室温下无菌的 0.9% NaCl 充满注射器，并将其固定在输液泵上。将输液速度设置为 0.01 mL/min。
3. 通过 PE-30 管将注射器连接至三通接头的一侧。将膀胱导管连接至三通接头的另一侧，并连接至压力传感器。在连接膀胱导管之前，务必排除所有气泡。
4. 将压力传感器固定在与小鼠膀胱同一水平的位置。压力传感器通过放大器连接至数据采集系统。
5. 将一根接地线钩固定在皮肤上，另一根固定在电极连接部位。在软件中记录压力信号。
6. 启动软件后，检查膀胱内压（IVP）和尿道外括约肌肌电图（EUS-EMG）信号。保存样本名称并设置时间。
7. 启动泵进行灌注。持续记录信号 40 分钟。记录结束后，处死动物，因为这是终末期实验操作。

结果

通过膀胱压力测定和尿道外括约肌肌电图（EUS-EMG）活动记录来分析数据。连续膀胱压力测定法包括将生理盐水注入膀胱，同时测量膀胱内的压力和容积变化。为测量排尿量（VV），以 0.01 mL/min 的速度向膀胱内注入 0.4 mL 生理盐水，并在 40 分钟内用瓶盖收集排出的尿液。通过导管抽吸膀胱内残余液体可获得残余尿量（PVR）。在未使用胶水的正常小鼠中，VV 与残余容积（RV）之和通常小于 0.4 mL。实验结束后，由于尿液被吸收，腹部及尿道外口周围的毛发呈现湿润状态（图 3A）。当在体表涂抹一层薄胶以覆盖少量毛发后，VV 与 RV 之和达到 0.4 mL，且未观察到湿润区域（图 3B，C）。

所得的尿动力学图谱对多个参数进行了详细分析，包括最大排尿膀胱收缩压（27.2 cmH₂O）、收缩持续时间（16.26 s）以及收缩间期（4.48 min）。同时，我们成功记录了小鼠的膀胱内压和尿道外括约肌肌电图（EUS-EMG）信号，如图4所示。

许多小鼠尿动力学测量是在麻醉状态下进行的¹⁴。尽管这种方法看似便于减少因动物活动引起的电信号噪声和尿液流失，但必须考虑到麻醉药物可能影响尿流，从而导致结果不准确或不可靠¹⁵。因此，清醒状态下动物的尿动力学记录更受欢迎，因其获得的结果更接近生理状态。清醒动物的尿动力学记录通常在异氟烷麻醉后40–50分钟的恢复期开始¹⁶。该过程需要密切观察小鼠，确保其在无需麻醉的情况下保持放松和舒适。多项实验观察表明，清醒小鼠的活动会影响尿动力学信号^5,14，导致对漏点压力、排尿量（VV）和排空效率（VE）等特定参数的测量不准确¹⁷。为此，我们采用了一种部分限制清醒小鼠活动的方法，以获得更可靠的尿动力学结果。然而，即使施加有限的限制，小鼠在刚从麻醉中苏醒时仍会挣扎，这可能导致电极钩与尿道外括约肌（EUS）之间发生脱离或接触不稳定，从而在EUS-EMG信号中产生显著噪声。如图3B所示，为最大限度减少这些伪迹，我们采用在电极穿出皮肤处使用胶水固定电极的方法。实践证明，该方法能有效减少电极移动及其引发的伪迹。

图 1：肌电图电极的放置位置。 在尿道外括约肌（EUS；黑色箭头）双侧植入电极（黄色星号）。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2：清醒小鼠的固定。 在植入导管和电极后，将小鼠固定在平板上，以确保尿动力学记录期间的稳定性。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3：尿动力学记录后的腹部和尿道外口区域。（A）在腹部和生殖器区域可见一大片湿润区域（由红色虚线标出轮廓）。（B）记录完成后，使用氰基丙烯酸酯胶水处理腹部和生殖器区域，形成干燥、防水的表面（由红色虚线标出轮廓）。（C）在尿动力学记录期间，尿道外口处形成尿滴（黄色箭头所示），该尿滴长时间保持原状，未被皮肤和毛发吸收。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：清醒且固定状态下的雌性小鼠膀胱压力测定和尿道外括约肌肌电图（EUS-EMG）的代表性记录。 （A）记录 A：连续膀胱压力图（CMG）和 EUS-EMG 的同步记录（分别为上、下迹线）。（B）记录 B 是记录 A 中由矩形框标示部分的放大图，时间尺度不同。在排尿阶段，间歇性排尿与 CMG 记录中膀胱内压的下降同时发生（上部迹线；箭头所示），这些下降发生在 EUS-EMG 活动的低张力期和活动减弱期（下部迹线；箭头所示）。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

本尿动力学技术描述了一种改进的方法，用于在清醒且固定的小鼠中测量排尿量和尿道外括约肌（EUS）肌电图（EMG）信号。尿道外口及腹部周围的毛发可能因吸收尿液而干扰排尿量（VV）测量的准确性。尽管在手术前已仔细剃除尿道外口和腹部周围的毛发，但这些区域内部残留的细小毛发以及皮肤仍会吸收尿液，通常在记录后于腹部留下湿润区域。这一问题在雌性啮齿类动物中尤为明显，因为其尿道外口与周围皮肤之间的距离极短¹⁸。在本技术中，我们在腹部及尿道周围皮肤上使用氰基丙烯酸酯胶水，以形成防水的皮肤表面，从而在尿动力学记录期间精确评估尿液体积，有助于更准确地理解膀胱功能。胶水被精确涂抹，确保覆盖尿道外口周围及邻近区域的皮肤。使用胶水的目的是形成一道防水屏障，防止毛发吸收任何尿液。胶水被均匀涂抹，并特别注意避免形成团块或堵塞尿道外口。实验记录结果证实，我们的目标已完全实现：排尿量（VV）与残余尿量（RV）之和始终等于灌注体积，且未再观察到湿润区域。为确保测量的准确性，我们在实验结束后检查了膀胱，发现其已完全排空。这一检查膀胱的额外步骤至关重要，因为它排除了尿液滞留的可能性，从而避免了通过注射器抽取的尿量与实际残余尿量之间出现差异。

该方法存在以下局限性：1）不适用于纵向研究和多时间点研究。2）不能应用于自由活动的小鼠。3）如果电极从尿道外括约肌（EUS）脱离，则很难再次打开腹腔并重新安装。4）尽管氰基丙烯酸酯类黏合剂因其使用方便和效果良好而在多种外科场景中具有重要价值，但仍需谨慎使用，并遵循适当的安全操作规程，以尽量降低潜在风险。氰基丙烯酸酯对皮肤通常安全，但应避免频繁接触，研究人员应采取适当的个人防护措施。氰基丙烯酸酯黏合剂若被吸入，可能释放有毒蒸气。为降低吸入蒸气的风险，研究人员应在工作环境中保持较高的湿度水平，并优化室内通风¹⁹。此外，还可使用特殊的空调过滤器，以进一步降低蒸气的毒性。

总体而言，本实验为尿动力学记录过程中排尿量测量的准确性提供了重要见解，并有助于识别可能导致灌注后实际排尿量（VV）与残余尿量（RV）总量出现差异的潜在误差来源。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
加速剂	BOB SMITH INDUSTRIES	BSI-152
氰基丙烯酸酯	TED PELLA, Inc	14478
一次性基底模具	TED PELLA, Inc	27147-4
输注泵	Harvard Apparatus PHD ULTRA	70-3006
异氟烷	Henry Schein Inc	1182097
PIN	World Precision Instruments	5482
聚乙烯管 30	Braintree Scientific Inc	PE30
无菌称量舟	HEATHROW SCIENTIFIC	797CK2
Windaq/Lite	DATAQ INSTRUMENTS	249022