本方案描述了用于减少小鼠在纵向研究期间与应激相关的呼吸变异性的重复性全身体积描记术的隧道操作和环境丰富化程序。
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本方案描述了用于减少小鼠在纵向研究期间与应激相关的呼吸变异性的重复性全身体积描记术的隧道操作和环境丰富化程序。
重复性全身体容积描记法(WBP)广泛用于小鼠呼吸功能的纵向评估。然而,操作引起的应激可能引入生理变异性,干扰治疗效应的判断并降低实验的可重复性。传统的抓尾操作方法可能在多次实验过程中引发持续的应激反应且适应性较差,从而可能影响实验结果。本方案描述了一种优化的操作与饲养方法,结合了隧道式操作和环境丰富化措施,适用于重复性WBP实验。六只野生型129S1/SvImJ小鼠(3只雄性,3只雌性)在整个为期10周的研究期间接受隧道式操作和持续的环境丰富化处理。动物经历了多次WBP实验,分别在基线期、研究早期、中期和晚期分析其适应情况。通过量化初始入箱阶段(finitial,0–2分钟)和稳定基线阶段(fbaseline,8–10分钟)的呼吸频率,评估其纵向适应模式。在本研究实施的条件下,观察到随时间推移的逐步改善趋势。平均初始呼吸频率从基线期的345 ± 111 SD 次/分钟下降至研究晚期的267 ± 43 SD 次/分钟,同时变异系数降低(从32%降至16%)。基线呼吸频率测量值也从255 ± 67次/分钟降至193 ± 43次/分钟(p = 0.033),表明后期实验中测量稳定性有所提高。行为观察显示动物适应过程平静,排便、排尿及躁动现象极少。本方案为开展小鼠重复性呼吸功能评估的实验室提供了一种实用方法。在纵向WBP研究中,隧道式操作与环境丰富化与逐步改善的适应性及降低的呼吸变异性相关。
全身体积描记法(WBP)可对清醒、无束缚状态下的啮齿类动物进行无创性呼吸功能评估,现已成为呼吸生理学、吸入毒理学及疾病建模纵向研究中不可或缺的工具1,2。该技术的主要优势在于其无创性以及适用于重复测量,因此特别适用于追踪疾病进展、治疗干预或暴露时间过程中呼吸功能的变化。Glaab 和 Braun2指出,无创性头部外露式体描记法是清醒小鼠肺功能重复测量的可靠方法,为空气道疾病(包括新发呼吸道感染)的转化医学研究提供了重要工具。然而,WBP测量结果的质量和可重复性在很大程度上依赖于动物达到与行为静息状态一致的低呼吸频率,而操作引起的应激可能破坏这一状态。操作应激是一种公认但常被低估的实验变异来源,可能干扰生理指标的测量并降低数据质量。标准实验室操作通常采用尾部抓取法,即通过抓住小鼠尾部进行转移和操作3,4。
标准的实验室操作通常包括抓尾法,即通过抓住小鼠的尾巴进行转移和操作。Gouveia 和 Hurst3 证明,抓尾操作会诱发小鼠产生焦虑,与使用隧道法处理的小鼠对照组相比,被抓尾处理的小鼠在高架十字迷宫实验中表现出更高的焦虑样行为。这种焦虑反应与生理参数的改变相关。Rasid 等人4 采用全身体积描记法(WBP)量化了常规实验室操作对呼吸功能的影响,发现束缚和操作会以性别依赖的方式显著改变每分钟通气量,且这些影响可持续长达操作后 24 小时。这些由操作引发的效应在强度和持续时间上的显著性表明,在抓尾操作后不久获得的呼吸测量结果可能反映的是急性应激生理状态,而非稳定的基线功能。
关于束缚与操作应激的更广泛文献表明,其影响远不止于即时的行为反应。Buynitsky 和 Mostofsky5综述了束缚应激对生理、免疫、内分泌及发育过程的广泛影响,强调应激相关的混杂因素在研究论文中常常记录不足。对于呼吸系统研究而言,问题因需要重复测量而更加复杂。每一次操作都可能重置应激反应,限制逐步的习惯化过程,导致在纵向时间点上基线测量结果不一致。DeLorme 和 Moss1比较了束缚与非束缚式容积描记法在已知品系间生理差异的小鼠中的应用,发现尽管非束缚单室系统能更优地分析气道反应性,但获得可重复基线测量值的挑战依然存在。
隧道式抓取是一种基于证据的替代方法,小鼠可自愿进入隧道中进行转移,该方法显著降低了由抓取引起的焦虑。该方法的有效性已在多种品系和实验情境中得到验证。Gouveia 和 Hurst3 研究发现,与尾部抓取的小鼠相比,采用隧道式抓取的小鼠更愿意与操作者互动,在高架十字迷宫测试中表现出更低的焦虑样行为,即使在隧道为陌生环境的情况下,仍可观察到上述益处。重要的是,这些益处不仅限于抓取后的即刻阶段。Sensini 等人6 考察了不同性别个体中抓取技术与抓取频率的影响,发现频繁的尾部抓取会减少与健康状态相关的行为(如挖掘行为),并在雄性小鼠中增加类似绝望的行为;而隧道式抓取则受到雌雄两性小鼠的共同偏好,且与更积极的接近行为和更少的防御反应相关。此外,Davies 等人7 证明了非尾部抓取方法在复杂操作过程中的持续优势。在整个实验室经历中(包括固定操作期间)均接受尾部抓取的小鼠,对环境刺激的反应性增强,且更难以操作;相比之下,仅通过手捧法或隧道法抓取的小鼠则表现出更佳的操作便利性。
除了选择合适的抓取方法外,对实验操作进行系统的适应性训练可能进一步降低由应激引起的数据变异性。Sorli 等人8研究了对小鼠进行头部伸出体积描记法(一种基于束缚的系统)的训练,发现连续5天的训练可提高小鼠的耐受性,其行为稳定性在第2天即有所改善,尽管在每次实验过程中呼吸参数均在5分钟内趋于稳定。类似地,Ueno 等人9证明,在行为学测试前对雄性C57BL/6小鼠进行反复轻柔的抓取操作,可减少其在高架十字迷宫测试中的焦虑样行为,并改善空间认知能力,表明实验人员与小鼠之间的重复接触可产生可测量的适应性效应。这些研究结果提示,将非厌恶性抓取方法与系统化的适应性训练方案相结合,可能在减少重复测量期间的生理变异性方面带来累积性优势。
环境丰富化是另一个可能影响应激反应性和基础生理状态的因素,尽管其效应复杂且依赖于具体情境。虽然丰富化通常有助于促进动物的良好福利,但在某些实验情境下,过度或不可预测的丰富化反而可能增加生理变异性和与应激相关的行为10,11。一种平衡的策略是在维持稳定的核心要素(如筑巢材料)的同时,通过定期轮换丰富化物品引入可控的新奇刺激,从而在不引入混杂变异的前提下优化动物福利12。在重复性呼吸测量的研究背景下,丰富化、操作方式与适应性训练方案之间的相互作用尚未得到充分研究,凸显了建立能够同时整合这三个因素的综合方案的必要性。
尽管人们日益认识到操作对生理测量的影响,但目前仍缺乏专门设计用于在重复进行全身体积描记(WBP)过程中最大限度减少操作应激的标准化方案。现有的WBP方案通常依赖较长的适应期(每次10–30分钟),以等待应激引起的呼吸急促消退,却很少关注具体的操作方法,也极少系统评估动物是否在多次实验过程中逐步产生适应性习惯。此外,大多数研究并未评估动物是否达到与行为静息状态一致的生理状态,例如呼吸频率是否接近文献报道的静息或与睡眠相关状态的范围,还是仅从急性应激转变为慢性低水平觉醒状态。本文介绍了一种整合了隧道式操作、均衡环境丰富化以及为期10周纵向研究中重复WBP检测的实验方案。我们描述了一种与适应过程一致的呼吸频率逐步变化的方法,包括各次实验中初始呼吸频率逐渐降低,且基线测量值趋近于文献报道的与静息或睡眠相关状态相关的呼吸频率范围。重要的是,本方案不仅作为动物福利优化的手段提出,同时也作为实验设计的重要考量,有助于减少纵向呼吸测量中的变异性并提高数据一致性。
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所有操作均须依照迈阿密大学机构动物护理和使用委员会(IACUC 协议编号 #23-103)批准的方案进行。小鼠饲养于经国际实验动物评估和认可委员会(AAALAC)认证的动物实验设施中,环境条件按照机构标准进行控制。
1. 动物选择与饲养条件
2. 环境富集方案

图1.长期全身体积描记(WBP)研究中的实验方案实施及福利指标。(A)来自雌性小鼠笼具的高质量筑巢示例(Deacon评分为5分),显示结构完整的圆顶形巢穴,并具有清晰的凹坑结构。(B)透明聚碳酸酯操作隧道(长约10 cm,内径约5 cm),与巢材整合置于动物居住笼中。在整个研究期间,隧道始终保留在笼内,作为环境丰富化和操作工具使用。(C)研究后期(第10周)典型的巢穴质量,显示雄性和雌性小鼠笼具均持续维持5分的筑巢水平。(D)为期10周研究期间的巢穴质量评分变化。每个数据点代表使用标准化5分制Deacon评分量表13对单个笼具进行的周度评分,其中1分表示筑巢材料未被触动,5分表示形成完整的圆顶状巢穴并带有凹坑。所有笼具在整个研究各阶段均保持稳定的5分巢穴质量。绿色阴影区域表示与最佳福利状态相关的评分范围(4–5分)。研究阶段以不同颜色背景区域标示,分别对应基线期(第0周)、研究早期(第2–3周)、研究中期(第5–7周)和研究后期(第8–10周)。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 隧道式抓握操作的实施
4. 全身照射(WBP)处理方案
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将此隧道式抓取和环境富集方案应用于6只野生型129S1/SvImJ小鼠(3只雄性,3只雌性)进行为期10周的纵向全身体积描记(WBP)研究,结果表明小鼠逐渐产生适应性行为,并且生理稳定性得到改善。在按预定纵向时间间隔重复进行的WBP检测中获取呼吸频率数据,并根据四个研究阶段进行分析:基线期(第0周)、研究早期(第2–3周)、研究中期(第5–7周)和研究晚期(第8–10周)。图2展示了呼吸频率变化的定量时间进程,显示初始应激反应降低,基础呼吸测量值趋于稳定。

图 2。重...
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本方案描述了一种整合了隧道操作、环境丰富化以及在纵向全身体积描记(WBP)背景下重复暴露的综合方法。在这些条件下,呼吸频率的测量结果显示,在多次实验过程中逐渐趋于稳定,表明动物警觉性降低并逐步产生适应性习惯。多个实施因素对于方案的成功执行显得尤为重要。首先,应在实验操作开始前引入隧道操作。本研究中的小鼠此前已接触过隧道操作;然而,先前的研究表明,即使在较短的适应期后也能获得类似益处。Sorli 等人8报告称,在进行头部外露体积描记法训练5天后,小鼠耐受性得到改善;而 Gouveia 和 Hurst3则发现,即使最初对隧道不熟悉,采用隧道操作仍可减少类似焦虑的行为。为实现最佳效果,建议在WBP实验开始前1–2周将隧道放入小鼠的饲养笼中,以提供充足时间供其自主探索并适应。隧道应长期保留在饲养笼内,使其获得熟悉的嗅觉线索,从而促进在运输和操作过程中自愿进入隧道。其次,环境丰富化应兼顾稳定性与可控的新颖性。在保留巢穴结构的同时轮换简单的纸质类丰富化物品,有助于维持稳定的福利状态,同时避免引入过多的环境变异性10
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作者声明不存在任何经济或其他方面的利益冲突。
作者感谢 Claude AI(Anthropic)在提升本文语法、风格及整体清晰度方面的协助。该人工智能工具作为写作辅助手段,用于提高文本的可读性和表达的精确性,同时保持科学内容的准确性和完整性。所有科学内容、数据分析和结论均由作者独立完成,作者对本文承担全部责任。
L.A.S. 获得美国退伍军人事务部研究与发展办公室杰出研究奖(1I01BX006199-01A1)和迈阿密心脏研究所资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 杨树屑垫料 | 实验用品 | Aspen 323 | 杨树木屑垫料。使用前经高压灭菌处理,铺于笼底,厚度约为 1 cm。 |
| 高压灭菌水 | 设施提供 | 不适用 | 经高压灭菌处理的市政用水,通过标准饮水瓶自由供应。 |
| 纸板管 | 设施自制 | 不适用 | 普通纸质卫生纸卷芯。作为轮换使用的环境丰富化物品和藏身处。 |
| Crink-I-Nest(辐照处理) | The Andersons / 实验用品 | CNKR | 碎纸制环境丰富化材料,经γ射线辐照处理。以交替周方式轮换提供。 |
| FinePointe 软件 | Data Sciences International | 无目录号 | 呼吸数据采集与分析软件,版本 3.0。用于全身体积描记(WBP)数据的采集与参数计算。 |
| 独立通风笼具(IVC)架 | Allentown | EP5000E | 排气式 IVC 笼架,可容纳 140 个笼子。双面高密度系统,配备自动通风连接装置。 |
| 辐照啮齿类动物饲料 | Envigo | T.2918.15 | 标准辐照啮齿类动物饲料。通过金属丝网料斗自由供应。 |
| 小鼠转移通道 | Braintree Scientific | TRANS-TUBE 100X50MM | 透明聚碳酸酯通道,长 100 mm × 内径 50 mm。可高压灭菌并重复使用。用于低应激动物转移操作。 |
| Nestlets(辐照处理) | 实验用品 | IRR | 压缩棉质筑巢垫片(约 5 cm × 5 cm,每片约 2.5 g),经γ射线辐照处理。作为持续性环境丰富化材料提供,每笼一片。 |
| 无粉腈手套 | Kimberly-Clark | KC500 | 紫色无粉腈检查手套。所有接触动物的操作过程中均需佩戴。 |
| 非织造纱布海绵 | Pivetal | 21295040 | 非无菌、非织造纱布海绵,4 层,4 英寸 × 4 英寸(10.16 cm × 10.16 cm)。用作环境丰富化材料。 |
| 纸巾 | Tork (Essity) | MB 540A | 白色多折手巾纸。作为轮换使用的环境丰富化材料。 |
| 智能手机摄像头 | Apple | 无目录号 | iPhone 智能手机摄像头。用于每周筑巢评分的影像记录。 |
| 全身体积描记系统 | Data Sciences International | 10222C(双通道);770621(四通道) | FinePointe FP 系列小鼠非束缚式全身体积描记系统,提供双通道和四通道两种配置。 |