本方案描述了用于自由活动的C57BL/6J小鼠胃动力连续监测的柔性、生物相容性硅胶应变传感器的制备及外科植入方法。该方法通过优化的硅胶封装和牢固的头戴式连接器固定,实现了稳定的长期记录。
本方案描述了用于自由活动的C57BL/6J小鼠胃动力连续监测的柔性、生物相容性硅胶应变传感器的制备及外科植入方法。该方法通过优化的硅胶封装和牢固的头戴式连接器固定,实现了稳定的长期记录。
本方案描述了柔性、生物相容性硅胶应变计的制备及其在自由活动的C57BL/6J小鼠中用于长期监测胃动力的外科植入方法。由于麻醉和侵入性操作可能改变正常的胃肠道生理功能,因此在清醒动物中持续评估胃运动活动在技术上仍具挑战性。为应对这些挑战,本方案结合了优化的硅胶封装技术和牢固的头戴式连接器固定方法,以提高设备在长期记录期间的稳定性,同时保护电路免受动物正常活动引起的机械损伤。该操作可实现胃收缩活动的可靠植入,并在术后15天内持续记录。代表性记录显示了在麻醉状态、清醒基线状态、术后恢复期以及进食诱导的适应过程中不同的胃动力模式。组织学评估表明,植入部位周围仅出现轻微的局部组织反应,支持该装置在所研究条件下的生物相容性。本方案为在清醒小鼠中获得稳定的长期胃动力记录提供了一种可重复的方法,可能有助于胃肠道生理与疾病的研究,包括使用基因修饰小鼠模型的相关研究。
在生物医学研究中,尤其是胃肠道动力学研究中,对生理活动的精确监测对于理解消化机制及疾病病理至关重要。1,2然而,目前在自由活动动物中监测胃动力的方法存在显著局限性。成像技术通常受限于操作复杂、设备要求高以及潜在的辐射暴露问题。3,4基于气囊的方法虽然有用,但通常无法在长时间内对自由活动的动物进行胃动力监测,且往往局限于麻醉状态下的使用5微创方法(如声学测微技术)无法记录清醒动物的胃动力活动6同样,测压法主要适用于麻醉状态下的小鼠7,8,9或者,已开发出使用浆膜电极记录胃慢波的电生理学方法,作为一种直接捕捉驱动胃收缩的潜在起搏器肌电活动的技术。10,11尽管浆膜电极在检测电节律及心律失常方面具有很高的有效性,但其无法直接测量由此产生的机械力。此外,通过细胞外记录获得的慢波信号 体内 可能并不总能真实反映细胞内慢波的实际情况12,而从表面或浆膜电极记录到的电信号可能受到局部神经活动的显著影响,因此并不一定反映真实的时相性机械收缩13,14.
相比之下,硅胶应变传感器可将机械运动的变化转化为电信号,从而能够在生理和病理条件下长期记录胃、肠等空腔内脏器官的运动模式15,16,17。本实验方案的总体目标是描述一种改进型硅胶应变传感器的制备及其在外周自由活动的C57BL/6J小鼠中用于长期监测胃动力的外科植入方法。C57BL/6J小鼠是胃肠病学领域转基因模型中最广泛使用的遗传背景。在先前已报道的应变传感器技术基础上18,本方案采用超薄(0.2 mm)传感器结构,并以轻质、生物相容性的704硅胶进行封装,相较于以往设计,可显著降低对小鼠胃壁的机械负荷。此外,模块化的头部连接器布线策略可减少术后电缆张力及因啃咬造成的损坏,从而提高长期记录期间设备的稳定性。本方案适用于希望在清醒小鼠不同生理状态下(包括术后恢复期和进食过程)进行胃机械活动长期直接测量的研究人员。文中所述组织粘连减少及功能干扰最小化的结果应在所呈现验证数据的范围内加以解读,对这些参数的进一步定量评估仍是未来研究的重要方向。
本研究遵循科学技术部发布的《实验动物管理条例》进行。所有实验均经中国中医科学院实验动物伦理委员会批准(编号:D2024-01-26-07)。
1. 动物准备
2. 应变片制备18
3. 应变计植入手术操作步骤

图1.手术植入流程及胃动力记录装置示意图。 (A)腹部脱毛。(B)使用聚维酮碘溶液进行消毒。(C)使用75%乙醇清洁。(D)在腹部覆盖无菌手术巾。(E)腹部正中切口及头皮切口。(F)暴露胃部。(G)将应变仪组件经皮下通路引出,并将传感器置于胃窦部。(H)将应变仪缝合固定于胃窦的浆膜层,其解剖位置位于胃切迹与幽门之间。(I)依次缝合腹肌层和皮肤。(J)使用3%过氧化氢去除骨膜后暴露前囟。(K)固定头戴式连接器,并缝合连接器周围的头皮。(L)定制的应变仪装置与标尺并列展示。(M)自由活动状态下胃动力记录系统的示意图,包括记录舱、旋转连接器、有线头戴式连接器、桥式放大器、数据采集系统、计算机和信号分析软件。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 胃动力记录
5. 信号处理与统计分析
麻醉与清醒状态下的胃动力
为了评估麻醉对胃动力的潜在影响,比较了麻醉状态与清醒状态小鼠的胃动力参数(n = 6;图2A、B)。麻醉状态与清醒状态之间的频率无显著差异(分别为5.38 ± 0.13 vs. 5.48 ± 0.10 周·min−1 [cpm];非配对t检验:t = 0.4053,p = 0.6874)。同样,振幅(73.88 ± 10.79 vs. 60.79 ± 3.96 µV;Mann–Whitney U检验:U = 68.5,p = 0.1620)和曲线下面积(AUC)(6.83 ± 1.26 vs. 7.47 ± 0.84 mV·s·min−1;Mann–Whitney U检验:U = 102,p = 0.8437)在两种条件下也均无显著差异。这些代表性记录表明,在所检测的麻醉与清醒条件下,胃动力参数具有可比性。

图 2。应变仪植入后胃动力记录、定量分析及胃组织学的代表性结果。 (A, B)术后立即在麻醉状态下(A)和清醒意识状态下(B)记录的代表性胃动力轨迹(n = 6 只小鼠)。(C–H)术后恢复期间在术后第1天(POD 1)(C)、POD 3(D)、POD 5(E)、POD 7(F)、POD 10(G)和 POD 15(H)记录的代表性胃动力轨迹。H 中的比例尺适用于 A–H:50 µV,15 秒。(I–K)胃动力频率(I;Brown-Forsythe 和 Welch 方差分析结合多重比较,F = 0.3898,p = 0.8762)、振幅(J;Kruskal–Wallis H 检验,H = 3.989,p = 0.6782)和曲线下面积(AUC)(K;Kruskal–Wallis H 检验,H = 0.8218,p = 0.9915)在纵向时间点的定量分析(n = 6 只小鼠)。(L)进食前、进食中和进食后记录的代表性胃动力轨迹。阴影区域表示 2 分钟的进食时段。比例尺:100 µV,30 秒。(M–O)进食前、进食中和进食后胃动力频率(M;普通单因素方差分析,F = 5.490,p = 0.0138)、振幅(N;Kruskal–Wallis H 检验,H = 0.3639,p = 0.8451)和 AUC(O;普通单因素方差分析,F = 4.954,p = 0.0193)的定量分析(n = 7 只小鼠)。(P–S)正常对照小鼠(P)以及术后第7天(POD 7)(Q)、POD 10(R)和 POD 15(S)植入小鼠的苏木精-伊红染色胃组织切片。在 P 图中,a 表示肌层,b 表示黏膜下层,c 表示黏膜层。S 图中所示的 100 µm 比例尺适用于所有组织学图像(P–S)。数据以均值 ± 标准误差表示。*p < 0.05。 请点击此处查看该图的放大版本。
术后胃动力随时间的变化
从术后第1天(POD 1)至术后第15天(POD 15),对自由活动的小鼠胃动力进行监测,以评估术后稳定性(n = 6;图2C–K)。在术后早期(POD 1–3),频率与基线测量值相比无显著差异(5.76 ± 0.27 vs. 5.38 ± 0.14 次/分钟;Brown-Forsythe 和 Welch 方差分析[ANOVA] 多重比较,p = 0.9670)。同样,振幅(60.41 ± 3.41 vs. 56.43 ± 4.78 µV;Kruskal–Wallis 检验多重比较,p > 0.9999)和曲线下面积(AUC)(6.34 ± 0.79 vs. 6.42 ± 0.92 mV·s·min−1;Kruskal–Wallis 检验多重比较,p > 0.9999)也未观察到显著差异。
在术后中期(术后第5–7天),各项测量参数保持稳定,与相应的基线值相比,频率(5.49 ± 0.23 vs. 5.31 ± 0.22 次/分钟;p > 0.9999)、振幅(58.96 ± 5.40 vs. 63.29 ± 8.01 µV;p > 0.9999)以及曲线下面积(7.52 ± 1.59 vs. 5.78 ± 0.69 mV·s·min−1;p > 0.9999)均无显著差异。
在术后后期(术后第10–15天),与相应的基线值相比,频率(5.55 ± 0.42 vs. 5.41 ± 0.10 次/分钟;p > 0.9999)、振幅(69.33 ± 21.04 vs. 56.33 ± 7.95 µV;p > 0.9999)或曲线下面积(AUC;9.74 ± 3.87 vs. 9.00 ± 2.71 mV·s·min−1;p > 0.9999)均未观察到显著变化。总体而言,这些代表性数据表明,在所考察的条件下,整个术后观察期间测得的胃动力参数保持稳定。
进食过程中的胃动力
在自愿摄入固体食物期间获得了具有代表性的胃动力记录,以表征胃动力的时相依赖性变化(n = 7;图 2L–O)。在主动进食期间,频率较餐前基线显著降低(从 5.78 ± 0.30 降至 4.44 ± 0.42 cpm;普通单因素方差分析结合多重比较,p = 0.0301)。相比之下,餐前与进食阶段之间的振幅差异无统计学意义(62.73 ± 3.31 对比 77.33 ± 15.32 µV;Kruskal–Wallis 检验结合多重比较,p > 0.9999)。尽管在进食期间 AUC 从 7.50 ± 0.61 下降至 4.92 ± 0.78 mV·s·min⁻1,但该差异未达到统计学显著性(普通单因素方差分析结合多重比较,p = 0.0611)。
停止进食后,频率较进食阶段显著增加(5.84 ± 0.27 次/分钟;p = 0.0230)。同样,AUC 也从 4.92 ± 0.78 显著升高至 8.01 ± 0.82 mV·s·min−1(p = 0.0228)。进食阶段与餐后阶段之间的振幅未观察到显著差异(77.33 ± 15.32 对比 64.17 ± 5.65 µV;p > 0.9999)。当将餐后阶段与餐前基线水平进行比较时,在频率(p = 0.9908)、振幅(p > 0.9999)或 AUC(p = 0.8784)方面均未检测到显著差异,表明在观察期间所测得的运动参数已恢复至基线水平。
胃组织学变化
术后第7至15天采集的胃组织病理学检查显示,在植入式应变计周围存在局部炎症性改变,包括轻度炎性细胞浸润、细胞结构紊乱以及核异常(图2P–S)。在所检查的组织切片中,未观察到严重炎症或广泛的组织损伤。这些典型的组织学发现表明,在本研究条件下,植入部位出现了局部组织反应。
图S1. 基线原始胃动力记录通道的建立。 在使用100 Hz低通模拟硬件滤波器处理后,于数据采集软件中获取的原始胃动力信号的代表性截图。该基线记录通道将作为后续数字信号处理与分析的输入。 请点击此处下载该文件。
图S2. 在数据采集软件中生成平滑分析通道。 代表性截图,展示如何在数据采集软件中使用“平滑”功能创建新的平滑分析通道。该平滑通道由原始胃动力记录信号生成,用于后续定量分析。请点击此处下载该文件。
图S3. 数据采集软件中平滑参数的配置。 代表性截图显示了用于数字信号处理的数据采集软件中的平滑设置。选择三角形(巴特利特)平滑窗,窗宽为10 s,以衰减呼吸和运动伪影,同时保留生理性的胃慢波节律。请点击此处下载该文件。
图S4. 用于定量分析的代表性记录时间段的选择。 该代表性示例展示了如何从平滑处理后的胃动力轨迹中选取一段稳定的连续2分钟记录片段(灰色阴影区域)用于定量分析。在计算胃动力参数之前,选择记录时间段以尽量减少由运动和行为引起的伪影。请点击此处下载该文件。
图S5. 从平滑波形中量化胃动力参数。 用于量化主要胃动力参数的数据采集软件Data Pad及分析界面的代表性截图。平均节律频率(周期/分钟)、平均节律振幅(µV)以及曲线下积分面积(AUC;mV·s·min⁻1)均从选定的平滑记录片段中计算得出。请点击此处下载该文件。
本优化方案为自由活动小鼠的长期胃动力记录提供了一种稳定、生物相容性好且可重复的方法。其中关键步骤是制备硅胶应变传感器18,所获得的优化装置整体尺寸约为 6.0 mm × 8.0 mm,功能区域约为 5.0 mm × 5.0 mm,可适配小鼠胃窦,同时尽量减少对幽门和胃底的干扰19。与传统刚性装置相比,采用 704 硅橡胶封装后,装置具有更优的力学顺应性和弹性(断裂伸长率 ≥ 140%),使传感器能够在生理进食过程中适应胃部扩张,同时降低装置断裂或限制动物活动的可能性。此外,光滑的硅胶封装有望减少植入物周围的组织粘连,从而在长期记录过程中有助于维持信号质量。尽管本研究未系统定量评估术后粘连形成情况及装置的长期力学性能,但慢性记录结果显示,植入后长达 15 天内信号质量稳定,传感器灵敏度持续保持。薄而光滑的硅胶涂层还起到保护屏障作用,可能有助于减少过度的组织粘连。然而,未来仍需通过定量粘连评分和专门的力学性能测试进行更长期的验证,以全面表征装置的慢性使用性能。最后,将头戴式连接器与硅胶应变传感器集成,可最大限度减少线缆缠绕和动物啃咬造成的损坏,从而实现自由活动动物中长期胃动力的稳定记录。
该方案的一个关键改进是小鼠保留 随意摄取 麻醉诱导前不禁食不禁水。与传统的胃肠道手术方案不同,术前不禁食,因为正常进食引起的胃部膨胀有助于更好地观察胃浆膜面,并可能在放置7-0浆膜缝线时降低意外穿透黏膜的风险。16,19相比之下,长时间禁食引起的胃塌陷会增加组织冗余,从而可能使缝合定位变得复杂。然而,在后续的运动功能记录过程中,为减少餐后变异性,每次基线记录前均实施标准化的12小时禁食期。16,19.
另一个重要的操作改进是麻醉方案的选择。尽管吸入麻醉在啮齿类动物手术中被广泛使用20,21,但本文所述的双部位手术需要反复调整动物体位,并为颅骨手术区域提供无遮挡的通路以安装头戴式连接器。数据采集还依赖于连接至定制记录腔室的轻量级连线装置(图1M),与自由活动的笼内环境相比,该装置可能限制动物的活动。Meile 等人开发了一种无线应变仪遥测系统,可在自由活动的大鼠中记录胃肠道运动功能22。然而,该遥测装置的尺寸和重量难以适用于成年 C57BL/6J 小鼠,限制了其在此模型中的直接应用。因此,本文所述的有线配置是在小鼠中实现长期胃运动记录并保持连续信号采集的一种实用方法。在此条件下,腹腔注射 1.25% 三溴乙醇可在整个手术过程中提供无障碍的手术通路。选用 1.25% 三溴乙醇的原因在于其起效迅速、麻醉效果可靠,且能提供显微缝合所需的良好肌肉松弛。为确保化学稳定性并减少降解,采用市售的现成工作液,并在避光条件下于 4°C 保存。尽管三溴乙醇若配制或操作不当可能引起短暂的胃肠道抑制或组织刺激,但近期研究已证明,在适当的质量控制程序下使用时,其具有良好的有效性和安全性23。本研究结果与上述报道一致,未观察到任何不良事件,包括术后肠梗阻或腹膜炎。
本方案存在若干局限性。首先,尽管代表性组织学评估显示了局部的术后组织改变,但本研究未包含对炎症反应或术后粘连的定量评估。本方案主要旨在为可重复的器械制备和精确的解剖植入提供方法学指导,而非进行全面的病理学评价。因此,半定量组织学评分、盲法病理学评估以及术后粘连的定量分析均不在本研究范围之内。尽管如此,代表性苏木精-伊红染色切片显示,组织改变轻微且局限于浆膜表面,所观察切片中未见广泛组织损伤的证据。未来结合定量组织学分析和标准化粘连评分的研究将有助于更全面地评估长期组织反应。
最后,本项验证研究主要集中在胃动力记录和组织学观察方面。其他生理学评估,包括胃排空、全肠道通过时间以及粪便颗粒排出量,超出了本次初步验证研究的范围。尽管这些指标能够更全面地评估胃肠道功能,但在术后记录期间观察到的稳定且节律性的胃收缩活动表明,在所考察的条件下,该植入手术能够维持可靠的胃动力记录。然而,利用这些补充性生理学检测方法对整体胃肠道功能进行全面评估,仍是未来验证这种慢性记录方法的重要研究方向。
尽管存在这些局限性,该方案仍扩展了可用于清醒小鼠胃动力长期评估的实验工具。观察到的基础胃频率与先前使用管腔外力传感器19和浆膜电生理记录10所报道的数值一致,且典型的进食相关变化也与哺乳动物模型中已描述的生理反应相符。然而,信号振幅和曲线下面积(AUC)的绝对值仍依赖于多种实验变量,包括传感器制备、放大设置以及手术植入条件,因此应结合各自实验体系的具体情况进行解读。该方案可能适用于胃生理学和疾病相关的纵向研究,包括功能性消化不良、糖尿病性胃轻瘫和术后肠梗阻等模型,并有助于在清醒状态下评估治疗干预的效果。
作者声明,他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
作者感谢中国医学科学院基础医学研究所谢亦宽在应变片制备及实验流程优化方面提供的帮助。本研究得到中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(ZZ-JQ2023002)、中国中医科学院科技创新工程专项(CI2026A03401)以及国家自然科学基金(82174281 和 82230123)的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1% 聚维酮碘溶液 | Jiangmen Hengjian Pharmaceutical Co., Ltd., Guangdong, China | 500 mL | 皮肤消毒 |
| 1.25% 即用型三溴乙醇溶液 | Nanjing Aibei Biotechnology Co., Ltd., Jiangsu, China | M2910 | 无需进一步配制或稀释,直接使用。 |
| 2K 自动对焦相机 | Shenzhen Lvlian Technology Co., Ltd., Guangdong, China | CM717-25442 | 行为监测 |
| 3% 过氧化氢溶液 | Lircon Medical Technology Co., Ltd., Shandong, China | 100 mL | 颅骨制备 |
| 带针6-0可吸收缝合线 | Jinhuan Medical Products Co., Ltd., Shanghai, China | R611 | 腹肌和皮肤缝合 |
| 7-0不可吸收缝合线 | Ningbo Chenghe Microscopic Instrument Factory, Zhejiang, China | 45/35 | 应变片固定 |
| 75% 乙醇 | Lircon Medical Technology Co., Ltd., Shandong, China | 500 mL | 器械和设备消毒 |
| 无酸焊剂 | Prokit's Industries Co., Ltd., Shanghai, China | 8S005 | 电路组装 |
| 动物迷你Arco无线修剪器 | AUX Group Co., Ltd., Zhejiang, China | C6S | 脱毛 |
| 基底树脂 | YAMAHACHI Dental Material Co., Ltd., Jiangsu, China | LSBR-NPS | 头戴式连接器的颅骨固定 |
| 圆形自由活动记录腔室 | Beijing Xin Hang Xing Ye Technology Trading Co., Ltd., Beijing, China | 定制 | 透明圆柱形聚甲基丙烯酸甲酯(Plexiglas)容器(直径35 cm × 高45 cm),配备定制顶部悬挂板(39.5 cm × 10.0 cm)和两个高度可调支撑架(最高15.5 cm),用于悬吊头戴式连接器电缆。 |
| 定制应变片(350 Ω) | Yiyang Heshan District Guangce Electronics Co., Ltd., Hunan, China | 定制 | 基底尺寸:3.6 mm × 3.0 mm;栅格尺寸:2.0 mm × 1.0 mm;厚度:0.06 mm |
| 精细剪刀 | RWD Life Science Co., Ltd., Guangdong, China | S12003-09 | 手术剪刀 |
| 一次性微型涂抹器 | Ouwen Medical Device Technology Co., Ltd., Guangdong, China | 小号 | 硅胶涂抹 |
| 反馈控制电热毯 | Nanjing Xin Xiao Yuan Biotech, Jiangsu, China | H-KWDY-III | 手术期间维持体温 |
| GraphPad Prism | GraphPad Software, LLC, MA, USA | 版本 10.0 | 统计分析 |
| 头戴式连接器 | Beijing Xin Hang Xing Ye Technology Trading Co., Ltd., Beijing, China | 定制 | 定制2 × 3针插头,用于小鼠头件安装;引脚间距1.27 mm,引脚直径0.44 mm,端尾间距4.90 ± 0.25 mm;尺寸:4.88 mm × 3.25 mm × 5.32 mm(长 × 宽 × 高);绝缘体高度:3.80 mm。 |
| 虹膜解剖镊 | RWD Life Science Co., Ltd., Guangdong, China | F12006-10 | 组织解剖 |
| LabChart 专业软件 | ADInstruments Ltd., New South Wales, Australia | 版本 8.0 | 数据采集与信号处理 |
| 美洛昔康注射液 | 齐鲁动物保健品有限公司,山东,中国 | 20 mL | 术后镇痛 |
| 持针器 | RWD Life Science Co., Ltd., Guangdong, China | F31047-12 | 手术缝合 |
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| 硅橡胶(704 RTV) | 溧阳康达有限公司,江苏,中国 | 704 RTV | 应变片封装 |
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| 野生型C57BL/6J小鼠 | 北京维通利华实验动物技术有限公司,北京,中国 | SCXK(北京)2021-0011 | 雄性;8周龄;25 ± 3 g |