La stimulation environnementale froide a été impliquée dans le développement de diverses maladies chroniques. Par conséquent, il est crucial d’établir des modèles animaux pour la recherche préclinique. Ce système répond à ce besoin en proposant un dispositif qui crée un modèle de stimulus, répondant aux exigences de la recherche fondamentale sur les mécanismes pathogènes.
Article de méthode
Établissement d’un modèle murin pour l’inhalation d’air à très basse température des voies respiratoires
Dans cet article
Résumé
Résumé
À l’heure actuelle, la construction d’un modèle murin pour la stimulation de l’environnement froid utilise des plaques de chaleur froide et des dispositifs de refroidissement portables. Ces méthodes peuvent répondre partiellement aux exigences de l’étude des réponses et des effets régulateurs de la peau de souris ou des circuits neuronaux à la stimulation par le froid. De nombreuses études cliniques ont corroboré la corrélation entre l’exposition à des environnements à basse température et le développement de diverses maladies. Récemment, l’accent a été mis de plus en plus sur l’échange continu d’informations entre les organes et les tissus, offrant une nouvelle perspective sur la résolution de problèmes de longue date au sein du corps humain. Cependant, les installations existantes ne sont pas en mesure de construire un modèle pour les souris inhalant de l’air froid.
Bien que placer des souris dans un environnement froid semble attrayant, il présente des limites considérables. Alors que les souris inhalent de l’air froid, leur peau est également stimulée par l’environnement froid, ce qui ne permet pas de savoir si les changements pathologiques qui en résultent sont dus à la stimulation pulmonaire par l’interaction d’organes distants ou aux récepteurs cutanés et à la transmission du signal neuronal. Cela crée une confusion considérable dans les recherches connexes. Ce schéma présente une nouvelle approche pour la construction d’un modèle murin de stimulation par inhalation d’air extrêmement froid. Cet appareil permet aux souris d’inhaler des gaz à très basse température pendant que leur corps reste à une température normale. Il maximise la simulation des effets stimulants des températures ambiantes extrêmes sur les souris et répond aux besoins de recherche pour l’étude de la relation entre les températures environnementales extrêmes et les maladies associées.
Introduction
Cette méthode fournit principalement un modèle de stimulation de l’air à très basse température chez la souris à l’aide d’un dispositif de retour de température de réfrigération à semi-conducteurs non invasif, normalisé, stable et discontinu. Des expériences cliniques liées aux basses températures ont confirmé une relation étroite avec l’incidence et le pronostic de diverses maladies. Une étude chronologique portant sur 272 grandes villes de Chine a permis de recenser un total de 1 826 186 cas de décès non accidentels. La relation entre la température et la mortalité indique systématiquement une courbe en forme de J inversé, la phase des taux de mortalité élevés dus au froid étant nettement plus longue que les autres températures. Cela suggère que l’impact des basses températures sur les accidents vasculaires cérébraux et les maladies cardiovasculaires est illimité à la phase froide ; Il y a une influence continue pendant une période après que la phase froide s’est calmée.
Parmi les décès non accidentels, 14,33 % peuvent être attribués à des facteurs de température ambiante, le froid modéré (-1,4 à 22,8 °C) et le froid extrême (-6,4 à -1,4 °C) représentant respectivement 10,49 % et 1,14 %. Les causes de décès comprennent les maladies cardiovasculaires et cérébrovasculaires (17,48 %), les maladies coronariennes (18,76 %), les accidents vasculaires cérébraux ischémiques (14,09 %), les accidents vasculaires cérébraux hémorragiques (18,10 %), les maladies de l’appareil respiratoire (10,57 %) et la bronchopneumopathie chronique obstructive (12,57 %)1. En Chine, les études épidémiologiques sur les accidents vasculaires cérébraux suggèrent un gradient clair du nord vers le sud2. Dans le climat glacial du nord-est de la Chine, la prévalence des accidents vasculaires cérébraux est 2,36 fois plus élevée que dans la région méridionale3. Des recherches substantielles ont confirmé l’impact direct des environnements à basse température sur les taux de mortalité et l’incidence des accidents vasculaires cérébraux 4,5,6. Par conséquent, les différences importantes de température climatique représentent un facteur environnemental qui ne peut être ignoré.
L’absence de raisonnement scientifique efficace expliquant la corrélation entre les environnements à basse température et l’augmentation des taux d’accidents vasculaires cérébraux et de problèmes cardiaques reste un sujet de recherche. Alors que la sagesse conventionnelle suggère que les températures froides peuvent augmenter la pression artérielle par l’irritation de la peau et l’excitation sympathique7, les individus prennent généralement des mesures pour s’isoler et maintenir l’équilibre de la température corporelle en réponse aux conditions froides. Lorsqu’ils sont exposés à des températures froides, les humains modernes s’appuient sur leur système respiratoire plutôt que sur la peau comme principal mécanisme de défense. Bien que des vêtements épais puissent protéger la peau du froid externe, ils ne peuvent pas empêcher l’inhalation d’air froid dans les voies respiratoires, exposant la trachée et les alvéoles à une stimulation intense par le froid. Les méthodes actuelles de construction de modèles animaux pour la stimulation à basse température sont principalement divisées en deux aspects. Tout d’abord, de nombreuses études se sont concentrées sur l’exploration de la réponse et des mécanismes de régulation de la peau de souris à la stimulation à basse température. Une méthode consiste à placer des souris sur une plaque capable de contrôler les changements de température (4-25°C) pour étudier les mécanismes de régulation spécifiques de la régulation de la température corporelle et le comportement d’évitement en réponse à des stimuli froids 8,9. D’autres études ont placé des dispositifs de refroidissement sur le dos de souris pour explorer le rôle des circuits neuronaux dans la régulation de la température corporelle10.
À l’inverse, plusieurs études ont placé des souris dans de petites chambres à température variable (4-30 °C). Les recherches de Lal et ses collègues et de Qian et al. ont utilisé cette méthode pour construire un modèle murin de stimulation par le froid afin d’explorer les circuits neuronaux régulant le contrôle neuroendocrinien du comportement alimentaire induit par le froid11,12. Cependant, les deux méthodes mentionnées ont leurs limites. Tout d’abord, la température la plus basse est de 4 °C, ce qui est insuffisant pour simuler une stimulation de l’air à très basse température. Cette méthode ne peut exclure les effets régulateurs de la peau et des circuits neuronaux sur l’environnement froid. En tant que principal site d’échange d’air, les poumons sont également des organes où sont concentrés les neurones sensibles au froid13,14. Le rôle régulateur des neurones sensibles au froid dans diverses maladies a également été confirmé par plusieurs chercheurs 15,16,17. Par conséquent, il est urgent de mettre au point une méthode pour construire de manière stable, massive et normative un modèle animal à basse température des voies respiratoires. Comprendre le rôle régulateur des poumons et des neurones sensibles au froid dans diverses maladies chroniques sous stimulation atmosphérique à très basse température est essentiel pour fournir une base théorique pour la prévention et le traitement des accidents vasculaires cérébraux, des maladies coronariennes et des maladies du système respiratoire dans les régions froides. Notre équipe a comblé cette lacune critique en construisant un appareil à basse température au cours des deux dernières années. Cet appareil se caractérise par sa répétabilité, sa praticité, sa structure simple et son faible coût, ce qui le rend adapté à de telles études.
Protocole
Le Comité d’éthique des animaux d’expérimentation a approuvé toutes les procédures impliquant des sujets animaux au premier hôpital affilié de l’Université de médecine de Harbin.
1. Assemblage de l’appareil
REMARQUE : reportez-vous à la Figure 1 pour les composants de l’appareil.
- Utilisez des connecteurs métalliques pour fixer deux ensembles de coques en laiton à deux ensembles de puces de refroidissement de semi-conducteurs. Appliquez de la graisse silicone thermoconductrice entre la coque en laiton et la puce de refroidissement du semi-conducteur.
- Appliquez de la graisse thermique entre la coque en laiton et la puce de refroidissement du semi-conducteur.
- Connectez deux groupes de ventilateurs dans chaque pièce de réfrigération à semi-conducteurs ci-dessous. Assurez-vous que la coque en laiton, le ventilateur, la puce de refroidissement des semi-conducteurs et la graisse silicone thermoconductrice sont solidement connectés en tant qu’unité complète.
- Placez l’appareil dans son ensemble dans le bocal de récupération de gaz et les deux plaques de recouvrement des fentes.
- Installez les plaques au-dessus et en dessous du bocal de récupération de gaz.
- Connectez le tuyau d’entrée d’eau et les tuyaux de sortie d’eau à l’entrée et à la sortie d’eau de la coque en laiton, respectivement.
- Connectez quatre groupes de coquilles en laiton en haut et en bas du bocal de récupération de gaz avec des tuyaux.
- Connectez la pompe à eau au tuyau d’arrivée d’eau.
- Placez le tuyau de sortie d’eau dans la citerne.
- Connectez quatre ensembles de refroidisseurs de semi-conducteurs et de pompes à eau à deux ensembles d’alimentations (12 V et 40 A).
2. Préparation de l’animal pour l’expérience
REMARQUE : Nous avons utilisé une souris mâle C57Bl/6 âgée de 4 semaines pour ces expériences. Il est recommandé de laisser la souris s’adapter au fixateur pendant 3 à 5 jours avant la préparation du modèle. L’environnement expérimental doit être à température ambiante et silencieux pour éviter le bruit pendant toute la durée de l’expérience.
- Fixez la souris dans le fixateur : Placez la souris dans le fixateur, en positionnant la partie avant du nez de la souris à l’ouverture du fixateur. Utilisez un bouchon éponge assorti pour remplir et fixer la partie arrière du fixateur, en vous assurant qu’il a des trous de ventilation. Ensuite, placez le fixateur de souris dans la fente cylindrique du bocal de récupération de gaz (Figure 1D).
3. Flux de fonctionnement expérimental
- Préparez un mélange d’eau glacée et placez-le dans la citerne.
REMARQUE : Pour cette étape, assurez-vous que le niveau d’eau du mélange d’eau glacée et d’eau est supérieur à celui de la pompe pour vous assurer que le mélange est ajouté à temps tout au long de l’expérience. Il n’est pas recommandé d’utiliser de l’eau à température ambiante - Positionnez la pompe à eau dans le mélange d’eau glacée et assurez-vous que le tuyau de sortie est immergé.
- Placez la sonde du capteur de température à l’intérieur de l’orifice de mesure de la température du bocal de récupération de gaz.
- Connectez la pompe à eau à sa source d’alimentation et allumez-la.
- Connectez l’alimentation au régulateur de température, branchez l’adaptateur d’alimentation de l’unité de réfrigération dans la prise de courant du régulateur de température et réglez la plage de température souhaitée sur le régulateur.
- Réglez la plage de température du régulateur de température.
- Après l’expérience, retirez la souris et remettez-la dans son environnement de logement.
- Coupez l’alimentation électrique du régulateur de température.
- Éteignez la pompe à eau.
4. Imagerie thermique
REMARQUE : Pour démontrer et vérifier que les souris peuvent inhaler de l’air à très basse température tout en maintenant une température corporelle normale à l’intérieur de cet appareil, la température dans le bocal de collecte de gaz a été mesurée à l’aide d’une caméra thermique (Figure 2).
- À l’aide d’une caméra thermique portative, vous pouvez déterminer les températures du trou d’air et du trou de mesure de la température du bocal de récupération de gaz à une distance optimale.
- Positionnez le point laser rouge, indiquant l’emplacement de la mesure, précisément au centre de la zone de mesure de température désignée.
- En utilisant la même méthodologie, mesurez à nouveau la température corporelle des souris.
Résultats
Nous pouvons observer la construction globale de cet appareil, qui comprend une puce de réfrigération à semi-conducteurs, de la graisse silicone thermoconductrice, un bocal de récupération de gaz, un régulateur de température, un ventilateur, un système de circulation de refroidissement par eau, un fixateur de souris et un adaptateur secteur. Une seule unité peut répondre simultanément aux besoins de modélisation d’un maximum de 16 souris (Figure 1A,B). Le bocal de collecte de gaz, le système de circulation de refroidissement par eau, la puce de réfrigération à semi-conducteurs, le ventilateur et le fixateur de souris constituent le corps principal de l’appareil (Figure 1C). À l’intérieur du corps principal de l’appareil, l’extrémité avant du fixateur de souris peut être insérée dans le bocal de récupération de gaz, ce qui garantit que le nez de la souris inhale directement le gaz à basse température (Figure 1D). Quatre ensembles de ventilateurs peuvent être observés sur la face supérieure intérieure du corps principal de l’appareil, la face arrière des ventilateurs étant reliée à la puce de réfrigération à semi-conducteur par une graisse de silicone thermoconductrice (Figure 1E). Le fixateur de souris, utilisé en conjonction avec l’appareil, est cylindrique, l’extrémité avant pouvant être déployée dans le bocal de récupération de gaz. Le fixateur est doté de trous de ventilation au milieu et d’un bouchon à l’arrière pour la sécurisation, répondant aux exigences de fixation pour les souris de différentes tailles (Figure 1F).
Au cours de l’expérience, une sonde de capteur de température est généralement utilisée pour surveiller en permanence la température à l’intérieur du bocal de collecte de gaz en temps réel, comme détaillé à l’étape 3.3 du protocole. Pour démontrer et vérifier que les souris peuvent inhaler de l’air à très basse température tout en maintenant une température corporelle normale à l’intérieur de cet appareil, la température dans le bocal de collecte de gaz a été mesurée à l’aide d’une caméra thermique (Figure 2). On a observé que la température à l’intérieur du bocal de collecte de gaz était d’environ -20 °C. Les résultats ont clairement indiqué que la température corporelle des souris à l’intérieur du dispositif de retenue n’a pas été affectée. Les résultats confirment que cet appareil peut permettre aux souris d’inhaler des gaz à très basse température tout en maintenant la température corporelle à un état normal. Actuellement, plusieurs chercheurs s’intéressent à l’impact et aux mécanismes pathologiques des maladies chroniques dans des conditions de températures extrêmement basses. Cet appareil peut répondre aux besoins d’une telle recherche. En appliquant ce dispositif, un lot stable de modèles animaux peut être construit, jetant ainsi une base solide pour les études ultérieures.
Figure 1 : La structure globale de l’appareil et le diagramme de décomposition de chaque pièce. (A) L’affichage global de l’appareil à l’état expérimental. (B) La vue vers le haut de l’ensemble de l’appareil indique deux ensembles de feuilles de réfrigération à semi-conducteurs et de coquilles en laiton au fond du bocal de collecte de gaz. (C) Image partiellement agrandie du bocal de collecte de gaz. (D) Après avoir retiré l’image localement agrandie du dispositif supérieur du réservoir, on peut observer que l’extrémité de la tête du fixateur de souris peut être prolongée dans le bocal pendant l’expérience, en veillant à ce que seul le nez de la souris soit exposé à l’environnement à basse température. (E) Image agrandie du ventilateur. (F) L’image du dispositif de fixation de la souris indique l’extrémité de la tête de l’appareil, le trou d’aération et le bouchon de colle à l’arrière. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Le schéma de surveillance de l’effet de refroidissement pendant le fonctionnement de l’appareil. (A) Sous la surveillance d’un thermomètre infrarouge lointain, l’ensemble de l’appareil peut être observé à basse température. Le matériau isolant fixé à l’extérieur de l’appareil indique une température de 13 °C. (B) À l’aide d’un thermomètre infrarouge lointain pour mesurer la température de l’orifice de ventilation où le support de souris est placé pendant l’expérience, on peut observer que la température à l’intérieur de la cartouche de récupération de gaz est de -21,1 °C. L’appareil a répondu à nos exigences de conception. (C) Dans l’expérience, les souris ont été retirées de l’appareil et le thermomètre infrarouge lointain a été utilisé pour mesurer la température du nez et du corps des souris. Les résultats ont démontré que la température du nez des souris était significativement plus basse, tandis que la température du corps restait normale. (D) Un trou de mesure de la température est conçu au sommet du dispositif expérimental. Un thermomètre infrarouge lointain a été utilisé pour mesurer la température à l’intérieur du bocal collecteur de gaz à travers le trou de mesure de température, indiquant que la température interne du bocal collecteur de gaz est de -21 °C, ce qui prouve que l’appareil peut être utilisé pour des études à basse température. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Discussion
Dans la construction d’un modèle de stimulation à basse température, plusieurs étapes et précautions clés sont nécessaires pour assurer la précision de l’expérience et le bien-être des animaux. Utilisez un mélange d’eau glacée au lieu d’eau à température ambiante pour maintenir un état de basse température de l’eau de refroidissement tout au long de l’expérience, ce qui permet de simuler des environnements à très basse température. Assurez-vous que le système d’eau de refroidissement à recirculation n’est pas obstrué pour assurer le fonctionnement efficace du système de réfrigération. Lors de la préparation d’un mélange d’eau glacée, tenez compte des points suivants : (1) Un mélange d’eau glacée signifie de la glace solide en dessous et de l’eau au-dessus de la glace solide ; (2) Observez attentivement le processus de fonte de la glace solide pendant l’expérience, car cela peut faire flotter la glace. Une telle glace flottante pourrait obstruer la surface de la pompe, ce qui entraverait la dissipation efficace de la chaleur. À la fin de l’expérience, coupez l’alimentation électrique de l’unité de réfrigération avant la pompe à eau. Cela garantit que le système de recirculation d’eau peut continuer à dissiper la chaleur du semi-conducteur de réfrigération après l’arrêt, évitant ainsi les augmentations soudaines de température qui pourraient affecter les résultats. Pour la surveillance de la température, cet appareil utilise un régulateur de température intelligent. L’alimentation de l’appareil est connectée au contrôleur de température intelligent, et le contrôleur est utilisé pour régler la plage de température. Au cours de l’expérience, la sonde de température est placée dans le bocal de collecte de gaz pour surveiller en permanence le changement de température. Une fois que la température dépasse la plage définie, le contrôleur déconnecte automatiquement l’alimentation électrique de l’appareil pour maintenir la température dans la plage définie.
Si l’efficacité de la réfrigération est considérablement réduite ou si le dispositif de réfrigération tombe en panne pendant l’expérience, envisagez les possibilités suivantes : (1) Assurez-vous que la pompe est dans le mélange d’eau glacée ; (2) vérifier si la température de l’eau est extrêmement élevée ; (3) inspecter la feuille de réfrigération des semi-conducteurs pour détecter les dommages ; (4) Vérifiez que la ligne de connexion électrique de la feuille de réfrigération à semi-conducteurs est rompue.
Cet appareil a des limites. Au cours de l’expérience, une grande quantité de mélange d’eau glacée est nécessaire pour refroidir la feuille de réfrigération à semi-conducteurs, et l’efficacité de refroidissement du dispositif est affectée par l’efficacité de refroidissement de la puce de refroidissement à semi-conducteur. Les améliorations futures pourraient inclure la conception du dispositif de réfrigération à cycle d’eau comme un dispositif en boucle fermée et l’utilisation de liquide de réfrigération ou d’antigel comme fluide de refroidissement. Simultanément, l’optimisation de l’apparence de l’équipement et la résolution des fuites nues des pipelines et des lignes de connexion électrique amélioreront la commodité de transport et populariseront l’appareil. De plus, pour maintenir une inhalation constante et stable de gaz à basse température par les souris, un dispositif de fixation de souris et un bouchon en caoutchouc ont été utilisés pour immobiliser les souris. En raison de l’inhalation de gaz extrêmement froids, le processus de stimulation a été limité dans le temps pour préserver le bien-être des souris et prévenir les engelures et les problèmes psychologiques. Les efforts futurs se concentreront sur l’amélioration du luminaire afin de minimiser les dommages supplémentaires pendant la phase de stimulation chez la souris.
Cette technologie est non seulement importante pour la recherche scientifique fondamentale sur les effets des environnements à basse température sur les organismes biologiques, mais elle a également des applications potentielles dans l’étude de la pathogenèse des maladies chroniques dans les populations vivant dans les régions froides. La définition de l’air extrêmement froid varie selon les régions et les environnements. Cependant, en configurant le système de contrôle de la température, l’appareil peut être ajusté pour répondre aux exigences de recherche pour n’importe quelle température allant de la température ambiante à -20 °C. Cette flexibilité garantit que l’appareil peut répondre aux divers besoins de température des chercheurs. De plus, il contribue à l’exploration du rôle des poumons dans la communication inter-organes dans des conditions de basse température, fournissant une base solide pour la prévention et le traitement des accidents vasculaires cérébraux, des maladies coronariennes et des maladies du système respiratoire dans les régions froides. En suivant ces étapes et précautions, les chercheurs peuvent construire un modèle animal stable et standardisé pour étudier les effets des environnements à très basse température sur les organismes biologiques, fournissant ainsi une base scientifique pour la prévention et le traitement des maladies connexes.
Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| coquille en laiton | Shenzhen Haida citerne d’entreprise | ||
| Shenzhen Gongdecheng ventilateur de l’industrie | |||
| ChaoJingYin electoronic.,LTD | 4010 | 12 V | |
| Pot de collecte de gaz | Shenzhen Gongdecheng industrie du plastique tuyau d’admission | ||
| / sortie | Shenchen caoutchouc et plastique produits usine | ||
| fixateur de souris ; | Technologie Lanjieke ; | ||
| énergie | Shenzhen Haida entreprise d’équipement électronique de haute technologie | 12 V 40 A | |
| entreprise | |||
| silicone thermoconductrice | Shenzhen Haida entreprise d’équipement électronique de haute technologie | DRG102 | |
| pompe à eau | Shenzhen Jutai pump Co., LTD | DC005 | 12 V |
| Adaptateur d’alimentation de pompe à eau | Chaoke adaptateur d’alimentation usine | 1210 | 100-240 V 50-60 HZ 12 V |
Références
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Réimpressions et autorisations
