גירוי סביבתי קר היה מעורב בהתפתחות מחלות כרוניות שונות. לכן, ביסוס מודלים של בעלי חיים למחקר פרה-קליני הוא קריטי. מערכת זו עונה על צורך זה על ידי הצעת מכשיר היוצר מודל גירוי, העונה על הדרישות למחקר בסיסי על מנגנונים פתוגניים.
מאמר שיטה
גירוי סביבתי קר היה מעורב בהתפתחות מחלות כרוניות שונות. לכן, ביסוס מודלים של בעלי חיים למחקר פרה-קליני הוא קריטי. מערכת זו עונה על צורך זה על ידי הצעת מכשיר היוצר מודל גירוי, העונה על הדרישות למחקר בסיסי על מנגנונים פתוגניים.
נכון לעכשיו, בניית מודל עכבר לגירוי סביבתי קר משתמשת בלוחות חום קר ומכשירי קירור לבישים. שיטות אלו יכולות למלא חלקית את הדרישות לחקר התגובות וההשפעות הרגולטוריות של עור עכבר או מעגלים עצביים לגירוי קר. מחקרים קליניים רבים איששו את הקשר בין חשיפה לסביבות בטמפרטורה נמוכה לבין התפתחות מחלות שונות. לאחרונה הושם דגש הולך וגובר על חילופי מידע מתמשכים בין איברים ורקמות, המספקים נקודת מבט חדשה על טיפול בבעיות ארוכות שנים בגוף האדם. עם זאת, מתקנים קיימים אינם מסוגלים לבנות מודל לעכברים השואפים אוויר קר.
למרות שהצבת עכברים בסביבה קרה נראית אטרקטיבית, יש לה מגבלות ניכרות. בעוד שעכברים שואפים אוויר קר, העור שלהם מגורה גם על ידי הסביבה הקרה, מה שלא ברור אם השינויים הפתולוגיים הנובעים מכך נובעים מגירוי ריאות באמצעות אינטראקציה של איברים מרוחקים או עקב קולטני העור והעברת אותות עצביים. זה יוצר בלבול ניכר במחקר קשור. תוכנית זו מציגה גישה חדשה לבניית מודל עכבר לגירוי שאיפת אוויר קר קיצוני. מכשיר זה מאפשר לעכברים לשאוף גזים בטמפרטורה נמוכה במיוחד בזמן שגופם נשאר בטמפרטורה רגילה. הוא ממקסם את הסימולציה של ההשפעות המעוררות של טמפרטורות סביבה קיצוניות על עכברים ועונה על צורכי המחקר לחקר הקשר בין טמפרטורות סביבתיות קיצוניות למחלות קשורות.
שיטה זו מספקת בעיקר מודל גירוי אוויר בטמפרטורה נמוכה במיוחד בעכברים באמצעות מכשיר משוב טמפרטורת קירור מוליכים למחצה לא פולשני, סטנדרטי, יציב ואצווה. ניסויים קליניים הקשורים לטמפרטורות נמוכות אישרו קשר הדוק עם שכיחות ופרוגנוזה של מחלות שונות. מחקר סדרות זמן שכלל 272 ערים גדולות בסין השיג בסך הכל 1,826,186 מקרים של מקרי מוות לא מקריים. הקשר בין טמפרטורה לתמותה מצביע באופן עקבי על עקומה הפוכה בצורת J, כאשר השלב של שיעורי תמותה גבוהים עקב קור ארוך משמעותית מטמפרטורות אחרות. זה מצביע על כך שההשפעה של טמפרטורות נמוכות על שבץ מוחי ומחלות לב וכלי דם היא בלתי מוגבלת לשלב הקר; יש השפעה מתמשכת בתקופה שלאחר שוך השלב הקר.
מבין מקרי המוות הלא מקריים, ניתן לייחס 14.33% לגורמי טמפרטורת הסביבה, כאשר קור בינוני (-1.4 עד 22.8 מעלות צלזיוס) וקור קיצוני (-6.4 עד -1.4 מעלות צלזיוס) מהווים 10.49% ו-1.14%, בהתאמה. סיבות המוות כוללות מחלות לב וכלי דם במוח ב-17.48%, מחלות לב כליליות ב-18.76%, שבץ איסכמי ב-14.09%, שבץ דימומי ב-18.10%, מחלות מערכת הנשימה ב-10.57% ומחלת ריאות חסימתית כרונית ב-12.57%1. בסין, מחקרים אפידמיולוגיים של שבץ מוחי מצביעים על שיפוע ברור מצפון לדרום2. באקלים הקפוא של צפון מזרח סין, שכיחות השבץ גבוהה פי 2.36 בהשוואה לאזור הדרומי3. מחקר משמעותי אישר את ההשפעה הישירה של סביבות בטמפרטורה נמוכה על שיעורי התמותה ושכיחות שבץ מוחי 4,5,6. כתוצאה מכך, הבדלי טמפרטורת האקלים המשמעותיים מייצגים גורם סביבתי שאי אפשר להתעלם ממנו.
היעדר חשיבה מדעית יעילה המסבירה את המתאם בין סביבות בטמפרטורה נמוכה לבין שיעורים מוגברים של שבץ ובעיות לב נותר נושא לחקירה. בעוד שהחוכמה המקובלת גורסת כי טמפרטורות קרות עלולות להעלות את לחץ הדם באמצעות גירוי בעור ועירור סימפתטי7, אנשים בדרך כלל נוקטים באמצעים כדי לבודד את עצמם ולשמור על שיווי משקל בטמפרטורת הגוף בתגובה לתנאי קור. כאשר הם נחשפים לטמפרטורות נמוכות, בני האדם המודרניים מסתמכים על מערכת הנשימה שלהם במקום על העור כמנגנון ההגנה העיקרי. בעוד שבגדים עבים יכולים להגן על העור מפני קור חיצוני, הם אינם יכולים למנוע שאיפת אוויר קר לדרכי הנשימה, וחושפים את קנה הנשימה והנאדיות לגירוי קור עז. השיטות הנוכחיות לבניית מודלים של בעלי חיים לגירוי בטמפרטורה נמוכה מחולקות בעיקר לשני היבטים. ראשית, מחקרים רבים התמקדו בחקר התגובה ומנגנוני הבקרה של עור העכבר לגירוי בטמפרטורה נמוכה. שיטה אחת כוללת הנחת עכברים על צלחת שיכולה לשלוט בשינויי טמפרטורה (4-25 מעלות צלזיוס) כדי לחקור את מנגנוני הוויסות הספציפיים של ויסות טמפרטורת הגוף והתנהגות הימנעות בתגובה לגירוי קור 8,9. מחקרים אחרים הציבו מכשירי קירור על גבם של עכברים כדי לחקור את תפקידם של מעגלים עצביים בוויסות טמפרטורת הגוף10.
לעומת זאת, מספר מחקרים הציבו עכברים בתאים קטנים עם טמפרטורות משתנות (4-30 מעלות צלזיוס). מחקר של לאל ועמיתיו וצ'יאן ואחרים השתמשו בשיטה זו כדי לבנות מודל עכבר של גירוי קר כדי לחקור את המעגלים העצביים המווסתים את השליטה הנוירואנדוקרינית בהתנהגות האכלה הנגרמת על ידי קור11,12. עם זאת, לשתי השיטות שהוזכרו יש מגבלות. ראשית, הטמפרטורה הנמוכה ביותר היא 4 מעלות צלזיוס, וזה לא מספיק כדי לדמות גירוי אוויר קיצוני בטמפרטורה נמוכה. שיטה זו אינה יכולה לשלול את ההשפעות הרגולטוריות של העור והמעגלים העצביים על הסביבה הקרה. כאתר העיקרי של חילופי האוויר, הריאות הן גם איברים שבהם מרוכזים נוירונים רגישים לקור13,14. התפקיד הרגולטורי של נוירונים רגישים לקור במחלות שונות אושר גם על ידי מספר חוקרים 15,16,17. כתוצאה מכך, יש צורך בדחיפות בשיטה לבנייה יציבה, מסיבית ונורמטיבית של מודל בעלי חיים בטמפרטורה נמוכה בדרכי הנשימה. הבנת התפקיד הרגולטורי של הריאות והנוירונים הרגישים לקור במחלות כרוניות שונות תחת גירוי אוויר בטמפרטורה נמוכה קיצונית חיונית כדי לספק בסיס תיאורטי למניעה וטיפול בשבץ מוחי, מחלות לב כליליות ומחלות מערכת הנשימה באזורים קרים. הצוות שלנו טיפל בפער הקריטי הזה על ידי בניית מכשיר בטמפרטורה נמוכה במהלך השנתיים האחרונות. מכשיר זה מאופיין בחזרתיות, פרקטיות, מבנה פשוט ועלות נמוכה, מה שהופך אותו למתאים למחקרים כאלה.
ועדת האתיקה של בעלי חיים ניסיוניים אישרה את כל ההליכים הקשורים לנבדקים בבעלי חיים בבית החולים המסונף הראשון של האוניברסיטה הרפואית חרבין.
1. הרכבת מכשיר
הערה: ראה איור 1 לרכיבי המכשיר.
2. הכנת החיה לניסוי
הערה: השתמשנו בעכבר זכר C57Bl/6 בן 4 שבועות לניסויים אלה. מומלץ לאפשר לעכבר להסתגל לקיבוע למשך 3-5 ימים לפני הכנת הדגם. סביבת הניסוי צריכה להיות בטמפרטורת החדר ולשמור עליה שקטה כדי למנוע רעש במהלך כל הניסוי.
3. זרימת פעולה ניסויית
4. הדמיה תרמית
הערה: כדי להדגים ולוודא שהעכברים יכולים לשאוף אוויר בטמפרטורה נמוכה במיוחד תוך שמירה על טמפרטורת גוף תקינה בתוך מכשיר זה, הטמפרטורה בצנצנת איסוף הגז נמדדה באמצעות מצלמת הדמיה תרמית (איור 2).
אנו יכולים לצפות בבנייה הכוללת של מכשיר זה, הכולל שבב קירור מוליכים למחצה, שומן סיליקון מוליך תרמית, צנצנת איסוף גז, בקר טמפרטורה, מאוורר, מערכת זרימת קירור מים, מקבע עכבר ומתאם מתח. יחידה אחת יכולה להכיל בו-זמנית את צרכי המידול של עד 16 עכברים (איור 1A,B). צנצנת איסוף הגז, מערכת סירקולציה לקירור מים, שבב קירור מוליכים-למחצה, מאוורר ומקבע עכבר מהווים את הגוף העיקרי של המכשיר (איור 1C). בתוך הגוף הראשי של המכשיר, ניתן להכניס את הקצה הקדמי של מקבע העכבר לתוך צנצנת איסוף הגז, מה שמבטיח שהאף של העכבר שואף ישירות את הגז בטמפרטורה נמוכה (איור 1D). ניתן לצפות בארבע קבוצות של מאווררים בצד העליון הפנימי של הגוף הראשי של ההתקן, כאשר הצד האחורי של המאווררים מחובר לשבב הקירור של המוליכים-למחצה דרך גריז סיליקון מוליך תרמית (איור 1E). מקבע העכבר, המשמש בשילוב עם המכשיר, הוא גלילי, כאשר הקצה הקדמי ניתן להרחבה לצנצנת איסוף הגז. למקבע יש חורי אוורור באמצע ותקע מאחור לאבטחה, העומדים בדרישות הקיבוע עבור עכברים בגדלים שונים (איור 1F).
במהלך הניסוי, נעשה שימוש בדרך כלל בבדיקת חיישן טמפרטורה כדי לנטר באופן רציף את הטמפרטורה בתוך צנצנת איסוף הגז בזמן אמת, כמפורט בשלב פרוטוקול 3.3. כדי להדגים ולוודא שהעכברים יכולים לשאוף אוויר בטמפרטורה נמוכה במיוחד תוך שמירה על טמפרטורת גוף תקינה בתוך מכשיר זה, הטמפרטורה בצנצנת איסוף הגז נמדדה באמצעות מצלמת הדמיה תרמית (איור 2). הטמפרטורה בתוך קנקן איסוף הגז נצפתה כ-20 מעלות צלזיוס. התוצאות הצביעו בבירור על כך שטמפרטורת הגוף של העכברים בתוך מכשיר הריסון נותרה ללא פגיעה. התוצאות מאשרות כי מכשיר זה יכול לאפשר לעכברים לשאוף גזים בטמפרטורה נמוכה במיוחד תוך שמירה על טמפרטורת הגוף במצב תקין. נכון לעכשיו, מספר חוקרים מתמקדים בהשפעה ובמנגנונים הפתולוגיים של מחלות כרוניות בתנאי טמפרטורה נמוכה קיצוניים. מכשיר זה יכול לענות על הצרכים של מחקר כזה. על ידי יישום מכשיר זה, ניתן לבנות אצווה יציבה של דגמי בעלי חיים, ולהניח בסיס איתן למחקרים הבאים.

איור 1: המבנה הכולל של ההתקן ותרשים הפירוק של כל חלק. (A) התצוגה הכוללת של ההתקן במצב הניסוי. (ב) המבט כלפי מעלה של המכשיר הכולל מצביע על שתי קבוצות של יריעות קירור מוליכים למחצה וקליפות פליז בתחתית צנצנת איסוף הגז. (C) תמונה מוגדלת חלקית של קנקן איסוף הגז. (D) לאחר הסרת התמונה המוגדלת מקומית של המכשיר העליון של המיכל, ניתן לראות שניתן להאריך את קצה הראש של מקבע העכבר לתוך הצנצנת במהלך הניסוי, מה שמבטיח שרק האף של העכבר חשוף לסביבה בטמפרטורה נמוכה. (ה) תמונה מוגדלת של המאוורר. (ו) התמונה של התקן קיבוע העכבר מציינת את קצה הראש של ההתקן, את חור האוורור ואת פקק הדבק בזנב. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: דיאגרמת הניטור של אפקט הקירור במהלך פעולת ההתקן. (א) תחת ניטור של מדחום אינפרא אדום רחוק, ניתן לצפות במכשיר כולו במצב טמפרטורה נמוכה. חומר הבידוד המחובר לחלק החיצוני של המכשיר מעיד על טמפרטורה של 13 מעלות צלזיוס. (ב) באמצעות מדחום אינפרא אדום רחוק למדידת הטמפרטורה של יציאת האוורור שבה ממוקם מחזיק העכבר במהלך הניסוי, ניתן לראות שהטמפרטורה בתוך מיכל איסוף הגז היא -21.1 מעלות צלזיוס. המכשיר עמד בדרישות העיצוב שלנו. (C) בניסוי העכברים הוצאו מהמכשיר, ומדחום אינפרה-אדום רחוק שימש למדידת טמפרטורת האף והגוף של העכברים. התוצאות הראו כי טמפרטורת האף של העכברים הייתה נמוכה משמעותית, בעוד שטמפרטורת הגוף נותרה תקינה. (D) חור למדידת טמפרטורה מתוכנן בחלק העליון של מכשיר הניסוי. מדחום אינפרא אדום רחוק שימש למדידת הטמפרטורה בתוך צנצנת איסוף הגז דרך חור מדידת הטמפרטורה, מה שמצביע על כך שהטמפרטורה הפנימית של צנצנת איסוף הגז היא -21 מעלות צלזיוס, מה שמוכיח שניתן להשתמש במכשיר למחקרי טמפרטורה קרה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
בבניית מודל גירוי בטמפרטורה נמוכה, יש צורך במספר צעדים מרכזיים ואמצעי זהירות כדי להבטיח את דיוק הניסוי ואת רווחת בעלי החיים. השתמש בתערובת מי קרח במקום מים בטמפרטורת החדר כדי לשמור על מצב טמפרטורה נמוכה של מי הקירור לאורך כל הניסוי, מה שמסייע לדמות סביבות בטמפרטורה נמוכה במיוחד. ודא שמערכת מי הקירור המחזורית אינה חסומה כדי להבטיח פעולה יעילה של מערכת הקירור. בעת הכנת תערובת מי קרח, שקול את הנקודות הבאות: (1) תערובת מי קרח פירושה קרח מוצק מתחת ומים מעל הקרח המוצק; (2) התבוננו בזהירות בתהליך ההמסה של הקרח המוצק במהלך הניסוי, מאחר שהדבר עלול לגרום לקרח לצוף. קרח צף כזה עלול לחסום את פני המשאבה, ובכך לעכב פיזור חום יעיל. בסיום הניסוי, כבה את אספקת החשמל ליחידת הקירור לפני משאבת המים. זה מבטיח שמערכת המים המחזורית תוכל להמשיך לפזר חום מהמוליך למחצה של הקירור לאחר הכיבוי, ולמנוע עליות טמפרטורה פתאומיות שעלולות להשפיע על התוצאות. לניטור טמפרטורה, מכשיר זה משתמש בבקר טמפרטורה חכם. ספק הכוח של המכשיר מחובר לבקר הטמפרטורה החכם, והבקר משמש לקביעת טווח הטמפרטורות. במהלך הניסוי, בדיקת הטמפרטורה מונחת בצנצנת איסוף הגז כדי לעקוב אחר שינוי הטמפרטורה ברציפות. ברגע שהטמפרטורה חורגת מהטווח שנקבע, הבקר מנתק אוטומטית את אספקת החשמל של המכשיר כדי לשמור על הטמפרטורה בטווח שנקבע.
אם יעילות הקירור מופחתת משמעותית או שמכשיר הקירור נכשל במהלך הניסוי, שקול את האפשרויות הבאות: (1) ודא שהמשאבה נמצאת בתערובת מי הקרח; (2) בדוק אם טמפרטורת המים גבוהה במיוחד; (3) לבדוק את יריעת הקירור של המוליכים למחצה לאיתור פגומים; (4) ודא שקו חיבור החשמל של יריעת הקירור של המוליכים למחצה שבור.
למכשיר זה יש מגבלות. במהלך הניסוי יש צורך בכמות גדולה של תערובת מי קרח כדי לקרר את יריעת הקירור של המוליכים למחצה, ויעילות הקירור של המכשיר מושפעת מיעילות הקירור של שבב הקירור של המוליכים למחצה. שיפורים עתידיים עשויים לכלול תכנון מכשיר קירור מחזור המים כמכשיר לולאה סגורה ושימוש בנוזל קירור או נוזל לרדיאטור כמדיום הקירור. במקביל, אופטימיזציה של מראה הציוד וטיפול בדליפה חשופה של צינורות וקווי חיבור חשמל ישפרו את נוחות הנשיאה והפופולריות של המכשיר. יתר על כן, כדי לשמור על שאיפה עקבית ויציבה של גז בטמפרטורה נמוכה על ידי העכברים, נעשה שימוש במכשיר קיבוע עכבר ופקק גומי כדי לשתק את העכברים. בשל שאיפת גז קר במיוחד, תהליך הגירוי הוגבל במשך הזמן כדי לשמור על רווחת העכברים ולמנוע כוויות קור ובעיות פסיכולוגיות. מאמצים עתידיים יתמקדו בשיפור המתקן כדי למזער נזק נוסף בשלב הגירוי בעכברים.
טכנולוגיה זו משמעותית לא רק למחקר מדעי בסיסי על ההשפעות של סביבות בטמפרטורה נמוכה על אורגניזמים ביולוגיים, אלא יש לה גם יישומים פוטנציאליים בחקר הפתוגנזה של מחלות כרוניות באוכלוסיות החיות באזורים קרים. ההגדרה של אוויר קר במיוחד משתנה בין אזורים וסביבות שונות. עם זאת, על ידי הגדרת מערכת בקרת הטמפרטורה, ניתן לכוונן את המכשיר כך שיעמוד בדרישות המחקר לכל טמפרטורה הנעה בין טמפרטורת החדר ל-20 מעלות צלזיוס. גמישות זו מבטיחה שהמכשיר יכול להתאים לצרכי הטמפרטורה המגוונים של חוקרים. יתר על כן, הוא תורם לחקר תפקיד הריאות בתקשורת בין איברים בתנאי טמפרטורה נמוכה, ומספק בסיס איתן למניעה וטיפול בשבץ מוחי, מחלות לב כליליות ומחלות מערכת הנשימה באזורים קרים. על ידי ביצוע צעדים ואמצעי זהירות אלה, חוקרים יכולים לבנות מודל בעלי חיים יציב וסטנדרטי כדי לחקור את ההשפעות של סביבות בטמפרטורה נמוכה קיצוניות על אורגניזמים ביולוגיים, ולספק בסיס מדעי למניעה וטיפול במחלות קשורות.
למחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| מעטפת פליז | שנזן היידה היי-טק ציוד אלקטרוני חברה | ||
| בור מים | שנזן Gongdecheng מאוורר תעשיית | ||
| ChaoJingYin electoronic., LTD | 4010 | 12 V | |
| צנצנת איסוף גז | שנזן Gongdecheng תעשיית | ||
| פלסטיק כניסה/יציאה צינור | שנחאי Shenchen גומי ופלסטיק מקבע עכבר מפעל | ||
| מוצרים | טכנולוגיית Lanjieke | ||
| כוח | שנזן היידה היי-טק ציוד אלקטרוני חברה | 12 V 40 A | |
| שבב קירור מוליכים למחצה | שנזן היידה היי-טק ציוד אלקטרוני | חברת TEC2-19006 | קירור שכבה כפולה |
| תקע ספוג | שנזן Gongdecheng תעשיית | ||
| פלסטיק אטב נירוסטה | שנזן היידה ציוד אלקטרוני היי-טק החברה | ||
| מוליך תרמי סיליקון גריז | שנזן היידה היי-טק ציוד אלקטרוני החברה | DRG102 | |
| משאבת מים | שנזן Jutai משאבת ושות', בע"מ | DC005 | 12 V |
| משאבת מים מתאם מתח | Chaoke מתאם מתח מפעל | 1210 | 100-240 V 50-60 HZ 12 V |
