研究記事

マウスとラットの深部体温を維持するためのバッテリー駆動の恒温加温パッド

DOI：

10.3791/69074

⸱

2025年10月10日

 ,  , 
1Department of Physiology & Biophysics, Miller School of Medicine, University of Miami, 2Department of Otolaryngology, Miller School of Medicine, University of Miami

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このレポートでは、麻酔をかけた小型哺乳類に使用する、低コストで組み立てが簡単なポータブル加温パッドの構築と使用について説明しています。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

麻酔は深部体温を低下させ、実験動物の生理学的状態を著しく損ないます。重要なことに、低体温症は神経機能の多くの側面を変化させます。麻酔をかけた動物の神経系活動を記録する場合、動物の深部体温を安定させる必要があります。市販の小動物用の加熱パッドは簡単に入手できますが、通常は高価でややかさばり、電源コードと 120/240V 電源が必要です。したがって、麻酔をかけた動物をある場所 (手術室など ) から別の場所 (イメージング リグなど ) に輸送するには、電源コードを移動する必要があります。さらに、市販のデバイスは、カスタム定位固定フレーム、顕微鏡ステージ、またはホールディングボックスと常に互換性があるとは限りません。このレポートでは、マウスとラット用の低コスト、バッテリー駆動の温度制御加温パッドについて説明し、その有効性と有用性を文書化します。この装置は動物の深部体温を継続的に監視し、正常体温を維持するために加熱パッドを自動的に調整します。30分以内に構築でき、コンポーネントはすぐに入手でき、コストは100ドル未満です。この装置は持ち運び可能であるため、ある場所で外科的準備などの処置を行い、麻酔をかけた動物を別の場所に輸送して実験記録を行う研究者にとって便利です。この装置は、周囲室温と深部体温の間に>15°の差があるにもかかわらず、麻酔をかけたマウスを補助的な暖かさ(ヒートランプなど)なしで6時間以上常温±0.7°に保つことができます。このレポートは、マウスのニューロン活動の in vivo イメージングに加温パッドを長期間使用する方法を示しています。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

マウスおよびラットの脳におけるin vivoでの神経活動を調査する現在の方法は、高度な機能イメージング技術および/または多電極アレイを利用しています1,2,3,4。そのような研究の多くでは、実験動物は深く鎮静されているか、麻酔の外科面にあります。しかし、麻酔が動物の体温調節を無力化することはよく知られています。麻酔をかけた動物の深部体温は急速に低下します。たとえば、ラットおよびマウスでは、一般的に使用される麻酔薬であるケタミンの腹腔内注射は、すぐに低体温症を引き起こします 5,6,7。実際、低体温症は、人間とげっ歯類の両方の全身麻酔を複雑にします8,9,10,11。したがって、麻酔動物12、13、14、15、16、17、18を対象とした幅広い実験には、動物の深部体温を維持する装置が必要です。

低体温症は神経科学において特に問題です。低温は、脳と神経細胞の機能にいくつかの影響を与えます。麻酔中の軽度の低体温症は、高浸透圧溶液による灌流などの実験的傷害に対する血液脳関門を強化します19;より重度の低体温症は血液脳関門を破壊します20.低体温症は、中枢神経21 および末梢神経22 の神経伝導速度を低下させ、シナプス伝達の多くの側面を変化させます23,24 (冷血動物25 を参照)。明らかに、実験動物の深部体温を維持することは、ニューロンの活動を研究する際に重要であり、特に麻酔をかけた動物にとって、何らかの形の加温装置の重要性が強調されています。

小動物用の市販の加温パッドはいくつかあり、その多くは、動物を一定の中心温度26、27、28、29、30、31、32に維持するための温度プローブフィードバックを備えたコントローラーを含んでいます。これらの商用デバイスは信頼性が高く安定していますが、多くの場合、かさばり、高価です。げっ歯類のための他の、より特殊な恒温加熱装置が記載されているが、一般的な用途への適用性は限られている33,34,35,36,37。さらに、一般的に入手可能な恒温加熱装置には、120 V または 240 V のコンセントに差し込む必要がある電源があります。これらの要因は制限になる可能性があります。120/240 V 電源の要件は、動物が実際の記録が行われる場所とは異なる場所で実験のために外科的に準備されている場合、特に厄介な場合があります。製剤を短距離でも輸送するには、コントローラー/電源と電源コードを移動する必要があります。さらに、加温パッド用の電源/コントローラーは、電気生理学的記録にノイズを導入する可能性があります。

マウスの感覚ニューロン活動の in vivo 機能イメージングを使用した研究では、これらの悪化は、非常に安価で構築が簡単で、非常にポータブルな恒温加温パッドを設計することによって克服されました。この加温パッドは、ドローンに電力を供給するために使用されるような小型リチウムポリマー (LiPo) バッテリーによって駆動されます。この装置の構築には最小限のスキルが必要です。すべての部品は既製の商品であり、オンラインでの注文ですぐに入手できます。必要な工具は、小さなドライバー、はんだごて、ワイヤーカッター/ストリッパーだけです。総コストは100ドルをはるかに下回り、建設全体にかかる時間は30分未満です。小型でコンポーネントの柔軟な配置により、恒温加温パッドは、カスタム定位固定フレーム、記録プラットフォーム、観察ケージ、またはこのレポートのように正立共焦点顕微鏡のステージに容易に適応できます。

この恒温加温パッドは、外科的に露出した頭蓋感覚神経節のニューロン活動の in vivo カルシウム イメージングに広く使用されていますが38,39、鎮静または麻酔された小型げっ歯類を使用した研究は、このデバイスの恩恵を受けるでしょう。経験上、完全に充電されたLiPoバッテリーで駆動すると、加熱パッドは麻酔をかけたマウスの深部体温を6時間以上安定に維持します。

プロトコル

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

加熱パッドの構築に必要なアイテムはすべて市販されています。マウスの使用と、このプロトコルを検証するために説明されているすべての動物手順は、IPROTO202200000139 年のマイアミ大学施設動物ケアおよび使用委員会 (IACUC) によって承認されました。この装置の試験および検証に使用された動物は、男女とも18〜30 gのC57BL / 6マウスでした。カルシウムイメージングに特化したマウスは、感覚ニューロンでGCaMP6を発現するトランスジェニックマウスでした。使用する試薬と機器は 、材料表に記載されています。

1. 組み立て用工具

必要な工具は、小さなマイナスドライバー(2mmヘッドなど)、はんだごて、ワイヤーカッター/ストリッパーで構成されていました。

2. 加熱パッドの組み立て

工事に必要なアイテムがレイアウトされました(図1)。これらには、(A) 12V 15W 50 mm x 100 mm シリコン加熱パッド (50 mm x 100 mm はマウスにとって便利なサイズでしたが、ラットにはより大きなシリコーンゴム加熱パッドが適しています)。(B)ビードサーミスタ;(C)JST-XH 2ピンバランスプラグリードソケットオスコネクタ。(D) JST プラグ コネクタ 2 ピン オス、20 AWG リード線付き。(E) 7.4V 1200 mAh LiPo バッテリー。(F)温度調節回路。(G)短い長さの20AWGフックアップワイヤー。

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図1:恒温加熱パッド構造の部品配置。 これらには、(A) 12V 15W 50 mm x 100 mm シリコン加熱パッド (50 mm x 100 mm はマウスにとって便利なサイズでしたが、ラットにはより大きなシリコーンゴム加熱パッドが適しています)。(B)ビードサーミスタ;(C)JST-XH2ピンバランスプラグリードソケットオスコネクタ。(D) JST プラグ コネクタ 2 ピン オス、20 AWG リード線付き。(E) 7.4V 1200 mAh LiPo バッテリー。(F)温度調節回路。(G)短い長さの20AWGフックアップワイヤー。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

シリコン加熱パッドからの2本のリード線を温度制御回路の端子#2と#4に挿入し、 図2に示すように端子ネジを締めました。リード線は、制御基板端子に取り付ける前に錫メッキされています。

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図2:シリコン加熱パッドが温度制御回路に取り付けられています。 温度制御回路に付属するサーミスタプローブを以下に示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

次に、 図3に示すように、2ピンオスJSTプラグのリード線を温度制御回路に接続しました。赤(プラス)のリード線は端子#1に接続され、黒(マイナス)のリード線は端子#2に接続されました。端子#1と#3の間に短い20Gaのフックアップワイヤジャンパーが追加されました(図3)。加熱パッドのリード線から短い接続ワイヤーが回収されました。上記のように、リード線は制御基板端子にクランプされる前に錫メッキされました。

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図3:JSTプラグからのリード線は、温度制御回路の端子1と2に接続されています。 赤いリード線(プラス)は端子1に接続し、黒いリード線(マイナス)は端子2に接続する必要があります。端子1と3は短い接続線で接続されています。わかりやすくするために、シリコン加熱パッドの接続(図2)は示していません。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. サーミスタとプローブのセットアップ

JST-XHプラグのリード線はビードサーミスタにはんだ付けされました。 重要なのは、サーミスタのリード線とはんだ接合部が、サーミスタの短絡を避けるためにシュリンクチューブで慎重に絶縁されていることです。 図4に示すように、温度コントローラに同梱されているサーミスタプローブを抜いて取り外し、ビードサーミスタプローブと交換しました。ビーズサーミスタは、マウスまたはラットの深部体温を監視するための直腸温度プローブとして機能しました。

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図4:直腸熱プローブの準備。 (A) JST-HXプラグはビードサーミスタにはんだ付けされています。(B)温度調節器に付属のサーミスタプローブを取り外します。(C)ビードサーミスタリード線がコントローラーに差し込まれています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

4. 最終的な統合と取り付け

工事は完了しました( 図5)。この装置はすぐに使用でき、実験のために適切なプラットフォームに取り付けることができました。LiPo バッテリーは JST プラグに接続され、コントローラーに電力を供給されました。完全に動作するユニットの例を 図 5 に示します。場合によっては、温度コントローラー回路は、四隅に取り付けられた背の高いスペーサー(たとえば、1インチ#6ナイロンネジ)に取り付けられていました。このようにして、7.4V LiPoバッテリーは温度コントローラー回路の下にすっきりと便利に収まります。

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図5:周囲温度22°Cの部屋で動作する、完全に完成した恒温加温パッド装置。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

5. デバイスの操作と使用

恒温加熱パッドを操作するために、少量のワセリンをビーズサーミスタに置き、麻酔または鎮静したマウスの直腸にそっと挿入しました。このレポートでは、18〜30 gのマウスをケタミン/キシラジン(80 mg / kgケタミンおよび10 mg / kgキシラジン)で麻酔し、その後ケタミンの追加投与を行い、麻酔の外科的平面を維持しました。サーミスタのリード線は、プローブが外れるのを防ぐために動物の尻尾にテープで留められていました。動物はシリコン製の加熱パッドの上にうつ伏せになりました。このデバイスは、7.4 V LiPo バッテリーを接続して電力を供給しました。サーモスタットコントローラーの [設定 ]ボタンが押されました。設定温度の横に「H」(加熱)が現れました。 設定 ボタンをもう一度押すと、温度設定がアクティブになりました。 上 ボタンまたは 下ボタン を押して、設定温度を希望の仕様に変更しました。たとえば、設定温度37°を使用しました。 設定 ボタンを3秒間押し続けると(または6秒間ボタンを押さなかった)、デバイスは完全に動作するようになった。温度設定の説明書は、温度調節回路に付属の仕様書にも記載されています。

動物の深部体温が設定温度(例:37°)よりも低い場合、シリコン加熱パッドに電力を供給するリレーが閉じました。シリコン加熱パッドに電流が供給され、赤いライトが点灯し、直腸プローブが設定温度を設定量を超えるまでシリコンパッドが温まり始めました(「ヒステリシス」、工場出荷時の設定は0.5°)。直腸プローブが設定温度とヒステリシス(この例では37.5°)を超えると、リレーが開き、赤いライトが消灯し、シリコン加熱パッドから電源が遮断され、加熱パッドと動物が冷却され始めました(周囲室温<37.5°)。直腸プローブがヒステリシスを差し引いた設定温度(例:36.5°)まで低下すると、リレーが閉じ、動物を温めるためにシリコン加熱パッドに再び電力が供給されました。ヒステリシスは、 設定 ボタンを 3 回押し、 上 ボタンまたは 下ボタン を使用して設定できます。温度コントローラーの操作に関するより詳細な手順は、ユーザーが関心を持つ場合は、シリアルインターフェイス制御を含むデバイスに付属しています。

6. フォローアップ手順

このレポートに記載されている実験の終了時に、マウスはケタミンの過剰摂取、CO2、および頸部脱臼で人道的に安楽死させられました。具体的には、動物に 2 倍のケタミン用量を注射し、続いて 10 SCFH (標準立方フィート/時) で送達された加圧シリンダーから CO2 を注射し、最後に頸部脱臼を注射しました。

結果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

恒温加熱パッドの 2 つの方法が評価され、検証されています。

まず、デバイスの重要な分析テストで、小型(18.5 g)の雄マウスを、比較的涼しい環境で加温パッド上で6時間深い麻酔下で維持しました。具体的には、マウスにケタミン/キシラジンの混合物(80 mg/kgのケタミンと10 mg/kgのキシラジン)を注射し、エアコンの効いた部屋(周囲温度、20.3°)で、カバーなしで屋外の加熱パッドの上に置いた。ケタミンのブースター注射は、マウスを麻酔の手術面に維持するために必要に応じて行われました。マウスは、ケタミンブースター注射後の経過時間に応じて、推定最低110/分から最高215/分まで変化する、6時間全体にわたって正常な呼吸数を維持しました(呼吸に対するケタミンの既知の効果と一致)。動物の深部体温は、デバイスのビードサーミスタプローブと、ビーズサーミスタプローブと並列に挿入された市販のRET-4直腸プローブ(Physitemp)で独立して監視されました。さらに、麻酔マウスの真下にあるシリコーンゴム加熱パッドの表面温度の記録が保持されました。コントローラーは35°に設定されました。データは、周囲室温(20°) と 設定深部温度(35°)の間に15°の差があるにもかかわらず、マウスの深部温度が6時間にわたって1.3°未満の変化を示していることを示しています(図6)。重要なのは、マウスの中心温度が、追加の加温装置(ヒートランプ、毛布など)なしで35±0.6°にとどまったことです。LiPoバッテリーは6時間の間に一度交換されました。

figure-results-1
図6:恒温加熱パッドの検証。 麻酔をかけたマウスを、他の熱源のないオープンルーム(周囲温度、20°C)のプラットフォーム上に6時間保管しました。デバイスは、マウスの深部温度を35°Cに維持するように設定されました。(A)実験セットアップ。(B) デバイスの直腸ビーズサーミスタプローブによって記録された温度 (赤い点で表されます)。独立した RET-4 (Physitemp) 直腸プローブ (紫色の点で表される) による。マウスの下のシリコン加熱パッドに配置された別の温度プローブ(黒い円のドットで表されます)によって。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

第二に、バッテリー駆動の加温パッドは、感覚ニューロンでGCaMP6を発現するトランスジェニックマウスの感覚神経節活動のin vivoスキャン共焦点カルシウムイメージングに広く使用されています38,39。実験は通常6時間以上続き、マウスはその間麻酔の手術面にとどまります。経験上、外科的準備およびイメージング中にマウスの深部体温を 31.5 °C に維持することが最適であることが示されています。外科的準備は、深く麻酔をかけたマウスの三叉神経節および/または膝状神経節を片側に露出させることで構成されます。この手術は、イメージングが行われる場所とは別の部屋で行われ、加温パッドを取り付けた特注の定位固定装置に固定された麻酔マウスを約 40 m の距離に輸送する必要があります。周囲室温は20〜24°Cです。 デバイスの直腸温度プローブ(ビーズサーミスタ)によって測定されたマウスの深部体温は、一貫して一定に保たれており、動物は補助加熱なしで6 + 時間全体を通して安定した生理学的状態に保たれました。神経活動は堅牢なままであり(図7)、動物を正常体温に保つためのバッテリー駆動の加温パッドの信頼性を検証しています。

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図7:ニューロン活動のin vivoイメージング中に使用される加温パッド。加温パッドは、麻酔をかけたマウスの深部体温を安定させ、数時間にわたるニューロン活動の堅牢で信頼性の高い記録をサポートします。(A)マウスを加温パッドの上に置き、共焦点顕微鏡の20倍長距離対物レンズの下でカスタムメイドのホルダーで頭を安定させたビュー。ここに示すように、マウスの深部温度はイメージングのために31.5°Cに保たれています。走査型レーザー(488 nm)は、外科的に露出した膝状神経節を照射し、カルシウム感受性レポーターであるGCaMP6を発現する味覚感覚ニューロンの味覚誘発活動を画像化します。大きな白いマニホールド(右下)は、味覚刺激を口腔内に導きます。(B)300 mMのスクロース溶液を口腔内に5秒間提示した後、味覚誘発反応(GCaMP6s蛍光の変化、ΔF / F)を示す5つの膝状神経節ニューロンからの代表的な例。これらの応答は、実験の開始時に画像化されました。赤い線のチェックマークは、景気刺激策の提供を示します。(C)6時間後に記録された5つの異なる神経節ニューロンからの応答の例。マウスは、ずっと麻酔の手術面で加温パッドの上に維持されていました。味覚誘発反応の振幅、持続時間、および潜伏時間は、数時間前に記録されたものと非常によく似ています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

これらのテストは、恒温コントローラーを検証し、麻酔をかけたげっ歯類を一定の深部温度に長期間維持する加熱パッド装置の能力をしっかりと確立します。

データの可用性:

図 6 と図 7 の完全なデータ表は、補足ファイル 1 に含まれています。

補足ファイル1: 図 6 と 図 7 のデータ表。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この報告では、麻酔をかけたマウスとラットの正常体温を維持するための、小型でポータブルなバッテリー駆動の恒温加熱パッドについて説明しました。この装置は、室温と深部体温の差が大きいにもかかわらず、深麻酔マウスの深部体温を補助的な熱源なしで数時間安定に保ちました。マウスの頭蓋神経節活動の共焦点 in vivo イメージングのためのこの加熱パッドの有用性が説明されました。

デバイスのすべてのコンポーネントはオンラインで入手できます。すべてのコンポーネントの合計コストは 100 ドル未満です。ユニットの構築には、一般的に入手可能なツールが使用されます。デバイスの構築には、初歩的なはんだ付けを除いて、専門的なスキルは必要ありません。ウォーミングパッドは、ドローンによく使用される大容量LiPoバッテリーで駆動されます。最後に、説明どおりに部品をレイアウトすると、デバイス全体を 30 分以内に組み立てることができます。この小型のバッテリー駆動の恒温加熱パッドは、麻酔をかけた動物をある場所(手術室など)で準備し、実験手順のために別の場所(イメージングリグなど)に輸送する実験状況に特に役立ちます。デバイスはバッテリー駆動であるため、電源ケーブルを外す必要がなく、移動する個別のサーモコントローラーユニットも必要ありません。さらに、バッテリー駆動であるため、120/240 V で駆動される商用デバイスのしつこい問題である電気生理学的記録の電気ノイズを発生しません。最後に、加熱パッドは、特注の定位固定フレーム、保持ボックス、動物ケージ、またはその他の状況に容易に適合させることができます。

熱加熱パッドの主な制限は、LiPoバッテリーの充電が実験期間中持続しない可能性があることです。通常、完全に充電された1200mAhのバッテリーは、動物と部屋の温度差に応じて、ユニットに4〜6時間電力を供給します。簡単な解決策は、バックアップバッテリーを用意しておくか、大容量の2200mAh LiPoバッテリーを使用することです。

施工の容易さと利便性にもかかわらず、この装置には落とし穴がある。.加熱パッドに電力を供給するために使用されるような LiPo バッテリーは危険な場合があります40,41。LiPo バッテリーはドローンやおもちゃに電力を供給するために一般的に使用されていますが、一定のリスクがあります。特に、LiPo バッテリーの過充電は重大な火災の危険性があります42.ユーザーは、LiPo バッテリーを一晩以上充電したままにしないように注意してください。また、短絡線で端子1と2を誤って接続してしまうことで、施工中に誤ってバッテリーが短絡する可能性も懸念されます(図3)。また、温度制御回路の端子1に赤(プラス)線を、端子2(図3)に黒線(マイナス)を接続するように、バッテリコネクタリード線の極性を正しい状態に保つことが重要です。極性を逆にすると、電気回路が破壊される可能性があります。最後に、ユーザーは、温度制御回路に挿入する前にリード線を錫メッキすることをお勧めします。これにより、使用中にワイヤーが誤って引き抜かれるのを防ぐことができます。

要約すると、ここで説明する恒温バッテリー駆動の加熱パッドは、麻酔をかけたマウスまたはラットを使用する研究に大きな利益をもたらします。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この研究は、国立衛生研究所の助成金番号 DC018733 と DC017303 によって支援されました

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
電子サーモスタットコントローラードロックhttps://www.droking.com/Digital-Temperature-Controller-DC6.0-30V-Adjustable-Temperature-with-Heating-and-Cooling-Mode-Tester?search=Temperature%20Controller&description=true一人9.50ドル
JSTプラグコネクタ 2ピンオス、20 AWGリードeBoothttps://www.amazon.com/dp/B01M5AHF0Z?ref_=ppx_hzsearch_conn_dt_b_fed_asin_title_17.19ドル、そしてnbsp;10パーソナル
JST-XH 2.54mm 1S 2ピンバランスプラグリードソケットオスコネクタ エレホークhttps://www.amazon.com/dp/B07YKHV46N?psc=1&ref=ppx_yo2ov_dt_b_product_details7.99ドル、そしてnbsp;5パール
リチウムポバッテリー、7.4V 1200mAh ウルジェネックスhttps://urgenexrc.com/products/7-4v-1200mah-rc-car-battery-rechargeable-lipo-battery-with-jst-plug-1200mah-30c?srsltid=AfmBOoowx-Bx8OfWtBPB78OfJoyADUDFV9hm7fh9msRGAvQKkKuJWGOj 一人26.99ドル
NTCビードサーミスタ 10KOhm 3380K NXFT15XH103FA2B025村田https://www.mouser.com/ProductDetail/Murata-Electronics/NXFT15XH103FA2B025?qs=MY6wChARw2wvHNDuqPRh8A%3D%3D&utm_id=22515856461&utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_marketing_tactic=amercorp&gad_source=1&gad_campaignid=22525919680&gbraid=0AAAAADn_wf0gqCND-9aGWrXUwlVMWV3Hk&gclid=Cj0KCQjwjdTCBhCLARIsAEu8bpJw9wURxCTvI_-xRP9WEQMbL9_vz9zB83t2Oan7POSJAM64i_GaFE4aAkRtEALw_wcB一人0.60ドル
シリコン製ヒーティングパッド、12V 15W 50 mm x 100 mm デルノルトhttps://www.amazon.com/DERNORD-Silicone-Heating-Rubber-Flexible/dp/B0BDYBTNCD?ref_=ast_sto_dp&th=1$15.99、4/Pkg

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