방법 논문

쥐의 운동 중 심폐 적응 모니터링을 위한 재킷형 텔레메트리 방법

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DOI:

10.3791/71616

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2026년 9월 25일

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1TIMC CNRS, UMR 5525, Vet Agro Sup, Grenoble INP, Universite Grenoble Alpes, 2Etisense SAS

이 논문에서

요약

이 비침습적 재킷형 텔레메트리 프로토콜은 쥐의 운동 중 심폐 및 운동 기관의 적응 상태를 동시에 모니터링할 수 있게 합니다. 수술적 이식을 피함으로써 동일한 동물에서 반복적인 생리학적 측정이 가능하며, 이는 운동 생리학 연구 및 교육을 위한 신뢰할 수 있는 도구를 제공합니다.

초록

심폐 적응도 평가 운동 중 측정은 신체 훈련에 대한 생리학적 적응을 연구하는 데 매우 중요할 뿐만 아니라, 휴식 상태의 측정값으로는 잠재적인 생리학적 현상을 포착하지 못할 수 있으므로 전임상 연구에서도 필수적입니다. 하지만 외과적으로 이식하는 텔레메트리(telemetry)나 밀폐 챔버와 같은 기존의 전임상 방법들은 중요한 제약 사항이 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 재킷형 텔레메트리 시스템을 이용한 비수술적 방법론을 제시하며, 이를 통해 강제 트레드밀 운동 중인 쥐의 심박수(HR), 호흡수(RespR) 및 운동 활성도(AL)를 동시에 모니터링할 수 있습니다. 본 프로토콜은 동물의 적절한 주행 성능과 데이터 무결성을 모두 확보하기 위해 설계된 2단계 적응 과정을 시행합니다. 첫 번째 단계는 호흡 유도 플레티스모그래피(respiratory inductive plethysmography) 센서와 표면 심전도 전극이 통합된 텔레메트리 재킷 착용에 적응하는 것이며, 두 번째 단계는 2주간(주 5일) 트레드밀 운동에 적응하는 것입니다. 우리는 동물의 스트레스를 최소화하고 신뢰할 수 있는 저잡음 생리학적 데이터를 확보하기 위해 실시간 신호 검증을 포함한 장비 절차와 필수적인 품질 관리 단계를 상세히 설명합니다. 또한, 사용자가 특히 운동 프로토콜 중뿐만 아니라 다른 실험 상황에서도 높은 데이터 품질을 얻을 수 있도록 대표적인 신호 예시를 제공합니다. 본 프로토콜을 올바르게 구현하면 최대 40 cm.s⁻¹의 속도에서도 일관된 모니터링이 가능합니다.⁻1이를 통해 기저치와 비교한 심박수(HR), 호흡수(RespR) 및 전방 뇌압(AL)의 변화량을 정량화할 수 있습니다. 본 프로토콜은 외과적 개입의 필요성을 제거함으로써 3R(감소, 개선, 대체)의 윤리적 원칙을 엄격히 준수합니다. 제공된 기술은 운동에 초점을 맞추고 있으나, 종합적인 심폐 특성 분석, 동물 핸들링 교육, 복지 모니터링, 생리학, 약리학 또는 교육을 포함한 다양한 분야에 적용될 가능성이 있습니다.

서론

운동 생리학의 역동적인 양상에 대해 가치 있는 통찰을 제공하는 모델을 개발하는 것은 훈련 및 성과, 또는 질병 예방 및 재활과 같은 많은 분야에서 매우 중요합니다. 운동과 관련된 생리학적 효과 중에서 심장 및 호흡 기능의 적응을 이해하는 것은 스포츠(훈련/성과) 및 임상(예방/재활) 맥락에서 구체적이고 맞춤화된 훈련/재활 프로그램을 개발하는 데 핵심적인 요소입니다. 따라서 운동에 따른 심폐 적응 기전을 계속해서 규명하는 것이 필수적입니다. 이를 위해 설치류를 포함한 동물 모델이 심장 및 호흡 기능에 미치는 운동의 효과를 연구하기 위한 전임상 연구에 널리 사용되고 있습니다. 실제로 이러한 모델은 운동에 따른 심폐 적응의 평가를 가능하게 할 뿐만 아니라1, 휴식 상태에서는 잠재적으로 숨겨져 있을 수 있는 병태생리학적 현상을 연구하는 데에도 필수적입니다2,3. 그럼에도 불구하고, 운동 중에 관련 생리학적 데이터를 획득하는 것은 상당한 기술적 과제입니다. 수집된 데이터가 생리학적으로 의미가 있으려면, 획득 과정이 가능한 한 비침습적이어야 합니다. 이상적으로는 환자나 동물의 활동을 방해하지 않고 모니터링이 수행되어야 하며, 측정값이 움직임으로 인한 아티팩트에 의해 손상되지 않아야 합니다. 현재 전임상 연구에서 이러한 필수 요구 사항을 완전히 충족하는 단일 측정 장치는 없습니다.

또한, 이상적인 장치는 전임상 동물 연구의 지침이 되는 3R(감소, 개선, 대체) 윤리 원칙을 준수해야 합니다4. 이러한 원칙은 연구 및 교육에서의 동물 이용에 관한 현재의 사회 경제적 상황과 더불어, 동물을 보다 효율적이고 책임감 있게 사용할 수 있도록 하는 도구 및 조사 모델 개발의 필요성을 강조합니다. 이를 위해 웨어러블 장치 및 센서의 개발과 활용이 우선순위가 될 것으로 보입니다.

현재 설치류의 심장 및 환기 기능을 직접 평가하는 데 사용 가능한 주요 방법들은 실질적인 제한 사항으로 인해 운동 프로토콜에서 효과적으로 사용될 수 없습니다. 예를 들어, 구속되지 않은 전신 플레티스모그래피 챔버는 깨어 있는 동물의 환기 기능을 반복적으로 장기 측정할 수 있는 정확하고 비침습적인 접근 방식으로 인정받고 있습니다5. 하지만 이러한 방법은 휴식 상태에서는 신뢰할 수 있는 측정값을 제공하지만, 능동적인 이동은 압력 아티팩트와 신호 노이즈를 발생시켜 운동 중 호흡 데이터의 해석을 저해할 수 있습니다. 마찬가지로, 이식형 무선 원격 측정법은 자유롭게 움직이는 설치류의 심장 기능을 연구하는 골드 스탠다드로 확립되었으며6, ECG 및 혈역학적 파라미터를 모니터링하는 데 사용될 수 있습니다2,7. 그러나 이 방법은 주로 센서와 송신기의 외과적 이식과 관련된 중요한 제약이 따릅니다. 특히 수술 상처나 이식된 장치 자체로 인한 수술 후 통증 및 손상은 적절한 관리 프로토콜을 통해 관리되어야 합니다6,8,9. 최근에는 비침습적 방법에 집중하는 연구가 증가하고 있습니다. 예를 들어, 기니피그에 외부적으로 사용되는 웨어러블 ECG 무선 원격 측정 장치10, 비접촉식 도플러 기반 호흡 활동 검출 장치11 또는 웨어러블 바이오센서12를 이용한 연구들이 수행되었습니다. 그러나 이러한 모니터링 기술들은 지금까지 개념 증명 단계에 머물러 있으며, 대규모로 사용되기 위해서는 추가적인 개발이 필요합니다. 개나 영장류와 같은 대형 동물의 심폐 평가를 위한 비침습적 솔루션으로 흔히 사용되는 재킷형 원격 측정법13,14은 최근 실험용 쥐15,16,17 및 어린 미니피그18에 맞게 조정되었습니다. 그림 1A–F에 예시된 시스템은 동물이 착용하는 재킷에 의해 유지되는 비침습적이고 구속력이 낮은 무선 장치로 구성됩니다. 이를 통해 표면 ECG를 통한 심장 활동, 호흡 유도 플레티스모그래피(RIP)를 통한 호흡 기능, 그리고 가속도계를 통한 운동 활동을 통합적으로 모니터링할 수 있습니다. 이전 연구들은 침습적 방법과 비교하여 심폐 변수를 효과적으로 모니터링하는 이 시스템의 능력을 입증했습니다15,16. 더 최근에는 사회화된 조건에서의 약리학적 평가17,19 또는 심장 질환 모델20을 포함한 다양한 맥락에서 보완적인 비수술적 모니터링 접근법으로서의 사용이 보고되었습니다.

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그림 1: 자켓형 텔레메트리 시스템의 주요 구성 요소도. (A) 피팅 튜브에 장착된 계측 자켓, (B) ECG 모니터링용 Ag/AgCl 패치, (C) 데이터 수집 및 전송용 무선 송신기, (D) 자켓과 송신기를 착용한 동물, (E) 데이터 저장 및 텔레메트리 소프트웨어 실행을 위한 획득 시스템, (F) 이더넷 케이블로 연결되어 웹 사용자 인터페이스(UI)를 통해 텔레메트리 소프트웨어를 표시하는 컴퓨터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이전의 평가 연구21 및 습관화 프로토콜22을 바탕으로, 본 프로토콜은 점증적 운동 중 쥐의 심박수, 호흡수 및 운동 활성도를 동시에 모니터링할 수 있는 재킷형 텔레메트리 시스템을 이용한 정밀한 비침습적 방법론을 제시합니다.

프로토콜

모든 실험은 실험동물의 보호 및 이용에 관한 유럽(L276-33 2010/63/EU) 및 프랑스(AGRG1231951D) 규정을 준수하여 수행되었습니다. 본 연구의 in vivo 절차는 프랑스 고등교육연구부의 인증을 받은 Grenoble Alpes University의 윤리위원회 #012에 의해 승인되었으며, 참조 번호는 APAFIS#31347-2021042914221915 v2 및 APAFIS #52237-2024112821304952 v5입니다.

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그림 2: 실험 프로토콜 개요. (A) 순화 및 운동 단계를 포함한 전체 실험 프로토콜. 일정은 예시이며, 실험 중 실시간 관찰과 효과적인 순화 정도에 따라 조정되어야 한다. 특히, "동물 시설 적응" 기간 동안 동물들이 핸들링에 순화되도록 할 수 있다. (B) 장비 안정화 60분, 트레드밀 위에서 3분간 휴식 후 기록하는 기저치(baseline), 웜업 기간, 점진적 운동 및 회복 단계를 포함하는 전형적인 운동 프로토콜. 데이터 분석 기간은 연한 빨간색 사각형으로 표시되어 있다. 명시된 속도 단계는 제안 사항이며, 특정 동물 모델 및 실험 목적에 맞게 조정해야 한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

1. 동물 모델

  1. 승인된 공급업체로부터 구입하여 사육 조건(1 bar; 24 °C; 습도 40–70%; 12시간 명/암 주기)에 일주일 동안 적응시킨 쥐를 사용한다. 쥐는 일반 케이지에서 두 마리씩 짝을 지어 사육하며, 먹이와 물을 자유롭게 섭취할 수 있도록 하고 환경 풍부화 도구(둥지 재료, 갉기용 물체, 판지 터널)를 제공한다.
  2. 동물 개체별로 표시한다(꼬리에 잉크 표시).

2. 장비 절차

  1. 털 제거: 동물당 1~2분 소요
    1. 성공적인 ECG 기록을 위해 일주일에 한 번 동물의 털을 깎아주십시오.
    2. 실험 당일의 스트레스와 마취를 최소화하기 위해 이 절차를 전날에 수행하십시오. 당일에 수행하는 것도 가능합니다.
    3. 방법 A (선택적 마취): 기체 마취 혼합물(1.5~5% isoflurane, 20% 산소 및 공기)을 투여하고 쥐를 복와위(배를 바닥에 대고 누운 자세)로 배치한다.
    4. 마취 시간은 털 제거에 충분한 시간인 보통 2~5분 정도로 최소한으로 유지하십시오.
    5. 흉부의 등쪽과 측면의 털을 조심스럽게 깎아냅니다(그림 3A), 클리퍼를 사용하여 털을 제거하고 꼬리에 잉크로 표시합니다.
      참고: 일반적으로 마취 중단 후 5~10분 이내에 완전히 회복되어 보행이 가능해집니다.
    6. 동물을 홈 케이지로 돌려보내기 전, 동물이 이 상태에 도달했는지 확인하십시오.
    7. 방법 B (마취 없음): 대안적으로, 털 깎기를 완료하는 데 필요한 최소 시간(통상 2분 미만) 동안 쥐를 수동으로 보정합니다.
    8. 동물을 단단하지만 부드럽게 보정하고, 흉부에 과도한 압력이 가해지지 않도록 주의하십시오.
    9. 흉부의 등쪽과 가측 부위의 털을 조심스럽게 깎습니다(그림 3A), 클리퍼를 사용하여 털을 깎고 꼬리에 잉크로 표시합니다.
      주의: 동물이 심한 고통의 징후를 보일 경우 즉시 풀어주고, 절차를 다시 시도하기 전 회복 기간을 가지십시오. 이 방법을 사용할 때는 다른 사람의 도움을 받는 것이 권장됩니다.
    10. 쥐에서 분비된 피지를 제거하기 위해 털을 깎은 부위를 물로 닦아내십시오.’피부를 세척하고 해당 부위가 완전히 건조되었는지 확인하십시오. 거즈로 해당 부위를 건조시키십시오.
  2.  동물 장비: 동물당 소요 시간 3~5분
    참고: 다음 단계들은 신체적 억제를 최소화하면서 동물에게 재킷, 센서 및 원격 측정 장치를 장착하는 과정을 설명합니다.
    1. 제조사의 선택 도표 및 사이즈 표에 따라 동물의 체중, 성별 및 특정 계통을 기반으로 적절한 재킷 크기를 선택하십시오.23.
    2. 장비가 장착된 재킷을 재킷 피팅 툴 위에 조심스럽게 놓으십시오(센서와 케이블이 손상되지 않도록 주의하십시오).
    3. 피팅 툴 상단에 위치한 홈 위에 백팩을 배치합니다.그림 4A). 피팅 툴을 직사각형 베이스 위에 놓습니다 (그림 4B) 그리고 쥐를 가장 넓은 개구부(깔때기 입구 측) 앞에 둡니다 (그림 4C).
    4. 만약 쥐가 피팅 도구를 통과하려 하지 않는 경우, 출구 앞에 풍부화 터널이나 사육 케이지를 배치하여 동물을 유도하십시오.
    5. 동물의 머리가 반대편으로 나오고 앞발이 보이기 시작하면, 한 손으로는 쥐와 피팅 툴(fitting tool)을 함께 잡고, 다른 한 손으로는 앞발을 재킷 전면에 위치한 각 구멍으로 안내하여 동물의 몸에 재킷을 정확하게 배치하고 고정하십시오.그림 4D).
    6. 재킷을 동물의 몸을 따라 부드럽게 아래로 밀어 내리면서, 동시에 피팅 툴을 서서히 제거하여 동물이 툴을 완전히 통과해 출구 쪽으로 나갈 수 있게 합니다.
    7. 재킷이 피부 접힘 없이 적절하게 위치했는지 확인하고, 재킷 적합성 검증 권장 사항에 따라 사이즈가 적절한지 확인하십시오.
    8. 필요한 경우, 재킷을 적절한 크기로 교체하십시오. 크기 조절 후에도 안전하고 편안하게 착용시킬 수 없는 동물은 연구에서 제외해야 합니다.
    9. 동물이 피팅 툴의 원하는 수준에 도달하면, 동기 부여 요소가 사용된 경우 이를 동물의 시야에서 제거하십시오.
      참고: 이렇게 하면 쥐가 도구를 계속해서 통과하는 것을 방지할 수 있습니다.
    10. 실험대 위에 쥐를 놓은 후, 백팩의 고리를 풉니다 (그림 4E) 및 재킷을 펼치십시오 (그림 4F).
    11. 빨간색 십자 표시가 된 자켓의 왼쪽 개구부를 통해 빨간색(양극) 스티커가 붙은 ECG Ag/AgCl 전극을 삽입하십시오.그림 4G), 그리고 검은색(음극) 전극을 오른쪽 구멍에 삽입하십시오.
    12. 검은색(음극) 전극을 오른쪽 앞다리 뒤쪽에 배치하고, 빨간색(양극) 전극을 털을 깎은 부위 내 왼쪽 흉벽 측면의 RIP 흉부 밴드 아래에 배치하여 리드 II(Lead II) 위치로 전극을 설정합니다.그림 3B,C).
    13. 시린지와 카테터를 사용하여 각 전극의 검은색 지점에 ECG 젤(0.1~0.3 mL)을 정밀하게 도포하십시오. 전극이 동물의 피부에 완전히 밀착되도록 가볍게 누릅니다.그림 4H).
    14. 사용된 센서(용적측정법/ECG 전극)를 이미터에 연결하고, 텔레메트리 송신기와 배터리 팩을 동물의 등에 있는 백팩에 넣습니다.그림 4I–J).
    15. 자켓의 뒷부분을 아래로 접어 전자 장치와 케이블을 보호함으로써 마찰을 줄이고 안전하게 유지하십시오. 백팩을 쥐의 등 쪽(접힌 자켓 위)으로 접은 다음, 후크를 사용하여 자켓의 원위부/후측 부분에 부착하십시오.그림 4K).
      참고: 자켓 개구부를 통해 전극을 배치하는 동안 전극이 미끄러지는 것을 방지하기 위해, 전극 삽입 후에 겔을 도포합니다. 겔을 미리 도포하면 마찰력이 감소하여 전극을 정확한 위치에 배치하는 것이 상당히 어려워지므로 권장하지 않습니다.
  3. 신호 획득 개시 및 신호 품질 검증
    1. 원격 측정 시스템을 기록 장소와 동일한 공간(최대 10m 거리 이내)의 가시거리 내에 배치하고, 가급적 장치를 동물 위쪽이나 동일한 평면에 위치시키십시오.
    2. 시스템을 시작하고 텔레메트리 소프트웨어를 엽니다.
    3. 제조사의 절차에 따라 획득을 시작하십시오.24ECG 및 호흡 신호의 품질을 확인하고 필요한 조정을 수행하십시오(참조 그림 5).

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그림 3: 마취된 쥐의 모습. (A) 털을 제거해야 하는 부위를 나타내는 흉부의 등쪽 및 측면 영역(단계 2.1): 1) 점선은 최소 상단 경계선을 나타내며, 2) 양방향 화살표는 털을 깎아야 하는 최소 길이를 나타낸다. (B) 권장되는 Lead II 전극 배치로, 검은색(음극) 전극은 오른쪽 앞다리 뒤쪽에, 빨간색(양극) 전극은 RIP 흉부 밴드 아래의 털을 깎은 영역 내 왼쪽 흉벽 측면에 위치시킨다. (C) Lead I 전극 배치로, 전극이 흉부를 가로질러 수평으로 배치되어 있으며 빨간색(양극)은 왼쪽 앞다리 뒤에, 검은색(음극)은 오른쪽 앞다리 뒤에 위치한다. 일반적으로 Lead II 설정이 쥐에서 가장 높은 QRS 진폭과 가장 선명한 P-파 분해능을 제공한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 4: 쥐에게 재킷, 전극 및 전자 장치를 장착하는 단계별 절차 (섹션 2). (A-B) 피팅 튜브에 재킷을 씌웁니다. (C-D동물을 피팅 튜브를 통해 재킷 안으로 안내하십시오.E-F백팩의 고리를 풀고 재킷을 펼칩니다.G빨간색(양극) 스티커가 부착된 ECG 전극을 빨간색 십자가로 표시된 재킷의 왼쪽 개구부를 통해 삽입하고, 전도성 겔(0.1~0.3 mL)을 도포합니다.H) 전극이 동물의 피부에 완전히 밀착되도록 부드럽게 마사지합니다. (I-J) 사용된 센서(용적 기록법 / ECG 전극)를 송신기에 연결하고 이를 파우치에 넣으십시오. (K빨간색 후크를 사용하여 백팩을 고정하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

3. 장비 제거 및 보관 절차​소요 시간 - 동물당 1분

  1. 쥐를 실험대 위에 놓거나 손으로 잡습니다. 백팩에서 후크를 분리합니다. 자켓 뒷면을 펼쳐 홈과 전극에 접근합니다. 이를 조심스럽게 제거합니다.
  2. 백팩에서 송신기-배터리 어셈블리를 제거합니다. 이 어셈블리에서 케이블을 분리합니다.
  3. 개구부에서 앞발을 뺍니다. 백팩이 달린 자켓을 잡은 상태에서 쥐가 앞으로 이동할 수 있게 합니다.
  4. 작업이 끝나면 전극의 겔이 마르는 것을 방지하기 위해 플라스틱 커버를 다시 씌웁니다. 케이블 센서를 점검하고, 자켓이 손상되었거나 마모된 경우 교체합니다. 개별 파우치에 보관하기 전에 자켓을 건조시킵니다.
  5. 알코올 성분이 없는 소독제와 와이퍼를 사용하여 하드웨어를 세척하고, 모든 부품이 건조되었는지 확인합니다. 방전을 방지하기 위해 배터리에서 이미터를 분리합니다.
    참고: 자켓의 크기가 동물의 체중에 맞고 센서가 손상되지 않은 경우, 동일한 동물에게 재사용이 가능합니다(자세한 내용은 토론의 해당 섹션을 참조하십시오).

4. 원격 측정 재킷 착용 적응 단계

참고: 세션은 다음 절차에 따라 구성되었습니다.

  1. 다음의 상세 절차에 따라 동물에 장비를 장착하십시오. "동물 실험 장비" 섹션
  2. 재킷이 너무 조이지 않으면서도 안정적으로 고정되었는지 확인하십시오. 기록을 시작하고 동물을 홈 케이지로 돌려보냅니다.
  3. 첫 번째 순응일에는 동물이 장비를 착용하는 시간을 몇 시간으로 제한하십시오. 동물의 상태를 관찰하기 위해 빈번하게 임상 검사를 수행하십시오.’상태. 동물이 장비를 착용하는 일일 시간을 점진적으로 늘리십시오.
  4. 불편함의 징후가 관찰되지 않으면 관찰 빈도를 점진적으로 줄이십시오. 순응 시간이 연구의 목표 기록 시간과 일치할 때까지 이 과정을 계속하십시오.
  5. 녹화를 중단하고 권장 절차에 따라 동물의 장비를 제거하십시오. 기록된 데이터의 품질을 검사하고 동물을 평가하십시오.’사육실로 돌려보내기 전, 회복 상태와 전반적인 건강 상태를 확인하십시오.
    참고: 이전에 설명한 단계들은 표준적인 틀을 제공하며, 연구의 구체적인 필요에 맞게 조정하여 적용해야 합니다.

5.  트레드밀 운동 적응

  1. 동물에게 장비를 장착합니다(이전에 설명한 "동물 장비 장착" 섹션 참조). 기록을 시작합니다.
  2. 이전의 권장 사항17,18,19에 따라 재킷 착용 후 완전한 생리학적 안정을 보장하기 위해, 동물을 케이지로 옮겨 60분 동안 장비 장착 후 안정화 시간을 갖게 합니다.
  3. 정지된 트레드밀 위로 동물을 옮기고 3분 동안 기다립니다. 5 또는 10 cm.s-1의 첫 번째 저속 단계에서 1.5분 동안 작동시킵니다.
  4. 2분마다 5 cm.s-1씩 러닝 속도를 점진적으로 증가시키며, 초기 단계에서는 트레드밀의 전기 자극(전형적인 강도 0.2 mA)을 사용하여 동물이 달리도록 유도합니다.
  5. 운동이 끝나면 동물을 케이지로 돌려보냅니다. 장비를 제거하기 전 30분 동안 기다립니다.
  6. 이 트레드밀 운동 순응 프로토콜을 2주 동안 주 5회 반복하며, 러닝 속도와 운동 시간을 점진적으로 늘립니다.
    참고: 이 과정의 총 소요 시간은 순응 첫날 5분에서 시작하여 순응 마지막 날에는 점진적으로 25분에 도달해야 합니다.
  7. 2주간의 순응 기간 동안 도달한 러닝 속도와 전기 자극 횟수를 모니터링하여 운동의 강도와 지속 시간을 조정합니다.
  8. 인도적 종료 시점으로, 동물이 전기 자극 10회 또는 누적 자극 시간 10 s에 도달하면 세션을 종료합니다. 동물을 케이지로 돌려보내고 행동을 시각적으로 관찰합니다.
    참고: 재킷형 텔레메트리 시스템을 착용하고 트레드밀 위를 달리는 쥐의 대표 이미지가  그림 6에 나와 있습니다.

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그림 5: 신호 품질 검증(단계 2.3) 중의 전형적인 ECG 및 호흡 파형. ECG는 500 Hz/24-bit로, 호흡량은 200 Hz/32-bit로 기록되었으며, (A) 차트는 고품질의 ECG(분해능이 높은 P, QRS, T파, 낮은 노이즈, 진폭이 포함된 3초 윈도우)를 보여줍니다. > 0.5 mV). (B) 해당 차트는 고품질의 호흡 신호(휴식 상태에서 분해된 주기, 20초 윈도우, 진폭 포함)를 보여줍니다. > 0.5 arb.u.). (C차트는 저품질의 ECG(진폭이 큰 50/60 Hz 노이즈와 같은 높은 간섭)를 보여줍니다. > 0.5 mV, 기선 표류(baseline wander), 또는 작거나 평평한 QRS, 1.5초 윈도우). (D차트는 진폭이 큰 기선 표류(baseline wander)가 나타나는 저품질의 호흡 신호를 보여줍니다. > 5 arb.u., 식별 방해, 12초 윈도우). 호흡 신호는 호흡 유도 플레티스모그래피(RIP)로 측정한 흉곽 및 복부 둘레의 상대적 변화를 반영하며, 본 프로토콜에서는 부피 보정을 수행하지 않았으므로 임의 단위(arb.u.)로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

6. 삼각형 프로토콜 중의 생리적 모니터링

  1. (이전에 설명한 "동물 장비 장착" 섹션에 따라) 동물에게 장비를 장착합니다. 기록을 시작하고 홈 케이지에서 장비 장착 후 안정화될 때까지 기다린 다음(권장: 60 min), 기저선(BL) 측정 전에 트레드밀에서 3 min 동안 휴식 시간을 갖습니다(그림 2B).
  2. 운동 테스트를 시작하기 전, 낮은 속도로 웜업 기간(5 cm.s-1에서 5 min)을 두어 동물이 적응하도록 합니다.
  3. 동물에게 일반적으로 10, 20, 30, 40 cm.s-1의 연속적인 속도 수준을 적용하며, 수준당 지속 시간은 5 min으로 합니다.
  4. 운동 후, 장비를 장착한 상태로 동물을 케이지로 돌려보내 회복 기간 동안 심혈관 및 호흡 기능을 지속적으로 모니터링합니다.
    참고: 최대 속도를 평가하기 위한 전형적인 운동 프로토콜은 삼각형 프로토콜입니다. 이는 Qin et al.25에서 인용하여, 5 min마다 속도를 점진적으로 증가시키는 방식(예: 10에서 40 cm.s-1 max까지)으로 구성됩니다. 단계 수와 구체적인 범위를 포함한 속도 수준의 선택은 실험자의 목적과 원하는 생리학적 스트레스에 맞게 조정해야 합니다.

7. 생리학적 변수 기록 및 데이터 분석

  1. 동물에 자켓형 원격 측정 장치를 장착하고, 원격 측정 소프트웨어를 사용하여 ECG 기록으로부터 계산된 분당 심박수(HR, bpm), 분당 호흡수(RespR, brpm) 또는 mG 단위의 운동 활성 수준(AL)을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 변수를 모니터링한다. 
  2. 회복 기간 후 실험이 종료되면 기록을 중단한다.
    참고: mG는  figure-protocol-5  에 해당하며, 가속도의 동적 성분인  figure-protocol-6을 사용하여 figure-protocol-7 로 정의된다.
  3. 수동 개입 없이도 신뢰할 수 있는 생리학적 데이터를 생성하는 자동화된 워크플로우가 입증된 기존의 검증된 방식21을 따른다.
  4. 수동 편집 없이 완전히 자동화된 데이터 정제 워크플로우를 보장하여 실험자 의존적 결정을 제한하기 위해, 원격 측정 소프트웨어에서 RR 간격(85 ms ~ 6 s) 및 호흡 주기 지속 시간(0.15 ~ 10 s)의 제외 임계값이 넓게 설정되었는지 확인한다.
  5. 신호 품질을 검토하고, 필요한 경우 개별 주기를 수동으로 편집하지 않고 해당 동물의 주기 검출을 최적화할 수 있도록 소프트웨어 내의 검출 파라미터를 조정한다.
  6. 각 동물에 대해 변수를 10 s마다 평균내어 결과를 mean ± SEM으로 보고한다. 원격 측정 소프트웨어 내에서 관심 있는 특정 기간을 표시한다.
  7. 동물을 트레드밀에 올린 후 운동 활성 수준이 10 mG 미만으로 떨어지는 3분간의 휴식 기간 중 마지막 30 s를 기저선(baseline)으로 정의한다.
  8. 운동 프로토콜의 경우, 성공적으로 완료된 각 속도 단계의 마지막 30 s에 라벨을 지정한다. 실패한 단계와 그 이후의 모든 단계에서 얻은 데이터는 제외한다.
    참고: 실패한 단계를 제외하면 더 높은 속도 단계로 갈수록 표본 크기가 점진적으로 감소하게 된다.

결과

“대표 결과” 섹션에 기술된 결과는 20마리의 성체 Wistar 쥐(수컷; 250–400 g)를 대상으로 얻은 것입니다.

그림 5 휴식 상태의 동물로부터 기록된 전형적인 고품질 및 저품질 원격 측정 신호의 차이를 보여줍니다. 그림 5A 그리고 그림 5B ~의 사례를 제시하십시오 높음-품질의 데이터. 다음의 심전도(ECG)에서 그림 5A 고품질이며, 기선 표류(baseline drift)나 전원선 간섭이 최소화된 상태에서 P파, QRS군, T파/복합체가 명확하게 분해되어 나타납니다. 마찬가지로, 호흡 신호 또한 그림 5B 예상되는 품질을 나타내며, 호흡 주기가 명확하고 잘 분해되어 나타납니다. 반대로, 그림 5C 및 그림 5D 저품질 신호의 예시를 보여줍니다. 다음의 저품질 ECG는 그림 5C 높은 전기적 간섭이 특징이며, 예를 들어 두드러진 50/60 Hz 전원선 노이즈나 심한 기선 변동이 나타납니다. 또한 신호에서 복합파가 감쇄되었거나 소실되어(작거나 평탄한 QRS 복합파), 심장 주기를 정확하게 분리하는 것이 어렵습니다. 다음의 저품질 호흡 신호는 그림 5D 마찬가지로 높은 기선 표류(baseline wandering)와 감쇠된 주기(attenuated cycles) 문제가 발생하며, 이는 동물이 안정된 상태일 때조차 호흡 주기를 안정적으로 식별하는 것을 심각하게 방해합니다.

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그림 6: 운동 중인 Wistar 랫드의 사진(단계 6). 랫드가 텔레메트리 자켓, 전극 및 전자 장치가 장착된 단일 트랙 트레드밀(트레드밀 속도 레벨 = 20 cm.s-1) 위에서 운동하고 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7A–C에 제시된 데이터는 도착 당시 체중 330~340 g, 주령 10주의 수컷 Wistar 랫 4마리를 대상으로 얻은 결과입니다. 랫들에게 5일 연속(1일 차부터 5일 차까지)으로 텔레메트리 자켓을 착용시켰습니다. 각 세션은 동물에게 장비를 장착한 후 홈 케이지에서 3시간 동안 기록하는 과정으로 구성되었습니다. 생리학적 변화와 관련된 행동을 식별하기 위해 비디오 분석을 수동으로 수행하였습니다.

처음 두 번의 순화 세션에서는 장착 후 첫 1시간 동안 심박수(HR)(400~500 bpm 사이) 및 호흡수(RespR)의 증가로 특징지어지는 더 뚜렷한 스트레스가 유도되었습니다. 이러한 높은 생리적 활성화 시기는 카메라를 통해 관찰된 강렬한 탐색 활동(냄새 맡기, 빈번한 직립 보행) 및 그루밍과 일치했습니다. 반대로, 앞서 설명한 3~5일간의 순화 프로토콜을 정확하게 수행하면 이러한 초기 자극이 완화될 것으로 기대됩니다.

순응 3일째에는 HR과 RespR이 기저치로 더 빠르게 복귀하여, 장착 후 약 35분 뒤에 각각 약 350 bpm과 100 brpm에서 안정되었습니다.

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그림 7: 연속적인 순화 기간 동안의 생리학적 안정화(단계 4). 패널은 텔레메트리 재킷 장착 후 1시간의 안정화 기간 동안의 (A>) 심박수(HR; bpm), (B>) 호흡수(RespR; brpm), (C>) 활동 수준(AL; mG)을 보여준다. 데이터는 5일 연속의 순화 기간 동안 수집되었다(n=4; 수컷, 독립 코호트). 데이터는 5분마다 계산된 mean ± SEM으로 표시되었다. 굵은 선은 첫 번째 순화일(보라색 원형 마커)과 마지막 순화일(녹색 삼각형 마커)을 강조한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

결과는 트레드밀 적응 절차를 성공적으로 마친 8마리의 쥐로 구성된 두 실험군에서 얻었습니다. 이 동물들은 서로 다른 연구자에 의해 수행된 두 개의 독립적인 실험에 포함되었습니다. 첫 번째 그룹(그룹 1; 파란색 선)의 경우, 모든 동물이 재킷을 착용한 상태로 최대 30 cm.s-1 속도까지 달릴 수 있었으며, 8마리 중 7마리는 최대 전기 충격 횟수에 도달하지 않고 최고 속도인 40 cm.s-1까지 완주했습니다. 반대로, 두 번째 그룹(그룹 2; 주황색 선)에서는 8마리 중 7마리가 인도적 윤리적 종점 기준인 전기 충격 10회에 도달하여 20 cm.s-1에서 중단되어야 했습니다.

그림 8은 두 그룹의 개별 사례를 보여줍니다. Rat 0의 운동 프로토콜은 조기에 종료되었습니다. treadmill이 정지되었을 때 회복기가 시작되었으며, 이는 동물이 20 cm.s-1 속도 단계를 완료하기 전에 발생했습니다. 반대로, Rat 1은 운동 프로토콜을 성공적으로 완료했으며, treadmill 운동 시작 시의 초기 증가 이후 점진적인 생리학적 적응을 보였습니다. 이러한 적응은 서로 다른 속도 단계에 걸쳐 HR (그림 8A), RespR (그림 8B), 그리고 AL (그림 8C)의 점진적인 증가로 특징지어지며, 40 cm.s-1 단계를 성공적으로 마칠 때까지 높아진 생리학적 활성이 유지되었습니다. treadmill을 정지하자 회복 단계가 시작되었으며, HR (그림 8A), RespR (그림 8B), 그리고 AL (그림 8C)이 점차 기저 수준으로 돌아오며 감소하는 양상을 보였습니다.

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그림 8: 삼각 운동 프로토콜(단계 6) 동안의 개별 생리학적 반응. 패널은 두 피험체, 즉 최대 속도 단계까지 완료하여 적절한 훈련 상태를 보인 Rat 1(수컷)과 20 cm.s-1 속도 단계에서 활동을 중단한 Rat 0(수컷)의 (A>) 심박수(HR; bpm), (B>) 호흡수(RespR; brpm), (C>) 활동 수준(AL; mG)을 나타낸다. 실선은 동물이 달리고 있던 기간을 나타내며, 점선은 트레드밀 활동 중단 후의 회복 기간을 나타낸다. 웜업(warm-up)은 트레드밀 시작 후 실제 테스트 시작 전까지 5 cm.s-1로 유지한 5분간의 기간을 의미한다. 데이터는 30초마다 계산된 평균값으로 표시되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9에 보고된 바와 같이, 그룹 1의 트레드밀 내 기저치 측정값은 HR 395±14 bpm, RespR 177±15 brpm, AL 15±2 mG로 기록되었습니다. 모니터링 장치로 측정한 결과, 기저치와 비교하여 트레드밀 시작 시 유도된 초기 생리학적 증가는 HR (+26%, +101 bpm) (그림 9A), RespR (+46%, +82 brpm) (그림 9B), AL (+1210%, +189 mG) (그림 9C)로 나타났습니다. 40 cm.s-1 속도의 운동으로 인해 유도된 그룹 1의 생리학적 증가는 BL과 비교했을 때 HR (+28%, +110 bpm) (그림 9A), RespR (+71%, +126 brpm) (그림 9B), AL (+2839%, +443 mG) (그림 9C)로 측정되었습니다. 그룹 2에서도 이와 유사한 BL 값이 기록되었으며, HR 399±18 bpm, RespR 150±15 brpm, AL 11±3 mG였습니다. 모니터링 장치로 측정한 결과, 기저치와 비교하여 최대 20 cm.s-1 속도의 운동으로 유도된 생리학적 증가는 HR (+23%, +90 bpm), RespR (+81%, +122 brpm), AL (+1555%, +171 mG)로 나타났습니다. 해당 그룹에서는 단 한 마리의 동물만이 해당 속도 단계에 도달했으므로 더 높은 속도에 대한 값은 비교하지 않았습니다 (그림 9D).

이러한 차이에도 불구하고, 두 그룹 모두 트레드밀 사용 시작 시 HR, RespR 및 AL의 초기 수치가 크게 증가하였으며, 이후 트레드밀 속도가 증가함에 따라 이들 파라미터가 점진적이고 유사하게 증가하는 양상을 보였습니다.

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그림 9: 독립적인 실험군 간의 생리학적 파라미터 및 회복 프로파일. 패널은 삼각형 프로토콜의 강제 운동 속도 단계(단계 6) 및 이후 회복 단계 동안의 (A>) 심박수(HR; bpm), (B>) 호흡수(RespR; brpm), (C>) 활동 수준(AL; mG)을 보여준다. 데이터는 서로 다른 시간에 서로 다른 실험자에 의해 수행된 두 번의 독립적인 시험에서 얻은 그룹 1(파란색; n = 8 수컷)과 그룹 2(주황색; n = 8 수컷)에 대해 표시되었다. (D>) 속도 단계를 완료한 동물의 수. 데이터는 동물 수를 나타내는 패널 D를 제외하고 평균 ± SEM으로 표시되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

본 프로토콜은 점진적 운동 검사(IET) 중 설치류의 심폐계 적응을 모니터링하기 위한 간단하고 비침습적인 방법을 제시한다.25이 접근법은 운동 생리학을 연구하는 데 유용할 뿐 아니라, 휴식 상태에서는 드러나지 않을 수 있는 병리학적 모델에 의해 유도된 기능적 변화를 밝히기 위한 프로토콜에도 특히 적합하다.2,3.

본 프로토콜은 쉽게 시행할 수 있도록 설계되었지만, 재킷 크기의 적절한 선택에 특별한 주의를 기울여야 한다. 재킷과 트레드밀에 대한 적응 단계가 가장 중요한 과정이다. 또한 기록을 시작하기 전에 신호 품질을 점검하는 것이 필수적이다. 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 이러한 각각의 항목에 대해 조정이나 문제 해결이 필요할 수 있으며, 이러한 점검 사항들을 아래에 자세히 설명한다.

자켓 착용 적합성 검증

동물이 적응 기간 동안 재킷을 벗어버리거나 불편한 모습을 보이는 경우, 제조사의 지침을 참조하여 올바른 사이즈가 선택되었는지 확인하기 위해 재킷의 착용 상태를 다시 점검하십시오.'s 사이징 권장 사항23. 동물에 재킷을 착용시킬 수 있지만 착용 상태에 대해 의문이 남는 경우, 재킷과 동물 사이에 손가락을 넣어 확인해 본다.’흉부 밴드가 동물을 과도하게 압박하지 않는지 확인하기 위해 어깨를 살펴보십시오.’몸에 맞는지 확인한다. 손가락이 쉽게 들어가야 하며, 재킷을 부드럽게 당겼을 때 원단은 부드러움을 유지해야 한다. 손가락 삽입이 어렵거나 원단에서 과도한 압력이 느껴진다면, 동물이 압박되고 있을 가능성이 있으므로 재킷을 제거해야 한다. 반대로, 너무 큰 재킷은 착용 후 오랫동안 제자리에 머무르지 못하며 동물이 쉽게 벗어버릴 수 있다. 지나치게 큰 재킷이라도 일단 착용이 가능하더라도 어깨 뼈 뒤쪽으로 뒤로 밀리는 경향이 있다. 재킷이 약간이라도 움직이면, 동물이 발을 바깥쪽 가장자리로 집어넣어 결국 전체 장치를 벗어버릴 수 있다.

적응 & 자켓 피팅

적응 기간은 실험 당일 동물의 스트레스를 최소화하기 위한 중요한 단계이다. 실제로 비침습적 절차나 일상적인 조작조차도 일시적인 스트레스 반응을 유도할 수 있다.26,27. 적응 기간 동안 동물과 실험자 모두 절차에 익숙해질 수 있으며, 원격 측정 장치(약 15 g)의 추가 무게에 동물이 점진적으로 적응할 수 있다. 이 무게는 권장 체중 범위 내 성체 쥐의 체중의 10% 미만에 해당한다.

본 프로토콜에서는 5일간의 적응 기간을 사용하였으나, 이는 참고용 기간에 불과하며 필요에 따라 조정할 수 있다. 실제로 결과에서 알 수 있듯이 그림 7A–C 안정화 후 1시간 동안 기록된 심박수(HR), 호흡수(RespR) 및 활동 수준(AL) 값이 3일 후에 평형 상태에 도달했다는 것을 보여주며, 이전 연구 결과를 뒷받침함17,19,21 3일간의 프로토콜을 성공적으로 활용함. 어쨌든, 적응 기간 동안 심장 및 호흡 기능의 정상화가 이루어지지 않는 것은 동물의 불편함을 나타내는 강력한 지표로 간주되어야 하며, 따라서 부적절한 적응을 의미한다. 재킷의 적합 여부와 관계없이 이러한 현상이 발생하는 경우, 쥐를 점검하는 것이 강력히 권장된다.' 환경 및 사육 조건에서 잠재적 스트레스 요인 제거28,29또한 낯선 상황에 노출됨으로써 주로 유발되는 케이블 피복을 깨물려는 시도나 포르피린 분비(붉은 눈물)와 같은 일시적인 행동을 구분하는 것이 중요하다.26지속적으로 재킷 착용을 꺼리는 경우는 여전히 예외적인 상황이다. 전자의 경우, 이러한 행동의 빈도는 습관화가 진행됨에 따라 감소해야 하며, 이는 동물이’점진적인 절차 수용. 후자의 경우, 조끼 착용에 대한 꺼림칙함이 줄어들지 않으며 반복적인 노출이 부정적 강화를 구성할 수 있다. 본 논문에서 제시된 실험에서는, 적응 기간의 첫날 16마리의 쥐 중 단 한 마리만이 조끼를 깨물려는 시도를 하였으며, 이후의 세션에서는 그러한 행동이 관찰되지 않았다. 모든 동물이 궁극적으로는 조끼를 참아내었지만, 특정 개체가 일관되게 조끼 착용을 거부하여 제외가 불가피할 가능성은 여전히 존재한다.

트레드밀 적응 및 삼각형 프로토콜

비록 제안된 습관화 프로토콜은 일반적으로 사용된다30,31; 두 개의 개별 실험에서 얻어진 상반된 결과는 개체 및 집단 간 반응의 자연적 변동성을 반영한다. 동일한 표준 적응 절차를 거쳤음에도 불구하고, 그룹 2는 더 낮은 속도 단계에서 윤리적 전기자극 한계에 도달하였으며, 이는 목표 운동 속도에 도달할 만큼의 충분한 적응이 이루어지지 않았음을 시사한다. 주목할 만하게도, 20 cm/s에서 그룹 2의 평균 심박수는 그룹 1보다 더 높았다.⁻1 기저값이 유사함에도 불구하고 이 속도를 초과한 이후 운동 단계에서 심박수가 증가한 것은 스트레스 반응의 증대, 심혈관 적응능력의 저하 또는 개인 간 변이를 반영할 수 있으나, 제한된 표본 크기(이 속도를 초과한 그룹 2에서 n=1)로 인해 명확한 해석은 불가능하다. 이러한 점은 환경적 요인이나 집단 특유의 특성이 실험 간 변동성을 유도할 수 있으므로, 습관화 과정 중 지속적인 모니터링을 통해 프로토콜을 동적으로 조정하고 이러한 요인들을 반영해야 할 필요성을 강조한다. 충분한 준비를 보장하기 위해 각 동물은'습관화 기간 동안 10일에 걸쳐 진행 상황 및 전기 충격 횟수를 지속적으로 기록하여 점진적 검사에서 설정한 목표 최대 속도에 대한 개별 동물의 진행 상황을 정기적으로 재평가하고, 그에 따라 프로토콜을 조정할 수 있도록 해야 한다. 일반적인 지표로, 동물들은 보통 처음 2~3회의 세션 동안 저속(10 미만)에서 트레드밀 러닝에 적응하는 데 필요로 한다.–20 cm·s⁻¹⁻1), 점진적으로 더 높은 속도(20–30 cm·s⁻¹⁻1) 중간 세션(3일차에서 6일차)보다 증가한다. 최종 적응 세션에서 잘 적응된 동물은 목표 속도(약 40 cm/s)를 유지할 수 있어야 한다.⁻1) 충격 제한에 도달하지 않고 10일 전까지 전체 세션 동안 수행하는 것이 좋습니다. 각 동물의 상태를 확인하기 위해 사전 검사용 점진적 세션이 권장됩니다.'목표 속도에 도달할 수 있는 능력을 확인한다. 이 단계는 이를 충족하지 못하는 동물의 경우 습관화 기간을 추가로 연장할 수 있도록 최종 점검을 제공한다. 궁극적으로 습관화 세션은 최대 수준 이하로 유지되어야 하며, 신체 훈련을 구성하거나 이후의 IET 동안의 수행 능력에 영향을 주어서는 안 된다.30,31. 여기에서 두 가지 결과를 모두 포함한 것은 방법론적 실패라기보다는 의도적인 것이며, 실제로 기대할 수 있는 반응 범위를 사용자에게 현실적으로 보여주기 위한 것이다. 이 프로토콜은 두 가지 목적을 동시에 수행한다: 동물들을 장비에 적응시키는 것과 요구되는 운동을 수행할 수 없는 개체들을 식별하는 것이다. 그러나 '비러너들' 게시된 보고서에서 자주 언급되지 않지만, 문헌에 따르면 쥐의 10% 이상이 습관화 과정을 완료하지 못할 수 있다.32따라서 이러한 개체들은 조기에 식별하여 연구에서 제외해야 한다. 트레드밀 사용 거부와 재킷 거부로 인해 동물이 배제될 가능성을 고려할 때, 통계적으로 충분한 표본 크기를 유지하기 위해 코호트당 하나에서 두 마리 정도 추가 동물을 포함시키는 것이 권장된다.

신호 품질

또 다른 흔한 문제 해결 상황은 기록된 신호 품질이 낮은 경우를 다루는 것이다(아래에서 보여주는 바와 같이). 그림 6, "대표 결과"). ECG 품질이 2회 이후에도 계속 낮은 수준을 유지하는 경우–3분 동안(겔이 피부와 전극 사이에 적절한 접촉을 형성하는 데 필요한 시간) 다음의 보정 조치를 취할 수 있다: 1. 간섭 확인: 피부 주름, 옷 주름 또는 털의 재생이 전극 접촉을 방해하지 않는지 확인한다. 2. 전도도 향상: 전극 위의 피부를 부드럽게 마사지한다. 필요 시 전극의 접착면 중앙에 있는 검은 점 위로 추가적인 전도성 젤을 직접 도포한다. 3. 장비 점검: 전극과 전선에 손상 여부를 주의 깊게 점검하며, 신호 품질이 여전히 낮거나 손상이 확인되는 경우 전극 교체를 고려한다. RIP 신호에 잡음이 있는 경우, 먼저 재킷의 크기와 내부 봉제 센서의 무결성을 확인한다. 크기가 부적절하거나 센서가 손상된 경우, 신호 품질을 회복하기 위한 유일한 효과적인 해결책으로 재킷을 교체해야 한다. 기준 측정값에 비해 높은 속도에서는 운동 유도 기계적 잡음으로 인해 기준선 이동(baseline wander) 및 운동 아티팩트가 증가하면서 전반적인 신호 품질이 저하될 수 있다. 이러한 아티팩트의 영향과 이에 상응하는 완화 전략은 다른 곳에서 충분히 기술되어 있다.21.

본 연구는 트레드밀에서 점진적인 운동 중 다중 생리학적 평가(심장, 호흡 및 액티그라피)를 위해 설치류 전용 재킷을 사용한다. 이전 연구들은 본 장치가 심장 기능 평가 시 침습적 방법과 유사한 결과를 제공함을 입증하였다.16,33,34 및 환기15 기능으로, 이는 금준거로 간주된다. 그러나 이러한 침습적 방법의 대부분은 자유롭게 움직이는 동물에서 수행되는 운동 프로토콜과 일반적으로 호환되지 않는다. 임플란트형 원격 측정 센서를 사용하는 경우에만 가능하다(리뷰는 참조).35)은 이러한 유형의 실험이 가능하게 해준다. 그러나 이러한 센서를 이식하기 위해서는 광범위한 외과 수술이 필요하며, 이로 인해 수술 후 통증, 수술 상처의 위치, 장치의 부피로 인한 불편함 등이 동물 복지에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 궁극적으로 동물의 행동이나 생리에 변화를 초래할 수 있다.'s 표현형 또는 운동 수행 능력8,9,36. 이 맥락에서, 동물을 보존하는 것’조사 중에도 시료의 물리적 완전성을 유지할 수 있다는 점은 이 방법의 주요 장점이다. 또한, 전문화된 대사 트레드밀을 사용하면 산소 소비량을 측정할 수 있지만(figure-discussion-1) 및 이산화탄소 생성 (figure-discussion-2), 심장 또는 호흡 기능의 직접적인 기능 지표를 제공하지는 않는다. 본 프로토콜에서 사용하는 외부 원격 측정 시스템은 이러한 장비와 호환되며, 이러한 방법론을 통해 접근 가능한 종말점(endpoints)을 효과적으로 보완함으로써 이러한 한계를 해결한다. 마지막으로, 트레드밀 속도는 종종 강제 운동 검사(IET) 중 수행되는 기계적 작업의 대용 지표로 사용되지만, 가속도계를 통합함으로써 액티그래피(actigraphy)의 직접적인 측정이 가능해져 동물의 활동에 대한 보다 풍부한 데이터를 제공하고 단순한 이동 속도를 넘어서는 운동 분석이 가능하게 된다.

운동 생리학을 넘어서, 이 재킷형 원격 측정 시스템은 수술 없이도 이동 중 심폐기능을 모니터링해야 하는 실험적 상황에서 보다 광범위한 응용이 가능할 수 있다. 적절한 적응 기간을 거친 후 최대 48시간 동안의 장기 기록이 시행되었다.33, 이로써 생체리듬 또는 수면 관련 생리학 연구뿐 아니라 장기적 모니터링 프로토콜의 가능성을 열어준다. 여기에서 제시한 운동 프로토콜 외에도, 이 기술은 이미 허혈성 심근병증 쥐 모델에서 심전도 유도 파라미터 및 심박수 변이성이 최근 보고된 것과 같은 질병 모델에서의 심혈관계 표현형 분석을 포함한 다른 분야에도 적용되고 있다.20 만성 신장병 관련 심혈관 기능 장애37, 급성 운동 상황을 넘어서는 적용 가능성을 보여준다. 이러한 접근법은 간질 또는 간질 모델, 안전 약리학 연구를 포함하여 자발적 활동이나 자극 유도 활동을 다루는 다른 전임상 응용 분야에도 유용할 수 있다.17,19, 및 수술 후 회복 모니터링38. 비록 본 연구에서 이러한 응용 분야를 구체적으로 평가하지는 않았지만, 이러한 사례들은 비수술적 모니터링 플랫폼의 다용도성과 임상 적용 가능성을 보여준다. 현재의 방법은 몇 가지 제한점을 가지고 있으며, 이를 고려해야 한다. 첫째, 제안된 프로토콜은 일반화되어 있으며 건강한 동물들을 대상으로 설계되었다. 따라서 재킷의 착용 적합성과 내성은 동물의 크기, 체성분, 품계, 성별 및 생리적 상태에 따라 달라질 수 있으며, 매우 작거나 비만이거나 질병을 가진 동물들에 적용할 경우 제한될 수 있다. 또한, 특정 모델(예: 비만 동물)을 사용하는 연구자들은 측정 시스템과 독립적으로 운동 프로그램을 자체적으로 조정해야 한다.

소규모 동물 집단을 대상으로 예비 실험을 수행하여 본 실험 이전에 잠재적인 제한 사항을 철저히 평가하는 것이 매우 권장된다. 또한 본 프로토콜은 독점적인 재킷형 원격 측정 시스템을 사용하여 개발되었음을 주의 깊게 고려해야 한다. 여기에서 설명된 일반 원칙들은 광범위하게 적용 가능하지만, 신호 품질, 재킷의 착용 적합도, 데이터 출력 형식과 같은 성능 특성은 다른 원격 측정 플랫폼과 다를 수 있다. 따라서 연구자들은 본 실험을 수행하기 전에 자신이 사용하는 특정 시스템을 검증할 것을 권장한다. 또한 전임상 연구의 윤리적·사회적 측면을 고려할 때, 본 연구에서 제시된 바와 같이 운동을 제어하기 위해 경한 악성 자극(저강도 전기 자극)을 사용하는 방식에 대해 의문을 제기할 수 있다. 규제 당국의 검토가 강화되고 있음에도 불구하고, 이 접근법은 여전히 가장 널리 사용되는 방법으로 남아 있다. 최근 오카모토가 검토한 바에 따르면 외 등39, 정확한 운동 강도와 지속 시간의 조절이 요구될 때 여전히 선호되는 방법이다. 반면, 운동의 엄격한 조절이 필수적이지 않은 경우에는 일부 연구에서 전기 자극을 압축 공기, 촉각 자극 또는 소음과 같이 상대적으로 덜 자극적인 자극으로 대체할 것을 제안하고 있다(리뷰는 참조).40). 마찬가지로, 보상 기반 패러다임을 자극 회피적 자극의 대안으로 사용하는 방안은 10년 이상 연구되어 왔다.41; 그러나 긍정적 강화만을 기반으로 하는 표준화된 운동 프로토콜은 아직 수립되지 않았다. 이 방법의 잠재적 응용 가능성은 매우 광범위하며, 특정 연구 분야뿐 아니라 교육 현장에도 폭넓게 적용될 수 있다. 연구 분야에서 이 접근법은 심폐기능을 평가하기 위해 통제된 운동 프로토콜이 요구되는 연구에 일반적으로 적용 가능하다. 주요 응용 분야는 다음과 같다. i) 건강한 상태 및 병리적 상태에서 심폐계의 적응 능력을 정확하게 평가하기 위해 인간에서 사용되는 것과 유사한 운동 검사를 수행하는 것; ii) 다양한 실험적 질병 동물 모델 간에 훈련 또는 재활 프로토콜을 표준화하는 것; iii) 장기간에 걸쳐 훈련 또는 재활이 유도하는 생리학적 효과를 종단적으로 모니터링하는 것을 용이하게 하는 것; iv) 휴식 상태의 동물에서는 드러나지 않을 수 있는 심부전과 관련된 생리학적 변화와 같은 생리적 이상을 탐지하는 것. 교육적 관점에서 이 모델은 대학 실습 교육에 상당한 이점을 제공하며, 이는 3R 원칙(Replacement, Reduction, Refinement)을 직접적 또는 간접적으로 준수하는 데 기여한다.4 : “정제”, “환원” 그리고 “교체” 동물 사용에서의 윤리적 기준을 증진시킨다. “정제” 비침습적인 특성 덕분에 동물을 보존함’생체의 물리적 완전성을 해치지 않으며, 전통적인 심폐생리학 연구 방법과는 달라진 접근법을 제공한다. 또한 이러한 다중 모드 접근법을 통해 학생들은 단일 시스템을 사용하여 한 번의 실습 세션 동안 심장 및 호흡 생리학을 동시에 학습할 수 있으므로 생리적 항상성을 통합적으로 이해할 수 있게 된다. 이는 간접적으로 생리학 교육의 효과성에 기여한다. “환원” 동물 수에 있어서. 교육적 맥락에서 이 시스템은 또한 지원할 수 있다 “교체” 생리학 교육에서 다양한 생리학적 시나리오를 설명하기 위해 실습 훈련과 시뮬레이션 기반 학습을 보완할 수 있는 현실적인 생리학 데이터베이스의 구축을 가능하게 함으로써42실제로 교육 목적에서 본 프로토콜에 설명된 문제 해결 시나리오는 실제 실험 조건에서 발생할 수 있는 개체 간 변이성과 기술적 어려움을 보여주는 사례를 제공한다는 점에서 특히 유용하다. 대학에서 동물 실험을 시뮬레이션 도구로 점차 보완하거나 대체하고 있는 상황에서 이러한 사례에 접근할 수 있는 것은 중요하다. 또한 본 프로토콜 수행 중 획득한 영상 자료를 생리학적 기록과 함께 제공하면, 반응하지 않는 동물의 사례를 포함한 시각적 맥락을 학생들에게 제공함으로써 해석 능력과 학습 효과를 향상시킬 수 있다.

공개 사항

Timothé FLENET과 Charles EYNARD는 ETISENSE SAS의 직원 및 주주입니다. Agathe CAMBIER는 ETISENSE SAS의 직원입니다. ETISENSE SAS는 본 프로토콜에 사용된 재킷형 텔레메트리 시스템을 제조하는 회사입니다.

감사의 글

이 결과는 FC3R “Digital Tools” 보조금42의 지원을 받은 LEARN 프로젝트(23FC3R-001)의 일환으로 얻어졌습니다. Inserm에서 관리하는 기금을 사용하는 GIS FC3R의 이러한 재정적 지원은 실험 생리학 전문 고등 교육용 디지털 플랫폼의 개발을 뒷받침했습니다.

명확성과 가독성을 높이기 위해 언어 교정 및 원고 최적화 과정에 생성형 AI가 활용되었습니다. 저자들은 필요에 따라 출력물을 검토 및 수정하였으며, 원고의 최종 내용에 대해 모든 책임을 집니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
6 MPX 어안 카메라Reolink, 홍콩, 중국FE-W순화 과정 중 동물을 관찰하는 데 사용됩니다.
클리퍼Aesculap Schermaschinen, 독일 줄(Suhl)Clipper Aesculap Exacta GT416제모에 사용됩니다. 0.1mm 절삭 능력을 갖춘 전원 코드 연결형 또는 배터리 구동형 클리퍼를 대안으로 사용할 수 있습니다.
웹 브라우저가 설치된 컴퓨터모든 공급업체해당 사항 없음원격 측정 소프트웨어를 실행하고 비디오를 기록하는 데 사용됩니다. 최신 웹 브라우저가 설치된 컴퓨터라면 무엇이든 사용할 수 있습니다.
일회용 접착식 표면 심전도 전극ETISENSE, 프랑스 리옹ELEC-R-1PAIR심전도 기록을 위해 자켓 아래에 부착할 표면 Ag/AgCl 전극. 
심전도 접촉 젤 ASEPT INMED, QUINT-FONSEGRIVES, 프랑스Uni Gel ECG, 251005ECG 전극의 접촉 및 밀착력을 향상시키는 데 사용됩니다. 모든 ECG 접촉 젤을 사용할 수 있습니다.
가스 마취기TEM SEGA, Saint-Médard-en-Jalles, 프랑스ISOTEC 3 기화기가 장착된 Portico 수의용 가스 마취 스테이션털 제거 시 동물 마취용으로 사용됩니다. 이에 상응하는 모든 설치류 마취 스테이션을 사용할 수 있습니다.
거즈모든 공급업체해당 사항 없음세척 후 삭모 부위를 건조하는 데 사용합니다. 멸균 또는 비멸균 흡수성 거즈 모두 사용 가능합니다.
계측 재킷 ETISENSE, 프랑스 리옹JKT-RAT-T1전극과 송신기를 고정하는 데 사용되는 호흡 센서 부착 텔레메트리 재킷. 동물의 체중과 계통에 따라 다양한 크기로 제공되며, 적절한 크기 선택을 위해 제조사의 선택 표를 참조하십시오.23.
바늘 없는 정맥 카테터TERUMO, 라구나, 필리핀SURFLO 22G 0.85x25 SR+OX2225C1정밀한 겔 도포에 사용됩니다. 재사용이 가능합니다. 모든 동등한 주사기와 카테터 조합을 사용할 수 있습니다.
이소플루레인Virbac, Santé 애니말, 프랑스Vetflurane, 401346털 깎기 중 가스 마취에 사용되는 수의용 Isoflurane 제제 (1.5–(20% 산소 및 공기 중 5%). 그 외 동등한 다른 수의용 이소플루레인을 사용할 수 있습니다. 지역 규정에 따라 사용하십시오.
자켓 피팅 툴 ETISENSE, 프랑스 리옹FTUB-R-BD최소한의 억제로 동물에게 재킷을 쉽게 입히기 위해 사용되는 선택적 도구.
전동 트레드밀 BIOSEB, 프랑스 비트로유BX-TM0.2 mA의 전기 충격을 가하는 단일 또는 다중 레인 전동 트레드밀.
유성 마커모든 공급업체해당 없음개별 동물 식별을 위해 꼬리에 표시하는 데 사용합니다. 독성이 없고 방수 기능이 있는 영구 마커라면 무엇이든 적합합니다.
표면 소독제Franklab, 프랑스 Montigny le BretonneuxFB 스프레이, 10515사용 후 하드웨어를 세척하는 데 사용합니다. 알코올 성분이 없는 표면 소독제라면 무엇이든 사용할 수 있습니다.
바늘 없는 주사기 (1 또는 5 mL)BD, Pont-de-Claix, 프랑스BD Plastipak, 303172정밀한 겔 도포에 사용됩니다. 재사용이 가능합니다. 이에 상응하는 모든 주사기와 카테터 조합을 사용할 수 있습니다.
원격 측정 소프트웨어ETISENSE, 프랑스 리옹LASA 소프트웨어 v2.17 또는 이후 버전웹 기반 생체 데이터 획득 및 분석 소프트웨어.
생리적 데이터 수집을 위한 텔레메트리 시스템ETISENSE, 프랑스 리옹DECRO 시스템 : SYS-NANOACQ4, SYS-S2, SYS-S1 또는 동등 제품 동물 수에 따라 다양한 구성으로 제공됩니다.
생리학적 데이터 수집을 위한 텔레메트리 송신기 및 배터리 팩ETISENSE, 프랑스 리옹EMET-HD-ACQ-REVG심전도(ECG), 호흡 신호 및 3D 가속도를 기록하며 충전식 배터리(12시간 연속 배터리 수명)가 포함된 텔레메트리 송신기. 
비디오 녹화 소프트웨어Reolink, 중국 홍콩Reolink 클라이언트 v8.17.6 또는 이후 버전비디오 녹화에 사용됨. Windows 또는 Mac 버전 사용 가능

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