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小鼠和大鼠在低氧時(shí)通氣反應(yīng)和代謝特征的不同

來(lái)源:上海塔望智能科技有限公司   2023年05月12日 15:44  

系統(tǒng)地理學(xué)研究表明,,家鼠(Mus musculus)起源于喜馬拉雅地區(qū),而普通大鼠(黑鼠Rattus rattus和褐家鼠Rattus norvegicus)起源于中國(guó)和印度的低地,。因此有人提出,起源賦予了小鼠入侵高海拔地區(qū)生態(tài)位的能力(預(yù)適應(yīng)),,而不是大鼠,。這一說(shuō)法得到了以下事實(shí)的有力支持,即小鼠分布在世界各地,,而普通的大鼠在海拔2500米以上幾乎沒(méi)有,。考慮到哺乳動(dòng)物的在高海拔環(huán)境(>2500米)下的生存能力是受低氧耐受性影響,,加拿大研究人員假設(shè)不同動(dòng)物在適應(yīng)低氧過(guò)程中通氣反應(yīng),、血液和代謝表型有所不同,對(duì)大小鼠的高原低氧適應(yīng)做出了相關(guān)研究,。

該研究由加拿大拉瓦爾大學(xué)心臟和肺病研究中心完成,,并于2021年發(fā)表在《Frontiersin Physiology》期刊,題為:Mice and Rats Display Different Ventilatory, Hematological, and Metabolic Features of Acclimatization to Hypoxia,。


運(yùn)用全身體積描記系統(tǒng)


暴露于低氧環(huán)境(hypoxia,,12%O2)0小時(shí)(常氧對(duì)照)評(píng)估呼吸參數(shù)

圖片

為了驗(yàn)證這一假設(shè),研究人員將雄性FVB小鼠和SD大鼠分別暴露于低氧環(huán)境(hypoxia,,12%O2)0小時(shí)(常氧對(duì)照),、6小時(shí),、1、7和21天,。然后評(píng)估了呼吸參數(shù)[分鐘通氣(VE),、呼吸頻率(fR)、潮氣量(VT),、血液學(xué)(紅細(xì)胞壓積和血紅蛋白濃度),、代謝[氧氣消耗(VO2)和CO2產(chǎn)生(VCO2)以及肝線粒體耗氧量(OCR)參數(shù)的變化。

研究結(jié)果顯示,,與大鼠相比,,小鼠的呼吸、代謝和線粒體反應(yīng)增加,。相比之下,,大鼠比小鼠表現(xiàn)出更快和更高的血液學(xué)反應(yīng),只有輕微的呼吸和代謝調(diào)整,。該發(fā)現(xiàn)可以部分解釋小鼠比大鼠能夠更好的在高海拔棲息地生存,。




實(shí)驗(yàn)方法

動(dòng)物低氧干預(yù)

為了驗(yàn)證這一假設(shè),研究人員將雄性FVB小鼠和SD大鼠分別暴露于低氧環(huán)境(hypoxia,,12%O2)0小時(shí)(常氧對(duì)照),、6小時(shí)、1,、7和21天,。低氧過(guò)程中,每周打開(kāi)1次更換墊料,,添加食物和水,,每次打開(kāi)的時(shí)間1個(gè)小時(shí)。

呼吸測(cè)量:呼吸肺功能測(cè)量和呼吸代謝

低氧結(jié)束后,,動(dòng)物被快速的轉(zhuǎn)移到全身體積描記系統(tǒng)中(whole-body plethysmograph system,WBP)記錄3小時(shí)的動(dòng)物的呼吸肺功能參數(shù),。記錄時(shí)間為動(dòng)物睡眠的時(shí)間段。呼吸測(cè)量時(shí),,動(dòng)物依然給予和造模同樣的低氧環(huán)境(hypoxia,,12%O2)和常氧環(huán)境。測(cè)量過(guò)程中,,全身體積描記系統(tǒng)的氣流被持續(xù)采集到呼吸代謝測(cè)量系統(tǒng)里面,用以分析氧氣消耗(VO2)和CO2產(chǎn)生(VCO2),。

血液參數(shù)測(cè)量

在全身體積描記法測(cè)量呼吸結(jié)束后,,動(dòng)物被麻醉和處置。采集血液樣本,,試用Hemo自動(dòng)血液分析儀測(cè)量血紅蛋白(Hb)濃度,,采用毛細(xì)管離心機(jī)利用傳統(tǒng)方法計(jì)算紅細(xì)胞壓積(Ht),。

線粒體O2消耗量測(cè)量

組織取樣

從常氧或暴露于缺氧(hypoxia)環(huán)境的大鼠和小鼠中提取肝組織樣本(約2 mg)。樣品立即轉(zhuǎn)移到冰凍的呼吸介質(zhì)MiR05(0.5 mM EGTA, 3 mM MgCl2*6H2O, 60 mM K-lactobionate, 20 mM taurine, 10 mM KH2P04, 20 mM HEPES, 110 mM sucrose,and 1 g/L bovine serum albumin pH = 7)添加皂苷(50 μg/L)如前所述文章描述(Arias-Reyes et al.,,2019),。


耗氧率測(cè)量

快速取樣后,將肝臟樣本轉(zhuǎn)移到細(xì)胞呼吸代謝系統(tǒng)Oxygraph-2k(OROBOROS)的呼吸室,,充滿相同的MiR05培養(yǎng)基,,孵育15 min,然后測(cè)量質(zhì)量特異性(pmol O2 s-1 mg ww-1)耗氧率(OCRs),。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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小鼠在缺氧適應(yīng)過(guò)程中的通氣反應(yīng)強(qiáng)于大鼠

在兩種物種中均觀察到缺氧暴露對(duì)通氣的顯著影響,。小鼠在缺氧6小時(shí)后VE與對(duì)照水平相比保持不變。然而,,在缺氧1,、7和21天后顯著升高。小鼠在第7天達(dá)到峰值(常氧對(duì)照水平),,隨后在第21天顯著降低,。大鼠缺氧6小時(shí)后VE水平升高,并在1,、7和21天保持升高,。比較兩種小鼠,在缺氧7天后,,小鼠的通氣水平明顯高于大鼠,。然而,與常氧,、缺氧6h,、1和21天的大鼠相比,小鼠的VE沒(méi)有差異,。

缺氧對(duì)小鼠VT有影響,,但對(duì)大鼠無(wú)影響。缺氧6小時(shí)小鼠VT值顯著下降,。同樣,,小鼠比常氧大鼠和1、7和21天,。缺氧6小時(shí)后這種差異不顯著,。缺氧顯著影響小鼠和大鼠的呼吸頻率。在小鼠中,,缺氧在6h后觸發(fā)呼吸頻率顯著漸進(jìn)增加,,在暴露7天后達(dá)到峰值。在缺氧的第21天,,呼吸頻率值下降,。

小鼠和大鼠在適應(yīng)缺氧的過(guò)程中體溫會(huì)有短暫的下降

缺氧對(duì)小鼠和大鼠的體溫(BT)有顯著影響,。小鼠在缺氧1天后出現(xiàn)顯著下降,但在缺氧7天后,,對(duì)照組水平恢復(fù),。大鼠缺氧6h后體溫早期下降,7天后恢復(fù)對(duì)照水平,。兩種物種在常氧,、6小時(shí)和21天的缺氧條件下表現(xiàn)出相似的體溫。在缺氧暴露的第1天和第7天,,小鼠的BT值明顯低于大鼠,。

小鼠在適應(yīng)缺氧的過(guò)程中,增加了它們?nèi)淼难鯕庀暮投趸嫉漠a(chǎn)生,,但大鼠沒(méi)有同樣變化,。

在小鼠中觀察到缺氧對(duì)耗氧量(VO2)的顯著影響,但在大鼠中沒(méi)有顯著影響,。與常氧對(duì)照組相比,,缺氧7天和21天的小鼠耗氧量分別增加了10和25%(圖3A– 中圖)。大鼠中未觀察到變化(圖3A-左圖),。與大鼠相比,,小鼠耗氧量在缺氧7和21天后顯著升高(圖3A-右圖)。


小鼠和大鼠缺氧暴露對(duì)二氧化碳產(chǎn)生均有顯著影響,。缺氧7天后,,小鼠的VCO2開(kāi)始增加。在大鼠中,,觀察到缺氧6小時(shí)后VCO2的短暫減少,,然而在暴露于缺氧1、7和21天的大鼠中,,VCO2值與常氧對(duì)照組沒(méi)有差異(圖3B-左圖),。當(dāng)比較兩種物種時(shí),在缺氧7天和21天后,,小鼠的VCO2值高于大鼠(圖3B-右面板),。呼吸交換率(RER)計(jì)算為VCO2除以VO2的比值。RER與代謝燃料(碳水化合物,、蛋白質(zhì)或脂肪酸)有關(guān),。接近1的值代表主要的糖酵解代謝,而接近0.7的值意味著更依賴于脂肪酸氧化的代謝(Deuster and Heled, 2008),。在小鼠中,,我們計(jì)算的RER值在0.778-0.929之間,而大鼠在0.813-1.096之間,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺氧對(duì)不同物種的RER有明顯影響(圖3C) ,。


為了驗(yàn)證這一假設(shè),研究人員將雄性FVB小鼠和SD大鼠分別暴露于低氧環(huán)境(hypoxia,,12%O2)0小時(shí)(常氧對(duì)照),、6小時(shí)、1,、7和21天,。低氧過(guò)程中,每周打開(kāi)1次更換墊料,,添加食物和水,,每次打開(kāi)的時(shí)間1個(gè)小時(shí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

我們的結(jié)論是,,F(xiàn)VB小鼠和SD大鼠發(fā)展了不同的生理和線粒體適應(yīng)缺氧機(jī)制,。小鼠的缺氧適應(yīng)性反應(yīng)是通過(guò)調(diào)整氧氣的捕獲、分布和利用,,使它們能夠保持甚至增加的全身和肝臟-線粒體代謝,。相反,大鼠在血液中氧運(yùn)輸系統(tǒng)中發(fā)生過(guò)度和有害的改變,,而不能觸發(fā)輔助通氣,、代謝和亞細(xì)胞程序,因此表現(xiàn)出缺氧適應(yīng)反應(yīng)不足,。小鼠適應(yīng)過(guò)程中的適應(yīng)性調(diào)整可能部分解釋了它們與大鼠相比在高海拔棲息地生存的能力,,并進(jìn)一步支持了小鼠預(yù)先適應(yīng)高海拔缺氧的假說(shuō)。

參考文獻(xiàn)

Arias-Reyes C, Soliz J and Joseph V (2021) Mice and Rats Display Different Ventilatory, Hematological, and Metabolic Features of Acclimatization to Hypoxia. Front. Physiol. 12:647822. doi: 10.3389/fphys.2021.647822 

塔望方案

塔望科技貼近科研,,提供全面的實(shí)驗(yàn)解決方案,。我們可以提供動(dòng)物低氧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(常壓/低壓),用于動(dòng)物持續(xù)的低氧(模擬真實(shí)的高原環(huán)境)飼養(yǎng),。塔望科技還提供小動(dòng)物專用的全身體積描記系統(tǒng)和呼吸代謝測(cè)量系統(tǒng),,一站式測(cè)量動(dòng)物的通氣反應(yīng)性和呼吸代謝。

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塔望科技在低氧,、呼吸,、代謝方面積累的大量經(jīng)驗(yàn),具有專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì),,可以協(xié)助您順利的開(kāi)展實(shí)驗(yàn),,解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題。



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