Создание мышиной модели для вдыхания экстремально низкотемпературного воздуха в дыхательных путях

Стимуляция окружающей среды холодом связана с развитием различных хронических заболеваний. Поэтому создание животных моделей для доклинических исследований имеет решающее значение. Данная система удовлетворяет эту потребность, предлагая устройство, создающее стимульную модель, отвечающую требованиям фундаментальных исследований патогенетических механизмов.

В настоящее время для создания модели мыши для стимуляции холодовой окружающей среды используются пластины с холодным теплом и носимые охлаждающие устройства. Эти методы могут частично удовлетворить требования по изучению реакций и регуляторных эффектов кожи мыши или нейронных цепей на холодовую стимуляцию. Многочисленные клинические исследования обосновали корреляцию между воздействием низкотемпературных сред и развитием различных заболеваний. В последнее время все большее внимание уделяется непрерывному обмену информацией между органами и тканями, что позволяет по-новому взглянуть на решение давних проблем в организме человека. Тем не менее, существующие установки не могут построить модель для мышей, вдыхая холодный воздух.

Хотя помещение мышей в холодную среду кажется привлекательным, оно имеет значительные ограничения. В то время как мыши вдыхают холодный воздух, их кожа также стимулируется холодной окружающей средой, что делает неясным, являются ли возникающие патологические изменения следствием стимуляции легких через взаимодействие отдаленных органов или из-за кожных рецепторов и передачи нервных сигналов. Это создает значительную путаницу в соответствующих исследованиях. Эта схема представляет собой новый подход к построению мышиной модели для стимуляции вдыхания экстремального холодного воздуха. Это устройство позволяет мышам вдыхать чрезвычайно низкотемпературные газы, в то время как их тело остается при нормальной температуре. Это позволяет максимально эффективно моделировать стимулирующее воздействие экстремальных температур окружающей среды на мышей и удовлетворяет потребности исследований по изучению взаимосвязи между экстремальными температурами окружающей среды и связанными с ними заболеваниями.

Этот метод в первую очередь обеспечивает модель чрезвычайно низкотемпературной стимуляции воздуха у мышей с использованием неинвазивного, стандартизированного, стабильного и периодического устройства обратной связи по температуре полупроводникового охлаждения. Клинические эксперименты, связанные с низкими температурами, подтвердили тесную связь с заболеваемостью и прогнозом различных заболеваний. В ходе исследования временных рядов с участием 272 крупных городов Китая было выявлено в общей сложности 1 826 186 случаев неслучайной смерти. Взаимосвязь между температурой и смертностью последовательно указывает на перевернутую J-образную кривую, при этом фаза высоких показателей смертности из-за холода значительно длиннее других температур. Это говорит о том, что влияние низких температур на инсульт и сердечно-сосудистые заболевания не ограничено холодной фазой; Влияние продолжается в период после того, как холодная фаза стихла.

Среди неслучайных смертей 14,33% можно отнести к факторам температуры окружающей среды, при этом умеренный холод (от -1,4 до 22,8 °C) и экстремальный холод (от -6,4 до -1,4 °C) составляют 10,49% и 1,14% соответственно. Среди причин смертности – сердечно-сосудистые и цереброваскулярные заболевания – 17,48%, ишемическая болезнь сердца – 18,76%, ишемический инсульт – 14,09%, геморрагический инсульт – 18,10%, заболевания дыхательной системы – 10,57%, хроническая обструктивная болезнь легких – 12,57%¹. В Китае эпидемиологические исследования инсульта свидетельствуют о четком градиенте с севера на юг². В холодном климате северо-восточного Китая распространенность инсульта в 2,36 раза выше по сравнению с южным^{регионом3}. Обширные исследования подтвердили прямое влияние низкотемпературной среды на показатели смертности и заболеваемости инсультом ^4,5,6. Следовательно, значительные перепады температур климата представляют собой фактор окружающей среды, который нельзя игнорировать.

Отсутствие эффективных научных аргументов, объясняющих корреляцию между низкой температурой окружающей среды и увеличением частоты инсультов и проблем с сердцем, остается темой исследования. В то время как общепринятое мнение^{предполагает, что} низкие температуры могут повышать кровяное давление из-за раздражения кожи и симпатического возбуждения, люди обычно принимают меры для самоизоляции и поддержания равновесия температуры тела в ответ на холодные условия. При воздействии низких температур современные люди полагаются на свою дыхательную систему, а не на кожу в качестве основного защитного механизма. В то время как плотная одежда может защитить кожу от внешнего холода, она не может предотвратить вдыхание холодного воздуха в дыхательные пути, подвергая трахею и альвеолы интенсивной стимуляции холодом. Современные методы построения животных моделей для низкотемпературной стимуляции в основном делятся на два аспекта. Во-первых, многочисленные исследования были сосредоточены на изучении реакции и регуляторных механизмов кожи мышей на низкотемпературную стимуляцию. Один из методов включает в себя помещение мышей на тарелку, которая может контролировать изменения температуры (4-25°C), чтобы исследовать специфические регуляторные механизмы регуляции температуры тела и поведения избегания в ответ на ^{холодовые} стимулы^. В других исследованиях на спинах мышей размещали охлаждающие устройства для изучения роли нейронных цепей^{в регулировании температуры} тела.

И наоборот, в нескольких исследованиях мышей помещали в небольшие камеры с переменной температурой (4-30 °C). В исследованиях Лал и коллеги и Цянь и др. использовали этот метод для построения мышиной модели холодовой стимуляции для изучения нейронных схем, регулирующих нейроэндокринный контроль холодового^{пищевого поведения.} Тем не менее, два упомянутых метода имеют свои ограничения. Во-первых, самая низкая температура составляет 4 °C, что недостаточно для моделирования экстремально низкотемпературной стимуляции воздуха. Этот метод не может исключить регулирующее воздействие кожи и нервных цепей на холодную среду. Являясь основным местом воздухообмена, легкие также являются органами, в которых сосредоточены чувствительные к холоду нейроны^13,14. Регулирующая роль чувствительных к холоду нейронов при различных заболеваниях также подтверждена несколькими исследователями 15,16,17. В результате, срочно необходим метод для стабильного, массового и нормативного конструирования низкотемпературной животной модели дыхательных путей. Понимание регуляторной роли легких и чувствительных к холоду нейронов при различных хронических заболеваниях при экстремально низкой температурной стимуляции воздуха имеет важное значение для обеспечения теоретической основы для профилактики и лечения инсульта, ишемической болезни сердца и заболеваний дыхательной системы в холодных регионах. Наша команда восполнила этот критический пробел, создав низкотемпературное устройство в течение последних двух лет. Этот прибор отличается повторяемостью, практичностью, простой конструкцией и низкой стоимостью, что делает его пригодным для подобных исследований.

Комитет по этике экспериментальных животных утвердил все процедуры с участием животных в Первой аффилированной больнице Харбинского медицинского университета.

1. Сборка устройства

ПРИМЕЧАНИЕ: Компоненты устройства см. на рисунке 1 .

1. Используйте металлические разъемы для крепления двух наборов латунных оболочек к двум наборам микросхем охлаждения полупроводников. Нанесите теплопроводящую силиконовую смазку между латунной оболочкой и микросхемой охлаждения полупроводника.
2. Нанесите термопасту между латунной оболочкой и микросхемой охлаждения полупроводника.
3. Подключите две группы вентиляторов к каждой детали полупроводникового охлаждения ниже. Убедитесь, что латунный корпус, вентилятор, микросхема охлаждения полупроводника и теплопроводящая силиконовая смазка надежно соединены как единое целое.
4. Поместите устройство целиком в банку для сбора газа и две крышки прорезей.
5. Установите пластины над и под банкой для сбора газа.
6. Подсоедините впускную и выпускную трубы для воды к входному и выходному отверстию латунного корпуса соответственно.
7. Соедините четыре группы латунных оболочек с верхней и нижней частью газосборной банки с помощью труб.
8. Подсоедините водяной насос к впускной трубе для воды.
9. Поместите трубу для выпуска воды в бачок.
10. Подключите четыре комплекта полупроводниковых охладителей и водяных насосов к двум комплектам блоков питания (12 В и 40 А).

2. Подготовка животного к эксперименту

ПРИМЕЧАНИЕ: Для этих экспериментов мы использовали самца мыши C57Bl/6 в возрасте 4 недель. Рекомендуется дать мышке адаптироваться к фиксатору за 3-5 дней до подготовки модели. Экспериментальная среда должна быть комнатной температуры и поддерживаться в тишине, чтобы избежать шума в течение всего эксперимента.

1. Закрепите мышь в фиксаторе: Поместите мышь в фиксатор, расположив переднюю часть носа мыши в отверстии фиксатора. Используйте подходящую губчатую пробку, чтобы заполнить и закрепить заднюю часть фиксатора, убедившись, что в ней есть вентиляционные отверстия. Затем поместите фиксатор мыши в цилиндрическую прорезь банки для сбора газа (рисунок 1D).

3. Ход опытной эксплуатации

1. Приготовьте смесь из льда и воды и поместите ее в цистерну.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе убедитесь, что уровень воды в смеси льда и воды выше, чем в насосе, чтобы гарантировать, что смесь будет добавляться вовремя на протяжении всего эксперимента. Не рекомендуется использовать воду комнатной температуры
2. Поместите водяной насос в смесь льда и воды и убедитесь, что выпускной шланг погружен в воду.
3. Поместите щуп датчика температуры внутрь отверстия для измерения температуры газосборной банки.
4. Подключите водяной насос к источнику питания и включите его.
5. Подключите блок питания к терморегулятору, вставьте адаптер питания холодильного агрегата в розетку терморегулятора и установите нужный температурный диапазон на контроллере.
6. Установите температурный диапазон регулятора температуры.
7. После эксперимента извлеките мышь и поместите ее обратно в помещение.
8. Отключите подачу питания на регулятор температуры.
9. Выключите водяной насос.

4. Тепловизионная

Примечание: Чтобы продемонстрировать и подтвердить, что мыши могут вдыхать воздух с экстремально низкой температурой, сохраняя при этом нормальную температуру тела в этом устройстве, температуру в банке для сбора газа измеряли с помощью тепловизионной камеры (рис. 2).

1. Используйте ручную тепловизионную камеру для определения температуры как отверстия для воздуха, так и отверстия для измерения температуры в банке для сбора газа с оптимального расстояния.
2. Расположите красную лазерную точку, указывающую место измерения, точно в центре обозначенной области измерения температуры.
3. Используя ту же методологию, повторно измерьте температуру тела мышей.

Мы можем наблюдать общую конструкцию этого устройства, которая включает в себя полупроводниковый чип охлаждения, теплопроводящую силиконовую смазку, банку для сбора газа, регулятор температуры, вентилятор, циркуляционную систему водяного охлаждения, фиксатор мыши и адаптер питания. Одно устройство может одновременно удовлетворять потребности моделирования до 16 мышей (рис. 1A, B). Кувшин для сбора газа, циркуляционная система водяного охлаждения, полупроводниковый чип охлаждения, вентилятор и фиксатор мыши составляют основной корпус устройства (рис. 1C). Внутри основного корпуса устройства передний конец фиксатора мыши может быть вставлен в банку для сбора газа, гарантируя, что нос мыши напрямую вдыхает низкотемпературный газ (рисунок 1D). Четыре комплекта вентиляторов можно наблюдать на внутренней верхней стороне основного корпуса устройства, причем задняя сторона вентиляторов соединена с полупроводниковой микросхемой охлаждения с помощью теплопроводящей силиконовой смазки (рис. 1E). Фиксатор мыши, используемый в сочетании с устройством, имеет цилиндрическую форму, с передним концом, выдвигаемым в банку для сбора газа. Фиксатор имеет вентиляционные отверстия посередине и заглушку сзади для фиксации, что соответствует требованиям фиксации для мышей разных размеров (рис. 1F).

Во время эксперимента обычно используется зонд датчика температуры для непрерывного контроля температуры в банке для сбора газа в режиме реального времени, как подробно описано в протокольном шаге 3.3. Чтобы продемонстрировать и подтвердить, что мыши могут вдыхать воздух с экстремально низкой температурой, сохраняя при этом нормальную температуру тела в этом устройстве, температура в банке для сбора газа была измерена с помощью тепловизионной камеры (рис. 2). Температура внутри газосборного контейнера составляла примерно -20 °C. Результаты ясно показали, что температура тела мышей внутри удерживающего устройства осталась неизменной. Результаты подтверждают, что это устройство может позволить мышам вдыхать чрезвычайно низкотемпературные газы, сохраняя при этом температуру тела в нормальном состоянии. В настоящее время несколько исследователей сосредоточены на влиянии и патологических механизмах хронических заболеваний в условиях экстремально низких температур. Это устройство может удовлетворить потребности таких исследований. Применяя это устройство, можно сконструировать стабильную партию животных моделей, заложив прочную основу для последующих исследований.

Рисунок 1: Общая структура устройства и схема разложения каждой части. (A) Общее отображение устройства в экспериментальном состоянии. (B) Вид сверху вниз на все устройство указывает на два комплекта полупроводниковых холодильных листов и латунных оболочек на дне газосборной банки. (C) Частично увеличенное изображение газосборной банки. (D) После удаления локально увеличенного изображения верхнего устройства резервуара можно наблюдать, что головной конец фиксатора мыши может быть выдвинут внутрь банки во время эксперимента, гарантируя, что только нос мыши подвергается воздействию низкотемпературной среды. (E) Увеличенное изображение вентилятора. (F) Изображение устройства для фиксации мыши указывает на головную часть устройства, вентиляционное отверстие и клеевую пробку в задней части. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Схема мониторинга охлаждающего эффекта во время работы устройства. (А) Под контролем термометра дальнего инфракрасного диапазона можно наблюдать все устройство в низкотемпературном состоянии. Изоляционный материал, прикрепленный к внешней стороне устройства, показывает температуру 13 °C. (B) Используя термометр дальнего инфракрасного диапазона для измерения температуры вентиляционного отверстия, в котором находится держатель для мыши во время эксперимента, можно наблюдать, что температура внутри контейнера для сбора газа составляет -21,1 °C. Устройство соответствует нашим требованиям к дизайну. (C) В ходе эксперимента мышей вынимали из устройства, а термометр дальнего инфракрасного диапазона использовался для измерения температуры носа и тела мышей. Результаты показали, что температура носа у мышей была значительно ниже, в то время как температура тела оставалась в норме. (D) В верхней части экспериментального устройства сконструировано отверстие для измерения температуры. Для измерения температуры внутри газосборной банки через отверстие для измерения температуры был использован дальний инфракрасный термометр, показывающий, что внутренняя температура газосборной банки составляет -21 °C, что доказывает, что прибор может быть использован для исследований низких температур. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

При построении модели низкотемпературной стимуляции необходимо выполнить несколько ключевых шагов и принять меры предосторожности, чтобы обеспечить точность эксперимента и благополучие животных. Используйте смесь льда и воды вместо воды комнатной температуры, чтобы поддерживать низкотемпературное состояние охлаждающей воды на протяжении всего эксперимента, что помогает моделировать экстремально низкие температуры. Убедитесь, что система рециркуляции охлаждающей воды не имеет препятствий, чтобы обеспечить эффективную работу холодильной системы. При приготовлении смеси льда и воды учитывайте следующие моменты: (1) Смесь льда и воды означает твердый лед под ним и воду над твердым льдом; (2) Внимательно наблюдайте за процессом таяния твердого льда во время эксперимента, так как это может привести к тому, что лед всплывет. Такой плавучий лед потенциально может засорять поверхность насоса, тем самым препятствуя эффективному рассеиванию тепла. В конце эксперимента выключите подачу питания на холодильную установку перед водяным насосом. Это гарантирует, что система рециркуляции воды может продолжать рассеивать тепло от холодильного полупроводника после выключения, предотвращая резкое повышение температуры, которое может повлиять на результаты. Для контроля температуры в этом устройстве используется интеллектуальный регулятор температуры. Блок питания устройства подключается к интеллектуальному регулятору температуры, и контроллер используется для установки температурного диапазона. Во время эксперимента температурный зонд помещается в газосборный стакан для непрерывного контроля изменения температуры. Как только температура выходит за пределы заданного диапазона, контроллер автоматически отключает источник питания устройства, чтобы поддерживать температуру в заданном диапазоне.

Если эффективность охлаждения значительно снижается или холодильное устройство выходит из строя во время эксперимента, рассмотрите следующие возможности: (1) Убедитесь, что насос находится в смеси льда и воды; (2) проверить, не является ли температура воды слишком высокой; (3) осмотреть полупроводниковый лист охлаждения на наличие повреждений; (4) Убедитесь, что линия подключения питания полупроводникового холодильного листа повреждена.

У этого устройства есть ограничения. Во время эксперимента для охлаждения полупроводникового холодильного листа требуется большое количество смеси льда и воды, а эффективность охлаждения устройства зависит от эффективности охлаждения полупроводникового чипа. Будущие усовершенствования могут включать в себя проектирование холодильного устройства с водяным циклом в качестве устройства замкнутого цикла и использование охлаждающей жидкости или антифриза в качестве охлаждающей среды. В то же время, оптимизация внешнего вида оборудования и устранение голых утечек трубопроводов и линий электропередач повысит удобство переноски и популяризацию устройства. Кроме того, для поддержания последовательного и стабильного вдыхания низкотемпературного газа мышами для иммобилизации мышей использовали устройство фиксации мышей и резиновую пробку. Из-за вдыхания чрезвычайно холодного газа продолжительность процесса стимуляции была ограничена, чтобы обеспечить благополучие мышей и предотвратить обморожения и психологические проблемы. Будущие усилия будут сосредоточены на улучшении приспособления, чтобы свести к минимуму дополнительный вред во время фазы стимуляции у мышей.

Эта технология не только важна для фундаментальных научных исследований влияния низкотемпературных сред на биологические организмы, но и имеет потенциальные приложения для изучения патогенеза хронических заболеваний у населения, проживающего в холодных регионах. Определение экстремально холодного воздуха варьируется в зависимости от региона и окружающей среды. Однако, настроив систему контроля температуры, устройство можно настроить в соответствии с исследовательскими требованиями для любой температуры в диапазоне от комнатной температуры до -20 °C. Такая гибкость гарантирует, что устройство может удовлетворить разнообразные температурные потребности исследователей. Кроме того, он способствует изучению роли легких в межорганной коммуникации в условиях низких температур, обеспечивая прочную основу для профилактики и лечения инсульта, ишемической болезни сердца и заболеваний дыхательной системы в холодных регионах. Следуя этим шагам и мерам предосторожности, исследователи могут построить стабильную и стандартизированную модель животного для изучения воздействия экстремально низких температур окружающей среды на биологические организмы, обеспечивая научную основу для профилактики и лечения связанных с этим заболеваний.

У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.

Никакой