小鼠和大鼠在低氧時通氣反應和代謝特征的不同

系統(tǒng)地理學研究表明，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（預適應），而不是大鼠。這一說法得到了以下事實的有力支持，即小鼠分布在世界各地，而普通的大鼠在海拔2500米以上幾乎沒有�？紤]到哺乳動物的在高海拔環(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不同動物在適應低氧過程中通氣反應、血液和代謝表型有所不同，對大小鼠的高原低氧適應做出了相關研究。

該研究由加拿大拉瓦爾大學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。

運用全身體積描記系統(tǒng)

暴露于低氧環(huán)境（hypoxia，12%O2）0小時（常氧對照）評估呼吸參數(shù)

為了驗證這一假設，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（常氧對照）、6小時、1、7和21天。然后評估了呼吸參數(shù)[分鐘通氣（VE）、呼吸頻率（fR）、潮氣量（VT）、血液學（紅細胞壓積和血紅蛋白濃度）、代謝[氧氣消耗（VO2）和CO2產生（VCO2）以及肝線粒體耗氧量（OCR）參數(shù)的變化。

研究結果顯示，與大鼠相比，小鼠的呼吸、代謝和線粒體反應增加。相比之下，大鼠比小鼠表現(xiàn)出更快和更高的血液學反應，只有輕微的呼吸和代謝調整。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。

 

實驗方法

動物低氧干預

為了驗證這一假設，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（常氧對照）、6小時、1、7和21天。低氧過程中，每周打開1次更換墊料，添加食物和水，每次打開的時間1個小時。

呼吸測量：呼吸肺功能測量和呼吸代謝

低氧結束后，動物被快速的轉移到全身體積描記系統(tǒng)中（whole-body plethysmograph system,WBP）記錄3小時的動物的呼吸肺功能參數(shù)。記錄時間為動物睡眠的時間段。呼吸測量時，動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。測量過程中，全身體積描記系統(tǒng)的氣流被持續(xù)采集到呼吸代謝測量系統(tǒng)里面，用以分析氧氣消耗（VO2）和CO2產生（VCO2）。

血液參數(shù)測量

在全身體積描記法測量呼吸結束后，動物被麻醉和安樂死。采集血液樣本，試用Hemo自動血液分析儀測量血紅蛋白（Hb）濃度，采用毛細管離心機利用傳統(tǒng)方法計算紅細胞壓積（Ht）。

線粒體O2消耗量測量

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)。樣品立即轉移到冰凍的呼吸介質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）。

 

耗氧率測量

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

實驗結果

小鼠在缺氧適應過程中的通氣反應強于大鼠

在兩種物種中均觀察到缺氧暴露對通氣的顯著影響。小鼠在缺氧6小時后VE與對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天達到峰值（常氧對照水平），隨后在第21天顯著降低。大鼠缺氧6小時后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沒有差異。

缺氧對小鼠VT有影響，但對大鼠無影響。缺氧6小時小鼠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)呼吸頻率顯著漸進增加，在暴露7天后達到峰值。在缺氧的第21天，呼吸頻率值下降。

小鼠和大鼠在適應缺氧的過程中體溫會有短暫的下降

缺氧對小鼠和大鼠的體溫（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，對照組水平恢復。大鼠缺氧6h后體溫早期下降，7天后恢復對照水平。兩種物種在常氧、6小時和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。

小鼠在適應缺氧的過程中，增加了它們全身的氧氣消耗和二氧化碳的產生，但大鼠沒有同樣變化。

在小鼠中觀察到缺氧對耗氧量（VO2）的顯著影響，但在大鼠中沒有顯著影響。與常氧對照組相比，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二氧化碳產生均有顯著影響。缺氧7天后，小鼠的VCO2開始增加。在大鼠中，觀察到缺氧6小時后VCO2的短暫減少，然而在暴露于缺氧1、7和21天的大鼠中，VCO2值與常氧對照組沒有差異（圖3B-左圖）。當比較兩種物種時，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）計算為VCO2除以VO2的比值。RER與代謝燃料（碳水化合物、蛋白質或脂肪酸）有關。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，我們計算的RER值在0.778-0.929之間，而大鼠在0.813-1.096之間，沒有發(fā)現(xiàn)缺氧對不同物種的RER有明顯影響(圖3C) 。

 

為了驗證這一假設，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（常氧對照）、6小時、1、7和21天。低氧過程中，每周打開1次更換墊料，添加食物和水，每次打開的時間1個小時。

實驗結論

我們的結論是，F(xiàn)VB小鼠和SD大鼠發(fā)展了不同的生理和線粒體適應缺氧機制。小鼠的缺氧適應性反應是通過調整氧氣的捕獲、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，大鼠在血液中氧運輸系統(tǒng)中發(fā)生過度和有害的改變，而不能觸發(fā)輔助通氣、代謝和亞細胞程序，因此表現(xiàn)出缺氧適應反應不足。小鼠適應過程中的適應性調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，并進一步支持了小鼠預先適應高海拔缺氧的假說。

參考文獻

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 

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