小鼠和大鼠在低氧時(shí)通氣反應(yīng)和代謝特征的不同

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�？紤]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)

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1次更換墊料，添加食物和水，每次打開的時(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)物被麻醉和安樂(lè)死。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

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)�身的氧氣消耗和二氧化碳的產(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1次更換墊料，添加食物和水，每次打開的時(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 

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