玉研間歇氧濃度控制系統(tǒng) | 阻塞性睡眠呼吸暫停造模的理想工具

一、阻塞型睡眠呼吸暫停綜合征（OSAS）

阻塞型睡眠呼吸暫停綜合征（OSAS）是一種發(fā)病率較高，有潛在危險(xiǎn)性的慢性疾病，國外流行病學(xué)資料顯示在成人中的發(fā)病率為2~4%，反復(fù)慢性夜間間歇性缺氧、二氧化碳潴留、胸內(nèi)壓劇烈波動(dòng)、睡眠結(jié)構(gòu)紊亂是OSAS特征性的主要病理生理改變。OSAS可對機(jī)體造成廣泛的損害，其中危害最大的是心、腦、血管損害，包括高血壓、冠心病、心律失常和誘發(fā)急性心、腦血管事件及認(rèn)知障礙等。盡管對睡眠呼吸暫停綜合征引起心、腦、血管損害己有大量的臨床研究，但其確切的發(fā)生機(jī)制尚不清楚。

二、OSAS動(dòng)物模型類型別和特點(diǎn)

對阻塞型睡眠呼吸暫停綜合征進(jìn)行動(dòng)物研究時(shí)，模型選擇較為重要，借助動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，研究者可以從特征性的慢性間歇性缺氧、胸內(nèi)壓變化、睡眠結(jié)構(gòu)紊亂等角度進(jìn)行研究。OSAS動(dòng)物模型主要為三種：間歇缺氧模型、上氣道阻塞模型、片段睡眠模型。以下為相關(guān)文獻(xiàn)記載的三種方法及特點(diǎn)。

1、間歇缺氧模型

大多數(shù)OSAS并發(fā)癥及其機(jī)制相關(guān)研究的間歇缺氧動(dòng)物模型中，實(shí)驗(yàn)者往往會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體需求及參考以往文獻(xiàn)調(diào)整造模參數(shù)。據(jù)以往OSAS患者心血管并發(fā)癥如動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓等研究文獻(xiàn)記載，最低氧濃度4%~6%，每日7h的間歇缺氧造模，4周后小鼠出現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化、糖耐量異常；最低氧濃度5%，每小時(shí)12個(gè)低氧循環(huán)，每日8h，21d后大鼠可出現(xiàn)高血壓；最低氧濃度4%～6%，低氧30s，每日7h，聯(lián)合高脂飲食6周后大鼠出現(xiàn)肝損傷；最低氧濃度6%~ 8%，每天8h，5周后大鼠可出現(xiàn)肺損傷。

特點(diǎn)：常選用大鼠、小鼠，可以模擬OSAS特征性間歇缺氧病理狀態(tài)和短時(shí)間內(nèi)完成大量動(dòng)物造模，目前已成為運(yùn)用最為廣泛的造模方法。

2、上氣道阻塞模型

OSAS患者睡眠期間反復(fù)出現(xiàn)上氣道狹窄或塌陷，研究者們采用了上氣道阻塞等動(dòng)物模型模擬該解剖學(xué)特點(diǎn)。選取成年雄性新西蘭白兔行氣管切開術(shù)后，于第3、4氣管環(huán)間插入插管前端，于第10、11氣管環(huán)間插入插管尾端，并于插管前端連接壓力傳感器，尾端連接呼吸流量記錄儀；將動(dòng)物氣管切開術(shù)后在動(dòng)物氣道內(nèi)置入計(jì)算機(jī)調(diào)控的頸圈和氣道內(nèi)連接電動(dòng)揚(yáng)聲器等；將帶活瓣的乳膠短管置于犬的氣管造口內(nèi)，當(dāng)睡眠開始時(shí)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)活瓣開關(guān)，造成氣道阻塞，并記錄睡眠期間犬的腦電圖及肌電圖。

特點(diǎn)：適用于大鼠、兔子、犬、豬等大動(dòng)物，但其手術(shù)難度及動(dòng)物模型存活率有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3、片段睡眠模型

OSAS患者夜間頻繁的呼吸暫停及呼吸不足導(dǎo)致患者睡眠時(shí)頻繁的覺醒，形成反復(fù)出現(xiàn)的覺醒-入睡-再覺醒的過程，片段睡眠現(xiàn)象(sleep fragmentation, SF)與全睡眠缺失或選擇性睡眠剝奪等研究模型不同，SF對睡眠的影響主要表現(xiàn)為反復(fù)出現(xiàn)的覺醒導(dǎo)致睡眠連續(xù)性中斷，進(jìn)而破壞睡眠的整體結(jié)構(gòu)。目前存在多種用于防止或破壞動(dòng)物睡眠的設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法。如1974年，Mendelson等的水中平臺(tái)法，動(dòng)物進(jìn)人REM睡眠期時(shí)肌肉松弛從而掉入水中覺醒、McCoy等的運(yùn)動(dòng)皮帶法、Perry等的水籠模型、2014年de Lecea等使用的光遺傳學(xué)方法等。

特點(diǎn)：因很多不同類型的睡眠障礙和神經(jīng)系統(tǒng)疾病都伴有明顯的片段睡眠現(xiàn)象而非OSAS特有，該方法在OSAS動(dòng)物模型建立中使用較少。

三、間歇氧濃度控制系統(tǒng)

近年，上海玉研儀器自主研發(fā)的間歇氧濃度控制系統(tǒng)已應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室并廣受好評。通過精確控制氣體濃度的輸出，實(shí)現(xiàn)任意氧濃度維持或多個(gè)氧濃度之間切換，可用于大、小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與氧濃度相關(guān)的各種實(shí)驗(yàn)。氣體流量、濃度、時(shí)間等參數(shù)可調(diào)可控，同時(shí)呈現(xiàn)多個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)曲線，是進(jìn)行間歇性缺氧實(shí)驗(yàn)的理想工具，為目前市面上備受青睞的間歇缺氧造模設(shè)備之一。

 間歇氧濃度控制系統(tǒng)（S1007/S1008）

1、技術(shù)原理

系統(tǒng)主要分為五部分——惰性氣體鋼瓶、鼓風(fēng)機(jī)、動(dòng)物倉、控制系統(tǒng)、氧濃度傳感器?？刂葡到y(tǒng)控制惰性氣體進(jìn)入時(shí)間和鼓風(fēng)機(jī)空氣進(jìn)入時(shí)間以實(shí)現(xiàn)動(dòng)物艙體內(nèi)氧濃度維持時(shí)間。結(jié)合氧濃度傳感器實(shí)時(shí)反饋調(diào)整氣體進(jìn)入時(shí)間及惰性氣體鋼瓶、鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)以共同調(diào)控動(dòng)物倉內(nèi)多個(gè)氧濃度之間切換。

詳注：①為惰性氣體（多為氮?dú)猓╅_關(guān)，可調(diào)節(jié)氣體流速；②為鼓風(fēng)機(jī)，可將空氣吹入低氧倉內(nèi)；③為控制系統(tǒng)，控制惰性氣體和鼓風(fēng)機(jī)空氣進(jìn)入動(dòng)物倉的時(shí)間；④為排風(fēng)口；⑤為惰性氣體進(jìn)入通道；⑥為空氣進(jìn)入通道；⑦為動(dòng)物倉，透明亞克力材質(zhì)，氧濃度傳感器置于動(dòng)物倉實(shí)時(shí)監(jiān)測倉內(nèi)氧濃度變化進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

2、主要功能特色

ü 間歇氧濃度控制模式：設(shè)置氧上限和氧下限和維持時(shí)間，工作時(shí)使氧氣濃度在一定時(shí)間內(nèi)從設(shè)置的氧上限下降至設(shè)置的氧下限，維持所需時(shí)間，而后從氧下限爬升至氧上限，維持所需時(shí)間，按此流程循環(huán)工作。 

ü 恒定氧濃度控制模式: 恒定氧濃度工作模式下，系統(tǒng)將長時(shí)間維持暴露箱內(nèi)的氧濃度在設(shè)定值，此模式可用于其他小動(dòng)物的缺氧或富氧實(shí)驗(yàn)。

ü 多段控氧濃度控制模式：多段控氧允許設(shè)置最多4個(gè)不同氧濃度和的階段維持所需時(shí)間，每個(gè)階段的時(shí)間最長可達(dá)24h，工作時(shí)將在設(shè)置的各氧濃度階段切換循環(huán)運(yùn)行。

3、動(dòng)物倉特點(diǎn)

? 箱體加固設(shè)計(jì)，采用高透光度的亞克力材質(zhì)制作，密封性好，可以無死角觀察到老鼠的狀態(tài)

? 標(biāo)配溫度、濕度檢測模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測艙體內(nèi)部環(huán)境，保障動(dòng)物生存質(zhì)量

? 標(biāo)配雙回流風(fēng)扇加快空氣混勻，保障箱體內(nèi)各暴露位置的氧氣濃度均勻一致

? 可定制特殊款式和尺寸的暴露箱，適配不同動(dòng)物數(shù)量，滿足實(shí)驗(yàn)室的特殊需求

四、應(yīng)用案例

間歇性缺氧（IH）是阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（OSAS）的核心病理特征，而胰島素抵抗（IR）是OSAS最常見的代謝并發(fā)癥。之前研究表明，脂肪細(xì)胞主要通過脂肪分解釋放的游離脂肪酸（FFA）水平在OSAS中升高，并在IR的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。但I(xiàn)H是否以及如何調(diào)節(jié)OSAS中的脂肪細(xì)胞脂肪分解尚不清楚。Xiuji Huang等人發(fā)表在cell death discovery的文章“Intermittent hypoxia-induced METTL3 downregulation facilitates MGLL-mediated lipolysis of adipocytes in OSAS“的研究發(fā)現(xiàn)OSAS患者呼吸暫停低通氣指數(shù)與血清FFA水平和脂肪細(xì)胞FFA釋放呈正相關(guān)。IH通過下調(diào)METTL3水平促進(jìn)脂肪分解和脂肪細(xì)胞FFA釋放。METTL3下調(diào)削弱了MGLL mRNA中N6-甲基腺苷（m6A）水平，降低了MGLL表達(dá)，從而促進(jìn)脂肪分解。數(shù)據(jù)顯示OSAS 患者脂肪組織中METTL3水平降低，MGLL 水平升高，并表明 METTL3 有助于降低 FFA 水平并改善慢性IH大鼠的IR，為OSAS中IR的發(fā)展和治療提供了新的見解。

文中采用上海玉研科學(xué)儀器公司提供的間歇性氧環(huán)境控制系統(tǒng)建立慢性間歇性缺氧（CIH）模型模擬阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（OSAS）特征。具體實(shí)方法為：12只成年雄性SD大鼠隨機(jī)分為三組：常氧對照組(NC)、IH 組(IH)和IH+METTL3 組 (IM)。大鼠喂食標(biāo)準(zhǔn)飲食并保持12 h光照/黑暗時(shí)間表(08.00 h–20.00 h)。IH 治療從上午 8:00 到下午4:00每天8 h，持續(xù)28 d，氧濃度在21%和5%之間循環(huán)切換，周期為60 s。NC組和IH組大鼠注射對照腺病毒，IM組大鼠分別于第1、8、15、22天注射METTL3腺病毒。第29天檢測空腹血糖（FBG）及血清FFA、尿素和肌酐水平，并進(jìn)行葡萄糖耐量試驗(yàn)（GTT）和胰島素耐量試驗(yàn)（ITT）?！?/span>

間歇性缺氧動(dòng)物艙和大鼠CIH模型構(gòu)建

五、部分用戶名單

六、部分發(fā)表文獻(xiàn)

1. Wu, Dan-Dan et al. “STING mediates SU5416/hypoxia-induced pulmonary arterial hypertension in rats by regulating macrophage NLRP3 inflammasome activation.” Immunobiology vol. 228,2 (2023): 152345. doi:10.1016/j.imbio.2023.152345

2. Gu, Hong et al. “Orexin-A Reverse Bone Mass Loss Induced by Chronic Intermittent Hypoxia Through OX1R-Nrf2/HIF-1α Pathway.” Drug design, development and therapy vol. 16 2145-2160. 5 Jul. 2022, doi:10.2147/DDDT.S363286

3. Huang, Xiuji et al. “Intermittent hypoxia-induced METTL3 downregulation facilitates MGLL-mediated lipolysis of adipocytes in OSAS.” Cell death discovery vol. 8,1 352. 6 Aug. 2022, doi:10.1038/s41420-022-01149-4

4. Cao, Jing, et al. "Effect and mechanism of vascular endothelial growth factor-A on pulmonary vascular remodeling in neonatal rats with hypoxic pulmonary hypertension." Zhongguo Dang dai er ke za zhi= Chinese Journal of Contemporary Pediatrics 23.1 (2021): 103-110. doi:10.7499/j.issn.1008-8830.2009005

5. Ma, Lijuan et al. “Intermittent hypoxia induces tumor immune escape in murine S180 solid tumors via the upregulation of TGF-β1 in mice.” Sleep & breathing = Schlaf & Atmung vol. 25,2 (2021): 719-726. doi:10.1007/s11325-020-02166-2

6. 郭鑫 , and 李明霞 . " 血小板源性生長因子 -BB 對缺氧性肺動(dòng)脈高壓新生大鼠肺血管重塑的影響及機(jī)制研究 ." 中國當(dāng)代兒科雜志 25.4: 407-414.

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