機能實驗教學中一氧化碳致小鼠缺氧裝置的改進

董曉敏，孫笑語，童學紅，崔艷秋，李利生

（首都醫科大學，北京 100069）

很多高等院校以及科研機構需要使用一氧化碳（CO）氣體進行專業實驗，尤其是醫學、藥學、預防醫學、毒理學以及環境科學等專業。在醫學機能學“缺氧與病因學觀察”實驗中，目前普遍采用傳統CO氣體中毒裝置，該裝置效果可靠，但實際操作不方便，一次只能復制一只ICR小鼠動物模型，消耗CO氣體較多，對環境污染較大[1-2]。

本組成員長期從事實驗開發及輔助工作，對該裝置的不足進行了分析，擬設計一種新型實驗裝置。通過新型實驗裝置，預期能簡化操作過程，一次復制多只CO致ICR小鼠缺氧模型，一次允許多個實驗小組共同實驗，并有望實現縮短實驗時間、減少有毒氣體消耗及環境污染、節約實驗耗材等目的。現報告如下。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

ICR小鼠24只，5周齡，在標準ICR小鼠籠內飼養，給予標準食物和水，飼養溫度（22.00±2.00）℃。動物由北京維通利華實驗動物技術有限公司提供，醫學動物合格證書號為S CXK（京2012—0001）。

1.2 設計改進實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖1，包括外桶、內桶、密封蓋。外桶是立方體，外桶內4個角落距底部處按有3厘米高支柱，用于支撐內桶，下層可放置蒸餾水；外桶右側壁下部嵌入進氣管，進氣管一端與下層液體相通，另一端通過流量調量閥與CO氣瓶相連接，外桶右側壁上部嵌入出氣管。內桶被置于外桶上層，其內部被十字形隔板分為4個獨立的空間，各側面有一個約2厘米的圓孔；底部有多個小孔。密封蓋下方設有密封圈，封閉外桶。

圖1 改進后的實驗裝置

1.3 方法

將24 只ICR 小鼠分成改進組和傳統組，分別進行CO 致ICR小鼠缺氧造模。改進組將4 只ICR小鼠放入改進后的實驗 裝置同時進行實驗，12 只ICR小鼠分3 次進行實驗。傳統組將 1 只ICR 小鼠放入傳統裝置的廣口瓶中，每次1 只ICR 小鼠進 行實驗。兩組實驗中CO通氣速率為40 氣泡/分。

1.4 評價指標

統計兩組造模成功率、平均造模時間、CO 氣體消耗量。造 模成功的標準：ICR 小鼠均死亡，出現皮膚黏膜櫻桃紅、臟器與 血液顏色鮮紅色，認定造模成功。兩組造模時間為每只小鼠存 活時間。傳統組消耗氣體量計算方法：消耗氣體量（氣泡）=造模 時間（秒）×40/60。改進組消耗氣體量計算方法：無法單獨計算 每只ICR小鼠消耗的氣體量，只能根據總的氣體消耗量及每只 ICR 小鼠的造模時間進行計算。比如，1 號ICR 小鼠造模時間 190 秒，總造模時間為2 163 秒，占總造模時間的比例為190/ 2 163，再乘以實際總的氣體消耗量，即這只ICR 小鼠實際的氣體消耗量，將這一新的指標定義為“矯正消耗氣體”。按照該計 算方法，12 只ICR 小鼠的矯正消耗氣體相加即為總的造模時 間（秒）×40/60。

1.5 統計學方法

實驗數據運用SPSS17.0軟件進行統計分析，兩組造模成功率以百分比表示，組間比較用卡方檢驗；平均造模時間以均數±標準差（±s）表示，采用獨立樣本t檢驗或秩和檢驗；CO氣體消耗量以均數±標準差（±s）表示，采用獨立樣本t檢驗或秩和檢驗。

2 結果

2.1 兩組造模成功率比較

改進組ICR小鼠體重為（18.60±0.45）克，傳統組ICR小鼠體重為（18.56±0.34）克，兩組比較無顯著性差異（見表1）。CO中毒實驗中所有24只ICR小鼠均死亡，出現皮膚黏膜櫻桃紅、臟器與血液顏色為鮮紅色，表明兩組造模成功率均為100%，組間比較無顯著性差異。

2.2 兩組平均造模時間比較

改進組總操作時間11.08分鐘，平均造模時間（180.25±41.77）秒；傳統組總操作時間22.73分鐘，平均造模時間（113.66±33.50）秒。改進組平均造模時間長于傳統組，組間比較差異有顯著性（見表1）。

2.3 兩組CO氣體消耗量比較

改進組平均消耗氣體量（36.90±8.55）氣泡，傳統組平均消耗氣體量（75.77±22.33）氣泡，改進組平均消耗氣體量明顯少于傳統組，組間比較差異有顯著性（見表1）。

表1 兩組ICR小鼠體重、平均造模時間、平均消耗氣體量比較（±s）

表1 兩組ICR小鼠體重、平均造模時間、平均消耗氣體量比較（±s）

組別 體重（克）18.60±0.45 18.56±0.34 0.724改進組傳統組P值平均造模時間（秒）180.25±41.77 113.66±33.50 0.000平均消耗氣體量（氣泡）36.90±8.55 75.77±22.33 0.000

3 討論

CO為無色、無味、無刺激性氣體。大氣中CO含量甚微，僅有0.04 ppm，當含量超過12.5%時有爆炸的危險，當吸入氣中CO含量超過5×10-4（即0.05%）或30m g/m3時，就可使人中毒[3]。急性CO中毒時，吸入的CO進入肺泡，通過彌散與血液中的血紅蛋白結合，形成比較穩定的碳氧血紅蛋白，CO與血紅蛋白的親和力比氧與血紅蛋白的親和力大240倍（37.0℃時）。空氣中的CO濃度越高，接觸時間越長，血液中形成的碳氧血紅蛋白就越多。碳氧血紅蛋白既不能攜帶氧，又不易解離，其解離速度是氧合血紅蛋白解離速度的1/3 600，因此阻礙了氧的運輸，造成血液性缺氧[4-5]。急性CO中毒可致全身缺氧，腦缺氧癥狀最為突出，可出現腦梗死、遲發性腦病等并發癥[6-8]。心肌損傷也是中、重度CO中毒常見的臨床并發癥，可評估患者死亡率[9-10]。醫學實驗教學中ICR小鼠是復制病理模型較常用的實驗動物[11-12]。

3.1 改進裝置能觀察ICR小鼠呼吸變化，提高實驗教學效率

目前，醫學機能實驗教學中有用兩個廣口瓶經橡皮塞和硅膠管連接組成傳統裝置，將ICR小鼠放入廣口瓶中吸入CO氣體。一個廣口瓶盛有蒸餾水用來計算氣泡，另一個廣口瓶內放1只ICR小鼠，通氣后ICR小鼠快速中毒并死亡。在實驗過程中，一個班級學生需要做4組實驗，每組1只ICR小鼠，依次進行。此實驗裝置1次只能復制1只ICR小鼠動物模型，ICR小鼠死亡較快不利于觀察呼吸變換指標，同時廣口瓶為玻璃材質易破損影響實驗，故實驗時間較長。本實驗中這種傳統裝置使得ICR小鼠迅速出現躁狂蹦跳后四肢癱軟甚至大小便失禁，平均造模時間（113.66±33.50）秒，所以ICR小鼠死亡時間太快，未出現呼吸代償即死亡，不利于觀察ICR小鼠的呼吸變化。針對該裝置的不足，我們設計了一種新型實驗教學裝置——密閉桶，分為外桶、內桶與密封蓋。內桶設有4個隔斷，4只ICR小鼠同時進行實驗。ICR小鼠先出現興奮，呼吸急促，爬動頻繁，之后再出現躁狂，最后四肢癱軟，大小便失禁死亡。改進組平均造模時間（180.25±41.77）秒，ICR小鼠死亡時間延長，可出現呼吸代償，有利于觀察ICR小鼠呼吸變化。實驗中兩組ICR小鼠均死亡，出現皮膚黏膜櫻桃紅、臟器與血液顏色鮮紅色，造模成功率均為100%，說明改進組能夠成功復制CO中毒模型。改進組總操作時間11.08分鐘，傳統組總操作時間22.73分鐘，改進組總操作時間減少，提高了實驗教學效率。

3.2 改進裝置能減少有毒氣體使用，保證實驗教學的安全性

傳統實驗裝置1次復制1只ICR小鼠動物模型，實驗時間較長，每只ICR小鼠消耗氣體量為（75.77±22.33）氣泡，消耗的CO氣體較多，對環境污染較大。改進組中4只ICR小鼠同時進行實驗，根據總的氣體消耗量及每只ICR小鼠的造模時間計算“矯正消耗氣體”，每只ICR小鼠消耗氣體量為（36.90±8.55）氣泡。改進組消耗氣體量明顯少于傳統組，說明改進裝置能減少有毒氣體的使用，減少學生有毒氣體暴露時間，保證實驗教學的安全性。

總之，實踐證明，改進裝置用于機能實驗教學，有利于觀察小鼠的呼吸變化，提高實驗效率，減少有毒氣體使用量，保證實驗教學的安全性。另外，此裝置也可向密封桶內通氮氣復制動物低氧模型。但是也有不足之處，如不能監測密封桶內CO氣體與氧氣濃度，需進一步完善。