ssi 高通量高分辨率媒介生物呼吸表型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

常見(jiàn)的媒介生物包括蚊、蠅、鼠、蟑螂、臭蟲(chóng)、跳蚤、螞蟻、等。受全球氣候變化等影響，媒介生物增加了人畜共患病的傳播風(fēng)險(xiǎn)，引起了全社會(huì)的重視和關(guān)注。媒介生物在長(zhǎng)期的宿主-病原體協(xié)同進(jìn)化中形成了特殊的生理生態(tài)適應(yīng)性和耐受性，由此為媒介生物傳染性疾病致病機(jī)制和防控的研究衍生出復(fù)雜的生命科學(xué)問(wèn)題。

高通量高分辨率媒介生物呼吸表型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由美國(guó)Sable Systems International動(dòng)物呼吸代謝測(cè)量公司生產(chǎn)的一款高通道（16、32通道可選）、高分辨率及自動(dòng)化的媒介生物呼吸表型監(jiān)測(cè)儀器，能夠監(jiān)測(cè)媒介個(gè)體或群體的實(shí)時(shí)氧氣消耗、二氧化碳產(chǎn)量、水汽代謝、活動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)，可廣泛用于媒介生物從蟲(chóng)卵、幼體到成體的全齡段呼吸與活動(dòng)模式、代謝機(jī)理和控制策略研究，以應(yīng)對(duì)各類潛在媒介生物疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)。

媒介生物呼吸表型系統(tǒng)作為媒介生物呼吸生理學(xué)研究控制與監(jiān)測(cè)方面的產(chǎn)品，主要具備以下特點(diǎn)：

1.改變了傳統(tǒng)的單只個(gè)體的封閉或半封閉式測(cè)量模式，實(shí)現(xiàn)每個(gè)測(cè)量室都有實(shí)時(shí)氣流通過(guò)的*開(kāi)放式測(cè)量，避免了測(cè)量時(shí)內(nèi)出現(xiàn)缺氧（hypoxia）或高碳酸血癥（hypercapnia），可一次測(cè)量多達(dá)16只個(gè)體。

2.真正測(cè)量媒介個(gè)體的呼吸模式和行為規(guī)律，使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果值得信賴，高效指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用。

3.快至15秒就可以完成一只個(gè)體的代謝監(jiān)測(cè)，這代表了目前技術(shù)的高水平。

4.數(shù)據(jù)可以通過(guò)SD卡（最大支持32G）把帶時(shí)間標(biāo)簽的CSV格式直接導(dǎo)出或記錄到計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析。如下圖顯示：以果蠅為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試個(gè)體在10小時(shí)內(nèi)（N=16）多路復(fù)用系統(tǒng)監(jiān)測(cè)下的1秒活動(dòng)強(qiáng)度。從活動(dòng)強(qiáng)度值和二氧化碳產(chǎn)量（VCO2）曲線中可識(shí)別出實(shí)驗(yàn)對(duì)象休息和活動(dòng)時(shí)間的能力，以及VCO2隨活動(dòng)水平的變化。此外，曲線數(shù)據(jù)也顯示了個(gè)體活動(dòng)隨光周期變化的規(guī)律。   

5.可選配媒介生物行為（包括活動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離、取食傾向等2D或3D行為監(jiān)測(cè)）、氣體（氧氣、二氧化碳、水汽以及其它可檢測(cè)氣體）、熱成像監(jiān)測(cè)，以及珀?duì)栙N溫控等單元。

6.專業(yè)的參考文獻(xiàn)案例，屬于前沿科技。

主要性能指標(biāo)：

1.氣流流速：5毫升/分鐘-200毫升/分鐘，質(zhì)量流量計(jì)，PID精確控制，精度為2%，或定制其它量程。

2.測(cè)量時(shí)間：15秒-3小時(shí)可程序化選擇；基線測(cè)量時(shí)間：15秒-3小時(shí)可程序化選擇。

3.氣壓測(cè)量：分辨率1Pa，精度0.05%。

4.光照水平：0.1-5000勒克斯。

5.溫度測(cè)量：0-50℃，分辨率0.01℃，精度±0.25℃。

6.模擬輸入：6個(gè)模擬輸入，16bit分辨率，-5至+5伏電壓信號(hào)，可接SSI其它儀器或?qū)嶒?yàn)室其它氣體分析儀等。

7.雙通道高精度差分式氧氣分析測(cè)量?jī)x：燃料電池原理氧氣傳感器，氧氣濃度量程0-100%，精度0.1%，分辨率0.0001%，響應(yīng)時(shí)間小于7秒，24小時(shí)漂移<0.01%，溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償；

8.超高精度二氧化碳分析測(cè)量?jī)x：用于測(cè)量微小昆蟲(chóng)（比如果蠅、蚊子等）或蜱螨類微小動(dòng)物的呼吸代謝，可同時(shí)測(cè)量CO2濃度和H2O濃度；CO2量程0-3000ppm；準(zhǔn)確度<1%；分辨率0.01ppm；H2O量程0-60mmol/mol；準(zhǔn)確度1%；

9.二次抽樣單元：內(nèi)置氣泵、精密針閥、質(zhì)量流量計(jì)，可用來(lái)給氣流樣本做二次抽樣，也可單獨(dú)作為氣源使用；流量范圍5-2000mL/min；精度為讀數(shù)的10%；分辨率1mL/min；具備2行顯示LCD顯示屏；帶0-5V BNC模擬信號(hào)輸出；數(shù)字輸出RS-232；供電12-15VDC，20-350mA，配交流電適配器；工作溫度：0-50℃，無(wú)冷凝；重量1.5kg；尺寸16cm×13cm×20cm；

產(chǎn)地：美國(guó)

應(yīng)用案例1

蜱是落基山斑疹熱的主要媒介，由立克次體細(xì)菌（Rickettsiae）引起。落基山斑疹熱的癥狀包括高燒、發(fā)冷、肌肉酸痛和頭痛。在某些情況下，它通常在發(fā)燒開(kāi)始后2-4天發(fā)展可能成皮疹擴(kuò)散到四肢。這種疾病如果不及時(shí)治療，就會(huì)是致命的。另一種傳播疾病是土拉菌病，這是由土拉弗朗西斯菌(Francisella tularensis)引起的，可通過(guò)兔子、小鼠、松鼠和其他小動(dòng)物傳播，癥狀包括發(fā)熱、寒戰(zhàn)和淋巴結(jié)壓痛。蜱叮咬部位可能形成潰瘍。此外，蜱會(huì)導(dǎo)致蜱麻痹，從而導(dǎo)致受影響的人出現(xiàn)嚴(yán)重的呼吸窘迫和肌肉無(wú)力。

作為強(qiáng)制性的吸血?jiǎng)游?，它們的大部分生命時(shí)間都是在遠(yuǎn)離宿主的環(huán)境中度過(guò)無(wú)食物狀態(tài)，因而成功存活對(duì)它們至關(guān)重要；然而學(xué)界對(duì)蜱蟲(chóng)饑餓耐受性的潛在生理和分子機(jī)制知之甚少。美國(guó)辛辛那提大學(xué)蜱蟲(chóng)教授Andrew J. Rosendale對(duì)雌性蜱的生物能量，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和行為變化等進(jìn)行了研究，其中能量代謝實(shí)驗(yàn)通過(guò)SSI高分辨率呼吸代謝系統(tǒng)監(jiān)測(cè)CO2產(chǎn)量。蜱蟲(chóng)因?yàn)榇x率較低，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每只蜱蟲(chóng)放置在200微升的呼吸室中，推氣的氣流設(shè)置在30毫升/分鐘，從呼吸室出來(lái)的氣流進(jìn)入多通道氣路切換器，之后進(jìn)入高精度二氧化碳分析儀進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)，并經(jīng)過(guò)軟件分析處理得到每個(gè)蜱蟲(chóng)不同饑餓時(shí)間后的代謝率（Rosendale A J et al, 2018）。

    上圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雌性美蜱在饑餓期內(nèi)隨著饑餓時(shí)間延長(zhǎng)其代謝率呈2倍增加趨勢(shì)。在24小時(shí)的蜱蟲(chóng)活動(dòng)時(shí)間內(nèi)，總體而言，饑餓影響了其活動(dòng)水平，饑餓36周的活動(dòng)水平顯著高于1、4和12周（A），這種差異主要由實(shí)驗(yàn)開(kāi)始早期的活動(dòng)量導(dǎo)致（B）,但在實(shí)驗(yàn)后期無(wú)明顯差異（C）；饑餓36周的狗蜱移動(dòng)到搜尋位置比剛飼喂個(gè)體少2.4倍時(shí)間（D）。研究認(rèn)為，隨著蜱蟲(chóng)饑餓持續(xù)，它會(huì)利用糖原、脂質(zhì)，以及生命后期的蛋白質(zhì)作為能量?jī)?chǔ)備，通過(guò)蛋白酶解和自噬促進(jìn)內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)動(dòng)；代謝率隨著饑餓持續(xù)增加，饑餓的蜱蟲(chóng)更有可能增加宿主搜尋行為。

應(yīng)用案例2 

    昆蟲(chóng)體內(nèi)可遺傳共生的微生物對(duì)其性狀和適應(yīng)性有廣泛的影響，包括操縱繁殖，提供營(yíng)養(yǎng)，改變耐熱性和抵御病原體。微生物也可能改變宿主行為。寄生微生物可以誘導(dǎo)增加傳播可能性的行為，例如將宿主引導(dǎo)到促進(jìn)傳播的棲息地。作為抗感染的免疫策略，受感染的宿主也可能改變自己的行為，包括尋求溫暖的溫度以誘發(fā)“行為發(fā)熱”或減少活動(dòng)并增加睡眠時(shí)間。這種行為改變對(duì)微生物傳播和宿主健康具有重要意義。

    沃爾巴克氏體Wolbachia是一類廣泛分布于陸生節(jié)肢動(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞內(nèi)共生菌，可通過(guò)雌性宿主的卵傳遞給子代，感染了大約一半的昆蟲(chóng)物種。加拿大蒙大拿大學(xué)生物科學(xué)系Michael T. J. Hague教授通過(guò)評(píng)估14個(gè)不同的沃爾巴克氏體菌株感染9種果蠅后的宿主運(yùn)動(dòng)活動(dòng)性影響來(lái)檢驗(yàn)沃爾巴克體改變宿主行為的假設(shè)（Michael et al., 2021）。在宿主運(yùn)動(dòng)活動(dòng)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，使用16通道流通式呼吸測(cè)定和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MAVEn，Sable Systems International）測(cè)量了實(shí)驗(yàn)果蠅的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)。該系統(tǒng)含有16個(gè)2.4 ml的聚碳酸酯動(dòng)物測(cè)量室和一套活動(dòng)檢測(cè)器，其中活動(dòng)檢測(cè)器使用對(duì)果蠅不可見(jiàn)的紅外光以1 Hz采樣頻率來(lái)監(jiān)測(cè)每個(gè)測(cè)量室中的動(dòng)物活動(dòng)原始值并轉(zhuǎn)換為活動(dòng)指數(shù)絕對(duì)差和（Absolute Difference Sums，ADS）。文中結(jié)果使用3小時(shí)內(nèi)的平均ADS作為每只果蠅的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的評(píng)估值。

     實(shí)驗(yàn)中共測(cè)定了3104只蒼蠅的運(yùn)動(dòng)活性,結(jié)果見(jiàn)上圖（Figure 1. 每個(gè)基因型每個(gè)性別未感染和感染果蠅的活動(dòng)值）。

    沃爾巴克氏體對(duì)六種宿主基因型的活動(dòng)性有顯著影響（上圖Figure 2），包括感染了A組和B組沃爾巴克氏體的果蠅宿主。另外，沃爾巴克氏體對(duì)宿主活動(dòng)的影響方向因基因型和性別而異。

    研究結(jié)果支持了沃爾巴克氏體對(duì)宿主行為有廣泛影響的觀點(diǎn)。這些行為改變的適應(yīng)性后果對(duì)于理解宿主-共生體相互作用的進(jìn)化非常重要，包括沃爾巴克氏體如何在宿主種群中傳播。

參考資料：

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