FMS实验动物代谢表型测量技术方案

关键词：能量代谢，RQ（呼吸商），FQ（食物商，食商），TEE（总能量消耗）

小鼠等实验动物能量代谢测量已日益成为生物医学、健康医学研究的重要实验技术手段，是实验动物能量代谢表型分析（Metabolic phenotyping）的必备仪器技术。与市场上不同品牌昂贵复杂的动物能量代谢测量系统相比, FMS实验动物代谢表型测量系统具备如下优势特点：

• 高性价比，集气体采样、分析记录与存储于一体（适于连续式&间断式测量）

• 便携性强，方便实验室内、不同实验室间、实验室及户外独立实验、检测、快速代谢测量等

• 配置灵活，既可用作便携式能量代谢测量，又可方便地配置组成多通道实验动物能量代谢测量系统

• 高分辨率、高灵敏度测量监测CO2、O2、H2O（水分压或水汽浓度）、温度并分析CO2产生率、耗氧率、水分丧失率（RWL）、热传导等

• 多功能、高适配性，可配置测量小鼠、大鼠等不同实验动物能量代谢，可适配不同代谢笼及呼吸室，可配置植入式生理生态数据采集器同步采集体温、心率及动物活动

应用案例：荒漠鹿鼠昼夜代谢节律的环境驱动因素

受美国国立卫生院（NIH）下属国立普通医学科学研究所（NIGMS）的项目支持，新罕布什尔大学分子、细胞和生物医学科学系Matthew D. MacManes教授团队利用FMS代谢表型分析技术（配置为8通道能量代谢表型分析系统）研究了适应于荒漠环境的荒漠鹿鼠的昼夜代谢节律（circadian metabolism）。 

24小时昼夜节律模拟参见上右图，光照16小时（浅灰色）、黑暗8小时（深灰色），昼夜变化处理（黄色）、恒暖处理（橙色）和恒冷处理（蓝色），温度用实线表示，相对湿度（RH）用虚线表示，T1、T2分别为早晨过渡和晚间过渡期。

代谢表型分析（Metabolic phenotyping）：通过8笼舍FMS系统连续72小时测量84只小鼠（雌、雄个体各42只）的耗氧率（VO2）、二氧化碳产生率（VCO2）、水分代谢量（mg）、呼吸商（RQ）以及总能量消耗（TEE），并记录温控箱内的大气压、温度和相对湿度。

下图为三个处理组（上、中、下分别为：Variable，昼夜变化处理组；Warm，恒暖处理组；Cool，恒冷处理组）中雄性和雌性鹿鼠在24小时周期内的TEE、RQ及RWL（呼吸水分丧失）。黑色虚线为每日温度变化，呼吸商RQ图中的黑色实线表示食物商（FQ=0.89），白线是平滑的局部加权回归（LOESS）。

研究结果表明，荒漠鹿鼠存在明显的性别二态性表型差异，雄性比雌性更容易脱水；在昼夜节律环境变化下，大多数代谢变化发生在物理环境变化之前，这种变化节律被两种恒定处理（恒暖与恒冷）所打乱。在昼夜变化的条件下，呼吸商仅在昼夜变化中的光相时（“白天”）达到1.0以上，这意味着脂肪合成促成了能量和内源性水的产生。研究结果与该物种昼夜节律的历史描述一致（白天迟钝，夜间活跃），但不支持如下假设：即不活跃是由食物限制或负水平衡引发。

参考文献

1、Blumstein DM, Colella JP, Linder E, MacManes MD. High total water loss driven by low-fat diet in desert-adapted mice. bioRxiv; 2022. DOI: 10.1101/2022.04.15.488461.

2、Colella J P , Blumstein D M , MD Macmanes. Disentangling environmental drivers of circadian metabolism in desert-adapted mice[J]. J Exp Biol (2022)

3、John J. Reho et al. Methods for the conmprehensive in vivo analysis of energy flux, fluid homeostasis, blood pressure, and ventilatory function in Rodents. Frontiers in Physiology(2022)

4、Marta Grosiak et al. Aged-related changes in the thermoregulatory properties in Bank Voles from a selection experiment. Frontiers in Physiology(2020)