高通量高分辨率媒介生物呼吸表型监测系统

常见的媒介生物包括蚊、蝇、鼠、蟑螂、臭虫、跳蚤、蚂蚁等。受全球气候变化等影响，媒介生物增加了人畜共患病的传播风险，引起了全社会的重视和关注。媒介生物在长期的宿主-病原体协同进化中形成了特殊的生理生态适应性和耐受性，由此为媒介生物传染性疾病致病机制和防控的研究衍生出复杂的生命科学问题。

高通量高分辨率媒介生物呼吸表型监测系统是由世界知名的美国Sable Systems International动物呼吸代谢测量公司生产的一款高通道（16、32通道可选）、高分辨率及自动化的媒介生物呼吸表型监测仪器，能够监测媒介个体或群体的实时氧气消耗、二氧化碳产量、水汽代谢、活动强度等参数，可广泛用于媒介生物从虫卵、幼体到成体的全龄段呼吸与活动模式、代谢机理和控制策略研究，以应对各类潜在媒介生物疾病传播风险。

媒介生物呼吸表型系统作为媒介生物呼吸生理学研究控制与监测方面的权威产品，主要具备以下特点：

1.改变了传统的单只个体的封闭或半封闭式测量模式，实现每个测量室都有实时气流通过的完全开放式测量，避免了测量时内出现缺氧（hypoxia）或高碳酸血症（hypercapnia），可一次测量多达16只个体。

2.真正测量媒介个体的呼吸模式和行为规律，使得科学实验结果值得信赖，高效指导实践应用。

3.快至15秒就可以完成一只个体的代谢监测，这代表了目前技术的最高水平。

4.数据可以通过SD卡（最大支持32G）把带时间标签的CSV格式直接导出或记录到计算机进一步分析。如下图显示：以果蝇为实验对象，测试个体在10小时内（N=16）多路复用系统监测下的1秒活动强度。从活动强度值和二氧化碳产量（VCO2）曲线中可识别出实验对象休息和活动时间的能力，以及VCO2随活动水平的变化。此外，曲线数据也显示了个体活动随光周期变化的规律。   

5.可选配媒介生物行为（包括活动轨迹、运动距离、取食倾向等2D或3D行为监测）、气体（氧气、二氧化碳、水汽以及其它可检测气体）、热成像监测，以及珀尔贴温控等单元。

6.最专业的参考文献案例，属于前沿科技。

主要性能指标：

1.气流流速：5毫升/分钟-200毫升/分钟，质量流量计，PID精确控制，精度为2%，或定制其它量程。

2.测量时间：15秒-3小时可程序化选择；基线测量时间：15秒-3小时可程序化选择。

3.气压测量：分辨率1Pa，精度0.05%。

4.光照水平：0.1-5000勒克斯。

5.温度测量：0-50℃，分辨率0.01℃，精度±0.25℃。

6.模拟输入：6个模拟输入，16bit分辨率，-5至+5伏电压信号，可接SSI其它仪器或实验室其它气体分析仪等。

7.双通道高精度差分式氧气分析测量仪：燃料电池原理氧气传感器，氧气浓度量程0-100%，精度0.1%，分辨率0.0001%，响应时间小于7秒，24小时漂移<0.01%，温度、压力自动补偿；

8.超高精度二氧化碳分析测量仪：用于测量微小昆虫（比如果蝇、蚊子等）或蜱螨类微小动物的呼吸代谢，可同时测量CO2浓度和H2O浓度；CO2量程0-3000ppm；准确度<1%；分辨率0.01ppm；H2O量程0-60mmol/mol；准确度1%；

9.二次抽样单元：内置气泵、精密针阀、质量流量计，可用来给气流样本做二次抽样，也可单独作为气源使用；流量范围5-2000mL/min；精度为读数的10%；分辨率1mL/min；具备2行显示LCD显示屏；带0-5V BNC模拟信号输出；数字输出RS-232；供电12-15VDC，20-350mA，配交流电适配器；工作温度：0-50℃，无冷凝；重量1.5kg；尺寸16cm×13cm×20cm；

产地：美国

应用案例1

美国狗蜱是落基山斑疹热的主要媒介，由立克次体细菌（Rickettsiae）引起。落基山斑疹热的症状包括高烧、发冷、肌肉酸痛和头痛。在某些情况下，它通常在发烧开始后2-4天发展可能成皮疹扩散到四肢。这种疾病如果不及时治疗，就会是致命的。另一种传播疾病是土拉菌病，这是由土拉弗朗西斯菌(Francisella tularensis)引起的，可通过兔子、小鼠、松鼠和其他小动物传播，症状包括发热、寒战和淋巴结压痛。蜱叮咬部位可能形成溃疡。此外，美国狗蜱会导致蜱麻痹，从而导致受影响的人出现严重的呼吸窘迫和肌肉无力。

作为强制性的吸血动物，它们的大部分生命时间都是在远离宿主的环境中度过无食物状态，因而成功存活对它们至关重要；然而学界对蜱虫饥饿耐受性的潜在生理和分子机制知之甚少。美国辛辛那提大学蜱虫教授Andrew J. Rosendale对雌性美国狗蜱的生物能量，转录组学和行为变化等进行了研究，其中能量代谢实验通过SSI高分辨率呼吸代谢系统监测CO2产量。蜱虫因为代谢率较低，在实验过程中，每只蜱虫放置在200微升的呼吸室中，推气的气流设置在30毫升/分钟，从呼吸室出来的气流进入多通道气路切换器，之后进入高精度二氧化碳分析仪进行气体监测，并经过软件分析处理得到每个蜱虫不同饥饿时间后的代谢率（Rosendale A J et al, 2018）。

    上图实验结果表明，雌性美国狗蜱在饥饿期内随着饥饿时间延长其代谢率呈2倍增加趋势。在24小时的蜱虫活动时间内，总体而言，饥饿影响了其活动水平，饥饿36周的活动水平显著高于1、4和12周（A），这种差异主要由实验开始早期的活动量导致（B）,但在实验后期无明显差异（C）；饥饿36周的狗蜱移动到搜寻位置比刚饲喂个体少2.4倍时间（D）。研究认为，随着蜱虫饥饿持续，它会利用糖原、脂质，以及生命后期的蛋白质作为能量储备，通过蛋白酶解和自噬促进内源性营养物质的调动；代谢率随着饥饿持续增加，饥饿的蜱虫更有可能增加宿主搜寻行为。

应用案例2 

    昆虫体内可遗传共生的微生物对其性状和适应性有广泛的影响，包括操纵繁殖，提供营养，改变耐热性和抵御病原体。微生物也可能改变宿主行为。在极端情况下，寄生微生物可以诱导增加传播可能性的行为，例如将宿主引导到促进传播的栖息地。作为抗感染的免疫策略，受感染的宿主也可能改变自己的行为，包括寻求温暖的温度以诱发“行为发热”或减少活动并增加睡眠时间。这种行为改变对微生物传播和宿主健康具有重要意义。

    沃尔巴克氏体Wolbachia是一类广泛分布于陆生节肢动物体内的细胞内共生菌，可通过雌性宿主的卵传递给子代，感染了大约一半的昆虫物种。加拿大蒙大拿大学生物科学系Michael T. J. Hague教授通过评估14个不同的沃尔巴克氏体菌株感染9种果蝇后的宿主运动活动性影响来检验沃尔巴克体改变宿主行为的假设（Michael et al., 2021）。在宿主运动活动性测试实验中，使用16通道流通式呼吸测定和数据采集系统（MAVEn，Sable Systems International）测量了实验果蝇的运动活动。该系统含有16个2.4 ml的聚碳酸酯动物测量室和一套活动检测器，其中活动检测器使用对果蝇不可见的红外光以1 Hz采样频率来监测每个测量室中的动物活动原始值并转换为活动指数绝对差和（Absolute Difference Sums，ADS）。文中结果使用3小时内的平均ADS作为每只果蝇的运动活动的评估值。

     实验中共测定了3104只苍蝇的运动活性,结果见上图（Figure 1. 每个基因型每个性别未感染和感染果蝇的活动值）。

    沃尔巴克氏体对六种宿主基因型的活动性有显着影响（上图Figure 2），包括感染了A组和B组沃尔巴克氏体的果蝇宿主。另外，沃尔巴克氏体对宿主活动的影响方向因基因型和性别而异。

    研究结果支持了沃尔巴克氏体对宿主行为有广泛影响的观点。这些行为改变的适应性后果对于理解宿主-共生体相互作用的进化非常重要，包括沃尔巴克氏体如何在宿主种群中传播。

参考资料：

1.Carmen Rolandi, Gonzalo Roca-Acevedo, Pablo E Schilman, Mónica D Germano, Aerobic Metabolism Alterations as an Evidence of Underlying Deltamethrin Resistance Mechanisms in Triatoma infestans (Hemiptera: Reduviidae), Journal of Medical Entomology, Volume 57, Issue 6, November 2020, Pages 1988–1991, https://doi.org/10.1093/jme/tjaa099

2.Chappuis C , S Béguin, Vlimant M , et al. Water vapour and heat combine to elicit biting and biting persistence in tsetse[J]. Parasites & Vectors, 2013, 6(1):240.

3.Cumnock K , Gupta A S , Lissner M , et al. Host Energy Source Is Important for Disease Tolerance to Malaria[J]. Current Biology, 2018, 28(10).

4.Dingha B . Effects of Temperature on the Metabolic Rates of Insecticide Resistant and Susceptible German Cockroaches, Blattella germanica (L.) (Dictyoptera: Blattellidae)[J]. Midsouth Entomologist, 2009, 2:17-27.

5.Dingha B. Physiological factors related to bait aversion in the German cockroach (Dictyoptera: Blattellidae). , 2005.

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8.O'Mara M T, Wikelski M, Voigt C C, et al. Cyclic bouts of extreme bradycardia counteract the high metabolism of frugivorous bats[J]. Elife, 2017, 6: e26686.

9.Roberts K E , Hadfield J D , MD Sharma, et al. Changes in temperature alter the potential outcomes of virus host shifts[J]. PLoS Pathogens, 2018, 14(10).

10.Rosendale A J, Dunlevy M E, MD Mccue, et al. Progressive behavioral, physiological, and transcriptomic shifts over the course of prolonged starvation in ticks[J]. Molecular Ecology, 2018, 28(1).

11.气候变化可影响由昆虫传播的疾病、病媒：联合国报告Climate change can affect diseases transmitted by insects, vectors: UN report (downtoearth.org.in) .