高通量高分辨率媒介生物呼吸表型監測系統

常見的媒介生物包括蚊、蠅、鼠、蟑螂、臭蟲、虱子、跳蚤、螞蟻、蜱等。受氣候變化等影響，媒介生物增加了人畜共患病的傳播風險，引起了全社會的重視和關注。媒介生物在長期的宿主-病原體協同進化中形成了特殊的生理生態適應性和耐受性，由此為媒介生物傳染性疾病致病機制和防控的研究衍生出復雜的生命科學問題。

高通量高分辨率媒介生物呼吸表型監測系統是由世界知名的美國Sable Systems International動物呼吸代謝測量公司生產的一款高通道（16、32通道可選）、高分辨率及自動化的媒介生物呼吸表型監測儀器，能夠監測媒介個體或群體的實時氧氣消耗、二氧化碳產量、水汽代謝、活動強度等參數，可廣泛用于媒介生物從蟲卵、幼體到成體的全齡段呼吸與活動模式、代謝機理和控制策略研究，以應對各類潛在媒介生物疾病傳播風險。

媒介生物呼吸表型系統作為媒介生物呼吸生理學研究控制與監測方面的權威產品，主要具備以下特點：

1.改變了傳統的單只個體的封閉或半封閉式測量模式，實現每個測量室都有實時氣流通過的完全開放式測量，避免了測量時內出現缺氧（hypoxia）或高碳酸血癥（hypercapnia），可一次測量多達16只個體。

2.真正測量媒介個體的呼吸模式和行為規律，使得科學實驗結果值得信賴，高效指導實踐應用。

3.快15秒就可以完成一只個體的代謝監測，這代表了目前技術的ZG水平。

4.數據可以通過SD卡（ZD支持32G）把帶時間標簽的CSV格式直接導出或記錄到計算機進一步分析。如下圖顯示：以果蠅為實驗對象，測試個體在10小時內（N=16）多路復用系統監測下的1秒活動強度。從活動強度值和二氧化碳產量（VCO2）曲線中可識別出實驗對象休息和活動時間的能力，以及VCO2隨活動水平的變化。此外，曲線數據也顯示了個體活動隨光周期變化的規律（引自https://www.sablesys.com/products/classic-line/maven_ft/）。

5. 可選配媒介生物行為（包括活動軌跡、運動距離、取食傾向等2D或3D行為監測）、氣體（氧氣、二氧化碳、水汽以及其它可檢測氣體）、熱成像監測，以及珀爾貼溫控等單元。

6. 專業的參考文獻案例，屬于前沿科技。

主要性能指標：

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

2.測量時間：15秒-3小時可程序化選擇；基線測量時間：15秒-3小時可程序化選擇。

3.氣壓測量：分辨率1Pa，精度0.05%。

4.光照水平：0.1-5000勒克斯。

5.溫度測量：0-50℃，分辨率0.01℃，精度±0.25℃。

6.模擬輸入：6個模擬輸入，16bit分辨率，-5+5伏電壓信號，可接SSI其它儀器或實驗室其它氣體分析儀等。

7.雙通道高精度差分式氧氣分析測量儀：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%，響應時間小于7秒，24小時漂移<0.01%，溫度、壓力自動補償；

8.超高精度二氧化碳分析測量儀：用于測量微小昆蟲（比如果蠅、蚊子等）或蜱螨類微小動物的呼吸代謝，可同時測量CO2濃度和H2O濃度；CO2量程0-3000ppm；準確度<1%；分辨率0.01ppm；H2O量程0-60mmol/mol；準確度1%；

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

產地：美國

應用案例1

美國狗蜱是落基山斑疹熱的主要媒介，由立克次體細菌（Rickettsiae）引起。落基山斑疹熱的癥狀包括高燒、發冷、肌肉酸痛和頭痛。在某些情況下，它通常在發燒開始后2-4天發展可能成皮疹擴散到四肢。這種疾病如果不及時ZL，就會是致命的。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，可通過兔子、小鼠、松鼠和其他小動物傳播，癥狀包括發熱、寒戰和淋巴結壓痛。蜱叮咬部位可能形成潰瘍。此外，美國狗蜱會導致蜱麻痹，從而導致受影響的人出現嚴重的呼吸窘迫和肌肉無力。

作為強制性的吸血動物，它們的大部分生命時間都是在遠離宿主的環境中度過無食物狀態，因而成功存活對它們關重要；然而學界對蜱蟲饑餓耐受性的潛在生理和分子機制知之甚少。美國辛辛那提大學蜱蟲教授Andrew J. Rosendale對雌性美國狗蜱的生物能量，轉錄組學和行為變化等進行了研究，其中能量代謝實驗通過SSI高分辨率呼吸代謝系統監測CO2產量。蜱蟲因為代謝率較低，在實驗過程中，每只蜱蟲放置在200微升的呼吸室中，推氣的氣流設置在30毫升/分鐘，從呼吸室出來的氣流進入多通道氣路切換器，之后進入高精度二氧化碳分析儀進行氣體監測，并經過軟件分析處理得到每個蜱蟲不同饑餓時間后的代謝率（Rosendale A J et al, 2018）。

上圖實驗結果表明，雌性美國狗蜱在饑餓期內隨著饑餓時間延長其代謝率呈2倍增加趨勢。在24小時的蜱蟲活動時間內，總體而言，饑餓影響了其活動水平，饑餓36周的活動水平顯著高于1、4和12周（A），這種差異主要由實驗開始早期的活動量導致（B）,但在實驗后期無明顯差異（C）；饑餓36周的狗蜱移動到搜尋位置比剛飼喂個體少2.4倍時間（D）。研究認為，隨著蜱蟲饑餓持續，它會利用糖原、脂質，以及生命后期的蛋白質作為能量儲備，通過蛋白酶解和自噬促進內源性營養物質的調動；代謝率隨著饑餓持續增加，饑餓的蜱蟲更有可能增加宿主搜尋行為。

應用案例2

昆蟲體內可遺傳共生的微生物對其性狀和適應性有廣泛的影響，包括操縱繁殖，提供營養，改變耐熱性和抵御病原體。微生物也可能改變宿主行為。在極端情況下，寄生微生物可以誘導增加傳播可能性的行為，例如將宿主引導到促進傳播的棲息地。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“行為發熱”或減少活動并增加睡眠時間。這種行為改變對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肢動物體內的細胞內共生菌，可通過雌性宿主的卵傳遞給子代，感染了大約一半的昆蟲物種。加拿大蒙大拿大學生物科學系Michael T. J. Hague教授通過評估14個不同的沃爾巴克氏體菌株感染9種果蠅后的宿主運動活動性影響來檢驗沃爾巴克體改變宿主行為的假設（Michael et al., 2021）。在宿主運動活動性測試實驗中，使用16通道流通式呼吸測定和數據采集系統（MAVEn，Sable Systems International）測量了實驗果蠅的運動活動。該系統含有16個2.4 ml的聚碳酸酯動物測量室和一套活動檢測器，其中活動檢測器使用對果蠅不可見的紅外光以1 Hz采樣頻率來監測每個測量室中的動物活動原始值并轉換為活動指數JD差和（Absolute Difference Sums，ADS）。文中結果使用3小時內的平均ADS作為每只果蠅的運動活動的評估值。

實驗中共測定了3104只蒼蠅的運動活性,結果見上圖（Figure 1. 每個基因型每個性別未感染和感染果蠅的活動值）。

沃爾巴克氏體對六種宿主基因型的活動性有顯著影響（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，沃爾巴克氏體對宿主活動的影響方向因基因型和性別而異。

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

參考資料：

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.

6、Hague M , Woods H A , Cooper B S . Pervasive effects of Wolbachia on host activity[J]. Biology Letters, 2021, 17(5):20210052.

7、Kersch C N, Pietrantonio P V. Mosquito Aedes aegypti (L.) leucokinin receptor is critical for in vivo fluid excretion post blood feeding[J]. Febs Letters, 2011, 585(22):3507-3512.

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、氣候變化可影響由昆蟲傳播的疾病、病媒：聯合國報告Climate change can affect diseases transmitted by insects, vectors: UN report (downtoearth.org.in)