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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)問題。

 

    

 

高通量高分辨率媒介生物呼吸表型監(jiān)測系統(tǒng)是由世界知名的美國Sable Systems International動(dòng)物呼吸代謝測量公司生產(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)測儀器，能夠監(jiān)測媒介個(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)測方面的權(quán)威產(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量模式，實(shí)現(xiàn)每個(gè)測量室都有實(shí)時(shí)氣流通過的完全開放式測量，避免了測量時(shí)內(nèi)出現(xiàn)缺氧（hypoxia）或高碳酸血癥（hypercapnia），可一次測量多達(dá)16只個(gè)體。

2.真正測量媒介個(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，這代表了目前技術(shù)的最高水平。

4.數(shù)據(jù)可以通過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，測試個(gè)體在10小時(shí)內(nèi)（N=16）多路復(fù)用系統(tǒng)監(jiān)測下的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（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(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離、取食傾向等2D或3D行為監(jiān)測）、氣體（氧氣、二氧化碳、水汽以及其它可檢測氣體）、熱成像監(jiān)測，以及珀?duì)栙N溫控等單元。

6.最專業(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.測量時(shí)間：15秒-3小時(shí)可程序化選擇；基線測量時(shí)間：15秒-3小時(shí)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(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(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量儀：用于測量微小昆蟲（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℃，無冷凝；重量1.5kg；尺寸16cm×13cm×20cm；

 

產(chǎn)地：美國

 

應(yīng)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(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，美國狗蜱會(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力。

作為強(qiáng)制性的吸血?jiǎng)游铮鼈兊拇蟛糠稚鼤r(shí)間都是在遠(yuǎn)離宿主的環(huán)境中度過無食物狀態(tài)，因而成功存活對(duì)它們至關(guān)重要；然而學(xué)界對(duì)蜱蟲饑餓耐受性的潛在生理和分子機(jī)制知之甚少。美國辛辛那提大學(xué)蜱蟲教授Andrew J. Rosendale對(duì)雌性美國狗蜱的生物能量，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SSI高分辨率呼吸代謝系統(tǒng)監(jiān)測CO2產(chǎn)量。蜱蟲因?yàn)榇x率較低，在實(shí)驗(yàn)過程中，每只蜱蟲放置在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，并經(jīng)過軟件分析處理得到每個(gè)蜱蟲不同饑餓時(shí)間后的代謝率（Rosendale A J et al, 2018）。

 

           

 

  上圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雌性美國狗蜱在饑餓期內(nèi)隨著饑餓時(shí)間延長其代謝率呈2倍增加趨勢。在24小時(shí)的蜱蟲活動(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)開始早期的活動(dòng)量導(dǎo)致（B）,但在實(shí)驗(yàn)后期無明顯差異（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)作為能量儲(chǔ)備，通過蛋白酶解和自噬促進(jìn)內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)動(dòng)；代謝率隨著饑餓持續(xù)增加，饑餓的蜱蟲更有可能增加宿主搜尋行為。

 

應(yīng)用案例2

  昆蟲體內(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。在極端情況下，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(xué)生物科學(xué)系Michael T. J. Hague教授通過評(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)性測試實(shí)驗(yàn)中，使用16通道流通式呼吸測定和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MAVEn，Sable Systems International）測量了實(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)物測量室和一套活動(dòng)檢測器，其中活動(dòng)檢測器使用對(duì)果蠅不可見的紅外光以1 Hz采樣頻率來監(jiān)測每個(gè)測量室中的動(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)中共測定了3104只蒼蠅的運(yùn)動(dòng)活性,結(jié)果見上圖（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：

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.

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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(lián)合國報(bào)告Climate change can affect diseases transmitted by insects, vectors: UN report (downtoearth.org.in)