Promethion动物行为与代谢监测系统用于肥胖疾病模型研究

北京易科泰生态技术有限公司技术部

 生物体的能量收支平衡是一个非常复杂的调控体系，当摄入的能量大于消耗的能量时，多余的能量往往以脂肪的形式储存起来，导致超重或者肥胖。引起肥胖的因素很多，如食物、缺乏运动、睡眠、药物、肠道微生物、遗传等。Science和Nature杂志一直就世界范围的慢性代谢疾病“A World of Chronic Disease”进行了持续性的报道,专门谈到肥胖、糖尿病、心脑血管疾病、癌症、内分泌代谢综合症等慢性代谢性疾病的研究方向。

北京易科泰生态技术有限公司代理的美国Sable Systems International公司的“Promethion动物行为与能量代谢监测系统”是目前研究肥胖等代谢疾病机理的最先进平台，具备以下主要特点：

1.     以实验大小鼠为例，既可实现每个动物行为及代谢数据监测的完全同步（并行测量），又可实现每个动物最快高达15秒的通道切换，使得8至24个实验动物在2-5分钟内完成一个测量周期（多重测量）。该系统不但能监测动物常规的饮食模式，还可监测难于被其它仪器发现的动物昼夜时间偷吃“零食”情况，而这竟达到动物饮食的20-50%。

         2.     作为实验动物Phenotying平台，除了要求动物在笼舍内的行为需要连续性监测，还需要较高的行为活动监测分辨率，才能实现对动物复杂甚至细微活动与能量消耗的关系进行机理性分析，Promethion可以实现1 秒钟行为与代谢数据,而且分辨率（0.003g）是最高的。    

3.     该系统不仅用于实验动物，还可用于其他灵长类模型动物（神经科学研究），以及直接用于人体的各种代谢疾病机理研究，是性价比最高的代谢障碍筛选平台。其中“Promethion室内热量计”及“Promethion婴儿营养代谢监测系统”是被认为最先进的第三代热量计系统。

案例1  JCI：想减肥？来点益生菌

人类肠道微生物和肥胖之间的关系是近几年来的一个研究新领域和热点，范德堡大学科研人员使用美国SSI公司promethion小鼠行为与代谢系统于2014年刊登在国际杂志Journal of Clinical Investigation上的一篇研究论文” Incorporation of therapeutically modified bacteria into gut microbiota inhibits obesity”表明，细菌可以在肠道中产生一种治疗性的化合物，抑制小鼠体重增加、胰岛素耐受性以及其它高脂肪饮食所引发的副作用。     

                                      图1 小鼠行为测试笼舍

研究者Davies说道，我们机体肠道中的菌群会影响机体患慢性疾病的风险，本文中我们旨在通过研究揭示是否可以通过某种方法来控制肠道菌群从而促进机体健康；首先研究者需要获得可以在肠道中繁殖的安全菌株，研究者选择大肠杆菌Nissle 1917作为研究对象，该菌株在100年前发现，经常作为益生菌疗法用于治疗痢疾。

研究者对该菌株进行遗传性操作使其可以产生名为NAPE的脂质，正常情况下这种脂质可以在小肠中合成来供给肠道菌群；NAPE可以快速转化为NAE，后者是一种可以降低食物摄入抑制及体重增加的化合物，一些研究证据表明，在高脂肪饮食的个体机体中NAPE的产量处于较低水平。

图2. pNAPE-EcN处理（非pEcN）,抑制体重增加和肥胖

随后研究人员将产生NAPE的细菌加入到高脂肪饮食小鼠的饮水中，持续8周后，研究结果显示，接受遗传修饰菌株的小鼠食物摄入量明显降低，而且机体脂肪、胰岛素耐受性和脂肪肝程度都相比接受正常菌株的小鼠发生了明显地降低。当研究者将产生NAPE的菌株移除后，这种效应在小鼠机体中仍可持续至少4周，甚至在12周后研究者还能发现，小鼠的机体体重以及脂肪量依然会略微降低。

活化的菌株6周后就会死亡，而6周或许恰恰是保持细菌活力的最佳时间，并且其会导致小鼠在至少12周的时间内都是不会发胖的；下一步研究者将在肝脏中观察产生NAPE细菌的效应，研究者希望利用这种遗传工程化的细菌开发出治疗人类疾病，比如肥胖的新型靶向性疗法。

案例2  催产素成为治疗肥胖和代谢综合征的潜在疗法？

 华盛顿大学科研人员使用SSI公司Promethion大鼠行为与代谢监测系统于2011年在国际杂志American Journal of Physiology - Endocrinology and Metabolism上发表“Peripheral oxytocin suppresses food intake and causes weight loss in diet-induced obese rats”一文，表明外围催产素抑制饮食诱导型肥胖大鼠的食物摄入及促进体重丢失。

  图 3 大鼠行为测试笼

越来越多的证据表明催产素在能量平衡调节中起着重要作用，也就是中枢催产素系统诱导了食物诱导型肥胖动物（DIO）体重的丢失。为了了解催产素如何作用于这些效应，该文作者检验了暴露于高脂组（HFD）或低脂组（LFD）食物的肥胖动物饮食及神经元对催产素的响应，发现剂量依赖性的催产素外周给予降低了食用HFD或LFD组相同质量大鼠的体重，而且催产素诱导的体重丢失仍然适用于leptin受体缺陷的fa^k/fa^k大鼠。

为了确定是否全身注射催产素刺激后脑区调节取食量的大小，科研人员测量神经元c-fos在孤束核（NTS）、后区（AP）的诱导作用，观察到催产素在HFD组相对于LFD组中，这些后脑神经元中出现非常强的响应。最后，作者报告了每天重复的外周注射催产素在肥胖的动物引起持续的食物摄入量和体重的减少而防止体重减少动物能量消耗的降低。这些结果拓展了最近的证据，提示DIO动物通过一种涉及NTS、AP神经元的激活以及处理关键后脑区饱腹感相关的输入使得催产素规避瘦素抵抗，诱导体重丢失。

案例3  睡眠不足导致肥胖？

通过动物模型研究人的肥胖机理还存在一定的种属差异，最新的研究表明“Promethion人体呼吸代谢室”可以直接分析研究空调房内人的代谢综合征如肥胖等，并在研究级别超越了常规代谢检测仪器，该系统不仅可用于成人的代谢监测，还可用于婴儿等特殊人群的营养需求研究。

纽约肥胖营养研究中心使用SSI公司的Promethion人体呼吸代谢室于2013年在The American Journal of Clinical Nutrition杂志发表了“Experimental sleep curtailment causes wake-dependent increases in 24-h energy expenditure as measured by whole-room indirect calorimetry”一文，研究认为长期睡眠不足容易导致体重增加。

研究者指出，流行病学调查显示短时间睡眠和肥胖相关联。该研究的实验对象为10位年龄在22-43岁（BMI为23.4-27.5）女性，受试者分为短睡眠（4小时/每晚）和常规睡眠（8小时/晚）两组，连续测试3天，标准的体能维持用餐设定在0800, 1200, 1900 点， 1600为下午茶时刻，在第二天以及第三天连续超过23小时的睡眠期测试EE和RQ, 本研究通过调查短时间睡眠对24小时能量消耗（EE）和呼吸商的影响。

研究结果显示，短时间睡眠的EE显著高于常规睡眠组，在短时间和常规睡眠时间段（0100–0500 和2300–0700 ）以及清醒阶段（0800–2300）的能量消耗EE不受睡眠限制的影响，呼吸商RQ不受睡眠限制的影响。

相比常规睡眠，短时间睡眠出现了24小时能量消耗的增加，约为92kcal,占到5%，比之前睡眠时间压缩研究观察到增加的能量摄入低。这个发现支持了短时间睡眠易导致体重增加-能量摄入增加的结果的假设，超出了延长夜间觉醒相关的能量消耗。

        图例4 纽约曼哈顿圣卢克罗福医院  （左为受试者测量室，右为分析仪）

                 图5  第三代婴儿营养代谢（热量计）监测系统

图6 德国豪恩海姆大学Promethion室内热量计系统