大、小鼠CO2安樂死方法研究

何嘉玲 王天奇 張長勇 暴 國 李 楠 孫德明

(國家衛(wèi)生健康委科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100081)

據(jù)小鼠處死方法的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，在我國頸椎脫臼法和斷頭法使用率最高，但這兩種物理方法對操作者的專業(yè)技術(shù)要求較高。如操作不熟練將使動物遭受不必要的痛苦，不符合實(shí)驗(yàn)動物福利倫理的要求。其次是使用麻醉劑，但麻醉劑存在無法大量使用和較大副作用和安全隱患等問題。近年來國際上有大量報(bào)道使用吸入CO2實(shí)施安樂死的文章，但在我國應(yīng)用CO2實(shí)施安樂死的研究報(bào)道較少。

“安樂死”(euthanasia)一詞源自希臘語，‘eu’意思是“好的”，‘thanatos’意思是“死亡”，即最小疼痛和痛苦的死亡。依據(jù)動物福利和動物保護(hù)的原則，實(shí)驗(yàn)者應(yīng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)采取適當(dāng)?shù)姆椒▽游锸┬邪矘匪?。在廣泛閱讀國內(nèi)外CO2吸入安樂死文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文將就大小鼠吸入CO2實(shí)施安樂死的應(yīng)用細(xì)節(jié)，包括評價(jià)體系，具體實(shí)施方法、注意事項(xiàng)以及仍需要研究的問題作一綜述，為CO2在安樂死中的應(yīng)用提供借鑒。

1 安樂死方法使用的原則

施行安樂死要求在動物的抓取和處死全過程中將動物的疼痛和痛苦降到最低，并盡量減少動物喪失意識(LOC)前的痛苦[1]。實(shí)施安樂死應(yīng)考慮以下幾個(gè)要素：①導(dǎo)致意識喪失的同時(shí)盡量減少動物的痛苦;②導(dǎo)致意識喪失所需要的時(shí)間;③可靠性;④不可逆性;⑤可操作性和人員的安全性;⑥與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南噙m應(yīng)的可兼容性;⑦對觀察者和操作者情緒的影響;⑧進(jìn)一步評價(jià)、檢查及使用動物組織的兼容性;⑨藥物的可用性和人員濫用的可能性;⑩符合實(shí)驗(yàn)要求的經(jīng)濟(jì)性。此外，安樂死的實(shí)施必須遵循實(shí)驗(yàn)動物福利倫理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[2]。

2 吸入CO2在大小鼠安樂死中的應(yīng)用

吸入CO2可引起呼吸性酸中毒并通過降低細(xì)胞內(nèi)pH產(chǎn)生可逆麻醉狀態(tài)，可靠而迅速地導(dǎo)致意識喪失。操作過程不需要高度專業(yè)化的設(shè)備，對人員要求不高且安全危害小。其尸體殘留物不會或很少對后續(xù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾和危害。然而，由于有研究顯示大小鼠對CO2氣體表現(xiàn)出厭惡情緒，且高濃度的CO2會導(dǎo)致疼痛和呼吸困難，在過去的幾十年中，使用CO2作為安樂死藥物受到了嚴(yán)密的審查。但鑒于CO2安樂死的高效性和安全性，目前國際上CO2應(yīng)用于安樂死的報(bào)道大量增加。在我國也有一些研究者開始選擇使用CO2處死大小鼠[3]，但報(bào)道比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于物理方法(頸椎脫臼法和斷頭法)。

2.1 CO2安樂死過程中壓力和疼痛的判斷及存在的問題

最佳的安樂死技術(shù)旨在引導(dǎo)快速無意識，其次是快速死亡。從動物角度看，手術(shù)麻醉和安樂死的麻醉誘導(dǎo)沒有本質(zhì)區(qū)別。公認(rèn)的麻醉階段有4個(gè)。階段I被定義為從誘導(dǎo)到意識喪失的時(shí)間段。階段II是從意識喪失到對刺激的反應(yīng)喪失的時(shí)間段。階段III是深度麻醉階段，伴隨失憶，鎮(zhèn)痛和肌肉松弛。階段IV是在上述基礎(chǔ)上，心血管反應(yīng)和呼吸功能停止。對安樂死方法的評估而言，階段I動物的感受是關(guān)注的焦點(diǎn)。已知脊髓區(qū)域負(fù)責(zé)應(yīng)對有害化學(xué)刺激，大鼠研究表明，當(dāng)吸入25%的CO2時(shí)，延髓背角神經(jīng)元的放電增加，CO2濃度在37%和87%之間發(fā)生近線性增加，即CO2濃度增加，疼痛增加[4]。然而確定動物何時(shí)變得無意識并不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。以下簡述幾種可能的評估方式和存在問題。

2.2 評價(jià)體系

2.2.1應(yīng)激激素變化評判：任何一種安樂死的方法都會不同程度導(dǎo)致動物產(chǎn)生壓力。任何壓力，都會引發(fā)一系列被稱為壓力反應(yīng)的活動。動物機(jī)體通過交感神經(jīng)-腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)(SAM)和下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)這兩條途徑產(chǎn)生急性應(yīng)激反應(yīng)。當(dāng)大腦感受到壓力時(shí)，SAM幾乎立即通過釋放主要來自交感神經(jīng)末梢的去甲腎上腺素和來自腎上腺髓質(zhì)的腎上腺素來響應(yīng)。同時(shí)，沿著HPA，應(yīng)激反應(yīng)開始于杏仁核，啟動促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子分泌。這種激素隨后刺激垂體釋放促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)。ACTH作用于腎上腺皮質(zhì)釋放皮質(zhì)酮。為了評估這種應(yīng)激反應(yīng)，可以測量HPA軸和SAM激素的組分。有研究表明，小鼠ACTH水平在暴露于CO2氣體等應(yīng)激物后大約30 s內(nèi)增加，且去甲腎上腺素在CO2暴露后5 s內(nèi)升高，而皮質(zhì)酮水平的升高大約需要4 min。鑒于皮質(zhì)酮產(chǎn)生的延遲效應(yīng)，一般通過檢測ACTH，去甲腎上腺素和腎上腺素評價(jià)壓力的差異。

2.2.2行為學(xué)評判：對安樂死的壓力、疼痛/痛苦的反應(yīng)還表現(xiàn)在動物的行為中，包括逃跑傾向、掙扎、攻擊性行為、痙攣、呻吟等。有研究顯示，用CO2安樂死的小鼠在臥位時(shí)是不敏感的，而用異氟醚安樂死的小鼠在最初臥位時(shí)就有蹬踏反應(yīng)。然而因?yàn)檫\(yùn)動和對刺激的反應(yīng)可能發(fā)生在沒有脊髓結(jié)構(gòu)的情況下，因此僅利用蹬踏作為安樂死壓力的評估方法有其不足。

2.2.3神經(jīng)反射評判：腦電圖(EEG)是評估麻醉深度的一種方法，在動物中，EEG已被用于評估各種麻醉劑以及斷頭術(shù)，頸椎脫臼，異氟烷，氯化鉀或CO2過量使用的安樂死。目前評估嚙齒類安樂死腦電圖反應(yīng)的研究較少，少量的研究發(fā)現(xiàn)斷頭后皮質(zhì)功能中斷而皮質(zhì)活動仍存在15到20 s。但通過EEG無法確定的無意識狀態(tài)的確切發(fā)生，因此將EEG用作無意識狀態(tài)的確定，仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

2.2.4心血管反應(yīng)的評判：疼痛和壓力會導(dǎo)致兒茶酚胺水平升高，隨后心率和血壓升高。動物研究發(fā)現(xiàn)安樂死試劑可導(dǎo)致心率和血壓驟升，說明安樂死對動物產(chǎn)生了壓力，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，壓力水平并沒有因使用安樂死的方法不同而有所不同。如果壓力水平與安樂死方法沒有對應(yīng)關(guān)系，那么心血管參數(shù)的變化就不是評判安樂死壓力水平的理想?yún)?shù)。

2.3 CO2安樂死的具體實(shí)施方法及倫理分析

CO2安樂死過程中，動物在無意識前的不適與CO2濃度和室腔換氣率(CRR)相關(guān)，研究表明混合使用麻醉劑和其他吸入性氣體能一定程度上改善動物無意識前的感受。因此，以下將重點(diǎn)討論CO2安樂死實(shí)施過程中，最佳的CO2濃度和CRR以及輔助性麻醉藥物或氣體的使用。此外，還將討論特殊時(shí)期的大小鼠如孕鼠，胎鼠和新生鼠等的CO2安樂死實(shí)施方法，以及不同品種和飼養(yǎng)環(huán)境等對安樂死實(shí)施的影響。

腔室內(nèi)CO2最佳更換率及濃度實(shí)驗(yàn)表明：小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的CO2CRR對心血管數(shù)據(jù)、疼痛或ACTH水平的影響都沒有顯著差異。因此建議使用較快的CO2流速較快誘導(dǎo)安樂死。然而也有研究得出與此相反的結(jié)果，在HiRoad安樂死室(Lab Etc.，Clayton，DE)中比較使用慢流(30%)CO2和快速流(70%)CO2實(shí)施安樂死發(fā)現(xiàn)，快速流動CO2中CD1小鼠焦慮行為增加。提示安樂死過程中使用的技術(shù)和評價(jià)指標(biāo)的差異可能影響結(jié)果的判斷。

有證據(jù)表明不同濃度的CO2會導(dǎo)致動物的痛苦和/或疼痛。根據(jù)Leach的研究，在人類，大鼠和貓中，大多數(shù)傷害感受器能被40 %CO2激活[5]。在小鼠中，已經(jīng)顯示濃度為10 %的CO2就可以通過凍結(jié)和激活邊緣結(jié)構(gòu)包括杏仁核誘發(fā)恐懼[6]。在大鼠中，二氧化碳濃度達(dá)到30%～40%就可以導(dǎo)致無意識；然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使使用100 %CO2預(yù)先填充氣室，在大鼠和小鼠中誘發(fā)快速皮質(zhì)腦的損傷也分別需要39 s和30 s，此前，動物將飽受痛苦。

因此根據(jù)上述研究數(shù)據(jù)，使用較高的流速以及低于誘發(fā)疼痛的濃度(<40%)是CO2輸入較理想的方式。目前CO2安樂死的推薦程序?yàn)椋菏褂脷飧桌锏膲嚎sCO2并結(jié)合流量計(jì)以精確調(diào)節(jié)流量。起初氣流應(yīng)恒定在15%至35%V/min，在LOC后(一般需要49 s)增加流量[7]。同時(shí)在臨床死亡后應(yīng)至少維持1 min氣流，避免逆轉(zhuǎn)。此外，國內(nèi)研究者趙建文等關(guān)于安樂死箱設(shè)計(jì)的研究報(bào)道可為安樂死容器的選擇提供一定的參考[8]。

2.4 CO2與其他麻醉劑的聯(lián)合使用

研究表明，加入一氧化二氮(N2O)、氧(O2)或異氟醚可以改善CO2暴露的不良反應(yīng)，減少呼吸困難的發(fā)作。與單獨(dú)使用CO2相比，N2O與CO2的聯(lián)合使用能將LOC的時(shí)間縮短10%。但N2O存在潛在的人類濫用的危險(xiǎn)；O2的加入可以防止缺氧，從而減少痛苦。然而，也有研究表明將O2添加到CO2中對動物厭惡情緒的改善效果甚微甚至沒有效果。補(bǔ)充O2還可能引起LOC之前的肺部出血[9]。因此，美國獸醫(yī)協(xié)會(American Veterinary Medical Association，AVMA)安樂死小組認(rèn)為，將O2與CO2聯(lián)合用于安樂死沒有任何優(yōu)勢；在小鼠實(shí)驗(yàn)中，異氟醚的加入可在一定程度上(10%)減少動物L(fēng)OC的時(shí)間，但研究發(fā)現(xiàn)與30%CO2相比，小鼠對異氟醚產(chǎn)生較強(qiáng)烈的抵抗和焦慮行為，包括逃避及蹬踏反應(yīng)等[10]。雌鼠在斷頭術(shù)前短暫的異氟醚暴露還可提高血漿皮質(zhì)醇濃度，雄性則出現(xiàn)ACTH分泌量增加，表明壓力增大[10]。綜上所述，異氟醚盡管在一定程度上減少了動物安樂死LOC的時(shí)間，但是給動物增加了更大的壓力，單獨(dú)使用異氟醚或與CO2混合使用施行安樂死并不合理。但有一種情況例外，與異氟醚相比，CO2安樂死會導(dǎo)致較高頻率的肺組織學(xué)損傷。因此在需要肺組織學(xué)分析的情況下，可優(yōu)先選擇異氟醚。

3 胎鼠和新生鼠

針對胎兒安樂死建議的具體方法基于其神經(jīng)元發(fā)育情況。由于具備非功能性大腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下腦結(jié)構(gòu)，小于15日齡胎鼠被認(rèn)為不具備疼痛感知，處死母鼠的同時(shí)即能引起胎兒的快速無痛苦死亡。因此，安樂死的實(shí)施主要針對15日胎齡后的胎鼠。但在安樂死方法的選擇上，還應(yīng)兼顧實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒Y(jié)果，尤其是需要獲取胎兒或種質(zhì)進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)時(shí)。有研究比較了頸椎脫臼與CO2安樂死，發(fā)現(xiàn)兩種方法并沒有造成胚胎數(shù)量及胚胎生存力的差異。然而，也有研究工作表明動物用CO2安樂死后精子和卵母細(xì)胞功能與斷頭法比較存在差異，因此實(shí)驗(yàn)者應(yīng)該同時(shí)兼顧實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮透＠麄惱硪筮x擇恰當(dāng)?shù)陌矘匪婪椒?。?dāng)胎兒不用于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)時(shí)，對母鼠施行安樂死則可重點(diǎn)考慮較快的腦缺氧和最小的子宮破裂，例如通過使用CO2安樂死后進(jìn)行頸椎脫位。

研究表明新生的大小鼠對缺氧有抵抗，CO2暴露后成年嚙齒動物與新生兒的死亡時(shí)間有巨大差異。在大鼠中，隨著年齡的增長死亡時(shí)間穩(wěn)步下降，即日齡越小，所需LOC時(shí)間越長。10日齡小鼠CO2暴露5 min后會100%的被安樂死。100%的死亡時(shí)間在第0至10天之間每天降低3 min[11]。因此，對新生大小鼠施行CO2暴露安樂死，必須徹底修改成年動物所使用的劑量和方法。此外，當(dāng)使用CO2施行安樂死時(shí)，還觀察到小鼠心臟停博后的恢復(fù)，因此建議延長CO2暴露時(shí)間，并應(yīng)用二次安樂死方法，如斷頭術(shù)以減少動物的痛苦。

4 影響安樂死的其他因素

動物的品種和飼養(yǎng)環(huán)境也會影響HPA對壓力源的反應(yīng)，因此CO2安樂死除了考慮CO2本身以外，還應(yīng)考慮其他因素對動物福利的影響。在實(shí)施CO2安樂死期間，C57BL /6小鼠比CD1小鼠喪失意識時(shí)間更短，但反應(yīng)更劇烈。在21%CO2CRR下，BALB /c小鼠肺出血的嚴(yán)重程度較C57BL /6小鼠高[12]。因此，應(yīng)該兼顧實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛣游锔＠x擇恰當(dāng)?shù)陌矘匪婪椒?。此外，研究顯示小鼠對共同飼養(yǎng)了14 d或21 d其他小鼠，表現(xiàn)出同情心，但對于一個(gè)陌生小鼠沒有反應(yīng)[13]。因此，在實(shí)施安樂死過程中小鼠是否熟悉那些被同時(shí)安樂死的小鼠，也應(yīng)予以考慮。

5 小結(jié)

盡管CO2應(yīng)用于安樂死存在一些有爭議的問題，但作為一種安全有效、簡便易行、成本低廉的安樂死方法，越來越受到研究人員的青睞。目前，在安樂死的實(shí)施方法中，存在一些不同的觀點(diǎn)。關(guān)于麻醉藥品的使用，一些研究者主張先通過麻醉藥實(shí)現(xiàn)意識喪失，然后使用CO2達(dá)到死亡[14]。而另一些研究者認(rèn)為使用替代性氣體如異氟醚、氬氣和氮?dú)鈱Π矘匪啦]有人性化改進(jìn)；關(guān)于CO2的流速也存在兩種觀點(diǎn)，AVMA安樂死小組建議使用10%至30%CRR的CO2[14-15]。減少動物痛苦。而另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，只要動物沒有經(jīng)歷疼痛(小鼠在CO2達(dá)到40%的疼痛誘導(dǎo)水平之前無疼痛)，推薦使用更快的CO2CRR來減少小鼠LOC的時(shí)間；此外，安樂死方法選擇的另一難點(diǎn)在于動物的意識的評判。評判標(biāo)準(zhǔn)能否真實(shí)客觀地與動物的疼痛/痛苦相關(guān)聯(lián)是評判安樂死方法選擇的關(guān)鍵。因此，在后續(xù)的研究中，仍然需要積累更多的關(guān)于安樂死評判的數(shù)據(jù)，更加客觀真實(shí)地判斷動物在LOC前的生理和心理狀態(tài)，為安樂死方法的選擇提供確切的依據(jù)。

我們認(rèn)為盡管CO2在安樂死過程中出現(xiàn)壓力，但目前沒有一種安樂死方法不會導(dǎo)致壓力。因此，在沒有更好的替代藥物的情況下，鑒于CO2的簡便易行，危害小，成本低，使用CO2實(shí)施大小鼠的安樂死不失為一種較理想的辦法。