小鼠腸道組織結構在低溫環境下的適應性調整

呂建偉,李小鵬,謝振麗,朱 琨,謝志剛,徐興軍,王昌河,,*

1 齊齊哈爾大學生命科學與農林學院, 齊齊哈爾 161006 2 西安交通大學生命科學與技術學院, 西安 710049

寒冷是北方野生小哺乳動物經常遇到的環境壓力, 溫度作為自然環境中最重要的影響因子之一, 對動物的生長發育、取食消化、代謝產熱與繁殖活動等都會產生顯著的影響[1- 4]。作為動物處理、消化、吸收食物和獲得能量的重要器官,消化道的形態結構直接影響動物對食物的攝取和能量的吸收,進而影響其生長發育與繁殖。消化道大小和形態的自我調節是動物獲能策略的重要組成部分,是動物對外界環境條件與自身生理需求作出的響應和適應性調整,其變化與環境溫度、食物質量[5-8]以及繁殖狀況[9-10]等因素密切相關。因此,研究長期冷暴露下小型嚙齒動物消化道形態與組織結構的變化不僅有助于理解小型動物在低溫環境下的取食與消化對策,還對理解生物在極端溫度環境下的能量代謝及其適應性調整具有重要的生物學意義。

小型動物主要通過消化道容積的改變和消化道壁組織結構的改變來調節其形態結構,以適應其在不同環境及其不同生理條件下的能量需求。在環境溫度低、能量需求增加或食物質量下降的情況下,為滿足代謝需求,小型恒溫動物通常會增加消化道容積或道壁組織結構以提高攝食量或提高消化效率。如, 張志強和王德華[11]對能蒙古太仆寺旗的長爪沙鼠腸道長度的季節變化進行了系統研究,發現其小腸和大腸長度在春冬季最長、夏季最短。朱萬龍等[12]發現橫斷山區大絨鼠小腸和盲腸長度隨溫度降低而顯著增加。Del Valle等[13]則發現冷暴露條件下南美原鼠(Akodonazarae)小腸的長度和鮮重均大于對照組。宋志剛等人[14]發現長期冷暴露孕鼠(Microtusbrandti)的胃、小腸、盲腸和結腸鮮重明顯高于溫暖環境下的孕鼠和非繁殖期雌鼠。目前大多的研究報道主要集中在消化道的長度及重量的變化上,認為較長的消化道長度意味著較大的腸腔容量,而較大的鮮重和干重則代表較復雜的腸道微結構和更為有效的消化與吸收效率[13]。

腸道是由腸絨毛、腸腺、毛細血管、毛細淋巴管及內層環肌與外層縱肌等組成的多層次的復雜而精密的組織結構,這些結構的可變性與多變性是引起腸道組織針對外界環境做出適應性調整的重要方式。一般認為消化道容積的改變可能是由消化道長度或管徑的變化引起的,而其組織結構的變化主要表現為微絨毛數量、漿膜厚度、管壁厚度及其他組織結構的變化。因此,長度和重量兩個簡單的指標無法真正體現腸道組織精細而復雜的可塑性變化[15]。如,Dou等的研究結果表明限制飲食將導致大鼠小腸萎縮,表現為絨毛長和隱窩深的顯著降低[16]。 Samanya和Yamauchi發現喂食B. subtilis natto會抑制氨的產生、促進細胞有絲分裂進而導致小腸絨毛長度增加[17]。眾所周知，低溫條件可以引起小型哺乳動物能量需求的增加，然而, 小型哺乳類腸道組織結構的變化目前還不清楚。本研究對小鼠各腸道組織結構(消化道各器官的長度、鮮重、干重以及十二指腸的腸壁總厚度、絨毛高度、內半徑、外半徑)在長期冷暴露條件下所做出的適應性變化進行了系統分析,不僅對長期處于低溫條件下的小鼠消化道形態變化研究,同時對小鼠消化道形態及其組織結構-橫截面積在低溫環境下的適應性調整進行了系統研究,這為深入理解小型哺乳類在低溫環境下的消化策略及其適應模式具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

實驗動物為20日齡的昆明小鼠,將其隨機分為常溫對照飼養組(25℃)和低溫飼養組(10℃)飼養,除溫度外其他飼養條件相同。飼養過程中每日打掃鼠舍,添加鼠糧(江蘇省協同醫藥生物工程有限責任公司)及清水,每5日采用精度為1 g的電子秤測量小鼠體重,共馴化3個月。

1.2 消化道形態結構測量

按0.6 mL/100 g體重腹腔注射10%的水合氯醛(國藥集團化學試劑有限公司)將實驗小鼠進行麻醉,首先使用300 mL的生理鹽水進行心臟灌流,原則是先快后慢。生理鹽水灌流結束后,改用200 mL 4% 的多聚甲醛進行預固定,小心的取出胃腸器官,置于生理鹽水中,分離出胃(stomach,ST)、小腸(small intestine,SI)、大腸(large intestine,LI)及盲腸(caecum,CA),小心剔除腸系膜及其他組織,以生理鹽水沖凈內容物,平展為最大長度,但不要拉伸,采用精度為1 mm的軟尺測量小腸、盲腸、大腸的長度(length, L),胃長采用精度為0.02 mm的游標卡尺進行測量；取十二指腸近胃2 cm處的片段,置于10%的甲醛溶液中固定,以備組織切片；用濾紙吸干剩余部分后用精度為0.1 mg的電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司,BSA6202S-CW)稱取各器官鮮重(empty,E)；然后將各器官置于60℃烘箱內烘干12 h,待重量穩定后稱其重量并記錄。

1.3 消化道組織結構觀察與測量

十二指腸為食物消化與營養吸收的主要場所,因此本研究采用十二指腸作為主要實驗材料,經12—24 h的固定后,經常規的水洗、脫水、透明、浸蠟和包埋處理,在室溫下用德國Leica組織切片設備進行切片,切片厚度約8m,切片用蘇木精-伊紅染色法進行染色,封固后用德國Zeiss激光掃描共聚焦顯微鏡LSM510進行觀察。選取絨毛完整、走向平直的經典視野采集圖像,并用Zeiss LSM Image Browser (Version 3.0)進行定量分析,測定腸道截面積、腸腔截面積、腸壁總厚度、絨毛高度、絨毛寬度、直腸的環肌層厚度和縱肌層厚度等生理指標,進行統計分析。

1.4 數據處理

成像數據使用Zeiss LSM Image Browser(Version 3.0)和MBF ImageJ(NIH)進行統計和分析,各指標均以平均值±標準差(Mean ± SE)表示,采用Student′st-test進行統計學檢驗,P<0.05被認為是差異顯著。所有統計分析借助SPSS 13.0 統計軟件完成。

2 結果與分析

2.1 消化道的形態學變化

常溫及低溫組小鼠的體尺測量及消化道各器官(胃、小腸、大腸、盲腸)的長度、鮮重與干重測量結果如表1所示。低溫飼養小鼠的體重(P<0.05)、消化道總長(P<0.01)均明顯增加。胃長、胃鮮重、胃干重在兩組小鼠之間均未表現出顯著性差異(P>0.05),提示胃容量和組織結構對外界環境溫度變化的敏感性較低。低溫組小鼠的小腸長度顯著增加(P<0.001),但其鮮重卻明顯降低(P<0.05)。低溫小鼠大腸的長度和鮮重均未發生顯著變化(P>0.05),其干重顯著增加(P<0.05)。在長期冷暴露下,小鼠盲腸的長度顯著增加(P<0.05)、但其鮮重和干重卻未發生顯著變化(P>0.05)。

表1 常溫與低溫組小鼠消化道形態結構比較

*P<0.05; **P<0.01; ***P<0.001

2.2 十二指腸組織結構變化

運用組織切片技術分別對兩組小鼠十二指腸的外徑截面積、內徑截面積、外徑截面積-內徑截面積、絨毛長度、絨毛寬度和腸壁總厚度以及直腸的截面積、環肌層厚度和縱肌層厚度進行觀察和比較(圖1),進而分析長期冷暴露對小鼠消化道各項組織學指標的影響,統計結果見表2。低溫組小鼠的腸道和腸壁組織截面積均顯著減少(P<0.05),而腸腔隙截面積則未發生顯著變化(P>0.05),暗示其腸道組織在低溫環境下發生萎縮。與此相一致,低溫組小鼠的腸壁厚度也顯著減小(P<0.05)。與腸壁厚度降低相反,低溫組小鼠的絨毛高顯著增加(P<0.001),而其寬度則未發生明顯變化(P>0.05),提示其黏膜層厚度增加,而黏膜下層結構則趨于萎縮。在低溫飼養條件下,小鼠十二指腸的肌肉層厚度顯著增加(P<0.01)。

圖1 常溫與低溫飼養小鼠十二指腸的組織切片Fig.1 Representative micro-graphs of duodenal sections of mice maintained at 25℃ (Control) or 10℃The intestinal tissue was fixed with 10% formaldehyde solution, dehydrated in ascending series of ethanol, cleared in xylene, embedded in paraffin, sectioned, and stained with haematoxylin and eosin. The sections were observed with a Laser Scanning Confocal Microscope (LSM510, Zeiss). Scale bars: 500 μm for upper panels, 200 μm for middle panels, and 50 μm for lower panels

指標Item低溫組Lower temperature 10℃常溫對照組 Control 25℃P腸道截面積 Section area/mm22.9059±0.14903.4851±0.19430.038*腸腔截面積 Lumen area/mm20.3693±0.05400.3599±0.02380.888腸壁截面積 Wall area/mm22.5066±0.12093.1253±0.18180.021*腸壁厚 Wall thickness/μm550.3±11.94589.7±13.240.044*絨毛高 Villus height/μm409.7±12.89330.0±12.920.0001***絨毛寬 Villus width/μm76.1±3.6283.5±2.720.11肌層厚 Muscle thickness/μm17.5±0.9713.9±0.780.002**

*P<0.05;**P<0.01;***P<0.001

3 討論

寒冷是北方野生小哺乳動物冬季生存所要面臨的最重要的環境壓力之一, 作為動物處理、消化、吸收食物和獲得能量的重要器官,消化道的形態結構表現出極大的可塑性,以適應它們在低溫環境下的能量獲取與分配的需求。然而,小型哺乳類腸道組織結構是如何隨外界環境變化而發生相應的適應性調整的目前還不清楚。本研究首次對小鼠消化道形態及其組織結構在低溫環境下的適應性調整進行了系統研究,結果表明,低溫小鼠腸道組織的形態結構及組織結構均已經產生了適應性調整,它們主要通過增加消化道的長度和營養物質的吸收面積來增加食物攝取量、營養的吸收速率和吸收效率等,進而滿足其在低溫條件下能量需求的增加。

低溫飼養小鼠的體重(P<0.05)、消化道總長(P<0.01)均顯著增加,表明小鼠可能在寒冷環境下對能量需求很高,并通過提高消化道容納能力而獲得更多的能量。同時,低溫組小鼠的小腸長度顯著增加(P<0.001),腸腔橫截面積沒有發生明顯變化,提示小鼠腸道容量明顯增加,表明小鼠在寒冷環境下主要通過提高食物在小腸中的滯留時間和消化吸收面積而獲得能量收支。低溫組小鼠盲腸長度顯著增加(P<0.05),暗示在寒冷環境下代謝率下降、食物利用率低下,小鼠可能通過增加盲腸長度而額外獲得部分能量。胃長、胃鮮重、胃干重在兩組小鼠之間均未表現出顯著性差異(P>0.05),提示胃容量和組織結構對外界環境溫度變化的敏感性較低。小腸,十二指腸,盲腸在寒冷環境下的變化表明消化道的形態結構表現出極大的可塑性,以適應它們在低溫環境下的能量需求。

十二指腸的組織結構測量結果表明,低溫組小鼠的腸道和腸壁組織截面積均顯著減少(P<0.05),而腸腔隙截面積則未發生顯著變化(P>0.05),暗示其腸道組織在低溫環境下發生萎縮。與此相一致,低溫組小鼠的腸壁厚度也顯著減小(P<0.05)。與腸壁厚度降低相反,低溫組小鼠的絨毛高顯著增加(P<0.001),而其寬度則未發生明顯變化(P>0.05),提示其黏膜層厚度增加,而黏膜下層結構則趨于退化,表明小鼠在寒冷環境下通過提高消化和吸收營養物質的能力而增加能量獲取。在低溫飼養條件下,小鼠十二指腸的肌肉層厚度顯著增加(P<0.01),表明小鼠在寒冷環境下可以增加消化道蠕動力而增加消化與吸收效率。這些研究結果表明,小型哺乳動物在寒冷環境下主要通過提高腸道組織的容納量與黏膜層厚度及腸道蠕動能力等來提升單次攝食量、食物消化與營養吸收效率等來滿足其高體溫調節價下的能量需求。

綜上所述,本研究首次在組織水平研究了小型哺乳動物的消化道結構及其消化策略在低溫環境下的適應性調整,它們主要通過增加消化道長度、腸道表面積及肌肉層厚度等來提高其食物消化和營養吸收效率,以便更好地適應環境溫度變化導致的能量需求變化。