周 杰 劉 艷 孟令軍 李臣亮 周毓麟

吉林大學生命科學學院 吉林長春 130012

溫帶生物果蠅作為重要的模式生物，在遺傳[1]、發(fā)育[2]、衰老[3]、腫瘤[4]、神經(jīng)退行性疾病[5]等領(lǐng)域具有重要的地位，是中學及高校本科生物學實驗教學中重要的實驗對象。對果蠅進行麻醉是完成對果蠅進行觀測和挑選的重要步驟。

長期以來，國內(nèi)各級院校因廉價和便捷一直采用乙醚作為果蠅的麻醉試劑并在實驗室內(nèi)對果蠅進行麻醉操作，但是隨著科技的發(fā)展和人們認知水平的提高，乙醚作為實驗試劑的安全隱患越來越引起人們的注意。乙醚作為國家二級易制毒管控試劑，具有揮發(fā)性并且易燃易爆，同時對實驗操作者具有一定的毒害作用。Van Dijken指出，乙醚可以在長達400小時的時間內(nèi)抑制果蠅的行為[6]，因此探索新的安全、環(huán)保的果蠅麻醉方法就成為生物學實驗教學的急迫需求。

吉林大學生命科學學院2012級本科生在遺傳學實驗過程中提出置換乙醚麻醉技術(shù)增加生物實驗安全性的想法，申請并獲得了吉林大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(2014B34084)資助，在教師指導及碩士研究生協(xié)助下完成果蠅低溫麻醉設(shè)備的設(shè)計及試制。

1 果蠅低溫麻醉設(shè)備的工作原理

目前，果蠅低溫生物學研究認為，作為溫帶生物果蠅，在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)寒意昏迷的現(xiàn)象，在一定的低溫環(huán)境中保持一定時間后果蠅轉(zhuǎn)移至常溫環(huán)境中可以恢復行動能力，其生殖行為及表觀性狀不受影響。

基于上述信息，項目組從麻醉時間、麻醉率、果蠅蘇醒時間、蘇醒率、24小時生存率、繁殖能力、壽命及攀爬指數(shù)等角度探索了相對適合麻醉果蠅的低溫操作區(qū)間(—10 ℃)以及麻醉狀態(tài)保持時間(大于10分鐘)；這在實驗安全的基礎(chǔ)上，為針對麻醉果蠅后續(xù)的觀察及操作提供了足夠的時間。

2 低溫環(huán)境實現(xiàn)的困窘及改進

前期工作中利用冰鹽浴，確定了—10 ℃可以滿足對果蠅進行低溫麻醉。但是實驗過程中，發(fā)現(xiàn)冰鹽浴低溫針對果蠅麻醉操作具有溫度波動大、穩(wěn)定性差的缺點，同時冰鹽浴低溫操作不可避免地帶來實驗試劑的排放，缺乏環(huán)境友好性，為了克服冰鹽浴的上述缺點，設(shè)計并構(gòu)建了共低溫艙低溫溫控設(shè)備進行果蠅麻醉的操作[7]。

該設(shè)備極大地滿足了碩士研究生及參與大創(chuàng)學習本科生進行果蠅麻醉相關(guān)科學研究需求。在該設(shè)備應(yīng)用于本科實驗教學過程中，發(fā)現(xiàn)與科學研究中使用該設(shè)備不同，本科實驗教學中，存在操作者人數(shù)多、協(xié)同性低、儀器使用頻率高、持續(xù)工作時間長的問題，已構(gòu)建的共低溫艙設(shè)備雖依然可以滿足本科生的實驗教學需求[8]，但是出現(xiàn)持續(xù)性不足和穩(wěn)定性差的缺點。

為了進一步彌補低溫果蠅麻醉設(shè)備的不足，設(shè)計了彼此空間獨立的、可以滿足多組實驗操作者在互不干擾的前提下進行實驗操作的低溫果蠅麻醉空間，在吉林大學實驗技術(shù)項目的支持下，對已有果蠅低溫麻醉設(shè)備進行了重構(gòu)和改造。

3 抗干擾溫度穩(wěn)定果蠅低溫麻醉設(shè)備的開發(fā)

3.1 大冷室及小麻醉室

為了避免多組實驗操作者共同高頻率使用時對實驗設(shè)備內(nèi)低溫環(huán)境的干擾，果蠅低溫麻醉裝置采用共冷艙聯(lián)合獨立低溫室設(shè)計，并克服共低溫艙低溫麻醉設(shè)備易受環(huán)境及果蠅麻醉瓶進出帶來的熱效應(yīng)的影響，構(gòu)建了與外界相對隔離的大冷室小果蠅麻醉低溫室果蠅低溫麻醉裝置。果蠅麻醉室與大冷室之間采用金屬板進行隔離，果蠅麻醉室總體積小于大冷室體積的1/20。確保設(shè)備工作時，果蠅麻醉瓶的進出帶來的熱效應(yīng)對大冷室干擾降至最低。

3.2 換熱管纏繞和大功率風機聯(lián)合作用

以金屬換熱管蛇形纏繞果蠅麻醉室外壁，以大功率風機保持大低溫冷室內(nèi)的空氣流動，迅速抵消外來果蠅麻醉瓶及麻醉室艙門開關(guān)帶來的環(huán)境熱效應(yīng)，確保每個麻醉室之間溫度一致。

3.3 獨立低溫果蠅麻醉室

每個麻醉室采用金屬傳導，換熱管緊密纏繞每一個麻醉室，使得每個麻醉室金屬壁各處溫度基本一致，果蠅麻醉瓶進入低溫室內(nèi)實現(xiàn)果蠅麻醉，通過蛇形換熱管的纏繞和封閉共冷艙內(nèi)冷空氣的介導，實現(xiàn)設(shè)備每一個麻醉室具有相同的溫度，大功率的壓縮機和風扇確保設(shè)備能急速提高足夠的低溫補償果蠅麻醉瓶進入麻醉室?guī)淼臒嵝?yīng)(如圖1所示)。

圖1 抗干擾溫度穩(wěn)定果蠅低溫麻醉設(shè)備剖面示意圖

4 低溫果蠅麻醉設(shè)備在本科實驗教學中的應(yīng)用

在吉林大學生命科學學院2012級本科學生實驗教學中，低溫果蠅麻醉設(shè)備首次試用于遺傳學實驗教學，40名學生共分成20組，其中10組使用低溫果蠅麻醉設(shè)備，另外10組使用傳統(tǒng)的果蠅麻醉技術(shù)作為參照。

按照生物學基礎(chǔ)實驗教程[10]，乙醚麻醉果蠅實驗組，學生首先需要把果蠅從培養(yǎng)瓶轉(zhuǎn)至麻醉瓶，然后在麻醉瓶中加入適量乙醚，待果蠅麻醉后，轉(zhuǎn)至表面皿或者顯微鏡下進行性狀觀察、雌雄果蠅挑選等操作。由于本科學生實驗操作經(jīng)驗不足，挑選果蠅和觀察果蠅性狀需要更多時間，往往出現(xiàn)后續(xù)操作未完成但果蠅已經(jīng)蘇醒的問題，于是不得不進行反復麻醉以完成實驗內(nèi)容。這樣，一方面由于乙醚量加大而使實驗對象果蠅的生理行為受到影響；另一方面空氣中乙醚濃度增高對實驗操作人員的身體健康產(chǎn)生影響；更為麻煩的是，對于易燃藥品乙醚的用量難以控制，而使監(jiān)管難度加大。

低溫果蠅麻醉設(shè)備使用組，首先實驗前設(shè)備經(jīng)預冷1小時后，達到實驗所需溫度，按照自主專利設(shè)定設(shè)備果蠅麻醉時間[7]，將果蠅轉(zhuǎn)至麻醉瓶，輕敲瓶底使果蠅落于瓶底后迅速放置于麻醉室內(nèi)(如圖1所示)，靜置足夠時間，取出果蠅麻醉瓶，可見果蠅全部麻醉。按照自主專利程序?qū)嵤┕壍蜏芈樽聿僮鱗11]，將其中果蠅轉(zhuǎn)至冰臺上的表面皿中，進行性狀觀察以及雌雄果蠅挑選等操作，果蠅可以長時間保持在麻醉狀態(tài)下，無須進行反復麻醉。

與乙醚麻醉相比，低溫果蠅麻醉技術(shù)既節(jié)省了實驗時間又避免了有毒有害試劑排放。乙醚和低溫麻醉在本科學生遺傳學實驗教學中的試用結(jié)果見表1，從表1中可以看出低溫果蠅麻醉設(shè)備使用后，避免了麻醉操作的反復進行，實驗整體完成時間大幅縮短，學生在實驗總課時不增加的前提下，除可以完成乙醚麻醉后的果蠅計數(shù)、雌雄果蠅挑取任務(wù)外，還可以有充裕的時間進行不同突變品系果蠅的性狀觀察，如棒眼、殘翅、焦剛毛等，還可以進行不同突變品系果蠅雜交實驗，使學生可以在有限的課時內(nèi)完成更多的實驗操作，學習更多的實驗技能，大大提高了學生的實驗熱情。

表1 幾種麻醉方法應(yīng)用對比

表1(續(xù))

迄今為止，低溫果蠅麻醉設(shè)備已應(yīng)用于遺傳學實驗、研究創(chuàng)新實驗、生物工程校內(nèi)實訓實習等實驗課程，生物科學、生物技術(shù)、制藥工程、藥物制劑、唐敖慶班以及非生物類專業(yè)近2 000名學生因此受益。

5 結(jié)語

低溫麻醉與傳統(tǒng)乙醚麻醉相比具有零排放、環(huán)境友好的特點，對實驗人員和實驗對象均有較高的安全性，設(shè)備的高穩(wěn)定性和可控性為研究果蠅的低溫生物學行為提供了有效的技術(shù)支持，該設(shè)備適用于所有以果蠅為對象的麻醉操作，具有廣闊的應(yīng)用前景(見表1)。

在設(shè)備的設(shè)計、構(gòu)建、調(diào)試與應(yīng)用過程中，學生的學習興趣得到了極大的激發(fā)，更多的火花得以碰撞和綻放，3屆10余人的本科生大創(chuàng)團隊和碩士研究生帶著來自實驗教學和科學研究中的需求與疑問，通過自身的努力與團隊的協(xié)作，克服種種困難。從無到有，調(diào)整設(shè)備設(shè)計思路、完善設(shè)備細節(jié)、使設(shè)備進一步適用于果蠅低溫生理及行為研究。團隊成員申請并獲得國家發(fā)明專利1項[11]，實用新型專利1項[7]，發(fā)表科研文章1篇[12]，教學改革文章1篇[8]，獲得“島津—華爾達杯”第四屆吉林省大學生生命科學創(chuàng)新實驗大賽一等獎，陸續(xù)還有發(fā)明專利、外觀設(shè)計專利和實用新型專利在撰寫和申請中。