Schnelle Ammoniakbildung

Lab Animal Band 52, Seiten 130–135 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Wir wollten untersuchen, ob unterschiedliche Einstreumengen einen Einfluss auf den Ammoniakspiegel innerhalb des Käfigs in individuell belüfteten Mäusekäfigen (Euro-Standard-Typen II und III) haben. Unser Ziel ist es, den Ammoniakspiegel unter 50 ppm zu halten, indem wir routinemäßig alle zwei Wochen den Käfig wechseln. In kleineren Käfigen, die zur Zucht oder zur Unterbringung von mehr als vier Mäusen genutzt wurden, haben wir problematische Ammoniakwerte innerhalb des Käfigs gemessen, und ein beträchtlicher Teil dieser Käfige wies gegen Ende des Käfigwechselzyklus Ammoniakwerte von mehr als 50 ppm auf. Diese Werte wurden nicht wesentlich verringert, wenn der Anteil der absorbierenden Holzspäne-Einstreu um 50 % erhöht oder verringert wurde. Die Mäuse in beiden Käfigtypen II und III wurden in vergleichbarer Besatzdichte gehalten, der Ammoniakgehalt in größeren Käfigen blieb jedoch niedriger. Dieser Befund unterstreicht die Rolle des Käfigvolumens und nicht nur der Bodenfläche bei der Steuerung der Luftqualität. Angesichts der aktuellen Einführung neuer Käfigdesigns, die einen noch kleineren Kopfraum nutzen, mahnt unsere Studie zur Vorsicht. Bei individuell belüfteten Käfigen können Probleme mit Ammoniak innerhalb des Käfigs unentdeckt bleiben und wir entscheiden uns möglicherweise für unzureichende Käfigwechselintervalle. Nur wenige moderne Käfige sind so konzipiert, dass sie den Mengen und Arten der Anreicherung Rechnung tragen, die heute verwendet (und in Teilen der Welt vorgeschrieben) werden, was zu den Problemen führt, die mit abnehmenden Käfigvolumina einhergehen.

Die Unterbringung von Labornagetieren in individuell belüfteten Käfigsystemen (IVC) verbessert angeblich die Umgebung sowohl der Tiere als auch ihrer Halter. Im Vergleich zur herkömmlichen Haltung in offenen Käfigen verringern IVCs das Risiko einer schnellen Ausbreitung von Infektionen in Tierkolonien und ermöglichen gleichzeitig eine bessere Kontrolle des Mikroklimas in den Käfigen in Bezug auf Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftqualität1,2. Für die Tierpfleger reduziert die Isolierung der Luft aus den Käfigen die Ausbreitung von Allergenen, beseitigt Gerüche und führt eine physische Barriere ein, die sie vor potenziell toxischen Verbindungen schützt, mit denen Tiere möglicherweise dosiert werden3,4,5. Die Luftqualität in Käfigen lässt sich leicht durch eine hohe (aktive) Belüftungsrate aufrechterhalten6. Gleichzeitig kann die Belüftung auf Raumebene, bei der ein wesentlich größeres Luftvolumen verwaltet wird, reduziert werden7, wodurch die Stromkosten gesenkt werden. Folglich bieten IVC-Systeme im Vergleich zu offenen Käfigen weitere Vorteile, wie z. B. eine Reduzierung der Facility-Management-Kosten, da Heizung, Lüftung und Klimaanlagen neben dem Personal die größten Betriebskosten in Tierhaltungseinrichtungen darstellen8,9. Dies wird durch die Entwicklung hin zu einem verlängerten, zweiwöchigen Käfigwechselzyklus verschärft, der durch Verbesserungen in der Umgebung innerhalb des Käfigs10 vorangetrieben wird, was zu noch mehr Einsparungen führt.

Wichtig ist, dass sich IVC-Systeme beispielsweise gegenüber Filterkäfigen als überlegen erwiesen haben, wenn es darum geht, die Ansammlung von Ammoniak (NH3) in Käfigen zu reduzieren11,12,13. Von den Käfigbewohnern ausgeschiedene Bakterien können Harnstoff (CO(NH2)2) im Urin verstoffwechseln und Ammoniak (NH3) bilden14,15. Mit der Zeit entsteht durch diesen Prozess eine kompromittierte Umgebung16,17. Ammoniak ist eine schwache Base, die organisches Material angreift und sich in Aerosolform ausbreitet. Säugetierarten haben sich so entwickelt, dass sie selbst geringe NH3-Konzentrationen in der Luft als schädlichen Geruch wahrnehmen. Die meisten Menschen können NH3-Konzentrationen deutlich unter 10 ppm feststellen (Ref. 18). Da in der Luft befindliche NH3-Tröpfchen mit den Schleimhäuten in den oberen Atemwegen und um die Augen reagieren, führt Ammoniak zu Beschwerden19,20. Im Laufe der Zeit treten Korrosionsschäden auf, die sich negativ auf die Gesundheit von Mensch und Tier auswirken21,22,23,24. Wenn der Körper hohen NH3-Konzentrationen ausgesetzt ist, reagiert er darauf – etwa mit Husten und veränderter Atemfrequenz –, um eine Schädigung der Lunge zu verhindern25.

Während es in den meisten Ländern berufsbedingte Expositionsgrenzwerte gibt, die die Ammoniakexposition der Arbeitnehmer begrenzen (häufig auf durchschnittlich 20–25 ppm über einen Arbeitstag festgelegt, wobei für kurze Zeiträume höhere Werte zulässig sind26,27,28), gibt es derzeit keine vereinbarten Grenzwerte für Tiere. wie Labormäuse. Da die NH3-Ansammlung in Käfigen mit verschmutzter Einstreu ein historisches Managementproblem in Labortierhaltungen darstellt, wurden zahlreiche Studien zu den Auswirkungen der NH3-Exposition bei Mäusen durchgeführt29. Während es widersprüchliche Beweise hinsichtlich der Auswirkungen niedriger NH3-Werte im Käfig auf die Gesundheit von Nagetieren gibt, gibt es – zumindest soweit uns bekannt ist – keine Berichte, in denen keine nachteiligen Auswirkungen festgestellt wurden (hauptsächlich Läsionen der oberen Atemwege/Nasen). Durchgang) bei der Unterbringung von Nagetieren in individuell belüfteten Umgebungen, in denen der NH3-Gehalt 50 ppm übersteigt (Ref. 22,23,30,31,32). Dieser Wert wurde daher von Silverman et al.33 als der Wert vorgeschlagen, bei dem Käfige spätestens gewechselt werden sollten.

Im Vergleich zu herkömmlichen offenen Käfigen ist es für Tierpfleger bei IVC-Systemen weniger wahrscheinlich, dass sich Ammoniak ansammelt, insbesondere wenn die IVCs unter Unterdruck betrieben werden und die Rackabluft direkt aus dem Tierraum abgeleitet wird. Erst wenn die Käfige aus den Regalen genommen und geöffnet werden – oft in einem prozessbelüfteten Bereich – kann der Geruch von Ammoniak wahrgenommen werden. Aber selbst dann gleicht sich das relativ kleine Luftvolumen im Käfig mit dem wesentlich größeren Luftvolumen im Schrank oder Raum aus. Wir vermuten, dass Tierpfleger die Ammoniakbildung in IVCs daher wahrscheinlich stark unterschätzen.

Bei der routinemäßigen Probenahme von Käfigen in unserer Einrichtung wurden wir darauf aufmerksam gemacht, dass Käfige einen Ammoniakgehalt von über 50 ppm erreichten, was zu einer gründlichen Untersuchung führte. In diesem Artikel untersuchten wir den Einfluss der Käfigbelegung und des Einstreuvolumens auf die Ammoniakbildung in zwei häufig verwendeten IVC-Modellen. Ziel war es, zu ermitteln, bei welchen Käfigen das Risiko besteht, dass sich bei einem regelmäßigen Käfigwechselzyklus ein Ammoniakspiegel von mehr als 50 ppm entwickelt, und festzustellen, ob dem durch eine angemessenere Verwendung saugfähiger Einstreu entgegengewirkt werden kann.

Bei der Probenahme zufällig ausgewählter Käfige (zusammengefasst in Tabelle 1) nach 10–14 Tagen auf derselben Einstreu (Abb. 1) konnte in den kleineren Typ-II-Käfigen ein klarer Zusammenhang zwischen der Anzahl der Mäuse in einem Käfig und dem resultierenden Ammoniak festgestellt werden Ebenen (Regressionsanalyse; F1,401 = 123, P < 1 × 10−24; Erweiterte Daten Abb. 1). Unabhängig von der Käfigbelegung fanden wir Typ-II-Käfige mit einer Ammoniakkonzentration von über 50 ppm (Abb. 1). Besonders ausgeprägt war das Problem jedoch in Nicht-Zuchtkäfigen mit mehr als vier Mäusen und in Käfigen, in denen Zuchttrios untergebracht waren. Im Gegensatz dazu wurden in keinem der größeren Käfige vom Typ III am 14. Tag mehr als 50 ppm gemessen (Abb. 1). Es gab auch eine viel schwächere Beziehung zwischen der Käfigbelegung und den daraus resultierenden Ammoniakwerten für Käfige vom Typ III (Regressionsanalyse; F1,56 = 8,11, P = 0,006; erweiterte Daten, Abb. 1).

Ammoniak innerhalb des Käfigs wird nach Käfigbelegung für kleine (Typ II; links) und größere (Typ III; rechts) IVCs geordnet dargestellt. Die Messungen wurden 10–14 Tage nach dem Käfigwechsel durch Zufallsstichproben durchgeführt. Beachten Sie, dass die Daten auf einer logarithmischen Achse angezeigt werden. Kästchen zeigen Mediane und den Interquartilbereich an, Whiskers kennzeichnen den gesamten Bereich der Daten. Der graue Bereich wird verwendet, um den Bereich mit Messwerten über 50 ppm NH3 hervorzuheben. Die Anzahl und der Anteil der Typ-II-Käfige, die den Grenzwert von 50 ppm überschreiten, sind unten in der Grafik angegeben. Die genaue Zusammensetzung der Gruppen finden Sie in Tabelle 1.

Mit einem solchen explorativen Design haben wir auf übermäßige Hypothesentests verzichtet; Wir werden unsere Daten jedoch verwenden, um einige Behauptungen zu überprüfen, die wir auf der Grundlage früherer Beobachtungen gemacht haben. Tiere, die in den beiden Käfigtypen in vergleichbarer Dichte gehalten würden, wären wesentlich höheren Ammoniakwerten ausgesetzt, wenn sie in einem Käfig vom Typ II gehalten würden. Der Vergleich von Tieren, die bei einer Dichte von 140 cm2 pro Tier oder weniger (d. h. dichter) gehalten wurden, zeigte einen deutlichen Unterschied zwischen den Käfigtypen (Welchs t-Test; t104,2 = 2,43, P < 0,017). Kleine Zuchtkäfige vom Typ II waren insgesamt nicht anfälliger für die Entwicklung hoher Ammoniakwerte als Nichtzuchtkäfige mit der gleichen Anzahl an Mäusen (zweifache Varianzanalyse (ANOVA); F1,138 = 0,21, P = 0,64). Es gab jedoch eine starke Wechselwirkung zwischen der Art des Käfigs und seiner Belegung (F1.138 = 15,0, P < 0,001); Tatsächlich gab es zwar keinen klaren Unterschied zwischen Zucht- und Nichtzuchtkäfigen vom Typ II, in denen Paare untergebracht waren, doch Zuchttrios wiesen im Durchschnitt viel höhere Ammoniakwerte auf als Nichtzuchtkäfige mit drei Mäusen. Wir konnten diese erhöhte Ammoniakansammlung in Trio-Zuchtkäfigen weder auf das Vorhandensein eines Wurfs von Jungtieren vom Typ II (Welch-T-Test; t24,3 = −1,78, P = 0,09) noch vom Typ III (t5,2) zurückführen = 0,17, P = 0,87) Käfige (Extended Data Abb. 2). Die Ammoniakwerte waren vergleichbar, unabhängig davon, ob ein Muttertier ein Kind zur Welt gebracht hatte oder nicht. Bei Zuchtpaaren konnten wir nicht testen, ob ein Wurf Welpen den Ammoniakspiegel zu erhöhen schien, da wir nur ein Zuchtpaar in einem Käfig vom Typ III hatten und nur ein Käfig vom Typ II für einen Wurf Welpen registriert war. Wir konnten keine Daten finden, die einen Einfluss des Geschlechts auf die Ammoniakbildung belegen (Extended Data Abb. 3). Bei der Analyse von Typ-II-Käfigen in einer Zwei-Wege-ANOVA unter Verwendung der Käfigbelegung als Prädiktor konnten wir keinen Einfluss des Geschlechts auf die Ammoniakwerte innerhalb des Käfigs feststellen (F1.392 = 0,56, P = 0,45).

Auch bei der Messung des Ammoniakgehalts in Käfigen mit unterschiedlicher Einstreumenge konnten wir keinen Effekt feststellen (Abb. 2). Angesichts der Tatsache, dass in allen Käfigen drei Ebenen der Einstreu beurteilt wurden (Tabelle 2) und dass die Probenahme sowohl am 7. als auch am 14. Tag erfolgte, hätten wir erwartet, dass unser Experiment alle Veränderungen erkennen würde, die wir für a gehalten hätten sinnvolle Größe. Für keinen der beiden Käfigtypen wurde jedoch ein Effekt festgestellt (ANOVA mit wiederholten Messungen unter Verwendung von Tag-14-Daten, Einstreueffekt; F2.242 = 1,45, P = 0,24; Wechselwirkung zwischen Käfig und Einstreu: F2.242 = 0,96, P = 0,39). . Darüber hinaus ergab die Aufteilung der Käfige vom Typ III nach Haltungstyp (Einzelhaltung, Gruppenhaltung; Tabelle 2) keine versteckten Effekte (Extended Data Abb. 4). Am 14. Tag gab es in Käfigen von Mäusen in Einzelhaltung signifikant niedrigere Ammoniakwerte (ANOVA mit wiederholten Messungen, Effekte zwischen Probanden; F2,60 = 10,7, P < 0,001; Post-hoc-Test nach Tukey: P < 0,01 im Vergleich zu Käfigen in Gruppenhaltung). Mäuse und Zuchtkäfige), aber dieser Effekt hatte keinen Einfluss auf die Einstreumenge.

Das Ammoniak innerhalb des Käfigs wird nach Käfiggröße (Käfige vom Typ II (oben) und Typ III (unten)) und der Einstreumenge (Halbierung und Verdoppelung des Standardeinstreuvolumens, hier aufgeführt als 100 %) angezeigt. Am Tag 7 (links) und Tag 14 (rechts) nach dem Käfigwechsel wurden Ammoniakproben innerhalb des Käfigs entnommen. Beachten Sie, dass die Daten auf einer logarithmischen Achse angezeigt werden und dass die Achse bei 0,3 ppm abgeschnitten wurde (Daten zwischen 0,1 und 0,3 ppm werden zensiert). Kästchen zeigen Mediane und den Interquartilbereich an, und Whisker geben den gesamten Bereich der Daten an. Der graue Bereich wird verwendet, um den Bereich mit Messwerten über 50 ppm NH3 hervorzuheben. Die Anzahl und der Anteil der Typ-II-Käfige, die am 14. Tag den Grenzwert von 50 ppm überschreiten, sind unten in der Grafik angegeben. Die genaue Zusammensetzung der Gruppen finden Sie in Tabelle 2.

In der vorliegenden Studie haben wir analysiert, ob der Ammoniakspiegel innerhalb des Käfigs durch eine Änderung des Einstreuvolumens gesenkt werden kann. Dies war nicht der Fall. Während allgemein bekannt ist, dass die Verwendung von zu wenig Einstreu in einem Käfig zu einem schnellen Anstieg des Ammoniakspiegels führt34, zeigten Käfige mit einem halbierten Einstreuvolumen keine Anzeichen einer Verschlechterung. Anekdotisch kann die Verwendung von zu viel Einstreu zu erhöhten Ammoniakwerten in IVCs führen. Die Theorie, die uns von Käfigherstellern mitgeteilt wurde, besagt, dass ein großes Einstreuvolumen dazu führt, dass Urin zum Boden des Käfigs sickert, wo sich nasse Taschen bilden können, ohne dass die zirkulierende Luft im Käfig austrocknet. Diese „Goldlöckchen-Theorie“ geht davon aus, dass es eine optimale Einstreumenge gibt. Die Verwendung von zu viel oder zu wenig kann zu Problemen führen. Wir sahen jedoch keine Hinweise auf einen solchen Effekt, wenn wir die Einstreumenge im Rahmen des Zumutbaren variierten (0,5–1,5 Liter in Käfigen vom Typ II; 1–3 Liter in Käfigen vom Typ III). Folglich müssen wir den Schluss ziehen, dass die Einstreubereiche in unseren Untersuchungen optimal oder nahezu optimal waren.

Es wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um Einstreumaterial zu identifizieren, das hoch saugfähig ist und die Ammoniakbildung wirksam reduziert35,36,37,38,39,40,41. Im Allgemeinen haben sich Holzspäne (wie in der vorliegenden Studie verwendet) und Maiskolben als geeignet erwiesen, die Ammoniakbildung zu reduzieren22. Obwohl gezeigt wurde, dass Maiskolben etwas saugfähiger sind als Espenholzspäne, sind wir nicht davon überzeugt, dass die Verwendung von Maiskolben in unserem aktuellen Szenario nützlich sein könnte (Maiskolben sind nur pro Einstreuvolumen saugfähiger; dieser Effekt ist umgekehrt, wenn er pro Gewicht ausgedrückt wird37). ). Darüber hinaus bevorzugen Nagetiere mit Holzspänen ausgekleidete Käfige gegenüber Maiskolben, wie in Präferenzstudien mit Mäusen42,43 und Ratten44 gezeigt wurde, möglicherweise aufgrund der dichteren, gezackten Maiskolben-„Krümel“, die eine unbequeme Oberfläche zum Ausruhen darstellen45. Stattdessen möchten wir auf das Luftvolumen in den Käfigen aufmerksam machen.

In der vorliegenden Studie haben wir herausgefunden, dass unsere kleineren IVCs (Typ II) durchweg höhere Ammoniakwerte innerhalb des Käfigs ansammelten als die größeren IVCs (Typ III). Dies war insbesondere auch dann der Fall, wenn Mäuse in den beiden Käfigtypen in vergleichbarer Besatzdichte gehalten wurden. Selbst wenn einer einzelnen Maus die gleiche Bodenfläche und damit auch die gleiche Einstreu zugeteilt wurde, war die Ansammlung von Ammoniak in den kleineren Käfigen anfälliger. Diese Beobachtung legt nahe, dass das Käfigvolumen und nicht die Wohnfläche von Bedeutung ist. Darüber hinaus schienen brütende Trios mehr Ammoniak zu erzeugen als nicht brütende Dreiergruppen. Wir konnten keine erhöhten Ammoniakwerte in Anwesenheit eines Welpenwurfs feststellen. Stattdessen kann eine Verhaltenskomponente, die Zuchttieren innewohnt, die Ammoniakbildung beeinflussen (wie bereits berichtet31). Möglicherweise kann der erhöhte Wasser- und Futterverbrauch trächtiger Weibchen teilweise die höheren Ammoniakkonzentrationen in Zuchtkäfigen erklären.

Während vermutet wurde, dass männliche Mäuse mehr Ammoniak produzieren als weibliche (sei es einfach dadurch, dass sie größer sind und mehr „Biomasse“ haben46,47 oder weil sie mehr Wasser trinken und dadurch mehr Urin produzieren48), konnten wir einen solchen Effekt wiederholt nicht belegen . Unter den Bedingungen unserer Untersuchung schienen Männchen und Weibchen, die in vergleichbarer Dichte gehalten wurden, vergleichbare Ammoniakwerte zu produzieren (Käfige vom Typ II, erweiterte Daten, Abb. 3). Wenn es einen Einfluss des Geschlechts gibt, wird dieser durch andere Parameter überschattet. Leider konnten wir keinen aussagekräftigen Vergleich der Stämme durchführen.

Der Luftstrom in IVCs wird anhand leerer Käfige entworfen und getestet. Diese Praxis ist verständlich, da ein Hersteller nicht vorhersagen kann, welche Art oder Menge an Einstreu, Ausstattungsgegenständen, Unterständen oder Nestbaumaterialien in einem bestimmten Tierstall verwendet werden. Diese zusätzlichen Punkte sind jedoch in der europäischen Gesetzgebung vorgeschrieben49 und werden in nordamerikanischen Richtlinien dringend empfohlen50. In Käfigen mit kleinerem Volumen und weniger Kopfraum können Gegenstände wie Unterstände und Nestbaumaterial den Luftstrom erheblich umlenken. Wir vermuten, dass dies bei unseren kleineren Käfigen (Typ II) der Fall sein könnte. Während beispielsweise Brutpaare/-trios, die in diesen kleineren Käfigen untergebracht sind, die EU-Anforderungen an die Käfigfläche (definiert als Grundfläche) erfüllen, ist klar, dass diese Haltungsbedingungen eine unerwünschte Umgebung schaffen. Wir werden feststellen, dass verschiedene Modelle von IVCs unterschiedliche Richtungen/Muster des Luftstroms und unterschiedliche Strömungsraten verwenden. Daher können wir nicht wissen, inwieweit sich die Käfigbereitstellung bei verschiedenen Modellen auf die Belüftung auswirkt; Wir können jedoch dringend empfehlen, dies zu untersuchen.

Wir legen die maximale Behausungsdichte in unseren Käfigen fest, indem wir die Bodenfläche berechnen, die einer einzelnen Maus zur Verfügung steht – wobei wir Bodenfläche im Wesentlichen als verbrauchbare Ressource betrachten. Das Gleiche auch für das Luftvolumen in den Käfigen zu tun, ist möglicherweise weniger sinnvoll. In unseren Experimenten hatten die größeren Käfige ein ungefähres Volumen von 15 Litern, wobei das durch Futter, Einstreu, Nistmaterial und die Tiere selbst verdrängte Volumen außer Acht gelassen wurde. Die kleineren Käfige hatten ein Fassungsvermögen von etwa 9 Litern (Experiment 1) bzw. 8 Litern (Experiment 2). Der Volumenunterschied zwischen den Käfigtypen unterscheidet sich nicht wesentlich vom Unterschied in der Bodenfläche. Stattdessen glauben wir, dass ein bestimmter Gesamtkopfraum in einem Käfig für eine angemessene Belüftung im Hinblick auf die Vermeidung einer Ammoniakbildung erforderlich sein kann. Das Volumen eines Käfigs und die Anzahl der Mäuse, die darin untergebracht werden können, ohne das Risiko einer hohen Ammoniakkonzentration im Käfig einzugehen, folgen daher möglicherweise keinem einfachen Zusammenhang. Optimale Wohnbedingungen lassen sich möglicherweise nicht leicht vorhersagen, sondern müssen durch praktische Experimente ermittelt werden. Faktoren wie die Geometrie des Käfigs, das Luftströmungsmuster, die Käfigausstattung (Unterstände, Nistmaterial und Beschäftigungsgegenstände) sind nur einige Faktoren, die einen wichtigen Einfluss auf den Ammoniakspiegel haben können.

In der vorliegenden Untersuchung konnten wir Faktoren wie Alter, Gewicht oder genetischen Hintergrund der Mäuse in den untersuchten Käfigen nicht kontrollieren. Wir konnten die Käfigumgebung auch nicht manipulieren, außer die Einstreumenge im Rahmen des Zumutbaren zu ändern. Während wir hierdurch einen angemessenen Überblick über die Situation in unseren Anlagen gewinnen konnten, können die Daten keine Fragen zum Einfluss anderer Parameter beantworten, die möglicherweise einen Einfluss auf die Ammoniakbildung haben. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde gezeigt, dass die Fähigkeit von Mäusen, einen konsistenten Latrinenstandort beizubehalten, einen großen Einfluss auf den Ammoniakspiegel im Käfig hat46. Die Ermutigung von Mäusen, ihre Latrinen an der Vorderseite des Käfigs zu platzieren – dem Bereich, der mit der geringsten Ammoniakbildung verbunden war – könnte ein einfaches Verhaltensmittel zur Reduzierung des Ammoniakspiegels im Käfig darstellen, das eine Untersuchung wert ist. Wir hoffen auch, in Folgeuntersuchungen beantworten zu können, ob andere Elemente – Menge und Art der Käfigausstattung sowie Platzierung des Futterbehälters – den Ammoniakspiegel innerhalb des Käfigs weiter beeinflussen könnten.

Mit der Einführung neuer Designs für Maus-IVCs, bei denen die Käfige durch eine Absenkung der Käfigdecke noch kompakter gestaltet werden, könnten sich noch größere Probleme mit der Ammoniakbildung ergeben. Erschwerend kommt hinzu, dass dieses Problem nicht leicht zu erkennen ist, da Tierpfleger und Forschungspersonal nicht die gleiche Luft atmen, die in den Käfigen zirkuliert. Wir hatten keine Ahnung von unserem Ammoniakproblem, bevor wir mit der Probenahme von Käfigen begannen. Im vorliegenden Bericht stellen wir die am Ende eines Käfigwechselzyklus gemessenen Werte vor. Man kann daher argumentieren, dass sie ein Worst-Case-Szenario darstellen. Diesen Konzentrationen werden die Mäuse erst gegen Ende eines Zeitraums von 14 Tagen ausgesetzt. Dennoch möchten wir nicht, dass Mäuse an irgendeinem Punkt unserer Einrichtungen einem Ammoniakgehalt von mehr als 50 ppm ausgesetzt werden. Tatsächlich möchten wir optimalerweise durchgehend einen „menschenfreundlichen“ Wert unter 25 ppm halten. Obwohl dies relativ leicht durch die Einführung eines kürzeren Käfigwechselzyklus behoben werden könnte, wäre dies nicht ohne Konsequenzen. Es ist allgemein bekannt, dass Mäuse die ständige Handhabung und Neuordnung ihrer häuslichen Umgebung als stressig empfinden51; Es stört ihre Verhaltensmuster und ihren Tagesrhythmus52,53 und die Käfigreinigung (Entfernung von Geruchshinweisen) kann bei männlichen Mäusen Aggression hervorrufen54,55. Häufigere Käfigwechsel sind nicht nur für die Tierpfleger aufwändiger, sondern auch bei den Käfigbewohnern unangenehm. Basierend auf unseren Daten schlagen wir stattdessen vorläufig vor, dass wir bei der Zuteilung des Wohnraums für unsere Mäuse auch das Volumen der Käfige und nicht nur die Bodenfläche berücksichtigen.

Alle Mäuse wurden in IVCs (Tecniplast) entweder eines Euro-Standard-Typs II (Experiment 1: „1285L“, 365 × 207 × 140 mm; Experiment 2: „GM500“, 391 × 199 × 160 mm) oder Typ III („ 1290D‘, 425 × 276 × 153 mm) Ausführung. Die Tiere wurden auf Espenholzspänen (Tapvei) gehalten und in einem 12:12-Stunden-Hell-Dunkel-Zyklus gehalten, mit 30 Minuten Dämmerung an den Übergängen. Die Umgebungstemperatur wurde bei 19–23 °C und die Luftfeuchtigkeit bei 42–46 % gehalten, und die Käfige wurden mit einer Luftwechselrate von 65–75 h-1 unter Unterdruck belüftet. Die Häufigkeit des Käfigwechsels betrug durchgehend alle zwei Wochen. Den Tieren wurden Unterstände – rote, halbtransparente Plastikunterstände („JAKO“; Molytex) und Pappröhren (Lillico) –, Nistmaterial („Happi-mat“-Nestchen; Scanbur) und Nagerstöcke (Tapvei) zur Verfügung gestellt. Extrudiertes Futter („Altromin 1314“, Brogaarden) und Leitungswasser (in Flaschen bereitgestellt) wurden nach Belieben bereitgestellt. Die beprobten Käfige befanden sich alle in Barriere-Aufzuchteinheiten, die gemäß den Empfehlungen der Federation of European Laboratory Animal Science Associations56 kontinuierlich auf Krankheitserreger getestet werden. Die Tiere galten alle als spezifisch pathogenfrei.

Ammoniak innerhalb des Käfigs wurde mit einem tragbaren Photoionisationserkennungssensor (Tiger LT-Detektor; Ionscience) gemessen, ähnlich wie in früheren Studien34,57. Es wurde erwartet, dass in keinem der Käfige andere organische Verbindungen in nennenswerter Konzentration vorhanden waren, die möglicherweise die Messungen beeinträchtigen könnten. Die gemessenen Konzentrationen wurden mithilfe elektrochemischer Messungen reproduziert, um die Genauigkeit der Photoionisationsdetektionsmessungen sicherzustellen. Aus einem Kunststoffschlauch wurde eine Rohsonde hergestellt, die eine Probenahme durch den Wasserflaschenanschluss ermöglichte (ähnlich wie in anderen Studien22), während sich die Käfige noch auf dem Gestell befanden. Die Käfige waren daher während der Probenahme (größtenteils) ungestört und wurden aktiv belüftet. Die Messwerte wurden in der Mitte des Käfigs, etwa 5 cm über der Einstreu, ermittelt. Die untere Nachweisgrenze des Geräts lag bei 0,1 ppm Ammoniak. Die Messwerte wurden live ermittelt, sodass eine Verblindung der Proben ausgeschlossen werden konnte.

Alle Daten der Studie wurden durch opportunistische Probenahmen von Tieren gewonnen, die an anderen Experimenten oder Zuchtprogrammen beteiligt waren. Da es im Rahmen des Tierpflege- und Nutzungsprogramms der Universität keine zuvor vereinbarte Tiefe der Einstreu für Käfige gab, wurden Änderungen im Einstreuvolumen innerhalb des als normal angesehenen Bereichs für Standardhaltungen vorgenommen. Diese Änderungen wurden im Rahmen der kontinuierlichen Verbesserungsarbeit der Anlage vorgenommen. Käfighersteller hatten vermutet, dass eine Ursache für die erhöhten Ammoniakwerte die Verwendung von zu viel Einstreusubstrat sein könnte, was zu Untersuchungen führte. Alle Verfahren wurden unter Aufsicht des örtlichen Tierschutzausschusses und der klinischen Tierärzte des Programms durchgeführt.

Hypothesentests wurden durchgehend an logarithmisch transformierten Daten (X′ = log10(X + 1), um Nullwerte zu berücksichtigen) durchgeführt, da die Daten (ungefähr) logarithmisch normalverteilt zu sein schienen. Der Welch-T-Test wurde für einfache Vergleiche verwendet, wohingegen ANOVA-Modelle verwendet wurden, wenn mehr als eine unabhängige Variable vorhanden war. Für den Post-hoc-Vergleich mehrerer Gruppen verwendeten wir den Tukey-Test (HSD). Um Tiere zu vergleichen, die in den beiden Käfigtypen in ähnlicher Dichte gehalten wurden, konzentrierten wir uns auf Käfige mit Mäusen, die in einer Dichte von 140 cm2 pro Tier oder weniger gehalten wurden. Dies ergab ähnliche Bereiche von 88–133 cm2 pro Tier für Typ-II-Käfige und 91–137 cm2 pro Tier für Typ-III-Käfige mit ausreichend großen Probengrößen für statistische Tests. Da für die drei Einstreuebenen dieselben Käfige verwendet wurden, konnten wir eine ANOVA mit wiederholten Messungen anwenden. Zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Behausungsdichte und Ammoniakbildung wurden lineare Regressionen durchgeführt. Anschließend wurden die am besten geeigneten Steigungen mithilfe der ANOVA getestet. Die Analysen wurden in SPSS v.28 (IBM) durchgeführt, während der gesamten Analyse wurden zweiseitige Tests verwendet und P < 0,05 wurde als signifikant angesehen.

Um unsere früheren internen Ergebnisse zu überprüfen, wurden zufällig ausgewählte IVCs in zwei Tierhaltungseinheiten beprobt (Tabelle 1). Insgesamt wurden 10–14 Tage nach dem Käfigwechsel 451 einzigartige Käfige vom Typ II und 73 einzigartige Käfige vom Typ III, in denen eine unterschiedliche Anzahl von Tieren untergebracht war, beprobt.

Im zweiten Experiment (Tabelle 2) wurden Änderungen an den routinemäßigen Haltungsbedingungen für Zuchtkäfige vorgenommen. Den Käfigen wurde die Standardmenge an Einstreu zur Verfügung gestellt, die in den Tierhaltungen verwendet wird (Käfige vom Typ II: 1,0 Liter; Käfige vom Typ III: 2,0 Liter), bzw. 50 % der Standardmenge (Käfige vom Typ II: 0,5 Liter; Käfige vom Typ III: 1,0 Liter). oder 150 % der Standardmenge (Käfige vom Typ II: 1,5 Liter; Käfige vom Typ III: 3,0 Liter). Es wurde ein vollständiges Cross-Over-Design verwendet, bei dem jeder Käfig in zufälliger Reihenfolge mit jeder Einstreuebene ausgestattet war. Der Entwurf war ein ausgewogenes lateinisches Quadrat mit der gleichen Anzahl von Käfigen für jede Bedingung in jedem Zeitblock. Käfige fielen in eine von drei Kategorien: Brutpaare (ein Männchen, ein Weibchen) oder Trios (ein Männchen, zwei Weibchen), einzeln gehaltene Männchen (derzeit nicht zur Zucht verwendet) oder in Gruppen gehaltene Mäuse (entwöhnte Würfe junger Mäuse). .

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Alle Rohdaten wurden online zur Verfügung gestellt (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.21829353).

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Wir danken den Tierpflegern und Tierärzten der Abteilung für Experimentelle Medizin, ohne die diese Studie nicht hätte durchgeführt werden können.

Open-Access-Finanzierung durch die Königlich Dänische Bibliothek

Abteilung für Experimentelle Medizin, Fakultät für Gesundheits- und Medizinwissenschaften, Universität Kopenhagen, Kopenhagen, Dänemark

Mahmud A. Eskandarani, Jann Hau und Otto Kalliokoski

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MAE und JH konzipierten die Idee für die Studie und entwarfen die Experimente für ihre Durchführung. MAE führte die Experimente durch und analysierte die Ergebnisse zusammen mit OK. Alle Autoren haben an der Erstellung dieses Berichts mitgewirkt.

Korrespondenz mit Otto Kalliokoski.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Lab Animal dankt Michael Huerkamp und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Best-Fit-Regressionen werden für beide Käfigtypen (II, in Grün und III, in Blau) über denselben Haltungsdichtebereich (Daten aus Experiment 1) angezeigt. Zuchtkäfige wurden von der Analyse ausgeschlossen. Auf der rechten Seite werden die Regressionen einzeln angezeigt, wobei das 95 %-Konfidenzintervall für die Regressionslinien (mit aufgelisteten p-Werten für die zugehörige Varianzanalyse) für eine übersichtlichere Darstellung sorgt. Beachten Sie, dass statistische Tests als lineare Regressionsanalyse logarithmisch transformierter Daten durchgeführt wurden, wohingegen die Daten hier in einem halblogarithmischen Diagramm dargestellt werden.

Die Zuchtkäfige, in denen Trios untergebracht sind, wurden danach eingeteilt, ob sich zum Zeitpunkt der Probenahme ein Wurf Jungtiere im Käfig befand oder nicht. Obwohl es in den kleineren Käfigen (Typ II) offenbar zu einem Anstieg des Ammoniaks innerhalb des Käfigs kommt, konnte dieser Effekt statistisch nicht belegt werden. Kästchen zeigen Mediane und die Interquartilsbereiche an, Whiskers kennzeichnen den gesamten Bereich der Daten.

Die Käfige vom Typ II in Experiment 1 (Abb. 1) wurden nach Geschlecht aufgeteilt (siehe Tabelle 1). Es gibt keine offensichtlichen Unterschiede zwischen Männern und Frauen, die darauf hindeuten, dass das Geschlecht einen entscheidenden Einfluss auf die Ammoniakbildung in diesen Käfigen hat. Die bidirektionale Varianzanalyse unterstützt diesen Befund. Kästchen zeigen Mediane und die Interquartilsbereiche an, Whiskers kennzeichnen den gesamten Bereich der Daten. Der graue Bereich wird verwendet, um den Bereich mit Messwerten über 50 ppm NH3 hervorzuheben.

Die Käfige vom Typ III in Experiment 2 (Abb. 2) wurden nach der Art der Unterbringung unterteilt, für die der Käfig verwendet wurde (siehe Tabelle 2). Es gibt keine offensichtlichen Trends außer einem etwas geringeren Ammoniakaufbau in Käfigen mit Mäusen in Einzelhaltung (F2,60 = 10,7, P < 0,001; Tukeys Post-hoc-Test: P < 0,01 im Vergleich zu den beiden anderen Gruppen). Dieser Faktor hatte jedoch keinen Einfluss auf die Einstreumenge. Kästchen zeigen Mediane und die Interquartilsbereiche an, Whiskers kennzeichnen den gesamten Bereich der Daten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Eskandarani, MA, Hau, J. & Kalliokoski, O. Eine schnelle Ammoniakbildung in kleinen, individuell belüfteten Mäusekäfigen kann nicht durch Anpassung der Einstreumenge verhindert werden. Lab Anim 52, 130–135 (2023). https://doi.org/10.1038/s41684-023-01179-0

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Eingegangen: 28. Oktober 2021

Angenommen: 18. April 2023

Veröffentlicht: 18. Mai 2023

Ausgabedatum: Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41684-023-01179-0

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