The presence of an interlamellar ce

The presence of an interlamellar cell mass (ILCM) on the gills of goldfish significantly decreases the functional lamellar surface area and increases the diffusion distance for gas transfer and thus may impose a serious challenge for the transfer of respiratory gases (O2 and CO2). Here we tested the hypothesis that the presence of the ILCM in goldfish acclimated to 7 °C impedes the uptake of O2 and excretion of CO2. While PaO2PaO2 remained unaltered, the baseline values of PaCO2PaCO2 were significantly higher in goldfish at 7 °C with ILCM present (5.55 ± 0.54 mmHg; mean ± SEM) than in goldfish at 25 °C without the ILCM (3.98 ± 0.18 mmHg). Carbonic anhydrase (CA) injections relieved the apparent diffusion limitation imposed by the presence of the ILCM on CO2 excretion (PwCO2PwCO2 levels dropped to 3.07 ± 0.32 mmHg). Interestingly, the exposure of fish to acute hypoxia evoked similar changes in PaO2PaO2 at the two acclimation temperatures. Ethanol (EtOH) exposure was also used as a tool to further investigate the potential effects of the ILCM on branchial solute transfer. The results showed that the ILCM does not impede EtOH uptake in 7 °C goldfish. Overall, the results of this study demonstrate that the remodelling of the goldfish gill associated with acclimation to 7 °C water, while increasing PaCO2PaCO2, has minimal impact on branchial O2 transfer.











Keywords
Gill;
Hypoxia;
Hypercapnia;
Ventilation;
Carbonic anhydrase;
Blood gases


1. Introduction

Branchial gas transfer in teleost fish has been extensively studied over the past five decades (Holeton and Randall, 1967, Randall et al., 1967, Cameron and Davis, 1970, Randall et al., 1982, Randall and Daxboeck, 1984, Perry and Wood, 1989, Gilmour, 1997, Perry and Gilmour, 2002, Perry et al., 2009a and Perry and Gilmour, 2010). The existing theoretical (Piiper and Scheid, 1984, Malte and Weber, 1985 and Piiper, 1989) and empirical evidence (Daxboeck et al., 1982, Part et al., 1984, Julio et al., 2000 and Desforges et al., 2002) suggests that O2 uptake in rainbow trout (and presumably in other teleost fish) is subjected to minimal diffusion limitations under resting conditions and therefore behaves as a perfusion-limited system (Perry and Gilmour, 2002). In a perfusion-limited system, the extent to which arterial blood equilibrates with the inspired water is independent of blood transit time through the gill (Perry and Gilmour, 2002). Thus, in a perfusion-limited system, arterial PO2PO2(PaO2)(PaO2) can remain constant over a broad range of cardiac outputs and consequently, O2 uptake tends to increase linearly with increasing blood flow. The absence of diffusion limitations for O2 transfer under normal conditions implies that arterial PO2PO2 should be relatively insensitive to increases in the water-to-blood diffusion distance or a reduction in lamellar surface area. Indeed, the results of previous studies that have monitored PaO2PaO2 in trout experiencing reduced gill surface area (Julio et al., 2000) or a thickened diffusion barrier (Bindon et al., 1994 and Greco et al., 1995) have shown that PaO2PaO2 (at least during normoxia) can remain unaltered. However, if the thickening of the diffusion barrier is severe enough, reductions in PaO2PaO2 may indeed occur even under normoxic conditions (Thomas et al., 1988, Perry et al., 1996 and Perry, 1998). In accordance with theory, the diffusion limitations for O2 transfer increase with external hypoxia as the water-to-blood PO2PO2 gradient (the driving force for diffusion) decreases. Thus, as demonstrated for rainbow trout (Bindon et al., 1994 and Greco et al., 1995), the negative impact of increasing diffusion distance caused by thickening of the lamellar epithelium is most readily observed during exposure of fish to hypoxia.



By contrast, the transfer of CO2 across the gill of teleosts behaves as a diffusion-limited system (Desforges et al., 2002). Although the higher capacitance of water for CO2 relative to O2 should favour the diffusivity of molecular CO2, the overall process of branchial CO2 transfer is restricted by the need to convert plasma HCO3− to molecular CO2 within the brief period of blood transit through the gill vasculature (1–3 s Cameron and Polhemus, 1974). In other words, the apparent diffusion limitations for CO2 transfer reflect chemical equilibrium constraints imposed by the relatively slow conversion of plasma HCO3− to molecular CO2. The dehydration of plasma HCO3− to CO2, while occurring rapidly at the catalysed rate in the presence of red blood cell (RBC) carbonic anhydrase (CA), is constrained by the slow rate of the RBC Cl−/HCO3− exchanger, the rate limiting step in overall CO2 excretion (Perry et al., 1982, Perry, 1986, Perry and Gilmour, 1993 and Gilmour et al., 2004). For these reasons, the addition of exogenous CA to the plasma in teleosts (Julio et al., 2000, Desforges et al., 2001, Desforges et al., 2002 and Gilmour and MacNeill, 2003) or the presence of endogenous membrane-associated CA oriented to face the plasma in elasmobranchs (Wood et al., 1994, Gilmour et al., 1997, Henry et al., 1997, Gilmour et al., 2001, Gilmour and Perry, 2004 and Gilmour et al., 2007) greatly facilitates CO2 excretion (see review by Gilmour and Perry, 2010).

The goldfish (Carassius auratus), like crucian carp (C. carassius; Sollid et al., 2003), exhibits a remarkable structural remodelling of the gills in response to changes in ambient temperature or O2 levels ( Sollid et al., 2005, Mitrovic et al., 2009 and Mitrovic and Perry, 2009). With decreasing temperature (

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

สถานะของการ interlamellar เซลล์มวล (ILCM) บน gills ที่ของปลาลดพื้นที่ผิว lamellar ทำงานอย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มระยะแพร่ส่งแก๊ส และจึง อาจกำหนดความท้าทายอย่างจริงจังสำหรับการโอนย้ายระบบหายใจก๊าซ (O2 และ CO2) ที่นี่เราทดสอบสมมติฐานว่า ของ ILCM ในปลา acclimated 7 ° c impedes ต่อการเจริญของ O2 และการขับถ่ายของ CO2 ในขณะที่ PaO2PaO2 ยังคง unaltered ค่าพื้นฐานของ PaCO2PaCO2 ได้สูงขึ้นอย่างมากในปลาที่ 7 ° C กับ ILCM ปัจจุบัน (5.55 ± 0.54 mmHg เฉลี่ย± SEM) กว่าในปลาที่ 25 ° C โดยไม่ ILCM (3.98 ± 0.18 mmHg) ฉีด carbonic anhydrase (CA) ปลดปล่อยแพร่ชัดเจนข้อจำกัดที่กำหนด โดยสถานะของ ILCM ในการขับถ่ายของ CO2 (PwCO2PwCO2 ระดับลดลง 3.07 ±$ 0.32 mmHg) เป็นเรื่องน่าสนใจ การสัมผัสปลา hypoxia เฉียบพลัน evoked เปลี่ยนแปลงคล้าย PaO2PaO2 ที่อุณหภูมิ acclimation สอง แสงเอทานอล (EtOH) ยังถูกใช้เป็นเครื่องมือชันสูตรเพิ่มเติม อาจเกิดขึ้นผลของ ILCM การโอนตัว branchial ผลพบว่า ILCM ที่ถ่วง EtOH ดูดธาตุอาหารในปลาทอง 7 ° C โดยรวม ผลของการศึกษานี้แสดงว่า remodelling เหงือกปลาที่เกี่ยวข้องกับ acclimation 7 ° C น้ำ ในขณะที่เพิ่ม PaCO2PaCO2 มีผลกระทบน้อยที่สุดใน branchial O2 โอนคำสำคัญเหงือก Hypoxia Hypercapnia ระบายอากาศ Carbonic anhydrase ก๊าซในเลือด1. บทนำโอนแก๊ส branchial ในปลา teleost ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางห้าทศวรรษผ่านมา (Holeton และ Randall, 1967, Randall et al., 1967, Cameron และ Davis, 1970, Randall et al., 1982, Randall และ Daxboeck, 1984 เพอร์รีและไม้ 1989, Gilmour, 1997 เพอร์รีและ Gilmour, 2002, Perry et al., 2009a และเพอร์รี และ Gilmour, 2010) ที่มีอยู่ทฤษฎี (Piiper และ Scheid, 1984 โรงแรมม็อล และ แบ่งแยก 1985 และ Piiper, 1989) และหลักฐานประจักษ์ (Daxboeck และ al., 1982 ส่วน et al., 1984 จูลิโอและ al., 2000 และ Desforges และ al., 2002) แนะนำว่า ดูดซับ O2 ในเรนโบว์เทราต์ (และสันนิษฐานว่า ในปลาอื่น ๆ teleost) ขึ้นอยู่น้อยแพร่จำกัดภายใต้การวางเงื่อนไข และจึง ทำงานเป็นระบบจำกัดการกำซาบ (Perry และ Gilmour , 2002) ในระบบการกำซาบจำกัด ขอบเขตเพื่อเลือดที่ต้ว equilibrates ด้วยแรงบันดาลใจที่น้ำจะขึ้นอยู่กับเวลาส่งต่อเลือดที่ผ่านเหงือก (Perry และ Gilmour, 2002) ดังนั้น ในระบบการกำซาบจำกัด PO2PO2(PaO2)(PaO2) ต้วสามารถครั้ง คงมากกว่าที่หัวใจแสดงผล และดัง ดูดซับ O2 ที่หลากหลายมีแนวโน้มการ เพิ่มเชิงเส้นกับการเพิ่มการไหลเวียนของเลือด การขาดงานของแพร่จำกัดส่ง O2 ภายใต้เงื่อนไขปกติหมายถึงว่า PO2PO2 ต้วควรซ้อนค่อนข้างไกลแพร่น้ำเลือดเพิ่มขึ้นหรือลดพื้นที่ lamellar ผลการศึกษาก่อนหน้านี้ที่มีการตรวจสอบ PaO2PaO2 ในเทราต์ประสบลดพื้นที่ผิวเหงือก (จูลิโอและ al., 2000) หรืออุปสรรคแพร่ thickened (Bindon et al., 1994 และ Greco et al., 1995) ได้แสดงให้เห็นจริง PaO2PaO2 ที่ (น้อยระหว่าง normoxia) สามารถอยู่ unaltered อย่างไรก็ตาม ถ้าหนาของอุปสรรคแพร่นั้นรุนแรงมากพอ ลดใน PaO2PaO2 แน่นอนอาจได้ภายใต้เงื่อนไข normoxic (Thomas et al., 1988, Perry et al., 1996 และเพอร์รี 1998) ตามทฤษฎี ข้อจำกัดแพร่ส่ง O2 เพิ่ม ด้วย hypoxia ภายนอกขณะลดระดับสี PO2PO2 น้ำเลือด (แรงผลักดันสำหรับแพร่) ดัง ดังสำหรับเรนโบว์เทราต์ (Bindon et al., 1994 และ Greco et al., 1995), ผลกระทบเชิงลบของระยะแพร่เพิ่มขึ้นเกิดจากการหนาของ lamellar epithelium สุดพร้อมย่อยระหว่างสัมผัสของปลา hypoxiaโดยคมชัด การโอนย้ายของ CO2 ในเหงือกของ teleosts ทำงานเป็นระบบแพร่จำกัด (Desforges et al., 2002) แม้ว่าความสูงของน้ำ CO2 เทียบ O2 จะโปรดปราน diffusivity ของโมเลกุล CO2 กระบวนการโดยรวมของการโอนย้าย CO2 branchial ถูกจำกัด โดยต้องแปลงเป็นพลา HCO3− โมเลกุล CO2 ภายในระยะเวลาสั้น ๆ ของการขนส่งเลือดผ่าน vasculature เหงือก (1-3 s Cameron และ Polhemus, 1974) ในคำอื่น ๆ แพร่ชัดเจนข้อจำกัดสำหรับการโอนย้าย CO2 สะท้อนข้อจำกัดสมดุลเคมีที่กำหนด โดยพลา HCO3− แปลงค่อนข้างช้าเป็นโมเลกุล CO2 คายน้ำของพลาสม่า HCO3− กับ CO2 ในขณะที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่อัตรา catalysed ในต่อหน้าของเม็ดเลือดแดง (RBC) carbonic anhydrase (CA), ถูกจำกัด ด้วยอัตราช้าของ RBC Cl−/HCO3− แลกเปลี่ยน อัตราจำกัดขั้นตอนในการขับถ่ายโดยรวมของ CO2 (Perry et al., 1982 เพอร์รี 1986 เพอร์รี และ Gilmour, 1993 และ Gilmour et al., 2004) เหตุผลเหล่านี้ แห่งพลาสม่าใน teleosts CA บ่อย (จูลิโอและ al., 2000, Desforges และ al., 2001, Desforges และ al., 2002 และ Gilmour และ MacNeill, 2003) หรือของ endogenous เยื่อเกี่ยวข้อง CA เน้นเจอะพลาสมาใน elasmobranchs (ไม้ et al., 1994, Gilmour et al., 1997 เฮนรี่และ al., 1997, Gilmour et al., 2001, Gilmour และเพอร์รี , 2004 และ Gilmour et al., 2007) มากช่วยการขับถ่ายของ CO2 (ดูทบทวน Gilmour และเพอร์รี 2010)ปลาทอง (สกุลปลาทอง auratus), เช่นปลาคาร์ฟ crucian (สกุลปลาทองซี Sollid และ al., 2003), การจัดแสดงที่โดดเด่นทางโครงสร้าง remodelling ของ gills ตอบสนองกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือระดับ O2 (Sollid et al. ปี 2005, Mitrovic et al., 2009 และ Mitrovic และเพอร์ รี 2009) ด้วยการลดอุณหภูมิ (< 15 ° C), พื้นที่ผิว lamellar ทำงานจะลดลง และระยะทางแพร่น้ำเลือดจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการก่อตัวระหว่าง lamellae ติดของมวลเซลล์เรียกว่ามวลเซลล์ interlamellar (ILCM) (Sollid และ al., 2003) กลยุทธ์นี้ ขณะที่สันนิษฐานว่าเป็นประโยชน์สำหรับการลดการสูญเสียเกลือแฝงทั้งเหงือก และลดต้นทุนควบคุม ionic ในระหว่างรอบระยะเวลาของอัตราการเผาผลาญลดลง มีพลังดังนั้น มีแนวโน้มถ่วงโอน branchial แก๊สโดยเฉพาะภายใต้เงื่อนไขของ hypoxia เฉียบพลัน (Sollid et al., 2003 ดูรีวิว Sollid และ Nilsson, 2006 และ Nilsson, 2007) ดังนั้น ปลาทองเป็นไม้รูปแบบแห่งการศึกษาผลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติลดพื้นที่ lamellar และเพิ่มระยะทางการแพร่ในก๊าซ branchial โอนย้าย กำหนดขอบเขตของข้อจำกัดแพร่ชัดเจนส่ง O2 และ CO2 ต่าง presumed เหมือนเป็นไปได้ว่า ของแพร่เพิ่มเติมข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับเหงือก remodelling จะสลายมีผลกับ CO2 เทียบโอน O2 โดยเฉพาะมันเป็น hypothesised ของ ILCM ในปลา acclimated น้ำเย็น (7 องศาเซลเซียส) จะมีผลกระทบในการขับถ่ายของ CO2 และที่จะขยายผลกระทบใด ๆ ลบบน O2 โอนย้ายระหว่างการสัมผัสปลา hypoxia เฉียบพลัน เนื่องจากจำกัดแพร่ที่ชัดเจนสำหรับการโอนย้าย CO2 เกิดจากการแปลงพลา HCO3− ช้าให้ CO2 มันถูกเพิ่มเติมตั้งสมมติฐานว่าให้ผลลบของ remodelling เหงือกบนโอน CO2 อาจจะบางส่วนปลดปล่อยด้านนอกของ CA สม่าบ่อย ทดสอบสมมุติฐานเหล่านี้ โดยการวัดการระบายเหงือก และเลือดต้วแก๊ส และ pH ในเวลาจริงในระหว่างรอบระยะเวลาของ normoxia, hypoxia และ hypercapnia (ยก PwCO2PwCO2 ระดับ) ที่ใช้การหมุนเวียน extracorporeal ปลาด้วย (7 ° C) หรือไม่ มี (25 ° C) ILCM อยู่2. วัสดุและวิธีการ2.1 การทดลองสัตว์และขั้นตอนการผ่าตัดปลาทอง (C. auratus) ซื้อจากนานาชาติของ Aleong (Mississauga ออนตาริโอ) และถือได้ว่าเป็นถังกลมที่ให้มาพร้อมกับการไหล อากาศ dechloraminated เมืองออตตาวาน้ำประปาที่ 18 ° C ภายในมหาวิทยาลัยออตตาวาน้ำดูแลสิ่งอำนวยความสะดวก ปลาทองถูกแบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม กลุ่มหนึ่งเป็น acclimated 7 ° C และอื่น ๆ ถึง 25 องศาเซลเซียส อุณหภูมิสุดท้าย acclimation สำเร็จ โดยเพิ่ม หรือลดอุณหภูมิน้ำที่มีอัตราเฉลี่ย 2 องศาเซลเซียสต่อวัน จากการศึกษาก่อนหน้านี้ของเรา (Mitrovic และเพอร์รี 2009, Mitrovic et al., 2009 และ Tzaneva และเพอร์ รี 2010), lamellae 25 องศาเซลเซียสปลาจะใหญ่ปราศจากการ ILCM (มี ∼20 – 30% ของช่อง lamellar) ในขณะที่ปลา acclimated เพื่อ gills แสดง 7 ° C มีความครอบคลุมกว้างขวางของ lamellae โดย ILCM (มี ∼80 – 90% ของช่อง lamellar) ปลาทองถูกจัดขึ้นที่อุณหภูมิของแต่ละช่วงแสงไฟ/ดำ 12/12-h เป็น และเลี้ยงอาหารค้าขี้ทุกวันอย่างน้อยสองสัปดาห์ก่อนการทดลอง ได้ดำเนินการทดลองทั้งหมดที่มหาวิทยาลัยออตตาวาที่อุณหภูมิสองเหล่านี้ตามแนวทางของแคนาดาสภาของสัตว์ดูแล (CCAC) และ หลังการอนุมัติกรรมการมหาวิทยาลัยออตตาวาสัตว์ดูแล (โพรโทคอล BL-226)ปลาทอง (มวลเฉลี่ย = 236 ± 9 g N = 42) ถูก anaesthetised ใน benzocaine l−1 10 mg (ซิก-Aldrich, Inc.) จนกว่าจะมีเพิ่มการระบายอากาศ ปลาถูกแล้ววางบนโต๊ะผ่าตัดซึ่งมีชลประทาน gills ที่ ด้วยอากาศโซลูชั่นยาสลบ การวัดความถี่ของการระบายอากาศ (fvent) และคลื่น (Avent), ความต้านทาน เป้าหมายสิ้นสุดในแผ่นทองเหลือง 1 cm2 มีการเย็บแผลแนบไปกับพื้นผิวภายนอกของแต่ละ operculum ให้สุ่มตัวอย่างน้ำแรงบันดาลใจ cannula (ดิน Adams PE 160) ถูกแทรกผ่าน snout ระหว่างนเรศเข้าโพรง buccal สำหรับการประเมินอย่างต่อเนื่องในสัตว์ทดลองแปรหายใจเลือด caudal หลอดเลือดดำและหลอดเลือดได้ cannulated สั้น ๆ เป็นแผลที่ด้านข้าง 2 cm ทำที่ caudal peduncle Saline (0.9% NaCl) เติม cannulae (ดิน Adams PE 50 มี ∼2 ซม. PE 10 แนบท้าย) ถูกแทรก caudal หลอดเลือดดำและหลอดเลือดแดงแอนทีเรียร์ทิศทาง ปิดแผล ด้วยไหมเย็บแผล และ cannulae มีความปลอดภัยกับผิวด้วยอักษรควบ ปลาที่อยู่ในกล่องพลาสติก (3.8 ลิตร) ให้ มีการไหลอากาศน้ำที่ accli ที่เหมาะสม

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

การปรากฏตัวของมวลเซลล์ ที่นี่เราได้ทดสอบสมมติฐานว่าการปรากฏตัวของ ในขณะที่ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง The presence of an interlamellar cell mass (ILCM) on the gills of goldfish significantly decreases the functional lamellar surface area and increases the diffusion distance for gas transfer and thus may impose a serious challenge for the transfer of respiratory gases (O2 and CO2). Here we tested the hypothesis that the presence of the ILCM in goldfish acclimated to 7 °C impedes the uptake of O2 and excretion of CO2. While PaO2PaO2 remained unaltered, the baseline values of PaCO2PaCO2 were significantly higher in goldfish at 7 °C with ILCM present (5.55 ± ± 0.54 0.54 mmHg; mean หมายถึง± SEM) SEM) than in goldfish at 25 °C without the ILCM (3.98 ± ± 0.18 anhydrase 0.18 mmHg). Carbonic anhydrase (CA) injections relieved the apparent diffusion limitation imposed by the presence of the ILCM on CO2 excretion (PwCO2PwCO2 levels dropped to 3.07 ± ± 0.32 ที่น่าสนใจของการสัมผัสปลาขาดออกซิเจนเฉียบพลันปรากฏการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกันใน เอทานอล ผลการศึกษาพบว่า โดยรวมผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของปลาปลาทองที่เกี่ยวข้องกับการปรับตัวถึง คำกิลล์ออกซิเจนHypercapnia; ระบายอากาศanhydrase ก๊าซในเลือด1 0.32 mmHg). Interestingly, the exposure of fish to acute hypoxia evoked similar changes in PaO2PaO2 at the two acclimation temperatures. Ethanol (EtOH) exposure was also used as a tool to further investigate the potential effects of the ILCM on branchial solute transfer. The results showed that the ILCM does not impede EtOH uptake in 7 °C goldfish. Overall, the results of this study demonstrate that the remodelling of the goldfish gill associated with acclimation to 7 °C water, while increasing PaCO2PaCO2, has minimal impact on branchial O2 transfer.











Keywords
Gill;
Hypoxia;
Hypercapnia;
Ventilation;
Carbonic anhydrase;
Blood gases


1. Introduction

Branchial gas transfer in teleost fish has been extensively studied over the past five decades (Holeton and Randall, 1967, Randall et al., 1967, Cameron and Davis, 1970, Randall et al., 1982, Randall and Daxboeck, 1984, Perry and Wood, 1989, Gilmour, 1997, Perry and Gilmour, 2002, Perry et al., 2009a and Perry and Gilmour, 2010). The existing theoretical (Piiper and Scheid, 1984, Malte and Weber, 1985 and Piiper, 1989) and empirical evidence (Daxboeck et al., 1982, Part et al., 1984, Julio et al., 2000 and Desforges et al., 2002) suggests that O2 uptake in rainbow trout (and presumably in other teleost fish) is subjected to minimal diffusion limitations under resting conditions and therefore behaves as a perfusion-limited system (Perry and Gilmour, 2002). In a perfusion-limited system, the extent to which arterial blood equilibrates with the inspired water is independent of blood transit time through the gill (Perry and Gilmour, 2002). Thus, in a perfusion-limited system, arterial PO2PO2(PaO2)(PaO2) can remain constant over a broad range of cardiac outputs and consequently, O2 uptake tends to increase linearly with increasing blood flow. The absence of diffusion limitations for O2 transfer under normal conditions implies that arterial PO2PO2 should be relatively insensitive to increases in the water-to-blood diffusion distance or a reduction in lamellar surface area. Indeed, the results of previous studies that have monitored PaO2PaO2 in trout experiencing reduced gill surface area (Julio et al., 2000) or a thickened diffusion barrier (Bindon et al., 1994 and Greco et al., 1995) have shown that PaO2PaO2 (at least during normoxia) can remain unaltered. However, if the thickening of the diffusion barrier is severe enough, reductions in PaO2PaO2 may indeed occur even under normoxic conditions (Thomas et al., 1988, Perry et al., 1996 and Perry, 1998). In accordance with theory, the diffusion limitations for O2 transfer increase with external hypoxia as the water-to-blood PO2PO2 gradient (the driving force for diffusion) decreases. Thus, as demonstrated for rainbow trout (Bindon et al., 1994 and Greco et al., 1995), the negative impact of increasing diffusion distance caused by thickening of the lamellar epithelium is most readily observed during exposure of fish to hypoxia.



By contrast, the transfer of CO2 across the gill of teleosts behaves as a diffusion-limited system (Desforges et al., 2002). Although the higher capacitance of water for CO2 relative to O2 should favour the diffusivity of molecular CO2, the overall process of branchial CO2 transfer is restricted by the need to convert plasma HCO3− to molecular CO2 within the brief period of blood transit through the gill vasculature (1–3 s Cameron and Polhemus, 1974). In other words, the apparent diffusion limitations for CO2 transfer reflect chemical equilibrium constraints imposed by the relatively slow conversion of plasma HCO3− to molecular CO2. The dehydration of plasma HCO3− to CO2, while occurring rapidly at the catalysed rate in the presence of red blood cell (RBC) carbonic anhydrase (CA), is constrained by the slow rate of the RBC Cl−/HCO3− exchanger, the rate limiting step in overall CO2 excretion (Perry et al., 1982, Perry, 1986, Perry and Gilmour, 1993 and Gilmour et al., 2004). For these reasons, the addition of exogenous CA to the plasma in teleosts (Julio et al., 2000, Desforges et al., 2001, Desforges et al., 2002 and Gilmour and MacNeill, 2003) or the presence of endogenous membrane-associated CA oriented to face the plasma in elasmobranchs (Wood et al., 1994, Gilmour et al., 1997, Henry et al., 1997, Gilmour et al., 2001, Gilmour and Perry, 2004 and Gilmour et al., 2007) greatly facilitates CO2 excretion (see review by Gilmour and Perry, 2010).

The goldfish (Carassius auratus), like crucian carp (C. carassius; Sollid et al., 2003), exhibits a remarkable structural remodelling of the gills in response to changes in ambient temperature or O2 levels ( Sollid et al., 2005, Mitrovic et al., 2009 and Mitrovic and Perry, 2009). With decreasing temperature (<15 °C), functional lamellar surface area is decreased and water-to-blood diffusion distances are increased owing to the formation between adjacent lamellae of a mass of cells termed the interlamellar cell mass (ILCM) ( Sollid et al., 2003). This strategy, while presumably beneficial for reducing passive loss of salts across the gill and hence lowering the energetic costs of ionic regulation during periods of lowered metabolic rate, is likely to impede branchial gas transfer especially under conditions of acute hypoxia ( Sollid et al., 2003; see reviews by Sollid and Nilsson, 2006 and Nilsson, 2007). Thus, the goldfish is an excellent model species for studying the consequences of naturally occurring reductions in lamellar surface area and increases in diffusion distances on branchial gas transfer. Given the presumed differences in the extent of apparent diffusion limitations for O2 and CO2 transfer, it seems plausible that the imposition of additional diffusion limitations associated with gill remodelling would disproportionately affect CO2 relative to O2 transfer. Specifically it is hypothesised that the presence of the ILCM in fish acclimated to cold water (7 °C) would have a greater impact on CO2 excretion and that any negative impacts on O2 transfer would be magnified during exposure of fish to acute hypoxia. Because the apparent diffusion limitations for CO2 transfer stem from the slow conversion of plasma HCO3− to CO2, it was further hypothesized that the negative consequences of gill remodelling on CO2 transfer might be partially relieved by the addition of exogenous CA to the plasma. These hypotheses were tested by measuring gill ventilation and arterial blood gases and pH in real time during periods of normoxia, hypoxia and hypercapnia (elevated PwCO2PwCO2 levels) using an extracorporeal circulation in goldfish with (7 °C) or without (25 °C) the ILCM present.

2. Materials and methods

2.1. Experimental animals and surgical procedures

Goldfish (C. auratus) were purchased from Aleong's International (Mississauga, Ontario) and were held in circular tanks supplied with flowing, aerated, dechloraminated city of Ottawa tap water at 18 °C within the University of Ottawa Aquatic Care Facility. The goldfish were divided into two groups; one group was acclimated to 7 °C and the other to 25 °C. The final acclimation temperatures were achieved by increasing or decreasing the water temperature at an average rate of 2 °C per day. Based on our previous studies ( Mitrovic and Perry, 2009, Mitrovic et al., 2009 and Tzaneva and Perry, 2010), the lamellae of the 25 °C fish are largely devoid of an ILCM (occupying ∼20–30% of the lamellar channels) while the fish acclimated to 7 °C exhibit gills with extensive coverage of the lamellae by the ILCM (occupying ∼80–90% of the lamellar channels). Goldfish were held at their respective temperatures on a 12/12-h light/dark photoperiod and fed commercial food pellets daily for at least two weeks prior to experimentation. All experiments were conducted at the University of Ottawa at these two temperatures in compliance with guidelines of the Canadian Council of Animal Care (CCAC) and after approval of the University of Ottawa Animal Care Committee (Protocol BL-226).

Goldfish (average mass = 236 ± 9 g; N = 42) were anaesthetised in 10 mg l−1 benzocaine (Sigma–Aldrich, Inc.) until ventilation had ceased. The fish were then placed on a surgery table where the gills were irrigated with aerated anaesthetic solution. To measure ventilation frequency (fvent) and amplitude (Avent), impedance leads terminating in 1 cm2 brass plates were attached with sutures to the outer surface of each operculum. To allow sampling of the inspired water, a cannula (Clay Adams PE 160) was inserted through the snout between the nares into the buccal cavity. For continuous measurements of blood respiratory variables in vivo, the caudal vein and artery were cannulated. Briefly, a 2 cm lateral incision was made at the caudal peduncle. Saline (0.9% NaCl) filled cannulae (Clay Adams PE 50 with a ∼2 cm piece of PE 10 attached at the end) were inserted into the caudal vein and artery in the anterior direction. The incision was closed with silk sutures and the cannulae were secured to the skin with ligatures. The fish were then placed in plastic boxes (3.8 l) provided with flowing aerated water at the appropriate accli

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

การปรากฏตัวของ interlamellar มวลเซลล์ ( ilcm ) บนเหงือกของปลาทองอย่างมีนัยสำคัญลดฟังก์ชันที่ปรับปรุงพื้นผิวและเพิ่มระยะทางการกระจายถ่ายเทก๊าซ และดังนั้นจึง อาจเป็นการท้าทายสำหรับการถ่ายโอนของระบบทางเดินหายใจ ( O2 และ CO2 )ที่นี่เราใช้สมมติฐานว่า การปรากฏตัวของ ilcm ในปลาทอง acclimated 7 ต่อเรือขัดขวางการดูดซึมของ O2 และการขับถ่ายของ CO2 ในขณะที่ pao2pao2 ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ค่านิยมพื้นฐานของ paco2paco2 มีค่าสูงกว่าในปลาทองที่ 7 ° C ilcm ปัจจุบัน ( 5.55 ± 0.54 mmHg ; หมายถึง± SEM ) มากกว่าในปลาทองที่ 25 ° C โดยไม่ ilcm ( 3.98 ± 0.18 มิลลิเมตรปรอท )ฉะนี้แล ( CA ) ฉีดโล่งใจปรากฏการแพร่กระจาย จำกัด ที่กำหนดโดยการแสดงตนของ ilcm ในการขับถ่าย ( pwco2pwco2 ระดับ CO2 ลดลง 3.07 ± 0.32 มิลลิเมตรปรอท ) ทั้งนี้ การขาดออกซิเจนเฉียบพลันที่เกิดการเปลี่ยนแปลงของปลาที่คล้ายกันใน pao2pao2 สอง acclimation อุณหภูมิแอลกอฮอล์ ( แอลกอฮอล์ ) การใช้เป็นเครื่องมือในการสืบเรื่องของศักยภาพของ ilcm การพลั้งเผลอ branchial . ผลการศึกษา พบว่า ilcm ไม่ขัดขวางการดูดซึมแอลกอฮอล์ 7 ° C ปลาทอง โดยภาพรวมแล้ว ผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการปรับเปลี่ยนใหม่ของปลาทองเหงือกที่เกี่ยวข้องกับ acclimation 7 ° C ในขณะที่เพิ่ม paco2paco2 น้ำ ,มีผลกระทบน้อยที่สุดใน branchial O2 โอน











คำสำคัญ

มีเหงือก ; ;
พระราชบัญญัติ nonlapse ระบาย ;
;
ฉะนี้แล ;
ก๊าซในเลือด


1 แนะนำ

branchial ก๊าซโอนใน teleost ปลาได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในช่วง 5 ทศวรรษที่ผ่านมา ( holeton และแรนดัล , 1967 , Randall et al . , 1967 , คาเมรอน และ เดวิส , 1970 , Randall et al . , 1982 และแรน daxboeck , 1984 , เพอร์รี่และไม้1989 กิลม ์ เพอร์รี่ และ กิลม ์ , 1997 , 2002 , Perry et al . , และ 2009a เพอร์รี่ และ กิลม ์ , 2010 ) ทฤษฎีที่มีอยู่เดิม ( piiper และเชด , 1984 และ 1985 และเต็มตัว - / - , เวเบอร์ , piiper , 1989 ) และหลักฐานเชิงประจักษ์ ( daxboeck et al . , 1982 , ส่วน et al . , 1984 , ฮูลิโอ et al . , 2000 และ desforges et al . ,2002 ) ชี้ให้เห็นว่า O2 ใช้ในปลาเทราท์ ( และสันนิษฐานว่าปลาใน teleost อื่นๆ ) อยู่ภายใต้ข้อ จำกัด การแพร่กระจายน้อยที่สุดภายใต้เงื่อนไขของพักและดังนั้นจึงเป็น ผ่านระบบ ( จำกัด เพอร์รี่ และ กิลม ์ , 2002 ) ในแคนาดาจำกัดระบบขอบเขตที่ equilibrates เลือดแดงด้วยแรงบันดาลใจจากน้ำเป็นอิสระ เวลาขนส่งเลือดผ่านเหงือก เพอร์รี่ และ กิลม ์ , 2002 ) ดังนั้น ในแคนาดา จำกัด ระบบหลอดเลือด po2po2 ( pao2 ) ( pao2 ) จะคงที่กว่าช่วงกว้างของผลผลิต และการดูดออกซิเจน หัวใจจึงมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มการไหลของเลือดไม่มีข้อ จำกัด การแพร่กระจายสำหรับ O2 โอนภายใต้เงื่อนไขปกติแสดงว่าหลอดเลือดแดง po2po2 ควรจะค่อนข้างอ่อนไหวมากขึ้นในน้ำเลือดกระจายระยะทาง หรือลดพื้นที่ผิวการท . แน่นอน ผลลัพธ์ของการศึกษานั้นมีการติดตาม pao2pao2 ในปลาเทราท์พบลดพื้นที่ผิวเหงือก ( ฮูลิโอ et al . ,2000 ) หรือหนากั้นการแพร่ ( bindon et al . , 1994 และเกรโก et al . , 1995 ) ได้แสดงให้เห็นว่า pao2pao2 ( อย่างน้อยในวิทยาศาสตร์ ) ได้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง . แต่ถ้าหนากั้นการแพร่รุนแรงมากพอ การลดลงของ pao2pao2 แน่นอนอาจเกิดขึ้นได้ภายใต้เงื่อนไข normoxic ( Thomas et al . , 1988 , Perry et al . , 1996 และ เพอร์รี่ , 1998 ) ตามทฤษฎีการแพร่กระจายของข้อ จำกัด ในการเพิ่มออกซิเจน O2 กับภายนอกเช่นน้ำเลือด po2po2 ลาด ( แรงผลักดันเพื่อกระจาย ) ลดลง ดังนั้น แสดงให้เห็นว่าสำหรับปลาเทราท์ ( bindon et al . , 1994 และเกรโก et al . , 1995 )ผลกระทบเชิงลบของระยะทางเพิ่มการแพร่กระจายเกิดจากเยื่อบุหนาของการทส่วนใหญ่พร้อมสังเกตในระหว่างการเปิดรับออกซิเจนปลา



โดยความคมชัด , การถ่ายโอนของ CO2 ผ่านเหงือก teleosts ทํางานเป็นระบบการแพร่กระจายจำกัด ( desforges et al . , 2002 )แม้ว่าสูงกว่าความจุของน้ำกับ CO2 O2 ควรสนับสนุนการแพร่ของโมเลกุล CO2 กระบวนการโดยรวมของการ branchial CO2 ถูก จำกัด โดยต้องแปลง− hco3 พลาสม่าเพื่อโมเลกุล CO2 ภายในระยะเวลาสั้น ๆของเลือดการขนส่งผ่านเหงือก vasculature ( 1 – 3 ของคาเมรอนและโพลฮีเมิส , 1974 ) ในคำอื่น ๆส่วนข้อจำกัดสำหรับการกระจาย CO2 ให้สมดุลเคมี ข้อจำกัดที่กำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างช้าของ− hco3 พลาสม่าเพื่อโมเลกุล CO2 การขาดน้ำของพลาสมา hco3 −เพื่อ CO2 , ในขณะที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วใน catalysed อัตราในการแสดงตนของเม็ดเลือดแดง ( RBC ) ฉะนี้แล ( CA ) , เป็นข้อ จำกัด โดยอัตราที่ช้าของ RBC Cl −−แลกเปลี่ยน / hco3 ,อัตราการขั้นตอนในการขับถ่ายคาร์บอนไดออกไซด์โดยรวม ( Perry et al . , 1982 และ 1986 เพอร์รีเพอร์รี่ กิลม ์ , 2536 และ กิลม ์ et al . , 2004 ) ด้วยเหตุผลเหล่านี้ นอกจากภายนอก CA กับพลาสมาใน teleosts ( ฮูลิโอ et al . , 2000 , desforges et al . , 2001 , desforges et al . , 2002 และ กิลม ์ macneill และ ,2003 ) หรือการมีโครงสร้างเยื่อเกี่ยวข้อง CA ที่มุ่งเน้นไปที่ใบหน้าของ elasmobranchs ( ไม้ et al . , 1994 , กิลม ์ et al . , 1997 , เฮนรี่ et al . , 1997 , กิลม ์ et al . , 2001 และ 2004 กิลม ์ เพอร์รี่ และ กิลม ์ et al . , 2007 ) ช่วยในการขับถ่าย ( คาร์บอนไดออกไซด์ ดูความคิดเห็น โดย กิลม ์กับเพอร์รี่ , 2010 ) .

ปลาทอง ( Carassius auratus ) เหมือน crucian ปลาคาร์พ ( C . ทางเดินอาหาร ; sollid et al . ,2003 ) จัดแสดงที่น่าทึ่ง การปรับปรุงโครงสร้างของเหงือกในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในระดับอุณหภูมิห้อง หรือ O2 ( sollid et al . , 2005 mitrovic et al . , 2009 และ mitrovic กับเพอร์รี่ , 2009 ) ด้วยการลดอุณหภูมิ ( < 15 ° C )พื้นที่ผิวที่ปรับปรุงการทำงานลดลง และน้ำในเลือดเพิ่มขึ้น เนื่องจากระยะทางการก่อตัวระหว่างลาเมลล่าที่อยู่ติดกันของมวลของเซลล์ที่เรียกว่า interlamellar มวลเซลล์ ( ilcm ) ( sollid et al . , 2003 ) กลยุทธ์นี้ในขณะที่มีประโยชน์เพื่อลดการสูญเสีย passive ของเกลือในเหงือกและด้วยเหตุนี้การลดต้นทุน มีพลังของระเบียบไอออนในช่วงระยะเวลาของการลดอัตราการเผาผลาญพลังงานมีแนวโน้มที่จะขัดขวางการ branchial ก๊าซโดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้เงื่อนไขของสังคมแบบเฉียบพลัน ( sollid et al . , 2003 ; ดูความคิดเห็นและโดย sollid นิลส์สัน , 2006 และ นิลส์สัน , 2007 ) ดังนั้นปลาทองเป็นแบบจำลองที่ยอดเยี่ยมชนิด เพื่อศึกษาผลของธรรมชาติที่เกิดขึ้นในการปรับปรุงพื้นที่ผิวและเพิ่มระยะทางการกระจายก๊าซ branchial . ให้สันนิษฐานว่า ความแตกต่างในขอบเขตของข้อ จำกัด การแพร่กระจายที่ชัดเจนสำหรับ O2 และ CO2 การถ่ายโอนมันดูเหมือนจะเป็น ที่กำหนดข้อ จำกัด การแพร่กระจายเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับกิลล์ของเราจะสลายมีผลต่อ CO2 O2 เทียบโอนโดยเฉพาะเป็นวิชาที่มีการแสดงตนของ ilcm acclimated ในปลาน้ำเย็น ( 7 ° C ) จะมีผลกระทบมากกว่าการขับถ่ายใน CO2 และ O2 ที่ผลกระทบเชิงลบต่อการโอนจะได้รับการขยายระหว่างการสัมผัสของปลาขาดออกซิเจนเฉียบพลัน เพราะข้อจำกัดการโอนแจ้งกระจาย CO2 เกิดจากการแปลงช้าของพลาสมา hco3 −เพื่อ CO2 ,มันยังตั้งสมมติฐานว่า ผลลบ เหงือกของเราในการถ่ายโอนบางส่วน CO2 อาจจะโล่งใจโดยนอกเหนือจากภายนอก CA กับพลาสมา สมมติฐานเหล่านี้ถูกทดสอบโดยการวัดการระบายอากาศเหงือกและก๊าซเลือดแดงและ pH ในเวลาจริงในระหว่างรอบระยะเวลาของวิทยาศาสตร์ ,การขาดออกซิเจนและพระราชบัญญัติ nonlapse ( ระดับ pwco2pwco2 สูง ) ใช้เป็นมาตรฐานในการไหลเวียนของปลาทองกับ ( 7 ° C ) หรือ ( 25 องศา C ) โดยไม่ ilcm ปัจจุบัน

2 วัสดุและวิธีการ

2.1 . ทดลองสัตว์และการผ่าตัด

ปลาทอง ( C . auratus ) ซื้อจาก aleong นานาชาติ ( Mississauga Ontario ) และถูกจัดขึ้นในถังกลมพร้อมกับการไหล ,dechloraminated เมืองออตตาวาประปา 18 ° C ภายในมหาวิทยาลัยดูแลสัตว์น้ำออตตาวาสิ่งอำนวยความสะดวก ปลาทองแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม กลุ่มหนึ่งเป็น acclimated 7 ° C และอื่นๆ ถึง 25 องศา อุณหภูมิ acclimation ครั้งสุดท้ายได้โดยการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิน้ำที่อัตราเฉลี่ย 2 องศา C ต่อวัน จากการศึกษาก่อนหน้านี้ ( mitrovic กับเพอร์รี่ 2009mitrovic et al . , 2009 และ 2010 ) และ tzaneva เพอร์รี่ , ลาเมเล่ของ 25 ° C ปลาส่วนใหญ่จะไม่มีการ ilcm ( ∼ครอบครอง 20 – 30 % ของปรับปรุงช่อง ) ในขณะที่ปลา acclimated 7 ° C มีไม่ครอบคลุมของลาเมลล่า โดย ilcm ( มี∼ 80 – 90% ของปรับปรุงช่องทาง )ปลาทองถูกจัดขึ้นในแต่ละอุณหภูมิบน 12 / 12-h แสง / มืดแสงและเลี้ยงอาหารพาณิชย์เม็ดทุกวันเป็นเวลาอย่างน้อยสองสัปดาห์ก่อนการทดลองทุกการทดลองที่มหาวิทยาลัยออตตาวาที่ทั้งสองอุณหภูมิในการปฏิบัติตามแนวทางของคณะกรรมการในการดูแลสัตว์ ( ccac ) และหลังจากที่ได้รับอนุมัติจากมหาวิทยาลัยออตตาวาคณะกรรมการการดูแลสัตว์ ( โปรโตคอล bl-226 ) .

ปลาทอง ( เฉลี่ยมวล = 236 ± 9 g ; n = 42 ) anaesthetised 10 มก. L − 1 สมณศักดิ์ ( Sigma ) ดิช , Inc ) จนกว่าการระบายอากาศได้หยุดปลาแล้ววางไว้บนโต๊ะผ่าตัดที่เหงือกเป็นชลประทานใช้ยาแก้ปัญหา วัดความถี่อากาศ ( fvent ) และความกว้าง ( นม ) , อิมพีแดนซ์นำสัญญาณได้ใน 1 ตร. ซม. แผ่นทองเหลืองถูกแนบกับเย็บแผลไปยังพื้นผิวด้านนอกของแต่ละโอเพอร์คูลัม . เพื่อให้ตัวอย่างของแรงบันดาลใจจากน้ำcannula ( Clay Adams PE 160 ) แทรกผ่านจมูกระหว่างนเรศเข้าไปในโพรงปาก . สำหรับวัดต่อเนื่องของเลือดระบบหายใจตัวแปรในร่างกาย , เส้นเลือดและเส้นเลือดเป็นหาง cannulated . สั้น ๆ , 2 ซม. ด้านข้าง n ทำที่ก้านหาง . เกลือ ( 09 % NaCl ) ตัวเต็ม ( Clay Adams PE 50 กับ∼ 2 ซม. แผ่น PE 10 แนบท้าย ) ถูกสอดเข้าไปในเส้นเลือดดำและเส้นเลือดหางในทิศทางด้านหน้า . รอยเย็บแผลปิดด้วยไหม และตัวที่มีความปลอดภัยต่อผิวเครื่องรัด ปลาที่ถูกวางไว้แล้วในกล่องพลาสติก ( 3.8 ลิตร ) ให้กับมวลน้ำที่ไหล accli เหมาะสม