用于研究人类呼吸系统疾病的鱼类体外膜交换呼吸系统
技术领域
本发明涉及生物学技术领域，尤其是涉及一种用于研究人类呼吸系统疾病的鱼类体外膜交换呼吸系统。
背景技术
随着人口老龄化的发展、环境污染的加剧、烟草泛滥、药物和毒物的滥用、呼吸系统传染病的肆虐等，由于呼吸系统疾病、其他相关系统疾病导致的呼吸系统异常的发病率呈逐年上升的趋势，累积患者数量也迅速增加，慢性呼吸疾病的患者比例和数量均在迅速增长，呼吸慢病死亡率已位居世界疾病死因排行的第三位，医疗负担和社会经济负担日益严重。
由于诱发性动物模型与临床试验相比，具有更强的操控性、直观性及易于重复的优点，能更精准的从解剖形态学、组织病理学、基因和分子生物学等多角度研究呼吸系统疾病。所以，寻求一种简易、稳定，更接近人类发病特征的动物模型迫在眉睫。
斑马鱼基因组与人类基因组吻合度87％，具有高度同源性，作为模式生物的优势很突出，用斑马鱼复制的疾病模型在人类疾病研究中起重要作用。斑马鱼作为一个模式动物，因其胚胎体外受精、体外发育，胚体透明、易于观察，繁殖量大、生长速度快、样本充足等独特的优势，受到众多研究领域的科学家的青睐。在国际上，斑马鱼模式生物的使用正逐渐拓展和深入到生命体的多种系统(神经系统、免疫系统、心血管系统、生殖系统等)的发育、功能和疾病的研究中，并已应用于小分子化合物的大规模新药筛选。斑马鱼显微操作简单，已经具备成熟的基因过表达和抑制表达的策略。各器官和系统发生发育过程相似，其许多突变体和人类基因突变产生的表现型相似。因此斑马鱼可用于建立基因功能研究、人类疾病基因型/表型的研究、以重大疾病治疗为目标的药物筛选和鉴定的动物模型。
由于鱼类用鳃进行气体交换，没有像人类一样的呼吸系统，故在呼吸疾病研究领域的应用寥寥无几，导致斑马鱼至今还无法广泛用于呼吸系统疾病的研究。如果能够改变斑马鱼养殖液中的O2分压、CO2分压或者H+浓度、HCO3—浓度，则也可相应改变斑马鱼体内的O2、CO2分压或者H+、HCO3—浓度，模拟实现诸如高氧、缺氧、高CO2、低CO2、高碳酸血症等人类呼吸系统疾病的病理生理学过程。这相当于给斑马鱼构建了一个体外的人工膜肺，因此也可以利用斑马鱼构建各种呼吸系统的疾病模型并进行相应研究了。
所以，建立一种能利用斑马鱼造模来模拟人类呼吸疾病的设备，并具有智能度高、操作简单、使用方便，非专业人士也能短期掌握等特点，是本领域技术人员亟待解决的问题。当然，该装置并不局限于斑马鱼的研究，如有需要，其它水生动植物也同样可以在该系统提供的特定环境中饲养，并开展相关的科学研究。
发明内容
为了克服上述所存在的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种不改变鱼类生理解剖结构，改变斑马鱼饲养液中的O2分压、CO2分压、N2分压、H+浓度和HCO3—浓度，调节喂养斑马鱼饲养液中酸碱度和各气体气体浓度，进行饲养液物质组分的精准调节，维持斑马鱼的特定稳态环境，检测记录，模拟建立人类在低氧血症、高氧血症、低碳酸血症、高碳酸血症等呼吸疾病下病理生理学研究数据；同时，通过与临床实验相比，具有更强操控性、直观性和易于重复性的诱发性动物模型，来更精准地从解剖形态学、组织病理学、基因和分子生物学等多角度研究呼吸系统疾病，简易、稳定，更接近人类发病特征的的鱼类体外膜交换呼吸系统。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
本技术方案为一种用于研究人类呼吸系统疾病的鱼类体外膜交换呼吸系统，包括控制系统、膜交换系统、饲养缸和多种气源；所述膜交换系统包括交换仓和交换膜；所述交换膜置于预混合水的交换仓中；所述多种气源与交换膜进气口相连通；交换膜膜内为气腔，膜外为预混合水；所述交换仓中饲养液通过管道与多个饲养缸进水口相连通；所述多种气源上设有多种传感器和控制阀；控制系统分别与多种传感器和控制阀电连接。
作为优选，所述交换仓进水口通过管道分别连接酸性液源、碱性液源和清洁水源；所述酸性液源、碱性液源和清洁水源上都分别设有多种传感器和控制阀；所述控制系统分别与各单元上的多种传感器和控制阀电连接。
作为优选，所述多种气源与交换膜进气口之间的连接管道上设有气体混合仓；多种气源为O2气源、CO2气源、N2气源、空气和其他气源中的一种或多种的组合；多种气源上设有传感器和控制阀；气体混合仓内设有传感器；所述控制系统分别与多种气源和气体混合仓上各传感器和控制阀电连接。
作为优选，所述传感器包括压力传感器、流量传感器、气体分压传感器、酸碱度传感器、温度传感器、湿度传感器、水位传感器和液体成分传感器中的一种或多种的组合。
作为优选，所述交换仓中饲养液通过循环泵和管道分别与多个饲养缸进水口相连通；所述控制系统与循环泵电连接。
作为优选，所述交换膜出气口通过单向管道与气体混合仓相连通。
作为优选，所述饲养缸包括密封盖和缸体；所述饲养缸内设有液位传感器和温度传感器；所述控制系统与液位传感器和温度传感器电连接。
作为优选，所述饲养缸出水口通过管道与过滤系统相连通；所述过滤系统包括顺序连通的污水过滤器和排污池；所述污水过滤器清洁水出口通过管道与交换仓相连通；污水过滤器和排污池上分别设有液位传感器、流量传感器和流量控制阀；所述控制系统与液位传感器、流量传感器和流量控制阀电连接。
作为优选，所述多个饲养缸并联排列。
本发明的有益效果是：
通过控制系统的精确控制，调节喂养斑马鱼饲养液中酸碱度和各气体溶解度，进行物质组分的精准的调节，维持斑马鱼的特定稳态环境，检测记录，模拟建立人类在低氧血症、高氧血症、低碳酸血症、高碳酸血症等呼吸疾病下病理生理学研究数据。
通过与临床实验相比，具有更强操控性、直观性和易于重复性的诱发性动物模型，来更精准地从解剖形态学、组织病理学、基因和分子生物学等多角度研究呼吸系统疾病，简易、稳定，更接近人类发病特征的的鱼类体外膜交换呼吸系统。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的主结构示意图。
图2是本发明中控制系统与各传感器和控制阀连接的结构示意图。
图3是本发明中气体混合仓的结构示意图。
图4是本发明中膜交换系统的结构示意图。
图5是本发明中饲养缸的结构示意图。
图6是本发明中过滤系统的结构示意图。
图7是本发明中系统整体运行的结构示意图。
图中标记：控制系统1，气体混合仓2，膜交换系统3，饲养缸4，污水过滤器5，O2气源6，CO2气源7，N2气源8，酸性液源9，碱性液源10，清洁水源11，排污池12，电源13。
排气口201，气体混合仓壳体202，气体混合仓传感器203，O2进气口204，CO2进气口205，N2进气口206，混合气进气口207。
循环泵301，膜交换系统传感器302，交换膜进气口303，交换仓壳体304，清洁水入口305，酸性液源入口306，碱性液源入口307，交换膜出气口308，交换仓309，交换膜310，气腔311。
密封盖401，饲养缸进水口402，缸体403，饲养缸传感器404，饲养缸出水口405。
污水过滤器传感器501，污水排水口502，污水过滤器壳体503，清洁水出口504。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1、图2、图4和图7中所示，本发明为一种用于研究人类呼吸系统疾病的鱼类体外膜交换呼吸系统，包括控制系统1、膜交换系统3、饲养缸4和多种气源；所述膜交换系统3包括交换仓309和交换膜310；所述交换膜310置于预混合水的交换仓309中；所述多种气源与交换膜310进气口相连通；交换膜310膜内为气腔311，膜外为预混合水；所述交换仓309中饲养液通过管道与多个饲养缸进水口402相连通；所述多种气源上设有多种传感器和控制阀；控制系统1分别与多种传感器和控制阀电连接。
所述传感器包括压力传感器、流量传感器、气体分压传感器、酸碱度传感器、温度传感器、湿度传感器、水位传感器和液体成分传感器中的一种或多种的组合,各传感器采集部件运行状态信息并反馈到控制系统,并由控制系统做作出相应的控制指令。
控制系统1为BreathFish软件系统。控制系统1按照设定比例，控制多种气源中各气源进入交换膜气腔311中的通入量，气体通过交换膜310弥散进入交换仓309预混合水中形成饲养液，交换仓309中预混合水液体不能进入到交换膜气腔中；控制系统1控制饲养液分配到多个饲养缸4中。
实施例2，在实施例1的基础上，如图1和图4中所示，所述交换仓309进水口通过管道分别连接酸性液源9、碱性液源10和清洁水源11；所述酸性液源9、碱性液源10和清洁水源11上都分别设有多种传感器和控制阀；所述控制系统1分别与各单元上的多种传感器和控制阀电连接。
膜交换系统3中包括循环泵301，膜交换系统传感器302，交换膜进气口303，交换仓壳体304，清洁水入口305，酸性液源入口306，碱性液源入口307，交换膜出气口308，交换仓309，交换膜310和气腔311。
酸性液源9通过酸性液源入口306进入交换仓309中；碱性液源10通过碱性液源入口307进入交换仓309中；酸性液源通道和碱性液源通道上都分别安装有与控制系统1电连接的酸碱度传感器、液体成分传感器和流量控制阀。清洁水源11通过清洁水入口305进入交换仓309中，清洁水源通道上安装有与控制系统1电连接的液体成分传感器和流量控制阀。
所述交换仓309中饲养液通过循环泵301和管道分别与多个饲养缸上进水口402相连通；所述控制系统1与循环泵301电连接。
酸性液源9和碱性液源10，可采用富含H+的酸性液和富含HCO3—的碱性液，也可以更换为其他需要类型的液体。
控制系统1控制清洁水源、各气源气体、酸碱液源的通入量,用以按比例混合配比饲养液。控制系统1通过电源13供电。控制系统中通过BreathFish控制软件对各个传感器的检测信号进行计算处理，再对输出指令和运行状态进行设置，对各传感器的反馈信息进行实时监控，使整个系统在预设的压力、流量、气体分压、酸碱度、温度、湿度、液面高度等状态下稳定运行，并采集系统、环境和生物信息，再反馈到控制系统，实现对整个循环装置的精密自动化调控。
实施例3，在实施例1的基础上，如图2和图3中所示，所述多种气源与交换膜进气口303之间的连接管道上设有气体混合仓2；多种气源为O2气源6、CO2气源7、N2气源8、空气和其他气源中的一种或多种的组合；多种气源上设有传感器和控制阀；气体混合仓2内设有传感器；所述控制系统1分别与多种气源和气体混合仓2上各传感器和控制阀电连接。气体混合仓2中包括排气口201，气体混合仓壳体202，气体混合仓传感器203，O2进气口204，CO2进气口205，N2进气口206和混合气进气口207。
O2气源6通过O2进气口204进入气体混合仓2中；CO2气源7通过CO2进气口205进入气体混合仓2中；N2气源8通过N2进气口206进入气体混合仓2中；空气通过混合气进气口207进入到气体混合仓2中。各气源接口通道上都分别安装有与控制系统1电连接的压力传感器、流量传感器和流量控制阀，以监测和控制通入气体混合仓2中的各项气源的进气量。气体混合仓2内安装有与控制系统1电连接的气体混合仓传感器203，气体混合仓传感器为气体分压传感器；气体混合仓2上设有排气口201。控制系统监测和调控各气源进气口的流量和进入气体混合仓2内的气体分压。
所述交换膜出气口308通过单向管道与气体混合仓2上混合气进气口207相连通，多余的混合气体可再次进入气体混合仓2中，循环再利用。
实施例4，如图1、图5和图6中所示,所述饲养缸4包括密封盖401和缸体403；所述饲养缸4内设有饲养缸传感器404，饲养缸传感器404包括液位传感器和温度传感器；所述控制系统1与液位传感器和温度传感器电连接。饲养缸4中包括密封盖401，饲养缸进水口402，缸体403，饲养缸传感器404和饲养缸出水口405。
所述饲养缸出水口405通过管道与过滤系统相连通；所述过滤系统包括顺序连通的污水过滤器5和排污池12；污水过滤器5中包括污水过滤器传感器501、污水排水口502、污水过滤器壳体503和清洁水出口504；所述污水过滤器清洁水口504通过管道与交换仓309上清洁水入口305相连通，过滤后的清洁水循环再利用；污水过滤器5和排污池12上分别设有液位传感器、流量传感器和流量控制阀；污水过滤器5中液位传感器、流量传感器和流量控制阀集成于污水过滤器传感器501上；所述控制系统1与液位传感器、流量传感器和流量控制阀电连接。所述多个饲养缸4并联排列。
饲养缸4具有独立的密封盖401，起到防止饲养液中各种成份与外界环境直接进行交换，保证实验数据的准确性；饲养缸的布置数量不限，多个饲养缸可并联，可根据具体的实验需求,任意增减。饲养缸4内液位传感器和温度传感器监测饲养缸内液位和温度情况,并将采集数据反馈给控制系统,由控制系统按照设定数据要求进行液位的补充和温度的升降,为饲养缸内斑马鱼的研究提供适宜环境。
实施例5，具体的控制系统对气体和液体流量的调节方法，按照如下公式计算：进入气体混合仓2中的气体流量V仓应等于各种气源的气体流量之和，即
V仓＝VO2+VCO2+VN2+V混合 (公式1)
为保持气体混合仓内压力恒定，进入膜交换系统3的气体流量V膜
V膜＝V仓 (公式2)
所以，可推导得出
V膜＝V仓＝VO2+VCO2+VN2+V混合 (公式3)
气体混合仓内的气体压力P仓应等于各种气体成分的分压之和，即
P仓＝PO2+PCO2+PN2+PH2O+P其他 (公式4)
循环泵301的流量F泵应等于来自各种液体来源的流量之和，即
F泵＝F净水+F酸液+F碱液 (公式5)
同时，膜交换系统中交换仓309所产生饲养液的流量F仓，应等于循环泵泵出液体的流量F泵，即
F仓＝F泵 (公式6)
由循环泵输送至各个饲养缸的液体流量F缸，应等于各个饲养缸入水口液体流量总和F缸，即
F缸＝F缸1+F缸2+F缸3+……+F缸n (公式7)
此外，循环泵流量F泵应等于各个饲养缸入水口液体流量之和F缸，即
F泵＝F缸 (公式8)
由此可以得出
F泵＝F仓＝F缸 (公式9)
根据以上公式1-9，装置系统各个部位的流量传感器采集到的气体、液体流量信息，回馈至BreathFish控制系统中，系统根据算法，精确计算出需要的气体、液体的量，并将指令输出至流量控制阀，从而精确调节O2/CO2/N2气源量、H+/CHO3—液源、清洁水的流量大小，维持整个系统平稳运行。当根据气体混合仓2内气体分压的CO2实际需求量，BreathFish根据来自气体分压传感器的监测数值，判断CO2分压比预计值偏低，则将信号反馈给CO2气源上的流量控制阀，增加CO2的流量，从而使得进入气体混合仓的CO2增加达到需要的分压；若CO2分压超过了需求浓度，则将控制指令发送至CO2气源上的流量控制阀，减少CO2的输出。
实施例6，整个膜交换系统的平稳运行，需要考虑到各种气源通过交换膜后溶于混合仓中形成预混合水中的溶解度。某种气体在预混合水中的溶解度，通过液体的温度、该气体分压、交换仓内压力等参数设置决定，并由各个部位的传感器实时监测和由控制系统动态调整，以达到实验所需的动态平衡。
在不同压力和温度状态下，O2和CO2以及其他气体在水中溶解度是不相同的。根据亨利定律Henry's law，在等温等压下，某种气体B在溶液中的溶解度与液面上该气体的平衡压力成正比。其公式为
PB＝H·XB (公式10)
式中：H为Henry常数，其值与温度、压力以及溶质和溶剂的本性有关；XB为气体B的摩尔分数溶解度，PB为气体B的分压。H能够很好的表示气体的溶解量。由于在稀薄溶液中各种浓度成正比，所以上式中的xB还可以是mB(质量摩尔浓度)或cB(物质的量浓度)等，此时的H值将随之变化。查表求一定温度和压强下的H值，代入计算可得到气体的溶解度。严格地说，Henry定律是一种近似规律，只适用于溶解度较小的体系。
在总压力不大时，若多种气体同时溶于同一个液体中，亨利定律可分别适用于其中的任一种气体；一般来说，溶液越稀，亨利定律愈准确，在X→0时溶质能严格服从定律。温度不同，亨利系数不同，温度升高，挥发性溶质的挥发能力增强，亨利系数增大。换而言之，同样分压下温度升高，气体的溶解度减小。若有几种气体同时溶于同一溶剂中形成稀溶液时，每种气体的平衡分压与其溶解度关系分别适用亨利定律。空气中的N2、O2和CO2在水中的溶解就是这样的例子。
本实验系统是一个可以密闭的系统，不是与大气直接相通的开放系统，而且在系统多个部位具有压力传感器、气体分压传感器、温度传感器等，可以在系统允许的压力范围内进行调节加压或者减压，按照设定的压力状态运行，从而实现可调可控的各种气体溶解度。具体在某一压力和温度状态下溶解度的大小，可查询标准化的气体溶解度表。例如下表给出了25℃下几种气体在水中溶解时的亨利系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
