Vergleich der Belastungen durch Kohlendioxid (CO2), Isofluran und Sevofluran in der Phase der Narkoseeinleitung bei Mäusen: ein Beitrag zum Refinement von Tierversuchen

Abstract

Kohlendioxid (CO2) wird weitverbreitet für die Tötung von Labormäusen verwendet, jedoch ist der Einsatz aus Sicht des Tierschutzes umstritten. Inhalationsanästhetika werden als Alternativen vorgeschlagen, doch sind sie bisher nicht ausreichend untersucht worden. Ziel dieser Arbeit war es, umfassend die Einleitung der Tötung mittels CO2 (100% CO2 mit 20, 60 und 100% des Kammervolumens pro Minute (KV%/min)) sowie Isofluran (2% und 5% Isofluran mit 71 KV%/min) und Sevofluran (4,8% und 8% Sevofluran mit 71 KV%/min) hinsichtlich ihrer Stressbelastung bei NMRI- und C57Bl/6-Mäusen untereinander vergleichend bzw. gegen einen reinen Luftstrom (71 KV%/min) zu untersuchen. Dabei sollten die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der Narkosegasbehandlung, der zeitliche Verlauf der einzelnen Phasen der Narkoseeinleitung, das Verhalten einschließlich Vokalisationen, die Adrenalin- und Noradrenalinkonzentrationen im Plasma, die Glukosekonzentration im Blut sowie die Auswirkungen der Gase auf die Atembewegungen und auf die Gewebe des Atemtraktes beurteilt werden. Der Untersuchungszeitraum war von Beginn der Gasexposition bis zum Erreichen der chirurgischen Toleranz bzw. bis maximal 300 s. Die Tiere wurden durch Dekapitation getötet und Blut- und Gewebeproben gewonnen. Bei beiden Mausstämmen führten nur die CO2-Behandlungen mit 60 und 100 KV%/min und die Behandlung mit 5% Isofluran sowie die Behandlung mit 8% Sevofluran bei NMRI-Mäusen zum Erreichen der chirurgischen Toleranz innerhalb von 300 s bei mindestens 93,8% der Tiere einer Gruppe und galten somit als wirksam und zuverlässig. Die Narkoseeinleitung konnte bei allen Gasen in eine normale Phase, eine Phase der Ataxie, der Muskelrelaxation und der Bewusstlosigkeit bis zum Einsetzten der chirurgischen Toleranz unterteilt werden. Die CO2-Behandlung mit 100 KV%/min erzeugte am schnellsten die chirurgische Toleranz. Die CO2-Behandlung mit 60 KV%/min und die Behandlung mit 5% Isofluran unterschieden sich nicht hinsichtlich der Zeit bis zum Erreichen der chirurgischen Toleranz. Adrenalin- und Noradrenalinkonzentrationen waren bei den wirksamen und zuverlässigen CO2-Behandlungen ca. 10-fach erhöht im Vergleich zu den Isofluran- und Sevofluran-Gruppen. Die Glukosekonzentrationen der C57Bl/6-Mäuse lagen bei den Isofluran- und Sevofluran-Gruppen teilweise höher als bei den mit CO2 behandelten Gruppen, bei den NMRI-Mäusen wurden keine Unterschiede zwischen den Gruppen festgestellt. Es konnte kein eindeutiges stress- oder schmerzanzeigendes Verhalten gefunden werden, alle Änderungen in Bezug auf das normale Verhalten unter Luftstromexposition (Ataxie, hypotoner Gang, Vorwärtsbewegung, Rearings, Putzverhalten, Exzitationen) konnten größtenteils auf die narkotische Wirkung der Gase zurückgeführt werden. Vokalisationen konnten weder im hörbaren noch im Ultraschallbereich festgestellt werden. Die Atembewegungen wurden durch alle Narkosegasbehandlungen beeinflusst. Alle makroskopischen und mikroskopischen Befunde, außer der Atelektase, waren sowohl in allen Behandlungsgruppen wie auch in der Luftkontrollgruppe zu erheben. Sie konnten nicht eindeutig auf die Wirkung der Narkosegase zurückgeführt werden, sondern sind der Dekapitation bzw. agonalem Herz- Kreislaufversagen geschuldet. In Verbindung mit der Literatur ließ sich die Stressreaktion unter CO2-Exposition, die sich in erhöhten Adrenalin- und Noradrenalinkonzentrationen wiederspiegelte, mit den massiven physiologischen Änderungen, wie hyperkapnische Azidose, Dyspnoe, Aversions- und Angstverhalten, die durch die Inhalation von CO2 hervorgerufen wurden, erklären. Augenscheinlich wirkte die Narkoseeinleitung mit CO2 meistens sanft und friedlich auf den Beobachter, jedoch sollten hypotoner Gang, verminderte Vorwärtsbewegung und verminderte Rearings nicht über die tatsächliche (innere) Stressreaktion hinwegtäuschen. Stammesunterschiede müssen bei der Wahl des Narkosegases und der Konzentration beachtet werden. Im Hinblick auf unsere Ergebnisse ist 5% Isofluran mit einer Einfüllrate von 71KV%/min besser bei NMRI- und C57Bl/6-Mäusen zur Narkose- und Tötungseinleitung geeignet als CO2 mit Einfüllraten von 20 und 60 KV%/min. Ausreichende Maßnahmen, die den Arbeitsschutz sicherstellen, müssen dabei gewährleistet sein. Genaue Dosierungen und Darreichungsformen der Inhalationsanästhetika, die tier- und arbeitsschutzkonform sind, werden Gegenstand weiterführender Untersuchungen sein.

Carbon dioxide (CO2) is commonly used to euthanize laboratory mice but it is controversially discussed from an animal welfare’s point of view. Inhalent anaesthetics are proposed as an alternative but they have not been fully characterized yet. The aim of this study was the comprehensive investigation of the induction of euthanasia with CO2 (100% CO2 with filling rates of 20, 60 and 100% of chamber volume per minute (KV%/min)) as well as with isoflurane (2% and 5% isoflurane with 71 KV%/min) and sevoflurane (4.8% and 8% sevoflurane with 71 KV%/min) in NMRI and C57Bl/6 mice. We compared stress reactions between the groups or in comparison to an air stream (71 KV%/min). We evaluated the effectiveness and reliability of the narcotic gas treatment, the time course of the phases of induction of narcosis, behaviour inclusive vocalisations, plasma adrenaline and noradrenaline concentrations, blood glucose concentrations as well as the effects of the gases on respiratory movements and on tissues of the respiratory tract. The period of investigation was form start of the gas exposure until surgical tolerance was reached or after maximum 300 s. Mice were decapitated and blood and tissue samples were collected. In both strains only the CO2 treatments with 60 and 100 KV%/min and the treatments with 5% isoflurane as well as the treatment with 8% sevoflurane in NMRI mice induced surgical tolerance within 300 s in at least 93,8% of animals of a group and were considered as effective and reliable. The induction of narcosis can be divided into a normal phase, a phase of ataxia, of muscle relaxation and of loss of consciousness until the onset of surgical tolerance. CO2 with 100 KV%/min was the fasted treatment to induce surgical tolerance. The CO2 treatment with 60 KV%/min did not differ from the treatment with 5% isoflurane in regard to time to reach surgical tolerance. Plasma adrenaline and noradrenaline concentrations of the effective CO2 treated groups were ca. 10-fold higher than the concentrations of isoflurane and sevoflurane treated groups. In C57Bl/6 mice, blood glucose concentrations were partly higher in isoflurane and sevoflurane treated groups than in CO2 treated groups. In NMRI mice, we could not detect any differences between the groups. We could not find distinct stress or pain indicating behaviour, all changes in behaviour in relation to normal behaviour under air stream exposure (e.g. ataxia, hypotonic gait, forward movement, rearings, grooming, excitatory phenomena) could mainly be explained by the narcotic properties of the gases. We could not detect any vocalizations in the audible nor in the ultrasound range.Respiratory movements were influenced by all narcotic gases. Except atelectasis, all macroscopic and microscopic pathological findings were detected in all treatment groups as well as in the air control group. They could not clearly be ascribed to as effects of the narcotic gas treatment but are rather due to decapitation or cardiac and circulatory failure in agony. Regarded in context with the reviewed literature the stress reaction under CO2 exposure, which is reflected by elevated adrenaline and noradrenaline concentrations in plasma, could be explained by the massive physiological changes (as hypercapnic acidosis, dyspnea, aversion and fear behaviour) that are produced by the inhalation of CO2. Viewed from the outside, the induction of narcosis with CO2 mostly seemed to look nice and peaceful yet hypotonic gait, reduced forward movements and reduced rearings should not deceive the real (inner) stress reaction. Strain differences need to be considered when choosing a narcotic gas and gas concentration. In regard to our results, 5% isoflurane with 71 KV%/min is better than CO2 with 20 and 60 KV%/min for the induction of narcosis or euthanasia in NMRI- and C57Bl/6-mice. Occupational safety needs to be ensured. Exact doses and modes of application of inhalant anaesthetics which are compliant with animal welfare and occupational safety need to be investigated in the future.