Dissertation
Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Ping-Ping Tsai

 

Impact of environmental enrichment and caging on physiology and behavior of mice

 

title (deutsch)

Der Einfluss von Umweltanreicherung und Haltung auf die Physiologie und das Verhalten von Mäusen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2002

text

/dissertations/tsaip-p_2002.pdf

abstract (deutsch)

Eine Vielzahl vom Haltungsanreicherungen werden eingesetzt oder empfohlen, um die Käfigumwelt von Versuchstieren so zu verbessern, dass ihr Wohlbefinden gesteigert wird, aber nur wenig Information liegt darüber vor, ob die Auswirkung derartiger Käfiganreicherungen die Versuchsergebnisse beeinflussen (insbesondere hinsichtlich der Auswirkung auf die Streuung). Da aber Versuchstiere für wissenschaftliche Fragestellungen eingesetzt werden, ist es unabdingbar, auch die Auswirkungen einer angereicherten Haltung auf die Versuchsergebnisse zu untersuchen, um sicherzustellen, dass ihre Präzision und Zuverlässigkeit nicht durch die Haltungsanreicherung beeinflusst werden.

Deshalb war es Ziel der vorliegenden Untersuchungen, den Einfluss von Haltungsanreicherungen auf die Zucht, auf physiologische Merkmale (wie Hämatologie, Körpergewicht und relative Organgewichte) und auf das Verhalten zu untersuchen, und das sowohl anhand der Mittelwerte als auch anhand der Streuung.

Sechzig DBA/2 Zuchtpaare wurden eingesetzt, um den Einfluss von verschiedenen Haltungssystemen und -anreicherungen zu verstehen. Vier Mäuse-Inzucht-Stämme (A/J, BALB/c, C57BL/6 und DBA/2) wurden für die folgenden Versuche verwendet, insgesamt 240 Tiere (jeweils die Hälfte für jedes Geschlecht), um Informationen über den Einfluss von Haltungsanreicherungen auf physiologische Merkmale und das Verhalten zu bekommen. Alle Tiere wurden unter spezifiziert freien (SPF) Bedingungen gehalten. Der Gesundheitsstatus wurde am Ende eines jeden Versuchs bestimmt unter Verwendung von alten Zuchttieren bzw. von Anzeigertieren.

Nach einer 4-wöchigen Adaptation wurden 60 DBA/2-Zuchtpaare (Lieferant: Charles River) per Zufall auf drei verschiedene Haltungssysteme: ein ventilierter Schrank, eine konventionelles offenes Gestell und ein individuell ventiliertes Käfigsystem (IVC) jeweils mit angereichertem (nach SCHARMANN 1993) und nicht-angereichertem verlängertem Makrolon Typ II verteilt, jeweils die Hälfte für jede Anreicherung. Der Zuchterfolg wurde von der 10. bis zur 40. Lebenswoche registriert.

A/J, BALB/c und C57BL/6 (Lieferant: Harlan Winkelmann) und DBA/2 Mäuse (Lieferant: Elevage Janvier) wurden für den folgenden Versuch eingesetzt. Die Tiere wurden im Alter von 3 Wochen markiert und auf angereicherte und nicht angereicherte Typ III Makrolon Käfige zufallsverteilt mit jeweils vier gleichgeschlechtlichen Tieren pro Käfig. Zwei unterschiedliche Haltungsanreicherungen (E1, angereichert nach SCHARMANN 1993; E2, angereichert in Anlehnung an HÄMISCH und GÄRTNER 1994) wurden in dieser Untersuchung verwendet. Verhaltenstests (Open Field, Food Drive und Elevated Plus Maze) wurden im Alter von 9 bis 11 Wochen durchgeführt. Im Alter von 14 Wochen wurde Blut für hämatologische Untersuchungen genommen. Im Alter von 15 Wochen wurden die Tiere in ihrem Heimat-Käfig euthanasiert und das Körpergewicht registriert sowie Blut für die Bestimmung von Kortikosteron (CORT) und Thyroxin (T4) gesammelt. Nach der Blutentnahme wurden die Organgewichte bestimmt.

Die Daten der vorgestellten Untersuchungen zeigen, dass:

  1. Über eine lange Zuchtperiode (30 Wochen) die Auswirkungen auf den Zuchtindex gering waren. Allerdings benötigten DBA/2 Mäuse mehr Zeit, um an das IVC-System zu adaptieren im Vergleich zum ventilierten Schrank und dem offenen Regalsystem. Es gibt einen individuellen Unterschied im Adaptationsvermögen an das IVC-System bei DBA/2-Mäusen.
  2. E1 Haltungsanreicherung (nach SCHARMANN 1993) den Zuchterfolg nicht verbesserte und je nach Haltungssystem variierte. Die Streuung des Zuchterfolgs vergrößerte sich in allen Haltungssystemen unter angereicherten Bedingungen.
  3. Die Auswirkungen der verschiedenen Haltungsanreicherungen (E1 und E2) nicht konsistent sind, sondern sich je nach untersuchtem Merkmal unterscheiden. E1 Haltungsanreicherung zeigte einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse des Elevated Plus Maze, während signifikante Einflüsse der E2 Anreicherung auf den Open Field, den Food Drive Test und die relativen Organgewichte (Nebenniere, Niere, Milz und Leber) gefunden wurden.
  4. Die Stämme unterschiedlich auf die Haltungsanreicherungen (E1 und E2) reagierten. So beeinflussten die Haltungsanreicherungen die Stammesunterschiede der Leukozytenzahl, der Hämoglobin-Konzentration und des Hämatokrits, des Food Drive und des Elevated Plus Maze Tests. Darüber hinaus hatten die Haltungsanreicherungen einen Einfluss auf den Geschlechtsunterschied physiologischer Merkmale (relativer Gewichte von Milz, Niere und Herz) und das Verhalten (Food Drive und Elevated Plus Maze) von DBA/2 Mäusen.
  5. Der Einfluss der Haltungsanreicherungen auf die physiologischen Merkmale sich verstärkt auf die Streuung auswirkt und nicht so stark auf die Mittelwerte. Haltungsanreicherungen wirken sich signifikant auf das Verhalten (Mittelwerte und Streuung) aus. Im Vergleich mit nicht angereicherten Gruppen zeigt sich eine Tendenz in Richtung eines erhöhten Variationskoeffizienten in angereicherten Gruppen, besonders bei physiologischen Merkmalen und im Open Field und Food Drive Test.

Die Ergebnisse belegen, dass Umweltanreicherungen Versuchsergebnisse beeinflussen können und nicht notwendigerweise das Wohlbefinden verbessern. Somit können "Reduktion" und "Refinement" sich gegenseitig ausschließen. Deshalb ist es notwendig, die Auswirkungen einer Haltungsanreicherung zu kennen, bevor sie eingesetzt wird.

Voraussetzung für weitere Untersuchungen ist es, dass eine zuverlässige Methode und Mittel und Wege gefunden werden, um die Auswirkungen von Haltungsanreicherungen auf das Wohlbefinden zu messen. Sollte das nicht gelingen, so wird das zu Tierschutzmaßnahmen führen, die nicht zum Ziel führen und zu Forschungsergebnissen, die nicht interpretierbar sind.

 

abstract (englisch)

A wide variety of enrichment designs has been used or suggested to modify the cage environment for improving well-being of laboratory animals, but there is limited information about the effects of enrichment on experimental results (especially the effects on variation). Since laboratory animals are used for scientific purposes, it becomes indispensable to investigate the effects of enriched housing on experimental results, to insure that their precision and accuracy are not affected by enrichment.

Thus the present study focused on the impacts of environmental enrichment on breeding performance, physiological traits (such as haematological data, body weight and relative organ weights) and behavioural performance, including the group means and variation.

Sixty DBA/2 breeding pairs were used to understand the effect of various rack systems and the influence of enrichment. Four inbred strains of mice (A/J, BALB/c, C57BL/6 and DBA/2) were used for sequential experiments, in a total number of 240 (half for each sex), to collect information about the effect of enrichment on physiological traits and behavioural tests. All animals were maintained in a health status equivalent to specific pathogen free (SPF) condition. Health monitoring was performed at the end of each experiment using retired breeders or sentinel animals.

Following 4 weeks of adaptation 60 DBA/2 breeding pairs (obtained from Charles River) were randomly divided into three rack systems: a ventilated cabinet, a normal open rack and an individually ventilated cage rack (IVC rack) with enriched (according to SCHARMANN 1993) or non-enriched type II elongated Makrolon cages, half for each housing. Reproduction performance was recorded from 10 to 40 weeks of age.

A/J, BALB/c, C57BL/6 (originated from Harlan Winkelmann) and DBA/2 (obtained from Elevage Janvier) were used for the sequent experiments. Animals at 3 weeks of age were marked and assigned randomly to enriched or non-enriched type III Makrolon cages with equal numbers of cages in same-sex groups of four. Two enrichment designs (E1, enriched according to SCHARMANN 1993; E2, enriched group, modified from HAEMISCH AND GÄRTNER 1994) were provided in this study. Behavioural tests (Open Field, Food Drive and Elevated Plus Maze) were performed from 9-11 weeks of age. At 14 weeks of age blood samples were collected for haematological analysis. At 15 weeks of age animals were euthanized in their home cages final body weights were recorded and blood samples for corticosterone (CORT) and Thyroxine (T4) measurement were collected. Organ weights were measured following blood sampling.

The data of the present study shows that:

  1. Over a long-term (30 weeks) breeding period the effects of rack systems on breeding index were minor. But DBA/2 mice needed more time to adapt to the IVC rack as compared with the ventilated cabinet and standard open rack. And there is an individual difference in the capability of DBA/2 mice to adapt to the IVC rack.
  2. E1 housing (according to SCHARMANN 1993) did not improve the reproduction and the influences of enrichment on the breeding performance vary according to the different rack systems. The variation of breeding performance increased in all rack systems due to enrichment.
  3. The effects of enrichment designs (E1 and E2) are not consistent, but vary according to the variable studied. E1 housing had significant effects on Elevated Plus Maze performance, while significant differences were found in Open Field and Food Drive tests and in relative organ weights (adrenal, kidney, spleen and liver) due to E2 housing.
  4. Strains reacted differently to enrichment (E1 and E2). Thus enrichment influenced strain differences on the white blood count, haemoglobin and haematocrit and on the Food Drive and Elevated Plus Maze performance. And enrichment affected sex differences on DBA/2 mice for physiological traits (relative weights of spleen, kidney and heart) and behavioural performances (Food Drive and Elevated Plus Maze tests).
  5. The effects of enrichment on physiological traits are more focused on the variance than on the mean values. Enrichment significantly affected behavioural performance (group means and variations). In comparison with NE groups there was a tendency towards an increased CV in enriched groups, especially in physiological traits and in Open Field and Food Drive tests.

According to these results environmental enrichment can affect experimental results and will not automatically improve well-being. Therefore “Reduction” and “Refinement” may conflict with each other. Thus it will be necessary to evaluate the effects of environmental enrichment before an enrichment design is applied.

Prerequisite for further studies will be to establish a reliable method and assessment procedure and to find ways to evaluate the effects of the enrichment on well-being. Failure to do so will result in welfare procedures, that do not work, and research results, that are uninterpretable.

 

keywords

Umweltanreicherung, Mäuse, Variance, Environmental enrichment, mice, variance

kb

1.769