Elementi di biologia dei roditori: topo e ratto da laboratorio - Davide Barbetta Università degli Studi di Teramo Teramo, 21 ottobre 2019

Elementi di biologia dei roditori: topo e ratto
               da laboratorio

                  Davide Barbetta
          Università degli Studi di Teramo
             Teramo, 21 ottobre 2019

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                         Roditori: generalità
• Hanno colonizzato quasi tutti gli habitat e rappresentano la classe
  di mammiferi più diffusa in natura      Il 40 % di tutti i
  mammiferi esistenti

• Attualmente sono note 277 differenti specie

• Appartengono all’ordine Rodentia          Dal latino “rosicchiare”

•    Presentano un singolo paio di incisivi superiori e inferiori a
    crescita continua che hanno la necessità di consumare in modo
    costante

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Veduta laterale di una ricostruzione 3 D   ADM: massetere anteriore profondo, IZOM
dei muscoli della masticazione di ratto    parte infraorbitale del zigomaticomandibolare,
                                           MT: temporale mediale, PDM: massetere
                                           posteriore profondo, SM: massetere
                                           superficiale, LT: temporale laterale
• Azione del rodere ottenuta
  grazie alla combinazione di
  due fattori principali
  Dispozione dei potenti
  muscoli masseteri e denti
  incisivi forti

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    •    Utilizzano diverse fonti alimentari per nutrirsi
        Semi, cereali, radici, frutti ma anche invertebrati e piccoli
        pesci

    •     Sono animali sociali che vivono in gruppo e difendono il loro
         territorio

    •     La maggior parte sono crepuscolari o notturni

•       L’olfatto è un senso particolarmente sviluppato nei roditori e la
        corteccia olfattoria interessa una porzione ampia della
        corteccia sensoriale

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•   Le “tracce” olfattive (urinarie, fecali e ghiandolari) giocano
    un ruolo importante nel comportamento sociale, sessuale,
    parentale e nell’orientamento        Comunicano il grado di
    parentela, lo stato di salute, la dominanza e gli stati di paura

•   I roditori hanno una visione che si adatta a vedere con
    una luce “fioca” e scarsa acuità visiva

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Ampio campo visivo (340°)  Visione del movimento più che
 delle forme e quando comparati all’uomo i roditori presentano
 una scarsa capacità visiva

   Topo e ratto Visione dicromatica       Blu- verde   Non
    possono vedere il rosso

• L’udito è un altro senso molto sviluppato nei roditori Capacità
 di sentire gli ultrasuoni, che utilizzano per comunicare
 Madre - cuccioli, corteggiamento

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 Nelle stanze di stabulazione è importante eliminare le
 possibili fonti di ultrasuoni (PC, rubinetti gocciolanti e
 apparecchiature elettroniche) in quanto disturbano gli
 animali

 •   I roditori hanno un tipo particolare di peli chiamati vibrisse
     o peli tattili, localizzati principalmente sul muso, ma anche
     sulla testa, nella regione del collo e sulle zampe

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   La parte della corteccia sensoriale coinvolta nella
    elaborazione dei segnali provenienti dalle vibrisse è
    particolarmente sviluppata

   I roditori per mezzo delle vibrisse sono in grado di
    discriminare sottili differenze tattili e con buona probabilità
    rappresentano un equivalente dei polpastrelli umani

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•   I roditori sono omeotermi e non sudano
    Scavano tane nel terreno
    Topo e ratto per termoregolarsi utilizzano i vasi della
     coda e in presenza di temperature elevate bagnano il
     pelo con la saliva

   Le linee guida riportano per i roditori da laboratorio una temperatura
    ambientale di 20 – 24 ° C

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   Tali valori, tuttavia sono lontani dalla Zona di Termoneutralità (
    temperatura a cui gli animali sono esposti al minimo stress
    termico) propria delle varie specie di roditori e sono possibili
    stati di “cold stress”

   Nei topi        TNZ 30 – 32 ° C

   Nei ratti        TNZ 29,5 – 30 °C

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                   Topo e ratto da laboratorio

• Gazzetta Ufficiale, Serie Generale, n. 60, del 13 marzo 2018,
  i dati statistici sull'utilizzo di animali a fini scientifici relativi
  all'anno 2016

• Nell’anno 2016 il numero totale degli animali utilizzati per la
  sperimentazione supera di poco le 600.000 unità

• Per quanto riguarda le specie animali il 90,36 % delle specie
  utilizzate per la sperimentazione è rappresentato da roditori e
  conigli

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• Topi (Mus musculus)         388.976

• Ratti (Rattus norvegicus)      128.186

• Quasi l’80 % degli animali utilizzati nella ricerca sono roditori e la
  stragrande maggioranza è rappresentata da topi

• Utilizzo del topo nella ricerca
 Studi di riproduzione, di teratogenicità e di genetica (gestazione breve e
  nidiata)

Malattie infettive, oncologia, immunologia, scoperta di farmaci

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Studi di tossicità e di carcinogenecità di vari composti

Topi geneticamente modificati forniscono un ampia varietà di
 modelli per lo studio dei processi biologici e delle malattie

• Utilizzo del ratto nella ricerca
 I ratti condividono la maggior parte delle caratteristiche dei
  topi che li rendono preziosi ai fini della ricerca
Specie standard per test di tossicologia, teratologia e
  carcinogenesi

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La dimensione del ratto ne consente l'utilizzo per procedure
 chirurgiche, che vanno dal trapianto di organi alle tecniche
 vascolari.
 Neoplasia, embriologia e invecchiamento sono alcune delle aree
 di ricerca in cui questi animali sono utilizzati

• Topi e ratti da laboratorio sono considerati diversi da quelli
  selvatici
Più grandi, più lenti, meno aggressivi ,più docili e trattabili,
vivono più a lungo

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  Topo da laboratorio

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• Il topo è originario del subcontinente indiano, poi
  diffuso in tutto il mondo con le migrazioni dell’uomo e
  l’agricoltura

• Allevato da amatori fin dall’antichità Cina e
 Giappone, nell’antica Grecia e Roma e nel 1800 in
 Europa

• A partire dai primi del 900 allevati come animali da
  laboratorio in USA dove sono stati creati i primi ceppi
  inbred

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• Il topo da laboratorio è un ibrido tra Mus musculus
  musculus (dall’Europa dell’Est) e Mus musculus
  domesticus [dall’Europa occidentale (92% domesticus)]

• Esistono numerosi ceppi, fra i più noti

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   Outbred      il loro l’utilizzo nella ricerca è in declino, ma
    mantengono la supremazia nel settore tossicologico e
    riproduttivo-embriologico considerata l’alta attitudine
    riproduttiva

   Inbred      (attualmente disponibili 400 ceppi)
    geneticamente uniformi e con caratteristiche più
    standard rispetto ai ceppi outbred

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•   I due più comuni ceppi inbred mutanti utilizzati nella ricerca
    oncologica e in trapiantologia sono

   Topi nudi atimici  Manca il timo, incapaci di produrre
    linfociti T (immunodeficiente)

   Topi SCID (Severe Combined Immunodeficient)
    Mancano virtualmente i linfociti B e T

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•   Animali geneticamente modificati

   Topi transgenici   Introduzione nel genoma di geni
    esogeni

   Topi Knock-out     Mancata espressione del gene
    d’interesse

   Topi knock-in Potenziamento dell’espressione di un
    gene d’interesse

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  •   Essendo una specie preda questo ha influenzato molto il
      suo repertorio comportamentale      Notturno,
      avversione per gli spazi aperti

• Il topo, come anche il ratto e gli altri roditori, possiede una
  preferenza innata per il contatto con il perimetro verticale di
  uno spazio limitato (sta vicino alle pareti verticali) evitando le
  minacce in spazi aperti       Questa risposta di
  orientamento è chiamata tigmotassi

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• Sebbene il topo selvatico sia considerato un animale notturno,
  quello di laboratorio, anche se più attivo di notte, è attivo e
  riposa in modo alternato durante il giorno e la notte

  •   Il topo per far fronte al caldo scava tane nel terreno e
      costruisce un nido per scaldarsi

  •   La costruzione del nido è un comportamento innato ed è
      manifesto sia nel maschio che nella femmina     L’abilità
      nella costruzione del nido e legata alla temperatura
      ambientale e a fattori genetici

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• Animali sociali, formano gruppi stabili, famiglie, con gerarchie (un
  maschio dominante, femmine imparentate tra loro, altri
  maschi sottomessi)

  •   È un animale territoriale      Sia maschi che le femmine
      marcano il territorio e lo difendono dall’intrusione da
      parte di individui estranei

• Comunicano con feromoni Prodotti dalle ghiandole sebacee
  e contenuti in particolare nelle urine dei maschi adulti
  L’olfatto è il senso più sviluppato

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• Cannibalismo     Prima nidiata/Affollamento/Rumore o vibrazioni

  •   Se maschi estranei sono introdotti in gruppo stabile si verificano
      fenomeni di aggressività che possono comportare gravi ferite
      cutanee e ai genitali    Certi ceppi sono particolarmente
      proni ad essere aggressivi (DBA, FVB e BALB/c)

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• Diversamente dal ratto, il topo non mostra una particolare attitudine
  al gioco     Sembra essere espresso come gioco locomotorio
  (comportamento “pop corn” salti e corsa), osservato
  soprattutto nel periodo dello svezzamento

  •   Interazione uomo- animale      Diversamente dal ratto, che
      sembra apprezzare il contatto con l’uomo, il topo non sembra
      gradirlo in eguale misura Il contatto ripetuto e gentile può
      portare, tuttavia, il topo ad abituarsi al contatto con l’uomo

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                     Note anatomiche e fisiologiche
• Aspettativa di vita   1.5 – 3.0 anni   Più lunga di quella di un
  selvatico (< 6 mesi)

• Il topo ha un corpo piccolo ricoperto da pelo soffice e fitto   25 –
  40 g animale adulto

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• Arti brevi e una coda lunga, all’incirca della stessa lunghezza
  del corpo, sottile e priva di peli    Importante organo di
  termoregolazione

• Cinque dita zampe anteriori/posteriori

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• Il topo ha cinque paia di ghiandole mammarie    Tre nella
  regione cervico-toracica e due nella regione inguino-
  addominale

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•    Formula dentaria      2(I 1/1, C 0/0, P 0/0, M 3/3) = 16    No
    canini e premolari

   Nel topo, come nel ratto, gli incisivi superiori possono crescere fino
    a 2-2,2 mm /settimana e quelli inferiori sino a 2,8-3mm /settimana

 Considerata la crescita continua degli incisivi c’è la necessità di
 consumarli in modo costante con materiali di giusta durezza

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Malocclusione     Crescita eccessiva degli incisivi dovuta
 ad insufficiente consumo dei denti o disallineamento
 dentale

    Nel topo ha anche una componente ereditaria che è
     relativamente comune nei topi C57BL

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• Onnivoro

• Stomaco      La porzione prossimale dell’organo è
  cheratinizzato (porzione aghiandolare), mentre la parte distale è
  ghiandolare

 Non  ha la possibilità di vomitare Una piega di tessuto a
 livello della giunzione gastro-esofagea forma una barriera fisica

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•   Coprofagia       Fonte di vitamine e prima fonte di cibo
    solido per i piccoli

• Mangia e beve ogni giorno un quantitativo pari al 15% del proprio
  peso corporeo (uomo 2-3%)

• Consumo cibo
 3-6 grammi al giorno
Circa 1,5 g/10 g di peso corporeo al giorno
Circa 1-2 pellet al giorno di dieta standard

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• Consumo acqua
 4-7 ml al giorno
Circa 1,5 ml /10 g di peso corporeo al giorno

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• Apparato respiratorio  Il polmone sinistro ha un solo lobo,
  mentre quello destro è diviso in quattro lobi       Craniale,
  medio, caudale e accessorio
 Frequenza respiratoria   60 -220 atti respiratori/ minuto

Tessuto mammario

Cavità addominale

     Fegato

Tratto gastrointestinale

   Placche del Peyer

Apparato genitourinario

Cavità toracica

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• Riproduzione
 Maturità sessuale      ♀ 4- 5 settimane ♂ 5 – 7 settimane

Femmine poliestrali continue senza significative variazioni
 stagionali

Ovulazione spontanea, ma necessario accoppiamento per il
 mantenimento della gravidanza (altrimenti il corpo luteo
 degenera)

Estro post partum entro 24 ore

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 Vaginal plug Formato dalla coagulazione delle
  secrezioni delle ghiandole sessuali accessorie e persiste
  per 18 – 24 ore nella nella vagina    Previene la
  fuoriuscita del seme

 Il vaginal plug è una caratteristica dei topi ed è più
  chiaramente osservato rispetto ad altri roditori

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 Gravidanza     19 -21 giorni

 Dimensione della nidiata     6 - 12

 Prole inetta   ciechi, nudi e indifesi      Neonato 0,5 –
 1,5 g

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 Le madri riportano al nido i piccoli, li puliscono, allattano più
  volte al giorno (>10)

 Le femmine allattano anche la prole di altre femmine del
 gruppo

 Età allo svezzamento        21 – 28 giorni

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   Ratto da laboratorio

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Ratto (Ratto norvegicus e Rattus rattus)

 Originario dell’Asia

Diffuso in tutto il mondo

 Il Rattus norvegicus, più grosso, ha prevaricato sul Rattus rattus
 o ratto nero

Alla fine dell’1800 allevato in Europa da amatori

 Fine 1800 inizio 1900 utilizzato per studi scientifici   Primo
 animale da laboratorio

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   Il ratto impiegato nei laboratori di ricerca è il prodotto
    dell’addomesticamento del Ratto Norvegicus o Brown
    Norway, noto anche come ratto grigio o ratto delle
    chiaviche

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   Come nel topo, anche per questa specie di roditore sono
    stati creati dei ceppi outbred

   Due fra più comuni ceppi outbred impiegati nei laboratori
    di ricerca sono

   Sprague-Dawley       Testa stretta e coda più lunga del
    corpo

   Wistar    Testa larga e coda più corta

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   Ceppi inbred (200 ceppi noti)  P. es. il ratto Fisher 344 e
    il ratto Spontaneamente iperteso (SHR)

   Ceppi Mutanti     Ratto nudo atimico, tessuto timico
    rudimentale, deficienza di linfociti T Immunodeficiente
    utilizzato in oncologia e trapiantologia

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   Diversamente dal topo, dove sono disponibili numerosi modelli
    murini geneticamente modificati, nel ratto sono stati prodotti
    un numero esiguo di individui geneticamente
    ingegnerizzati

   P. es. Modello HIV1, portatore di alcuni geni del HIV, che
    sviluppa una disfunzione immunologica e condizioni associate
    all’ AIDS

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      Essendo una specie preda questo ha influenzato molto il suo repertorio
       comportamentale       Notturno, avversione per gli spazi aperti

Avversione per gli spazi aperti      Tigmotassi

Il ratto mostra un comportamento simile al topo             E’ un animale
 sociale, curioso e intelligente

      Eccellente animale da compagnia, è capace di imparare un nome e
       venire quando viene chiamato    E’ in grado di distinguere fra due
       persone diverse

      In condizioni di laboratorio è animale notturno, ma attivo anche di
       giorno

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   Costruisce un elaborato sistema di gallerie collegate a
    diverse camere

   Entrambi i sessi, soprattutto nelle femmine in prossimità del
    parto, costruiscono il nido     Comportamento che
    sembra essere acquisito più che innato

   In natura i ratti formano gruppi sociali Un maschio
    dominante vive assieme ad un certo numero di femmine
    e spesso a maschi giovani

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   Gruppo di maschi giovani (maschi subdominanti e subordinati)
    Il Maschio dominante è sostituito da un maschio
    subdominante

   A differenza del topo, il ratto raramente mostra un
    comportamento aggressivo

   In condizioni di laboratorio, i maschi possono essere alloggiati
    insieme senza grossi problemi, ma individui più vecchi possono
    essere aggressivi verso altri maschi

   Una femmina con nidiata spesso non tollera la presenza di altre
    femmine

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I ratti giovani
 spendono molto
 tempo a giocare

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 Possibile cannibalismo        Stress/sovraffollamento

 L’olfatto, come nel topo, è il senso più sviluppato

 Cruciale per evitare i predatori, nutrirsi, accoppiarsi, per le cure
 parentali, difendere il territorio e per le interazioni sociali

I feromoni presenti nelle urine, feci e secrezioni delle ghiandole
 plantari identificano età, sesso, dominanza, stato riproduttivo,
 relazioni, immunocompetenza, salute

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 Più facile da addestrare, maneggiare rispetto al topo        Più del
 topo sembra gradire l’interazione con l’uomo

 Il comportamento docile di questo animale può essere
 notevolmente migliorato se il ratto è manipolato frequentemente,
 soprattutto se si inizia a manipolarlo nella fase giovanile

     Raramente morde a meno che non sia in una condizione di
      malessere o se preso in modo brusco
  Curiosità !     Se la gabbia è lasciata aperta facilmente scappa e spesso
  ritorna dopo un breve periodo di esplorazione

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              Teramo

Note anatomiche e fisiologiche
Aspettativa di vita 2.5 – 3.5
 anni      Più lunga che nei
 selvatici

 Il ratto è molto più grande del
 topo, con testa conica e corpo
 cilindrico più lungo e coperto
 da pelo fitto e corto 250 –
 550 g individuo adulto

 Arti brevi e la coda è circa l’%
 85 della lunghezza del corpo

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 Cinque dita zampe anteriori/posteriori

 Formula dentaria     2(I 1/1, C 0/0, P 0/0, M 3/3) = 16
 No canini e premolari

   La malocclussione nel ratto è una condizione sporadica

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 Nel roditore da laboratorio il principale materiale per ottenere il
 consumo degli incisivi è il mangime la cui durezza viene
 adeguatamente calibrata dai produttori di mangime

 Il tratto gastrointestinale del ratto è anatomicamente simile a
 quello del topo con alcune eccezioni degne di nota

 Il ratto non può vomitare per le stesse ragione anatomica vista
 nel topo, ma anche perché non possiede molte delle
 componenti anatomiche e neurologiche che sono necessarie per
 un riflesso funzionale del vomito

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 Manca la cistifellea e i dotti biliari da ciascun lobo epatico
 formano un dotto biliare comune che si apre nel duodeno

 Il cieco è molto sviluppato ed ha una funzione simile al
 rumine per la digestione microbiologica della cellulosa

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 Mangia e beve ogni giorno il 15% del proprio peso corporeo
(uomo 2-3%)

 Consumo cibo

 15 – 30 g al giorno , circa 3-6 pellet (5-6 g/ 100 g di peso
 corporeo)

 Consumo acqua
 24 – 60 ml al giorno (15 ml/ 100 g di peso corporeo)

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 Animale che ingrassa facilmente

 Ghiandola di Harderian, posta posteriormente a ciascun globo
 oculare, presente anche nel topo, (possibili funzioni comprendono
 la lubrificazione della congiuntiva, la produzione di feromoni e ha un
 ruolo nel proteggere la retina dai raggi ultravioletti), produce una
 sostanza con alti livelli di pigmento porfirinico rossastro

 La particolarità nel ratto è la comparsa di “lacrime rossastre”
 (cromodacriorrea) Secrezione rossastra perioculare e a livello
 del naso, in condizioni di stress o malattia

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Ratto sottoposto a chirurgia con
presenza di cromodacriorrea,
spesso confusa erroneamente
per sangue, nel post-operatorio

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 I polmoni sono simili a quelli del topo Un lobo nel
 polmone sinistro e quattro lobi nel polmone di destra

 Frequenza respiratoria      70 – 115 atti respiratori/minuto

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    Cavità addominale

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Cavità addominale: fegato, cieco e intestine tenue

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        Cavità toracica

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Cavità toracica: diaframma, lobi polmonari e cuore

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   Cavità addominale: rene

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Apparato riproduttivo femminile: vescica urinaria, utero e
                         ovaie

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Apparato riproduttivo maschile: vescicole seminali, prostate e testicoli

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Riproduzione
 Maschi e femmine sono sessualmente maturi mediamente a 2-3
 mesi di età

 Femmine poliestrali e ovulano spontaneamente

 Estro post partum entro 24 ore

 Il vaginal plug può persistere per 12 – 24 ore nella vagina dopo il
 coitus ed è utile per confermare l’accoppiamento

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 Gravidanza     21 -23 giorni

 Dimensione della nidiata      3 – 18      Varia con il ceppo e
 l’età dell’animale

 Prole inetta   Ciechi, nudi e dipendono completamente
 dalla madre     Neonato ≈ 5 g

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 Età allo svezzamento     21 giorni