Een chronisch slaapfragmentatiemodel met trillende orbitale rotor om cognitieve tekorten en angstachtig gedrag op te wekken bij jonge wilde muizen

Summary

Hier gepresenteerd is een protocol voor chronische slaapfragmentatie (CSF) model bereikt door een elektrisch bestuurde orbitale rotor, die bevestigde cognitieve tekorten en angst-achtig gedrag bij jonge wilde muizen zou kunnen induceren. Dit model kan worden toegepast om de pathogenese van chronische slaapstoornissen en gerelateerde aandoeningen te onderzoeken.

Abstract

Slaapstoornissen komen over het algemeen vaak voor bij populaties als een chronische ziekte of een geklaagde gebeurtenis. Chronische slaapstoornissen worden voorgesteld om nauw verbonden te zijn met de pathogenese van ziekten, met name neurodegeneratieve ziekten. We ontdekten onlangs dat 2 maanden slaapfragmentatie de ziekte van Alzheimer (AD)-achtige gedrags- en pathologische veranderingen in jonge wilde muizen initieerde. Hierin presenteren we een gestandaardiseerd protocol om chronische slaapfragmentatie (CSF) te bereiken. Kortom, CSF werd geïnduceerd door een orbitale rotor die trilde bij 110 tpm en werkte met een repetitieve cyclus van 10 s-on, 110 s-off, tijdens light-ON fase (8:00 AM-8:00 PM) continu gedurende maximaal 2 maanden. Beperkingen van ruimtelijk leren en geheugen, angstachtig maar niet depressie-achtig gedrag bij muizen als gevolgen van CSF-modellering, werden geëvalueerd met Morris waterdoolhof (MWM), Nieuwe objectherkenning (NOR), Open veldtest (OFT) en Geforceerde zwemtest (FST). In vergelijking met andere slaapmanipulaties minimaliseert dit protocol de hanteringsarbeid en maximaliseert het de modelleringsefficiëntie. Het produceert stabiele fenotypen bij jonge wilde muizen en kan mogelijk worden gegenereerd voor verschillende onderzoeksdoeleinden.

Introduction

Slaapstoornissen komen steeds vaker voor, zowel bij patiënten met slaapverstoortende aandoeningen als bij gezonde mensen met slaapverstoortende voorvallen. Er is waargenomen dat patiënten met neurodegeneratieve ziekten, chronische pijn, emotionele stress, aandoeningen van het ademhalingssysteem, urinewegaandoeningen, enz., meestal klagen over onaangename slaapervaringen^1,2,3,4,5. Obstructieve slaapapneu (OSA), periodieke bewegingen van ledematen in de slaap (PLMS), slaapbehoud slapeloosheid onder andere slaapstoornissen zijn de meest voorkomende oorzaken, die slaapfragmentatie veroorzaken^6,7. In ontwikkelde landen heeft OSA een prevalentie van meer dan 5% tot 9% in de volwassen bevolking en 2% in de kinderpopulatie^8,9,10. Ondertussen is er een toenemend deel van de gezonde bevolking die slaapstoornissen ervaart als gevolg van overmatig gebruik van smartphones, onregelmatige slaapgewoonten, vervelende geluiden en werktaken, zoals nachtdiensten voor zorgverleners. Slaap wordt erkend als belangrijk voor de opruiming van hersenafval^11,12,geheugenconsolidatie^13,14,metabole balans^15,16, naast vele andere fysiologische processen. Toch blijft het grotendeels onbekend of langdurige slaapstoornissen aanleiding geven tot onomkeerbare pathogeneseveranderingen bij gezonde mensen, en of het de etiologie is of een bijdragende factor voor het ontwikkelen van ziekten van het centrale zenuwstelsel, zoals neurodegeneratieve ziekten in een paar jaar later. Ons doel is om een experimenteel model te rapporteren dat stabiel en duidelijk cognitief tekort en angstachtig gedrag genereert bij jonge wilde muizen na een slaapfragmentatiebehandeling van 2 maanden. Dit model zou worden toegepast voor het beantwoorden van de hierboven genoemde wetenschappelijke vragen.

Slaapstoornissen worden vermeld als een potentiële risicofactor voor het ontwikkelen van de ziekte van Alzheimer (AD) of dementie. Kang et al. vonden en beschreven voor het eerst de exacerbatie van AD-pathologie met 6 uur acuut slaaptekort¹⁷. Daarna meldden vele andere studies dat slaaptekort of fragmentatie pathogenese in transgene AD-muizenmodellen^18,19,20zou kunnen verergeren . Zeer weinig onderzoekers hebben echter het gevolg van slaapstoornissen bij jonge wilde muizen bestudeerd; dat wil zeggen, of slaapstoornissen aanleiding geven tot AD-achtig gedrag of pathologische veranderingen bij jonge wilde muizen. In onze recente publicatie meldden we dat 2 maanden slaapfragmentatie een duidelijk ruimtelijk geheugentekort en angstachtig gedrag veroorzaakte, evenals verhoogde intracellulaire Amyloid-β (Aβ) accumulatie zowel in cortex als hippocampus bij 2-3 maanden oude wilde muizen²¹. We hebben ook gewijzigde expressieniveaus van endosome-autophagosome-lysosome pathway markers en microglia activatie waargenomen, wat vergelijkbaar was met de pathologische veranderingen gerapporteerd in APP/PS1 muizen^21,22.

Dit gepresenteerde slaapfragmentatieprotocol (SF) werd gevalideerd door Sinton et al.²³ en gewijzigd door Li et al.²⁴. Kortom, een orbitale rotor die trilt bij 110 tpm onderbreekt de slaap gedurende 10 s elke 2 minuten tijdens de light-ON fase (8:00-20:00 uur). Verandering van de slaapstructuur in dit model werd eerder gekenmerkt door elektrofysiologische slaapopnamen en gerapporteerd door Li et al.²⁴, wat wijst op een significante toename van de waaktijd en afname van de snelle oogbeweging (REM) slaap tijdens de light-ON fase, waarbij de totale slaap – en waaktijden (in 24 uur) na meer dan 4 weken modelleren niet werden beïnvloed²⁴. Momenteel zijn totale slaap of gedeeltelijk slaaptekort de meest gebruikte slaapmanipulatiemodellen. Totale slaaptekort wordt meestal uitgevoerd door langdurig zacht te hanteren of het dier bloot te stellen aan nieuwe objecten, als alternatief door continu een staaf of een lopende loopband te draaien^{25,26,27,28,29}. Om ethische redenen is het totale slaaptekort meestal korter dan 24 uur. Het meest toegepaste gedeeltelijke slaaptekortmodel is de waterplatformmethode, die voornamelijk remslaap^30,31^,32afneemt. Andere benaderingen met behulp van een loopband of een staaf die langs de bodem van de kooi veegt , kunnen slaapfragmentatie veroorzaken wanneer deze met vaste intervallen wordt ingesteld^{33,34,35,36,37,38}. Het is opmerkelijk dat SF de slaap onderbreekt en met tussenpozen opwinding veroorzaakt in alle slaapfasen²⁴. Een van de prominente voordelen van dit CSF-model dat orbitale rotor toepast, is dat het maandenlang continu kan worden uitgevoerd, automatisch bestuurd door machines, waardoor frequente verwerkingsarbeid dagelijks wordt vermeden, behalve voor regelmatige monitoring. Bovendien zou het apparaat het mogelijk maken om tegelijkertijd meerdere kooien muizen te modelleren onder geüniformeerde interventies. Tijdens hele modelleringssessies worden muizen gehuisvest in hun huiskooien met gebruikelijke beddengoed en nestmaterialen, terwijl sommige andere methoden blootstelling aan gediversifieerde omgevingen en onvermijdelijke stress vereisen.

Slaapfragmentatie werd eerder gekenmerkt door de slaapmanipulatiemethode, die frequente opwindingen nabootst tijdens de slaapfase en aanzienlijke slaaprebound tijdens de waakfase. In sommige literatuur werd CSF beschouwd als het diermodel voor OSA^39,40. In deze studie is de reden van de gekozen frequentie van opwinding 30 keer per uur gebaseerd op de observatie van opwindingsindexcijfers bij patiënten met matige tot ernstige slaapapneu. Er werd waargenomen dat 4 weken slaapfragmentatie de hypercapnische opwindingslatentie en de tactiele opwindingsdrempel aanzienlijk verhoogde, die ten minste 2 weken na herstel kon duren²⁴. Dit fenotype werd verklaard door het onthullen van c-fos activering vermindering van noradrenerge, orexinergic, histaminergic, en cholinerge wake-actieve neuronen in reactie op hypercapnie, evenals verminderde catecholaminergic en orexinergic projecties in de cingulate cortex²⁴. Het is echter noodzakelijk op te merken dat het belangrijkste kenmerk in OSA hypoxie is veroorzaakt door luchtwegobstructie, wat resulteert in slaapverstoring^41,42. Slaapstoornissen en herhaalde hypoxie interageren wederkerig met elkaar in OSA pathogenese. Daarom kan slaapfragmentatie alleen mogelijk niet alle belangrijke kenmerken van OSA bij muizen volledig aantonen.

Hierin presenteren we een gestandaardiseerd protocol om chronische slaapfragmentatie bij jonge wilde muizen te modelleren. Cognitieve tekorten en angst-achtige evenals depressie-achtige gedragingen na CSF behandeling werden geëvalueerd door Morris water doolhof, Nieuwe objectherkenning, Open veld test, en Gedwongen zwemmen test. Het is belangrijk op te merken dat dit model als een geheel moet worden genomen dat fenotypen van gereguleerd slaappatroon, cognitief tekort en angstachtig gedrag genereert. Het huidige model kan mogelijk worden toegepast, maar niet beperkt tot, tot de volgende doeleinden: 1) Verder onderzoek van de functionele of moleculaire pathogenesemechanismen veroorzaakt door chronische slaapstoornissen bij jonge muizen zonder genetische aanleg, 2) Het identificeren van de directe route die leidt tot neurodegeneratie geïnitieerd door slaapstoornissen, 3) Het verkennen van de therapieën voor het verbeteren van fenotypen veroorzaakt door chronische slaapstoornissen, 4) Het bestuderen van de intrinsieke beschermende / compenserende mechanismen bij wilde muizen bij chronische slaapstoornissen, 5) Toe te passen voor het bestuderen van slaap-waakregulatie en staatsovergangsmechanismen.

Protocol

Dit protocol werd goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee van het Tongji Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. 1. Muizenscreening en voorbereiding op het experiment Selecteer wilde volwassen (8-10 weken oude) mannelijke muizen met een gewicht van 20-28 g voor het hele experiment.OPMERKING: Wilde type C57BL/6 muizen worden verkregen van het Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, China. Wijs …

Representative Results

Alle representatieve resultaten en cijfers zijn overgenomen uit onze recente publicatie21. Het hergebruik van de cijfers werd toegestaan door het oorspronkelijke tijdschrift. Het volledige experimentele ontwerp wordt geïllustreerd in de volgorde van de tijd, wat de timing van CSF-modellering, gedragstests van MWM, NOR, OFT en FST (figuur 1A) aangeeft. We kregen elke week gewichten van muizen van het CSF en de controlegroepen, om hun algeme…

Discussion

Kritieke stappen in het huidige protocol zijn onder meer het instellen van slaapfragmentatiemachines met de geoptimaliseerde parameters volgens het onderzoeksdoel en het onderhouden van de muizen in een comfortabele en rustige leefomgeving gedurende de hele modelleringssessies. Het is ook cruciaal om de juiste timing te bepalen om slaapfragmentatie te onderbreken of te stoppen en gedragstests voor die muizen te regelen. Net als andere slaapmanipulatiemodellen is het belangrijk om het protocol uit te voeren in een special…

Materials

Any-maze behavior tracking system	Stoelting,Inc,USA	–	A video-tracking system which was used to record the behavior track of mice.
C57BL/6J mice	Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, China.	–	healthy male C57BL/6J mice aged 10-12 weeks were purchased from Hubei Research Center for Laboratory Animals
Graphpad Prism 6.0 Software	Graphpad Software,Inc.USA	–	Graphpad Prism 6.0 software was used to draw statistical graphs.
Morris water maze system	Shanghai XinRuan Information Technology Co.,Ltd,China	XR-XM101	The system was used to perform Morris water maze test
Orbial rotor	Shanghai ShiPing Laboratory Equipment Co.,Ltd,China	SPH-331	The orbital rotor was used to establish the chronic sleep fragmentation model
Solid state timer	OMRON Corporation, Kyoto, Japan	H3CR-F8-300	The solid state time was used to control the frequency and time of the rotor running
Wooden Lusterless Tank	–	–	length 30 cm, width 28 cm, height 35 cm The tank was used to perform open field test and novel object recognition test