Het beperken van de timing van voedselinname is naar voren gekomen als een veelbelovende interventie om door voeding veroorzaakte metabole ziekten te verzachten. Dit manuscript beschrijft de bouw en het gebruik van een efficiënt systeem dat in eigen huis is gebouwd voor het meten en manipuleren van ritmische voedselinname bij muizen.
Ritmische genexpressie is een kenmerk van het circadiane ritme en is essentieel voor het aansturen van de ritmiek van biologische functies op het juiste moment van de dag. Studies in de afgelopen decennia hebben aangetoond dat ritmische voedselinname (d.w.z. het tijdstip waarop organismen voedsel eten tijdens de 24-uursdag), aanzienlijk bijdraagt aan de ritmische regulatie van genexpressie in verschillende organen en weefsels door het hele lichaam. De effecten van ritmische voedselinname op gezondheid en fysiologie zijn sindsdien op grote schaal bestudeerd en hebben aangetoond dat het beperken van voedselinname gedurende 8 uur tijdens de actieve fase metabole ziekten verzwakt die voortvloeien uit een verscheidenheid aan obesogene diëten. Deze studies vereisen vaak het gebruik van gecontroleerde methoden voor het timen van de levering van voedsel aan dieren. Dit manuscript beschrijft het ontwerp en gebruik van een goedkoop en efficiënt systeem, intern gebouwd voor het meten van de dagelijkse voedselconsumptie en het manipuleren van ritmische voedselinname bij muizen. Dit systeem omvat het gebruik van betaalbare grondstoffen om kooien te bouwen die geschikt zijn voor voedselbezorging, volgens een gebruiksvriendelijke behandelingsprocedure. Dit systeem kan efficiënt worden gebruikt om muizen te voeden met verschillende voedingsregimes, zoals ad libitum, tijdsgebonden of aritmische schema’s, en kan een vetrijk dieet bevatten om het effect ervan op gedrag, fysiologie en obesitas te bestuderen. Er wordt een beschrijving gegeven van hoe wild-type (WT) muizen zich aanpassen aan de verschillende voedingsregimes.
De circadiane klok wordt alomtegenwoordig gevonden in verschillende soorten en biedt een tijdwaarnemingsmechanisme dat organismen helpt zich aan te passen aan hun ritmisch veranderende omgeving. De master circadiane pacemaker bevindt zich in de suprachiasmatische kern (SCN) van de hypothalamus. De SCN wordt voornamelijk meegevoerd door de omgevingslicht-donkercyclus en synchroniseert perifere klokken die aanwezig zijn in bijna elke cel van het lichaam via meerdere signalen, waaronder neuronale en hormonale signalen, voeding en lichaamstemperatuur 1,2,3,4,5,6,7,8 . Bij zoogdieren vertrouwt de moleculaire circadiane klok op de heterodimere transcriptiefactor CLOCK: BMAL1 9,10, die de expressie van de kernklokgenen genaamd Period (Per1, Per2 en Per3) en Cryptochrome (Cry1 en Cry2) regelt om een transcriptionele feedbacklus te initiëren die cruciaal is voor het genereren van circadiane ritmes 9,11,12 . De moleculaire klok reguleert ook de ritmische transcriptie van duizenden genen die de ritmiek van vrijwel elke biologische functie regelen13,14,15. Meer dan 50% van het genoom bij zoogdieren wordt ritmisch uitgedrukt in ten minste één weefseltype 16,17,18, en weefsels zoals de lever bij muizen hebben ongeveer 25%-30% van hun transcriptoom ritmisch uitgedrukt 18,19. Ritmische genexpressie is cruciaal om belangrijke biologische processen zoals celcycluscontrole20, glucosehomeostase 21 en aminozuurmetabolisme22 op het juiste moment van de dag te activeren om de fitheid van het organisme te vergroten.
In de afgelopen decennia is er steeds meer bewijs dat suggereert dat voedselinname kan fungeren als een krachtige synchroniserende cue voor het trainen van ritmes in genexpressie in meerdere weefsels, waaronder de lever23,24. Belangrijk is dat van voeding is aangetoond dat het ritmes in de lever meevoert, onafhankelijk van de SCN of van de licht-donkercyclus25, en ritmische voeding kan ritmische genexpressie stimuleren zonder de moleculaire klok 26,27,28,29,30,31 te betrekken. Voeding beperkt tot de inactieve periode van muizen (overdag) keert de fase van expressie van de kernklokgenen en van veel ritmische genenom 31. Time-restricted feeding (TRF), een voedingsinterventie waarbij de dagelijkse calorie-inname beperkt is tot een periode van 8-10 uur, heeft aangetoond dat het beschermt tegen obesitas, hyperinsulinemie, leversteatose en metabool syndroom32,33. Alle bovenstaande experimenten met manipulatie van voedselinname vereisen dat de experimentator gebruik maakt van effectieve methoden om voedsel op het juiste moment van de dag te leveren.
Er zijn verschillende methoden voor voedselbezorging ontwikkeld, met verschillende voor- en nadelen 29,34,35,36,37,38,39 (tabel 1). Sommige geautomatiseerde feeders zijn ontworpen om te werken op basis van een software die de hoeveelheid, duur en timing van voedselbeschikbaarheid regelt, terwijl het voeren en vrijwillige wielloopactiviteit bij muizenwordt geregistreerd 34. Een paar andere methoden houden in dat muizen in verschillende kooien worden geplaatst voor verschillende voedingsomstandigheden, waarbij de experimentator handmatig voedselpellets toevoegt op de vereiste tijd38,39. Een ander systeem maakt gebruik van een geautomatiseerd feedersysteem dat wordt bestuurd door een computer, waarbij een pneumatisch aangedreven afscherming de toegang tot voedsel voorkomt en dat kan worden geregeld door tijdsintervallen of massa voedsel35. Al deze methoden vereisen ofwel het gebruik en de installatie van een geautomatiseerde software die duur kan zijn en enige training vereist voor een goede werking van het instrument of arbeidsintensief zijn omdat de experimentator op specifieke tijden aanwezig moet zijn om de voedingsomstandigheden handmatig te wijzigen. Geautomatiseerde systemen komen ook met hun deel van de problemen, waaronder het slecht functioneren van hendels of deuren die het voedsel naar buiten laten, voedselpellets die vast komen te zitten in de stopcontacten en softwarestoringen. Bovendien vormt het geluid dat kan worden geproduceerd tijdens het openen van deuren of hendels het risico dat muizen worden geconditioneerd om deze te associëren met voedselbezorging, waardoor de interpretatie van effecten van voedselmanipulatie als strikt te wijten aan toegang tot voedsel of als gevolg van effecten op andere gedragsritmes zoals slaap / waakcyclus in gevaar komt. Het algemene doel van deze studie was om een betaalbaar en efficiënt systeem te ontwikkelen om de ritmische voedselinname op lange termijn te manipuleren die veel van deze bovengenoemde problemen zou helpen verlichten. Eerst en vooral kan het voedingsapparaat dat is ontwikkeld en hieronder wordt beschreven, worden gebouwd tegen zeer minimale kosten in vergelijking met de geautomatiseerde machines (tabel 2) en vereist het geen geavanceerde training voor hantering, bediening en onderhoud. Ten tweede produceert het voersysteem alleen een witte achtergrondruis en geen harde geluiden tijdens het bezorgen van voedsel, waardoor Pavlov-conditionering wordt voorkomen. Al met al is dit voedingssysteem economisch, toegankelijker en betrouwbaarder voor onderzoekers, terwijl het nog steeds efficiënt is in het manipuleren van ritmische voedselinname.
De afgelopen decennia is uitgebreid onderzoek gedaan naar de manipulatie van voedingsritmes en hun effect op de fysiologie. De constructie en het gebruik van het hier beschreven voedingssysteem kan worden gebruikt als een efficiënte methode voor het manipuleren van de voedselinname. Het protocol maakt gebruik van een gemeenschappelijke 24-uurs timer en een voedselbeker die is ontworpen als een organisator met acht compartimenten als belangrijke componenten van het systeem. De kooien kunnen eenvoudig worden gebouwd met slechts een paar gemakkelijk toegankelijke gereedschappen en de bediening van het systeem is gebruiksvriendelijk. Enkele van de belangrijkste aspecten van het protocol voor het aanpassen van het systeem om ritmische voedselinname te manipuleren, zijn het dagelijks wisselen van voedselbekers omdat de timer over een periode van 24 uur draait, handmatig tellen of wegen van resterende voedingsmiddelen en dagelijkse aanpassing van het aantal pellets voor AR-voeding. Meestal worden plastic spaanders gezien wanneer muizen honger hebben en niet voldoende voedsel krijgen. Dit probleem kan worden opgelost door nog een paar voedselpellets toe te voegen die zich aan het voedingsregime houden totdat er geen plastic spaanders worden gezien. In het geval van AR-voeding, waarbij de dagelijkse voeding moet worden aangepast, moet ervoor worden gezorgd dat het ritme van de voedselinname niet wordt geïnduceerd (figuur 3B). Daarom heeft het de voorkeur om pellets in tegenovergestelde compartimenten overal op te tellen of af te trekken om muizen aritmisch gevoed te houden.
Dit systeem kan verder worden verbeterd door de voedselbekers te bedekken met een laag epoxy om te voorkomen dat de muizen in het plastic bijten en zo de levensduur van de voedselbekers te verlengen. Het oppervlak van de timer voor de plaatsing van de voedselbeker kan ook worden aangepast om de voedselbeker plat en stabiel op de timer te laten zitten. Dit kan voorkomen dat de timer per ongeluk wordt gestopt door een ongelijk geplaatste timer. Een paar van de kooicomponenten, zoals voedselbekers, kunnen ook 3D-geprint worden om de kosten te verlagen en op maat gemaakt naar de wens van de onderzoeker. Dit kunnen voedselbekers met meer dan acht compartimenten zijn, die een betere tijdsresolutie kunnen geven dan het huidige 3-uursvenster.
Hoewel zeer efficiënt, heeft dit systeem enkele beperkingen, zoals arbeidsintensief, waarbij de onderzoeker nog steeds elke 24 uur voedselbekers moet vervangen en het resterende voedsel handmatig moet tellen / wegen. Bovendien moeten de timers van tijd tot tijd worden gecontroleerd om potentiële problemen te identificeren en / of als ze niet meer werken. Dit kan worden bereikt door het tellen van de voedselkorrels die overblijven na het voeren (bijvoorbeeld door te bepalen of sommige muizen voedsel slechts in een paar compartimenten aten en sommige compartimenten onaangeroerd lieten). Een andere beperking van dit systeem is dat het mogelijk niet zo goed werkt met vrouwelijke muizen, omdat de weinige experimenten die met vrouwtjes zijn uitgevoerd, hebben aangetoond dat ze de neiging hebben om voedsel te hamsteren en het plastic meer te kauwen dan mannelijke muizen.
Niettemin is dit voersysteem zeer effectief in het manipuleren van voedselinname, is het gemakkelijk te bouwen, te bedienen, te onderhouden en is het goedkoop in vergelijking met de dure geautomatiseerde feeders die op de markt bestaan. Het kan eenvoudig worden aangepast en aangepast aan de eisen van de onderzoeker en heeft geen speciale training nodig om het systeem te bedienen. Belangrijk is dat timers slechts een lage hoeveelheid constante witte ruis produceren, waardoor muizen geen geluid kunnen associëren met de beschikbaarheid van voedsel.
Samenvattend beschrijft dit artikel een innovatief voedingssysteem dat kan worden gebruikt om de dagelijkse voedselconsumptie bij muizen te volgen en kan worden aangepast om muizen te voeden met verschillende paradigma’s, zoals tijdgebonden voeding, aritmische voeding en voeding met een vetrijk dieet. Dit systeem voegt toe aan de lijst met hulpmiddelen die kunnen worden gebruikt om belangrijke vragen op het gebied van ritmische voedselinname en het effect ervan op de fysiologie aan te pakken.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd financieel ondersteund door de subsidie R01DK128133 van NIH / NIDDK (aan J.S.M) en opstartfondsen van Texas A &M University.
#6 x 0.75 inch Phillips Pan Head Stainless Steel Sheet Metal Screw (50-Pack) | Everbilt | #800172 | |
#8 x 1.5 inch Phillips Pan Head Zinc Plated Sheet Metal Screw (100-Pack) | Everbilt | #801622 | |
0.25 inch gray PVC sheet (24 inch x 48 inch) | USPlastic | #45088 | |
4 inch PVC pipe (10 ft) | Home Depot | #531103 | |
45 mg dustless precision pellets | Bio-Serv | #F0165 | |
6 ft. Extension Cord | HDX | HD#145-017 | |
Food container (eight-compartment jewelry organizer) | JewelrySupply | #PB8301 | |
Indoor Basic Timer | General Electric | #15119 | |
Oatey 4 inch ABS Pipe Test Cap with Knockout | Home Depot | #39103D | |
Rodent Diet with 45 kcal% fat (with red dye) | Research Diets | #D12451 |