限制食物摄入的时间已成为减轻饮食引起的代谢疾病的有希望的干预措施。这份手稿详细介绍了内部构建的高效系统的构建和使用,该系统用于测量和操纵小鼠有节奏的食物摄入量。
节律基因表达是昼夜节律的标志,对于在一天中的适当时间驱动生物功能的节律至关重要。过去几十年的研究表明,有节奏的食物摄入(即生物体在24小时内进食食物的时间)显着有助于全身各种器官和组织中基因表达的节律调节。从那以后,有节奏的食物摄入对健康和生理的影响得到了广泛的研究,并揭示了在活动期限制食物摄入8小时可以减轻由各种致胖饮食引起的代谢疾病。这些研究通常需要使用受控方法来计时向动物输送食物的时间。这份手稿描述了一个低成本和高效的系统的设计和使用,该系统是内部构建的,用于测量日常食物消耗以及操纵小鼠的有节奏的食物摄入量。该系统需要使用负担得起的原材料来建造适合食品配送的笼子,遵循用户友好的处理程序。该系统可以有效地用于以不同的喂养方案(例如 随意,限时或心律失常时间表)喂养小鼠,并且可以结合高脂肪饮食来研究其对行为,生理和肥胖的影响。描述了野生型(WT)小鼠如何适应不同的喂养方案。
生物钟在物种中无处不在,并提供一种计时机制,帮助生物体适应其节奏变化的环境。主昼夜节律起搏器位于下丘脑的视交叉上核 (SCN)。SCN主要由环境光暗循环夹带,并通过多种线索同步存在于身体几乎每个细胞中的外周时钟,包括神经元和激素信号,进食和体温1,2,3,4,5,6,7,8.在哺乳动物中,分子生物钟依赖于异二聚体转录因子CLOCK:BMAL1 9,10,它控制名为Period(Per1,Per2和Per3)和Cryptochrome(Cry1和Cry2)的核心时钟基因的表达,以启动转录反馈环,这对于昼夜节律的产生至关重要9,11,12.分子钟还调节数千个基因的节律转录,这些基因控制着几乎所有生物功能的节律性13,14,15。哺乳动物中超过50%的基因组在至少一种组织类型16,17,18中节律表达,并且小鼠肝脏等组织有约25%-30%的转录组有节律表达18,19。节律性基因表达对于在一天中的正确时间激活重要的生物过程(例如细胞周期控制20,葡萄糖稳态21和氨基酸代谢22)至关重要,以增加生物体适应性。
在过去的几十年里,越来越多的证据表明,食物摄入可以作为一种有效的同步线索,在包括肝脏在内的多个组织中夹带基因表达的节奏23,24。重要的是,喂养已被证明可以独立于SCN或明暗循环25在肝脏中夹带节律,并且有节奏的喂养可以在不涉及分子钟26,27,28,29,30,31的情况下驱动有节奏的基因表达。喂食仅限于小鼠的非活动期(白天)颠倒了核心时钟基因和许多节律基因的表达阶段31。限时喂养 (TRF) 是一种营养干预措施,每日热量摄入限制在 8-10 小时,已被证明可以预防肥胖、高胰岛素血症、肝脂肪变性和代谢综合征32,33。上述所有涉及操纵食物摄入量的实验都要求实验者使用有效的方法在一天中的正确时间提供食物。
已经开发了不同的送餐方法,具有几个优点和缺点29,34,35,36,37,38,39(表1)。一些自动喂食器被设计为基于软件运行,该软件控制食物供应的数量、持续时间和时间,同时记录小鼠的喂食和自愿轮运行活动34。其他一些方法涉及将小鼠放置在不同的笼子中以不同的摄食条件,实验者在先决条件时间手动添加食物颗粒38,39。另一个系统使用由计算机控制的自动喂料器系统,其中气动驱动的防护罩阻止进入食物,并且可以通过时间间隔或食物质量35进行控制。所有这些方法要么需要使用和设置计算机化软件,这可能很昂贵,并且需要一些培训才能正确操作仪器,要么是劳动密集型的,因为实验者需要在特定时间在场以手动改变喂食条件。计算机化系统也带来了一些问题,包括让食物排出的杠杆或门故障、食物颗粒卡在出口中以及软件故障。此外,在打开门或杠杆期间可能产生的声音存在使小鼠将这些与食物交付联系起来的风险,从而影响了对食物操纵影响的解释,即严格是由于食物获取或由于对其他行为节律的影响,如睡眠/觉醒周期。这项研究的总体目标是开发一种负担得起且有效的系统来控制长期有节奏的食物摄入量,这将有助于缓解上述许多问题。首先,与自动化机器相比,下面开发和描述的进料装置可以以非常低的成本建造(表2),并且不需要复杂的操作,操作和维护培训。其次,饲喂系统在送餐过程中只产生背景白噪声,没有响亮的声音,从而防止巴甫洛夫条件反射。总而言之,这种喂养系统对研究人员来说经济、更容易获得和可靠,同时在控制有节奏的食物摄入量方面仍然有效。
在过去的几十年里,人们对喂养节律的控制及其对生理学的影响进行了广泛的研究。这里描述的喂养系统的构建和利用可以用作控制食物摄入的有效方法。该协议使用一个通用的24小时计时器和一个设计为八隔间组织者的食物杯作为系统的关键组件。只需使用几个易于访问的工具即可轻松构建保持架,并且系统的处理是用户友好的。调整系统以操纵有节奏的食物摄入的协议的一些关键方面包括每天更换食物杯,因为计时器在 24 小时内转动,手动计数或称重剩余食物,以及每天调整用于 AR 喂养的颗粒数量。通常,当老鼠饥饿并且没有得到足够的食物时,可以看到塑料屑。这个问题可以通过添加更多遵守喂养方案的食物颗粒来解决,直到看不到塑料屑。在需要调整日常食物的AR喂养的情况下,应注意不要诱导食物摄入的节奏(图3B)。因此,最好在整个相反的隔室中添加或减去颗粒,以保持小鼠心律失常地进食。
该系统可以通过在食物杯上涂上一层环氧树脂来进一步改进,以防止小鼠咬塑料,从而有助于延长食物杯的使用寿命。还可以修改用于放置食物杯的计时器表面,以帮助食物杯在计时器上平放并稳定。这可以防止由于计时器放置不均匀而导致计时器意外停止。一些笼子组件,如食物杯,也可以3D打印以降低成本,并根据研究人员的喜好定制。这可以包括具有八个以上隔间的食品杯,这可以提供比当前3小时窗口更好的时间分辨率。
虽然非常高效,但该系统有一些局限性,例如劳动密集型,研究人员仍然需要每 24 小时更换一次食物杯,并要求他们手动计数/称重剩余的食物。此外,需要不时监控计时器,以识别潜在问题和/或它们是否停止工作。这可以在计数喂食后剩余的食物颗粒时实现(例如,通过确定一些小鼠是否只在几个隔间中进食并且让一些隔间保持不变)。该系统的另一个局限性是它可能不适用于雌性小鼠,因为对雌性小鼠进行的少数实验表明,它们比雄性小鼠更倾向于囤积食物和咀嚼塑料。
尽管如此,这种喂食系统在操纵食物摄入方面非常有效,易于构建、操作、维护,并且与市场上现有的昂贵的自动喂食器相比价格低廉。它可以很容易地调整和修改以适应研究人员的要求,并且不需要任何特殊培训来操作系统。重要的是,计时器只产生少量的恒定白噪声,这可以防止小鼠将任何声音与食物可用性联系起来。
综上所述,本文描述了一种创新的饲喂系统,可用于监测小鼠的日常食物消耗,并可适应于以限时喂养、心律失常喂养和高脂肪饮食喂养等不同范式的小鼠。该系统增加了可用于解决节律性食物摄入及其对生理学影响领域重要问题的工具列表。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了NIH / NIDDK(JSM)的R01DK128133赠款和德克萨斯A&M大学的启动资金的资助。
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