Konstruktion av Vapor Chambers används för att exponera Möss till alkohol under motsvarande för alla tre trimestern av mänsklig utveckling

Summary

Vi visar byggandet av alkoholångor kammare som använder lättillgängliga material som samtidigt inrymmer 6 mus burar. Vi beskriver vidare användning i en musmodell av fetalt alkoholexponering motsvarar alla 3 trimestern av graviditet. Detta paradigm utsätter djur under dräktigheten och postnatal dagar 1-12.

Abstract

Utsätts för alkohol under utveckling kan leda till en konstellation av morfologiska och beteendeavvikelser som kollektivt kallas Fetal Alcohol Spectrum Disorders (FASDs). Vid den allvarligaste änden av skalan är fetalt alkoholsyndrom (FAS), som kännetecknas av tillväxthämning, kraniofaciala dysmorfologi och neurobehavioral underskott. Studier med djurmodeller, omfattande gnagare, har klar många molekylära och cellulära mekanismer som är inblandade i patofysiologin för FASDs. Etanol administration till dräktiga gnagare har använts för att modellera mänsklig exponering under den första och andra trimestern av graviditeten. Tredje trimestern etanolförbrukning hos människor har modellerats med hjälp av neonatala gnagare. Emellertid har få studier på gnagare som kännetecknas effekten av etanolexponering under den motsvarar alla tre trimestern av graviditet, ett mönster av exponering som är vanligt hos gravida kvinnor. Här visar vi hur man bygger ånga kammare från lätt obtainable material som var och en kan rymma upp till sex standard mus burar. Vi beskriver en ångkammaren paradigm som kan användas för att modellera exponering för etanol, med minimal hantering, under alla tre trimestern. Våra studier visar att gravida dammar utvecklat betydande metabolisk tolerans mot etanol. Däremot gjorde neonatal möss inte utveckla metabolisk tolerans och antal foster, fostrets vikt, placenta vikt, antal valpar / kull, antalet döda valpar / kull, och ungarna vikt påverkades inte signifikant av etanolexponering. En viktig fördel med denna paradigm är dess tillämplighet på studier med genetiskt modifierade möss. Dessutom minimerar denna paradigm hantering av djur, en stor förväxla i fetalt alkoholforskning.

Introduction

Att dricka under graviditeten kan skada fostret, vilket orsakar ihållande förändringar i många organ och system som väsentligt minskar livskvaliteten för de drabbade individerna och deras familjer. Det uppskattas att cirka 10-30% av kvinnorna dricker under graviditeten i USA, med 1-8% dricka i en binge mönster ^1,2. Utbudet av effekter som etanol exponering under fosterutvecklingen är kollektivt kallas fetalt alkoholspektrumstörningar (FASDs). Nya beräkningar visar att FASDs är ett stort folkhälsoproblem med en prevalens så hög som 2-5% i USA ^3. Den mer allvarliga manifestation av FASDs är fetalt alkoholsyndrom (FAS), som kännetecknas av tillväxthämning, kraniofaciala missbildningar, och neurobehavioral underskott, inklusive inlärningssvårigheter. Förekomsten av FAS har uppskattats till 0,2-0,7% i USA ^3. De för närvarande tillgängliga behandlingar för FASDs är bara delvis effektivaoch utveckling av mer effektiva behandlingar är begränsat av bristande förståelse av de cellulära och molekylära grunderna för detta komplexa spektrum av störningar.

Data från de nationella fosterskador Prevention Study (NBDPS) visar att gravida kvinnor dricker oftast under ^{1: a} trimestern, innan graviditeten har upptäckts, följt av avhållsamhet under senare stadier av dräktigheten ^2. Den NBDPS fann också att den näst vanligaste mönster av etanolförbrukning under dräktigheten innebär att dricka i alla trimester ^2. Orsakerna till detta är bland annat bristande medvetenhet om de potentiellt skadliga effekterna av fosteretanolexponering (även vid låga doser), begränsad tillgång till mödravård, positiv historia för neuropsykiatriska störningar, och missbruk av eller beroende av etanol ^4. Intressant, NBDPS rapporterade att den tredje vanligaste konsumtionsmönster inblandade avhållsamhet under 1 <sup> St och ^2: a trimestern följt av förbrukningen under den ^{3: e} trimestern, då det antas ofta att dricka är säker eftersom organogenesen har mestadels klar. Dock är det ^{3: e} trimestern en period med hög känslighet för etanol-inducerad nervsystemet eftersom detta är en period när neuronala kretsar genomgår djupgående förfining ^2. Den NBDPS identifierade också andra, mindre frekventa mönster av alkoholkonsumtion som inträffar under graviditeten, inklusive förbrukningen i hela ^{1: a} och ^2: a trimestern följt av avhållsamhet under ^{3: e} trimestern ^2.

I ett försök att modellera de olika mönster av etanolkonsumtion observerats hos gravida kvinnor, har ett antal utvecklings etanol exponering paradigm fastställts med hjälp av olika djurarter, med råttor och möss vara vanligast ^5,6. Varaktigheten av graviditeten i dessa djur vanligtvis lasts ca 3 veckor, vilket motsvarar den ^{1: a} och ^2: a trimestern av graviditet. Många studier på gnagare har utvärderat effekten av olika doser och mönster för etanolexponering under denna period. Exempel på metoder som ofta används för att administrera etanol till dräktiga möss och råttor innefattar administration via flytande kost ^7,8, tillsats av etanol till dricksvatten ^9,10, frivilligt drickande av sackarin-sötade lösningar ^11, gastrisk sond ^12, ånga inandning ¹³ och subkutan eller intraperitoneal injektion ^14. Resultaten av dessa studier har sammanfattat flera av de brister som observerats hos människor med FASDs, visar att exponering under tidiga stadier av graviditeten är tillräckligt för att skada neuronala kretsar i hela hjärnan (granskas ^6,15).

Experiment med gnagare har också visat att exponering under motsvarigheten till den ^{3: e} </sup> Trimestern av graviditet, vilket ungefär motsvarar de första 1-2 veckorna av postnatal liv hos råttor och möss, kan avsevärt försämra hjärnans utveckling. Exponering under denna period har modellerats genom att administrera etanol till neonatala råttor eller möss. Etanol har administrerats till djuren med hjälp av olika metoder, bland annat utfodring via gastrostomi i artificiellt uppfödda djur ^16-18, intragastrisk intubation ^19, subkutan injektion ^20, och ånga inandning ^21,22. Dessa studier har på ett övertygande sätt visat att hjärnans tillväxt spurt är en period med hög sårbarhet för utvecklingseffekterna av etanol ^6.

Som nämnts ovan, att dricka under alla trimestern av graviditeten är ett gemensamt mönster av etanolkonsumtionen hos kvinnor ^2. Emellertid har jämförelsevis få studier utvärderat effekterna av detta mönster av exponeringen med djurmodeller. En del av dessa studier har tagit advantage av stora djur där ^{3: e} trimestern-motsvarighet sker i livmodern istället för nyföddhetsperioden som i fallet med råttor och möss. Dessa djurmodeller inkluderar icke-mänskliga primater ^23,24 och får ^25-27. Dessa djurmodeller har inte använts i stor utsträckning FASDs forskning, delvis, på grund av höga kostnader och behovet av specialiserade vårdinrättningar. Gnagare har oftare används för att karakterisera effekten av all-trimestern etanolexponering på fostrets utveckling ^5. Marsvin har varit särskilt fördelaktigt i detta avseende med tanke på deras omfattande prenatal utveckling och likheter i hjärnans mognad till det av människan ^28,29. Med marsvin, har det varit möjligt att karakterisera effekten av etanol exponering in utero som inkluderar den period som motsvarar utvecklingen av människan ^{3: e} trimestern. Den jämförelsevis höga kostnaderna för dessa djur, samt den relativt långa varaktigheten av graviditeten(~ 67 dagar), har begränsat användningen till några laboratorier som arbetar på FASDs forskning.

På grund av deras kostnadseffektivitet och bred användning inom biomedicinsk forskning, har utredare använt råttor att modellera exponering för etanol under alla trimestern av graviditeten. I initiala studier exponerades råttor under graviditeten via flytande kost följt av administration av etanol via gastrostomi att artificiellt uppfödda nyfödda (postnatal dagar (P) 1-10) resulterar i maximal blodetanolnivåer (BEC) i dammarna av 0,08 g / dl och i valparna 0,16 g / dl. Detta paradigm orsakade långvariga förändringar i synnerven myelination och minskat antalet Bergmann glia fibrer i lillhjärnan ^30-32. Likaså Maier och medarbetare med hjälp av artificiella uppfödningsförhållanden administreras etanol till gravida rått dammar i en binge liknande sätt via intragastrisk intubation följt av neonatal administration under en del av ^{3: e} trimestern motsvarande (P4-9) ^33,34. PEAK maternal och pup BEC var 0,3 g / dl hos både graviditets dag 20 och P6. Denna allt-trimestern exponering paradigm lett tillväxthämning som var betydligt större än den som observerats hos valpar som exponerats under utvalda perioder av dräktigheten ^33. Dessutom råttor som exponerats för etanol under motsvarande alla trimestern uppvisade en minskning av antalet cerebellar Purkinje och granulat celler som var större än den som observerats hos djur som exponerats under andra perioder ^34. Minskningar i hippocampus cellantal rapporterades också med detta paradigm, men dessa effekter verkar i första hand vara en följd av exponering under ^{3: e} trimestern-ekvivalenter ^35. Ett förfarande som innebär att etanol administrering via intragastrisk sondmatning till både gravida råttor och neonatala möss har också använts för att modellera alla trime exponering ^36. Denna metod, som gav BEC av 0,13 g / dl hos mödrarna (graviditets dag 17) och 0,24 g / dl i P6 valpar, framkallad long variga förändringar i monoaminsignalsubstans nivåer i hippocampus och hypothalamus, och ökad expression av DNA-metyltransferaser och metyl-CpG-bindande protein 2 i hippocampus ^37,38. Med hjälp av en liknande exponering paradigm (BEC = 0,14 till 0,2 g / dl i dammar och 0,2 g / dl hos valpar), Gil-Mohapel et al. ³⁹ upptäcktes en ökning av antalet nya omogna nervceller i gyrus dentatus av vuxna råttor som kan utgöra en kompensationsmekanism för att etanol-inducerad neuronal skada eller en förändrad mognaden av vuxna födda nervceller. Utredarna har också försökt att modellera alla trimestern etanolexponering genom att exponera dammar via flytande kost eller dricksvatten under både graviditet och amning ^9,40. Däremot är nyttan av att utsätta valparna via modersmjölken begränsad eftersom det resulterar normalt i låga pup BEC (t.ex. 0,002 till 0,05 g / dl, ^41,42).

Möss har också använts Extenstivt att karakterisera effekterna av utvecklingsetanolexponering. Denna djurmodell delar många av de styrkor som beskrivits ovan för råttdjurmodell, med den ytterligare fördelen att många genetiskt modifierade musstammar är tillgängliga ^5. Möss har med framgång använts för att karakterisera effekterna av etanol under ^{1: a, 2: a} eller ^{3: e} trimestern av graviditeten ^43,44. Men effekten av alla trimestern exponering på dessa djur har inte väl karakteriserade eftersom det är tekniskt svårare att utsätta möss under den motsvarar alla trimestern av graviditet. Exempelvis artificiell uppfödning och gastrisk gavage, som har använts med framgång i råttor kräver mer specialiserade förfaranden i möss ^45. Så vitt vi vet har endast en studie hittills försökt att studera effekten av alla trimestern etanolexponering med hjälp av möss; dessa djur exponerades för etanol-lösning i dricksvatten During graviditet och amning ^46. Maternal BEC var 0,07 g / dl och pup BEC var inte bestämd, men förväntas vara en bråkdel av de i dammar.

Här beskriver vi en ny modell för alla trimestern etanol exponering av möss där alkohol administreras till både gravida dammar och nyfödda via ånga inandning kammare. Vapor kammare byggdes utifrån en tidigare utformning ^47. Vi ger detaljerade instruktioner om hur man bygger inandning kamrarna och utföra de moment exponering. Vi ger också information om de BEC som kan uppnås och effekterna av exponering för överlevnad och tillväxt.

Protocol

Samtliga Djur förfaranden godkändes av University of New Mexico-Health Sciences Center Institutional Animal Care och användning kommittén. 1. Vapor kammarenheten Skär polykarbonatskivor med en cirkelsåg eller sticksåg med de mått som anges i videon för toppen, botten, front, baksida, sidor och dörr (figur 1 och tabell 1). Med en cirkelsåg eller sticksåg, klippa en öppning 8 inches hög med 16 inches bred i mitten av frontpan…

Representative Results

Figur 2A visar att både dräktiga möss och neonatal avkomma utsattes för relativt stabila etanolångor som kamrarna. Dessa varierade mellan 4-6 g / dl. Figur 2B visar BEC uppnåtts i de dräktiga möss som en funktion av tiden. BEC mättes med användning av en standard alkoholdehydrogenas baserad analys 48. Vid G5, BEC steg snabbt till ~ 60 mM 2 timmar efter starten av exponering och nådde en topp i slutet av 4 tim exponeringsperioden. BEC minskade gradvis till ~ 12 mM e…

Discussion

Här beskriver vi i detalj de metoder för konstruktion av ånga inandning kammare. De material och verktyg som krävs för att bygga kamrarna är lätt tillgängliga från ett antal kommersiella leverantörer och stegen för konstruktion av kamrarna är relativt enkelt. Det system som vi beskriver här innehåller inga ventiler i online-kontroll för att förhindra tillbakaflöde och blandning. Vi kunde inte mäta någon påvisbar etanol i luften bara kamrar som tyder på att vi inte har någon blandning eller återfl?…

Materials

Item	Company	Cat #	Qty
Polycarbonate 1/4" clear 48" x 24"	McMaster-Carr	8574K23	10
Foam Rubber bulb seal 3/8"w x 7/32"h	McMaster-Carr	93085K67	10ft
Weld-on #16	McMaster-Carr	7515A11	3
Piano hinge 12" long	McMaster-Carr	1658A11	2 x 1ft
Hold-down toggle clamps standard	McMaster-Carr	5126A26	8
PEX tubing 1/2"	McMaster-Carr	51275K88	10ft
Barbed Tee tube fitting (Black) Pkg 10	McMaster-Carr	5463K608	1
Barbed plug fitting (Black) Pkg 10	McMaster-Carr	5462K79	1
Barbed Elbow tube fitting (Black) Pkg 10	McMaster-Carr	5463K596	1
3/8" Through-Wall Adapters, Tube to Threaded Pipe	McMaster-Carr	5463K851	1
Phillips Machine screw 4-40	McMaster-Carr	91772A112	1
Machine screw hex nut 4-40	McMaster-Carr	90480A005	1
Panel-mount flowmeter 2-20	McMaster-Carr	41945K76	3
FLASK, FILTER 1000ML 6/PACK	VWR	89001-800	2
Precision Seal Septa	VWR	89084-490	1
VWR Black Rubber Stopper #8 1-hole	VWR	59581-367	1
TUBE TYGON R3603 3/8X9/16 50'	VWR	89068-556	1
TUBE TYGON R3603 1/4X11/16 50'	VWR	89068-502	1
Aerator Stone P2120	VWR	32573-007	1
3/8" T-connectors Pk of 20	VWR	46600-060	1
VWR Disconnectors tapered Pk of 10	VWR	46600-110	1
3/8 Hose Barb valved in-line coupling	Colder Products Company	HFCD17612	1
Air pump medium capacity	LMI Manufacturers	DB60L	1
Nexelate Wire Shelving 36"W X 24"D X 63"H	Global industrial	T9A990135	1
Stem Casters Set of (4) 5" Polyurethane Wheel	Global industrial	T9A500591	1
Breathalyzer Alco-Sensor III	Intoximeters, Inc.	ASIII	1 Item Company Cat # Qty Polycarbonate 1/4" clear 48" x 24" McMaster-Carr 8574K23 10 Foam Rubber bulb seal 3/8"w x 7/32"h  McMaster-Carr 93085K67 10ft Weld-on #16 McMaster-Carr 7515A11 3 Piano hinge 12" long McMaster-Carr 1658A11 2 x 1ft Hold-down toggle clamps standard McMaster-Carr 5126A26 8 PEX tubing 1/2" McMaster-Carr 51275K88 10ft Barbed Tee tube fitting (Black) Pkg 10 McMaster-Carr 5463K608 1 Barbed plug fitting (Black) Pkg 10 McMaster-Carr 5462K79 1 Barbed Elbow tube fitting (Black) Pkg 10 McMaster-Carr 5463K596 1 3/8" Through-Wall Adapters, Tube to Threaded Pipe McMaster-Carr 5463K851 1 Phillips Machine screw 4-40 McMaster-Carr 91772A112 1 Machine screw hex nut 4-40 McMaster-Carr 90480A005 1 Panel-mount flowmeter 2-20 McMaster-Carr 41945K76 3 FLASK, FILTER 1000ML 6/PACK VWR 89001-800 2 Precision Seal Septa VWR 89084-490 1 VWR Black Rubber Stopper #8 1-hole VWR 59581-367 1 TUBE TYGON R3603 3/8X9/16 50' VWR 89068-556 1 TUBE TYGON R3603 1/4X11/16 50' VWR 89068-502 1 Aerator Stone P2120 VWR 32573-007 1 3/8" T-connectors Pk of 20 VWR 46600-060 1 VWR Disconnectors tapered Pk of 10 VWR 46600-110 1 3/8 Hose Barb valved in-line coupling Colder Products Company HFCD17612 1 Air pump medium capacity LMI Manufacturers DB60L 1 Nexelate Wire Shelving 36"W X 24"D X 63"H Global industrial T9A990135 1 Stem Casters Set of (4) 5" Polyurethane Wheel Global industrial T9A500591 1 Breathalyzer Alco-Sensor III Intoximeters, Inc. ASIII 1