Un modello di frammentazione del sonno cronico che utilizza il rotore orbitale vibrante per indurre deficit cognitivo e comportamento simile all'ansia nei giovani topi di tipo selvaggio

Summary

Presentato qui è un protocollo per il modello di frammentazione cronica del sonno (CSF) raggiunto da un rotore orbitale controllato elettricamente, che potrebbe indurre un deficit cognitivo confermato e un comportamento simile all’ansia nei giovani topi di tipo selvatico. Questo modello può essere applicato per esplorare la patogenesi del disturbo cronico del sonno e dei disturbi correlati.

Abstract

Il disturbo del sonno è generalmente comune nelle popolazioni come malattia cronica o evento lamentato. Si propone che il disturbo cronico del sonno sia strettamente collegato alla patogenesi delle malattie, in particolare delle malattie neurodegenerative. Recentemente abbiamo scoperto che 2 mesi di frammentazione del sonno hanno iniziato cambiamenti comportamentali e patologici simili al morbo di Alzheimer (AD) nei giovani topi di tipo selvatico. Qui presentiamo un protocollo standardizzato per ottenere la frammentazione cronica del sonno (CSF). In breve, csf è stato indotto da un rotore orbitale che vibra a 110 giri/min e opera con un ciclo ripetitivo di 10 s-on, 110 s-off, durante la fase light-ON (8:00-20:00) continuamente per un massimo di 2 mesi. Le menomazioni dell’apprendimento spaziale e della memoria, comportamento simile all’ansia ma non alla depressione nei topi come conseguenze della modellazione CSF, sono state valutate con il labirinto d’acqua morris (MWM), il riconoscimento di nuovi oggetti (NOR), il test open field (OFT) e il test di nuoto forzato (FST). Rispetto ad altre manipolazioni del sonno, questo protocollo riduce al minimo le fatiche di movimentazione e massimizza l’efficienza di modellazione. Produce fenotipi stabili in giovani topi di tipo selvatico e può essere potenzialmente generato per una varietà di scopi di ricerca.

Introduction

Il disturbo del sonno è sempre più comune sia nei pazienti con condizioni di disturbo del sonno che nelle persone sane con eventi che disturbano il sonno. È stato osservato che i pazienti con malattie neurodegenerative, dolore cronico, stress emotivo, malattie del sistema respiratorio, malattie del sistema urinario, ecc., di solito si lamentano di spiacevoli^{esperienze di sonno 1,2,3,4,5}. Apnea ostruttiva del sonno (OSA), movimenti periodici degli arti nel sonno (PLMS), insonnia di mantenimento del sonno tra gli altri disturbi del sonno sono le cause più comuni, che inducono^{la frammentazione del sonno 6,7}. Nei paesi sviluppati, l’OSA ha una prevalenza superiore al 5-9% nella popolazione adulta e il 2% nella popolazione^{infantile 8,9,10}. Nel frattempo, c’è una percentuale crescente della popolazione sana che sperimenta disturbi del sonno a causa dell’uso eccessivo di smartphone, abitudini di sonno irregolari, rumori fastidiosi e doveri di lavoro, come i turni notturni per gli operatori sanitari. Il sonno è riconosciuto come importante per lo sdoganamento^{dei rifiuti cerebrali 11,12,}consolidamento^{della memoria 13,14,}equilibrio^{metabolico 15,16}, tra molti altri processi fisiologici. Tuttavia, rimane ancora in gran parte sconosciuto se il disturbo del sonno a lungo termine dia luogo a alterazioni irreversibili della patogenesi negli esseri umani sani e se sia l’eziologia o un fattore che contribuisce allo sviluppo di malattie del sistema nervoso centrale, come le malattie neurodegenerative in un paio d’anni lungo la strada. Il nostro obiettivo è quello di segnalare un modello sperimentale che genera deficit cognitivo stabile ed evidente e comportamento simile all’ansia nei giovani topi di tipo selvaggio dopo un trattamento di frammentazione del sonno di 2 mesi. Questo modello sarebbe applicato per rispondere alle domande scientifiche sopra elencate.

Il disturbo del sonno è elencato come un potenziale fattore di rischio per lo sviluppo del morbo di Alzheimer (AD) o della demenza. Kang et al. Successivamente, molti altri studi hanno riferito che la privazione o la frammentazione del sonno potrebbero aggravare la patogenesi nei modelli transgenici di topi AD^18,19,20. Tuttavia, pochissimi ricercatori hanno studiato la conseguenza del disturbo del sonno nei giovani topi di tipo selvatico; cioè, se il disturbo del sonno dà origine a comportamenti simili ad AD o cambiamenti patologici nei giovani topi di tipo selvatico. Nella nostra recente pubblicazione, abbiamo riferito che 2 mesi di frammentazione del sonno hanno indotto evidente deficit di memoria spaziale e comportamento simile all’ansia, così come l’aumento dell’accumulo intracellulare di amiloide-β (Aβ) sia in corteccia che in ippocampo in topi di tipo selvatico di 2-3 mesi²¹. Abbiamo anche osservato livelli di espressione alterati di marcatori di percorso endosome-autofagosome-lisosomio e attivazione di microglia, che era simile ai cambiamenti patologici riportati nei topi APP/ PS1^21,22.

Questo protocollo di^{frammentazione} del sonno (SF) presentato è stato convalidato da Sinton et^al. In breve, un rotore orbitale che vibra a 110 giri/min interrompe il sonno per 10 s ogni 2 minuti durante la fase light-ON (8:00-20:00). L’alterazione della struttura del sonno in questo modello è stata precedentemente caratterizzata da registrazioni elettrofisiofisioiche del sonno e riportata da Li et^al. Attualmente, il sonno totale o la privazione parziale del sonno sono i modelli di manipolazione del sonno più comunemente usati. La privazione totale del sonno viene solitamente eseguita con una manipolazione delicata sostenuta o esponendo l’animale a nuovi oggetti, in alternativa ruotando continuamente una barra o un tapis roulant^{in esecuzione 25,26,27,28,29}. Per motivi etici, la privazione totale del sonno è di solito inferiore a 24 ore. Il modello di privazione parziale del sonno più comunemente applicato è il metodo della piattaforma dell’acqua, che principalmente ablare il sonno REM^30,31,32. Altri approcci che utilizzano un tapis roulant o una barra che spazza lungo il fondo della gabbia, potrebbero indurre la frammentazione del sonno se impostati a intervalli^{fissi 33,34,35,36,37,38}. È interessante notare che SF interrompe il sonno e provoca eccitazioni intermittenti in tutte le fasi del sonno²⁴. Uno dei principali vantaggi di questo modello CSF che applica il rotore orbitale è che può essere eseguito continuamente per mesi controllati automaticamente dalle macchine, il che evita frequenti lavorazioni giornaliere ad eccezione del monitoraggio regolare. Inoltre, l’apparecchio consentirebbe di modellare contemporaneamente più gabbie di topi sotto interventi uniformi. Durante intere sessioni di modellazione, i topi sono alloggiati nelle loro gabbie di casa con soliti materiali di lettiera e nidificazione, mentre alcuni altri metodi richiedono esposizione ad ambienti diversificati e stress inevitabile.

La frammentazione del sonno era precedentemente caratterizzata dal metodo di manipolazione del sonno, che imita le eccitazioni frequenti durante la fase del sonno e un sostanziale rimbalzo del sonno durante la fase di veglia. In alcune letterature, il QCS è stato considerato il modello animale per OSA^39,40. In questo studio, la logica della frequenza di eccitazione scelta per essere 30 volte all’ora si basa sull’osservazione di indici di eccitazione in pazienti con apnea del sonno da moderata a grave. È stato osservato che la frammentazione del sonno di 4 settimane ha aumentato significativamente la latenza dell’eccitazione ipercapnica e la soglia di eccitazione tattile, che potrebbe durare almeno 2 settimane dopo^{il recupero 24}. Questo fenotipo è stato spiegato rivelando la riduzione dell’attivazione dei c-fos nei neuroni noradrenergici, orexinergici, istaminergici e colinergici wake-active in risposta all’ipercapnia, nonché proiezioni catecolaminergiche e orexinergiche ridotte nella corteccia cingolata²⁴. Tuttavia, è necessario notare che la caratteristica più importante in OSA è l’ipossia causata dall’ostruzione delle vie aeree, che si traduce in interruzioni del^{sonno 41,42}. Disturbi del sonno e ipossia ripetitiva interagiscono reciprocamente tra loro nella patogenesi OSA. Pertanto, la frammentazione del sonno da sola potrebbe non essere in grado di dimostrare completamente tutte le caratteristiche chiave dell’OSA nei topi.

Qui presentiamo un protocollo standardizzato per modellare la frammentazione cronica del sonno nei giovani topi di tipo selvatico. Deficit cognitivo e comportamenti simili all’ansia e alla depressione dopo che il trattamento CSF è stato valutato da Morris water laze, riconoscimento di nuovi oggetti, test sul campo aperto e test di nuoto forzato. È importante notare che questo modello dovrebbe essere preso nel suo insieme che genera fenotipi di modello di sonno disregolato, deficit cognitivo e comportamento simile all’ansia. Il modello attuale potrebbe potenzialmente essere applicato, ma non limitato, ai seguenti scopi: 1) Studiare ulteriormente i meccanismi di patogenesi funzionale o molecolare indotti dal disturbo cronico del sonno nei giovani topi senza predisposizione genetica, 2) Identificare la via diretta che porta alla neurodegenerazione iniziata dal disturbo del sonno, 3) Esplorare le terapie per migliorare i fenotipi indotti dal disturbo cronico del sonno, 4) Studiare i meccanismi protettivi/compensatori intrinseci nei topi di tipo selvatico in caso di disturbo cronico del sonno, 5) Da applicare per studiare la regolazione sonno-veglia e i meccanismi di transizione di stato.

Protocol

Questo protocollo è stato approvato dal Comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali dell’ospedale Tongji, del Tongji Medical College, dell’Università di scienza e tecnologia di Huazhong. 1. Screening e preparazione dei topi per l’esperimento Seleziona topi maschi adulti di tipo selvatico (8-10 settimane) con un peso di 20-28 g per l’intero esperimento.NOTA: I topi C57BL/6 di tipo selvatico sono ottenuti dall’Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, Cina…

Representative Results

Tutti i risultati e le cifre rappresentativi sono stati riprodotti dalla nostra recentepubblicazione 21. Il riutilizzo delle cifre è stato consentito dalla rivista originale. L’intero progetto sperimentale è illustrato nell’ordine di tempo, che indica la tempistica della modellazione CSF, i test comportamentali di MWM, NOR, OFT e FST (Figura 1A). Abbiamo ottenuto pesi di topi ogni settimana dal CSF e dai gruppi di controllo, per monitorar…

Discussion

I passaggi critici del protocollo attuale includono la configurazione di macchine per la frammentazione del sonno con i parametri ottimizzati in base allo scopo dello studio e il mantenimento dei topi in un ambiente di vita confortevole e silenzioso durante tutte le sessioni di modellazione. È anche fondamentale decidere i tempi adeguati per interrompere o interrompere la frammentazione del sonno e organizzare test comportamentali per quei topi. Come altri modelli di manipolazione del sonno, è importante eseguire il pr…

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