Gıda alımının zamanlamasını kısıtlamak, diyete bağlı metabolik hastalıkları hafifletmek için umut verici bir müdahale olarak ortaya çıkmıştır. Bu makale, farelerde ritmik gıda alımını ölçmek ve manipüle etmek için şirket içinde inşa edilmiş verimli bir sistemin inşasını ve kullanımını detaylandırmaktadır.
Ritmik gen ekspresyonu, sirkadiyen ritmin bir işaretidir ve biyolojik fonksiyonların ritmikliğini günün uygun saatinde yönlendirmek için gereklidir. Son birkaç on yılda yapılan çalışmalar, ritmik gıda alımının (yani, organizmaların 24 saatlik gün boyunca yemek yediği zaman), vücuttaki çeşitli organ ve dokularda gen ekspresyonunun ritmik düzenlenmesine önemli ölçüde katkıda bulunduğunu göstermiştir. Ritmik gıda alımının sağlık ve fizyoloji üzerindeki etkileri o zamandan beri yaygın olarak incelenmiştir ve aktif faz sırasında 8 saat boyunca gıda alımını kısıtlamanın çeşitli obezojenik diyetlerden kaynaklanan metabolik hastalıkları azalttığını ortaya koymuştur. Bu çalışmalar genellikle gıdaların hayvanlara verilmesini zamanlamak için kontrollü yöntemlerin kullanılmasını gerektirir. Bu makale, günlük gıda tüketimini ölçmek ve farelerde ritmik gıda alımını manipüle etmek için şirket içinde inşa edilmiş düşük maliyetli ve verimli bir sistemin tasarımını ve kullanımını açıklamaktadır. Bu sistem, kullanıcı dostu bir elleçleme prosedürünü takiben, gıda dağıtımına uygun kafesler oluşturmak için uygun fiyatlı hammaddelerin kullanılmasını gerektirir. Bu sistem, fareleri ad libitum, zaman kısıtlı veya aritmik programlar gibi farklı beslenme rejimlerinde beslemek için verimli bir şekilde kullanılabilir ve davranış, fizyoloji ve obezite üzerindeki etkisini incelemek için yüksek yağlı bir diyet içerebilir. Vahşi tip (WT) farelerin farklı beslenme rejimlerine nasıl adapte olduklarının bir açıklaması verilmiştir.
Sirkadiyen saat, türler arasında her yerde bulunur ve organizmaların ritmik olarak değişen ortamlarına uyum sağlamalarına yardımcı olan bir zaman tutma mekanizması sağlar. Ana sirkadiyen kalp pili, hipotalamusun suprakiazmatik çekirdeğinde (SCN) bulunur. SCN öncelikle çevresel ışık-karanlık döngüsü tarafından hapsedilir ve vücudun hemen hemen her hücresinde bulunan periferik saatleri, nöronal ve hormonal sinyaller, beslenme ve vücut ısısı 1,2,3,4,5,6,7,8 dahil olmak üzere çoklu ipuçları aracılığıyla senkronize eder . Memelilerde, moleküler sirkadiyen saat, sirkadiyen ritimlerin üretimi için kritik olan bir transkripsiyonel geri besleme döngüsünü başlatmak için Dönem (Per1, Per2 ve Per3) ve Kriptokrom (Cry1 ve Cry2) adlı çekirdek saat genlerinin ekspresyonunu kontrol eden heterodimerik transkripsiyon faktörü CLOCK: BMAL1 9,10’a dayanır 9,11,12 . Moleküler saat aynı zamanda hemen hemen her biyolojik fonksiyonun ritmikliğini kontrol eden binlerce genin ritmik transkripsiyonunu da düzenler13,14,15. Memelilerde genomun% 50’sinden fazlası ritmik olarak en az bir doku tipi 16,17,18’de eksprese edilir ve farelerde karaciğer gibi dokular, transkriptomlarının yaklaşık% 25-30’una sahiptir ve ritmik olarak 18,19 olarak ifade edilir. Ritmik gen ekspresyonu, organizma zindeliğini arttırmak için günün doğru saatinde hücre döngüsü kontrolü20, glikoz homeostazı21 ve amino asit metabolizması22 gibi önemli biyolojik süreçleri aktive etmek için çok önemlidir.
Son birkaç on yılda, gıda alımının, karaciğer23,24 de dahil olmak üzere birden fazla dokuda gen ekspresyonunda ritimleri zorlamak için güçlü bir senkronizasyon ipucu olarak hareket edebileceğini gösteren kanıtlar artmaktadır. Önemli olarak, beslenmenin karaciğerdeki ritimleri SCN’den veya aydınlık-karanlık döngüsü25’ten bağımsız olarak içerdiği gösterilmiştir ve ritmik beslenme, moleküler saat 26,27,28,29,30,31’i içermeden ritmik gen ekspresyonunu yönlendirebilir. Farelerin aktif olmayan periyodu (gündüz) ile sınırlı beslenme, çekirdek saat genlerinin ve birçok ritmik genin ekspresyon fazını tersine çevirir31. Günlük kalori alımının 8-10 saat ile sınırlandırıldığı bir beslenme müdahalesi olan zaman kısıtlı beslenmenin (TRF) obezite, hiperinsülinemi, hepatik steatoz ve metabolik sendroma karşı koruma sağladığı gösterilmiştir32,33. Gıda alımının manipülasyonunu içeren yukarıdaki deneylerin tümü, deneycinin günün doğru saatinde yiyecek sağlamak için etkili yöntemler kullanmasını gerektirir.
Çeşitli avantaj ve dezavantajlar taşıyan farklı gıda dağıtım yöntemleri geliştirilmiştir 29,34,35,36,37,38,39 (Tablo 1). Bazı otomatik besleyiciler, farelerde besleme ve gönüllü tekerlek çalıştırma aktivitesini kaydederken gıda mevcudiyetinin miktarını, süresini ve zamanlamasını kontrol eden bir yazılıma dayanarak çalışacak şekilde tasarlanmıştır34. Diğer birkaç yöntem, farelerin farklı beslenme koşulları için farklı kafeslere yerleştirilmesini içerir; deneyci, ön koşul zamanı38,39’da manuel olarak yiyecek topakları ekler. Başka bir sistem, pnömatik tahrikli bir kalkanın gıdaya erişimi engellediği ve zaman aralıkları veya gıda kütlesi ile kontrol edilebilen bir bilgisayar tarafından kontrol edilen otomatik bir besleyici sistemi kullanır35. Tüm bu yöntemler ya pahalı olabilecek ve cihazın düzgün çalışması için biraz eğitim gerektiren bilgisayarlı bir yazılımın kullanılmasını ve kurulmasını gerektirir ya da deneycinin besleme koşullarını manuel olarak değiştirmek için belirli zamanlarda hazır bulunması gerektiğinden emek yoğundur. Bilgisayarlı sistemler ayrıca, yiyeceklerin dışarı çıkmasına izin veren kolların veya kapıların arızalanması, gıda peletlerinin çıkışlara sıkışması ve yazılım arızası gibi sorunların payıyla birlikte gelir. Dahası, kapıların veya kolların açılması sırasında üretilebilecek ses, fareleri bunları yiyecek dağıtımı ile ilişkilendirmek için şartlandırma riski taşır, böylece gıda manipülasyonunun etkilerinin kesinlikle gıda erişiminden veya uyku / uyanıklık döngüsü gibi diğer davranışsal ritimler üzerindeki etkilerden kaynaklandığı şeklinde yorumlanmasını tehlikeye atar. Bu çalışmanın genel amacı, yukarıda belirtilen sorunların çoğunu hafifletmeye yardımcı olacak uzun vadeli ritmik gıda alımını manipüle etmek için uygun fiyatlı ve verimli bir sistem geliştirmekti. Her şeyden önce, geliştirilen ve aşağıda açıklanan besleme aparatı, otomatik makinelere kıyasla çok düşük bir maliyetle inşa edilebilir (Tablo 2) ve taşıma, çalıştırma ve bakım için sofistike eğitim gerektirmez. İkincisi, besleme sistemi sadece arka planda beyaz bir gürültü üretir ve yiyecek dağıtımı sırasında yüksek sesler çıkarmaz, böylece Pavlovian şartlandırılmasını önler. Toplamda, bu besleme sistemi araştırmacılar için ekonomik, daha erişilebilir ve güvenilirdir, ancak ritmik gıda alımının manipülasyonunda hala etkilidir.
Son birkaç on yılda beslenme ritimlerinin manipülasyonu ve fizyoloji üzerindeki etkileri üzerine kapsamlı araştırmalar yapılmıştır. Burada açıklanan besleme sisteminin yapımı ve kullanımı, gıda alımını manipüle etmek için etkili bir yöntem olarak kullanılabilir. Protokol, ortak bir 24 saat zamanlayıcı ve sistemin temel bileşenleri olarak sekiz bölmeli bir düzenleyici olarak tasarlanmış bir yemek kabı kullanır. Kafesler, kolayca erişilebilen birkaç alet kullanılarak kolaylıkla inşa edilebilir ve sistemin kullanımı kullanıcı dostudur. Sistemi ritmik gıda alımını manipüle edecek şekilde uyarlamak için protokolün kilit yönlerinden bazıları, zamanlayıcı 24 saatlik bir süre boyunca döndüğünden beri yiyecek bardaklarının günlük olarak değiştirilmesini, kalan yiyeceklerin manuel olarak sayılmasını veya tartılmasını ve AR beslemesi için pelet sayısının günlük olarak ayarlanmasını içerir. Tipik olarak, plastik talaş, fareler aç olduğunda ve yeterli yiyecek almadıklarında görülür. Bu sorun, plastik talaş görülmeyene kadar besleme rejimine uyan birkaç gıda peleti daha eklenerek düzeltilebilir. Günlük yiyeceklerin ayarlanması gereken AR beslenmesi durumunda, gıda alımının ritmini indüklememeye özen gösterilmelidir (Şekil 3B). Bu nedenle, fareleri aritmik olarak beslemek için zıt bölmelere pelet eklemek veya çıkarmak tercih edilir.
Bu sistem, farelerin plastiği ısırmasını önlemek için yiyecek bardaklarını bir epoksi tabakası ile kaplayarak daha da geliştirilebilir ve böylece yiyecek kaplarının ömrünü uzatmaya yardımcı olur. Gıda kabı yerleştirme zamanlayıcısının yüzeyi, yiyecek kabının zamanlayıcı üzerinde düz ve sabit oturmasına yardımcı olmak için de değiştirilebilir. Bu, eşit olmayan şekilde yerleştirilmiş bir zamanlayıcının neden olduğu zamanlayıcının yanlışlıkla durmasını önleyebilir. Yiyecek bardakları gibi kafes bileşenlerinden birkaçı, maliyeti düşürmek için 3D olarak basılabilir ve araştırmacının beğenisine göre özel olarak yapılabilir. Bu, sekizden fazla bölmeli yiyecek bardaklarını içerebilir ve bu da mevcut 3 saatlik pencereden daha iyi bir zaman çözünürlüğü sağlayabilir.
Çok verimli olmasına rağmen, bu sistemin emek yoğun olması gibi bazı sınırlamaları vardır, araştırmacının hala her 24 saatte bir yiyecek bardaklarını değiştirmesi ve kalan yiyecekleri manuel olarak saymalarını / tartmalarını istemesi gerekir. Ek olarak, potansiyel sorunları ve / veya çalışmayı durdurup durdurmadıklarını belirlemek için zamanlayıcıların zaman zaman izlenmesi gerekir. Bu, beslenmeden sonra kalan yiyecek topaklarını sayarken elde edilebilir (örneğin, bazı farelerin sadece birkaç bölmede yemek yiyip yemediğini ve bazı bölmeleri el değmeden bırakıp bırakmadığını belirleyerek). Bu sistemin bir başka sınırlaması, dişi farelerle de çalışmayabileceğidir, çünkü dişilerle yapılan birkaç deney, yiyecekleri biriktirme ve plastiği erkek farelerden daha fazla çiğneme eğiliminde olduklarını göstermiştir.
Bununla birlikte, bu besleme sistemi gıda alımını manipüle etmede çok etkilidir, inşa edilmesi, çalıştırılması, bakımı kolaydır ve piyasada bulunan pahalı otomatik besleyicilere kıyasla ucuzdur. Araştırmacının gereksinimlerine uyacak şekilde kolayca uyarlanabilir ve değiştirilebilir ve sistemi çalıştırmak için herhangi bir özel eğitime ihtiyaç duymaz. Daha da önemlisi, zamanlayıcılar yalnızca farelerin herhangi bir sesi yiyecek mevcudiyeti ile ilişkilendirmesini önleyen düşük miktarda sabit beyaz gürültü üretir.
Özetle, bu makalede, farelerde günlük gıda tüketimini izlemek için kullanılabilecek ve zaman kısıtlı beslenme, aritmik beslenme ve yüksek yağlı diyetle beslenme gibi farklı paradigmalarda fareleri beslemek için uyarlanabilecek yenilikçi bir beslenme sistemi açıklanmaktadır. Bu sistem, ritmik gıda alımı ve fizyoloji üzerindeki etkisi alanındaki önemli soruları ele almak için kullanılabilecek araçlar listesine eklenmektedir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, NIH / NIDDK’den (JSM’ye) R01DK128133 hibesi ve Texas A &M Üniversitesi’nden başlangıç fonları ile finansal olarak desteklenmiştir.
#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 |