Summary
Begrænsning af tidspunktet for fødeindtagelse har vist sig at være en lovende intervention for at dæmpe diætinducerede metaboliske sygdomme. Dette manuskript beskriver konstruktionen og brugen af et effektivt system indbygget internt til måling og manipulation af rytmisk fødeindtagelse hos mus.
Abstract
Rytmisk genekspression er et kendetegn ved døgnrytmen og er afgørende for at drive rytmiciteten af biologiske funktioner på det rette tidspunkt på dagen. Undersøgelser i løbet af de sidste par årtier har vist, at rytmisk fødeindtagelse (dvs. det tidspunkt, hvor organismer spiser mad i løbet af 24 timers dagen) bidrager væsentligt til den rytmiske regulering af genekspression i forskellige organer og væv i hele kroppen. Virkningerne af rytmisk fødeindtagelse på sundhed og fysiologi er blevet bredt undersøgt lige siden og har afsløret, at begrænsning af fødeindtagelse i 8 timer i den aktive fase dæmper metaboliske sygdomme, der stammer fra en række overvægtige kostvaner. Disse undersøgelser kræver ofte anvendelse af kontrollerede metoder til timing af levering af mad til dyr. Dette manuskript beskriver design og brug af et billigt og effektivt system, bygget internt til måling af det daglige fødeindtag samt manipulation af rytmisk fødeindtagelse hos mus. Dette system indebærer brug af råvarer til overkommelige priser til at bygge bure, der er egnede til levering af fødevarer, efter en brugervenlig håndteringsprocedure. Dette system kan bruges effektivt til at fodre mus på forskellige fodringsregimer såsom ad libitum, tidsbegrænsede eller arytmiske tidsplaner og kan inkorporere en fedtfattig diæt for at studere dens virkning på adfærd, fysiologi og fedme. Der gives en beskrivelse af, hvordan vildtypemus (WT) tilpasser sig de forskellige fodringsregimer.
Introduction
Det cirkadiske ur findes allestedsnærværende på tværs af arter og giver en tidsregistreringsmekanisme, der hjælper organismer med at tilpasse sig deres rytmisk skiftende miljø. Master cirkadiske pacemaker er placeret i den suprachiasmatiske kerne (SCN) af hypothalamus. SCN er primært indlejret af den miljømæssige lys-mørke cyklus og synkroniserer perifere ure, der findes i næsten alle celler i kroppen via flere signaler, herunder neuronale og hormonelle signaler, fodring og kropstemperatur 1,2,3,4,5,6,7,8 . Hos pattedyr er det molekylære cirkadiske ur afhængig af den heterodimeriske transkriptionsfaktor CLOCK: BMAL1 9,10, som styrer ekspressionen af kerneurgenerne ved navn Period (Per1, Per2 og Per3) og Cryptochrome (Cry1 og Cry2) for at starte en transkriptionel feedback-sløjfe, der er kritisk for dannelsen af cirkadiske rytmer 9,11,12 . Det molekylære ur regulerer også den rytmiske transkription af tusindvis af gener, der styrer rytmiciteten af stort set alle biologiske funktioner13,14,15. Mere end 50% af genomet hos pattedyr udtrykkes rytmisk i mindst en vævstype 16,17,18, og væv som leveren hos mus har ca. 25% -30% af deres transkriptom udtrykt rytmisk18,19. Rytmisk genekspression er afgørende for at aktivere vigtige biologiske processer såsom cellecykluskontrol20, glukosehomeostase 21 og aminosyremetabolisme22 på det rigtige tidspunkt på dagen for at øge organismens kondition.
I løbet af de sidste par årtier har der været stigende beviser, der tyder på, at fødeindtagelse kan fungere som et potent synkroniserende signal til at inddrage rytmer i genekspression i flere væv, herunder leveren23,24. Det er vigtigt, at fodring har vist sig at inddrage rytmer i leveren uafhængigt af SCN eller af den lys-mørke cyklus25, og rytmisk fodring kan drive rytmisk genekspression uden at involvere molekyluret 26,27,28,29,30,31. Fodring begrænset til musens inaktive periode (dagtimerne) vender ekspressionsfasen af kerneurgenerne og af mange rytmiske gener31. Tidsbegrænset fodring (TRF), som er en ernæringsmæssig intervention, hvor det daglige kalorieindtag er begrænset til en periode på 8-10 timer, har vist sig at beskytte mod fedme, hyperinsulinæmi, hepatisk steatose og metabolisk syndrom32,33. Alle ovennævnte eksperimenter, der involverer manipulation af fødeindtagelse, kræver, at eksperimentatoren bruger effektive metoder til at levere mad på det rigtige tidspunkt på dagen.
Der er udviklet forskellige metoder til levering af fødevarer, som har flere fordele og ulemper 29,34,35,36,37,38,39 (tabel 1). Nogle automatiserede foderautomater er designet til at fungere baseret på en software, der styrer mængden, varigheden og timingen af fødetilgængelighed, mens de registrerer fodring og frivillig hjulløbsaktivitet hos mus34. Et par andre metoder involverer mus, der placeres i forskellige bure til forskellige fodringsforhold, hvor eksperimentatoren manuelt tilføjer madpiller på forudsætningstidspunktet38,39. Et andet system anvender et automatiseret fødesystem, der styres af en computer, hvor et pneumatisk drevet skjold forhindrer adgang til fødevarer, og som kan styres enten ved tidsintervaller eller fødemasse35. Alle disse metoder kræver enten udnyttelse og opsætning af en edb-software, der kan være dyr og kræve en vis træning for korrekt betjening af instrumentet eller er arbejdskrævende, fordi eksperimentatoren skal være til stede på bestemte tidspunkter for manuelt at ændre fodringsforholdene. Computeriserede systemer kommer også med deres andel af problemer, herunder funktionsfejl i håndtag eller døre, der slipper maden ud, madpiller, der sidder fast i stikkontakterne og softwarenedbrud. Desuden udgør den lyd, der kan frembringes under åbning af døre eller håndtag, en risiko for, at mus konditioneres til at forbinde disse med madlevering, hvorved fortolkningen af virkningerne af fødevaremanipulation udelukkende skyldes adgang til mad eller på grund af virkninger på andre adfærdsrytmer såsom søvn/vågen-cyklus. Det overordnede mål med denne undersøgelse var at udvikle et overkommeligt og effektivt system til at manipulere langsigtet rytmisk fødeindtagelse, der ville hjælpe med at lindre mange af disse førnævnte problemer. Først og fremmest kan det fremføringsapparat, der blev udviklet og beskrives nedenfor, konstrueres til en meget minimal pris sammenlignet med de automatiserede maskiner (tabel 2) og kræver ikke sofistikeret træning til håndtering, drift og vedligeholdelse. For det andet producerer fodringssystemet kun en baggrundshvid støj og ingen høje lyde under madlevering, hvilket forhindrer Pavlovian konditionering. Alt i alt er dette fodringssystem økonomisk, mere tilgængeligt og pålideligt for forskere, mens det stadig er effektivt til manipulation af rytmisk fødeindtagelse.
Protocol
Alle dyreforsøgspersoner anvendes i overensstemmelse med retningslinjerne fra Institutional Animal Care and Use Committee of Texas A&M University (AUP #2022-0050). Både han- og hunmus C57BL/6 mellem 2-4 måneder anvendes her. Fremgangsmåden til opbygning af fodringssystemet er beskrevet nedenfor, og de råmaterialer, der kræves for at bygge apparatet, henvises til i materialetabellen.
1. Konstruktion af fodringssystemet
- Konstruktion af en polyvinylchloridbase (PVC)
- Anskaf fire stykker 0.25-tommer PVC-plader skåret i henhold til følgende dimensioner: 4.875 tommer x 4.5 tommer; 4.875 tommer x 2.125 tommer; 9.5 tommer x 2.125 tommer (to stykker). Bor fire huller i basen på 4,875 tommer x 4,5 tommer til fastgørelse af en 24 timers timer ved hjælp af målingerne i figur 1A. Lim de fire stykker PVC for at opnå basen som i figur 1A.
- Sikring af timeren på PVC-basen
- Åbn timeren for at fjerne stikket. Opret forbindelse ved hjælp af en standardforlængerledning/elektrisk ledning (figur 1B).
- Timeren anbringes på PVC-basen for at justere den med hullerne boret på basen i trin 1.1.1. Brug 1,5-tommer skruer til at fastgøre timeren på PVC-basen. Sørg for, at timeren ligger fladt og er stabil på PVC-basen.
- Bor fire huller oven på timeren, og fastgør 0,75 tommer skruer til at holde madbeholderen med otte rum (figur 1B). Basen for systemet er komplet og ligner figur 1C.
FORSIGTIG: Bor ikke hullerne gennem hele timeren.
- Opsætning af bur
- Skær et 4-tommer PVC-rør (udvendig diameter på 4.5 tommer) i en 3.125-tommer højde. Bor et hul på ca. 0,5 tommer i bunden af røret for at lade det elektriske kabel komme igennem.
- Slib toppen af røret (f.eks. med en router eller et roterende værktøj), så hætten let kan fjernes, når madbeholderen skiftes.
- Brug et musebur med en bredde større end 4,5 tommer og skær et 4,5 tommer hul i bunden af buret ved hjælp af en hulsav.
BEMÆRK: Placeringen af hullet afhænger af buropsætningen (f.eks. Placeringen af burtoppen og vandflasken, tilføjelse af et løbehjul osv.).
- Opsætning af foderbeholder
- Lav en maddispenser ud af en 4-tommer otte-rums smykkearrangør som vist i figur 1D. Skær beholderens kant, så den passer godt ind i røret.
- Brug en 4-tommer PVC-rørhætte og skær et hul svarende til størrelsen på et enkelt dispenserrum (f.eks. Med et roterende værktøj) for at skabe en åbning, der kun udsætter et af de otte rum ad gangen. Når timeren bevæger sig, udsætter åbningen et nyt rum hver 3. time. Fodersystemets komponenter er nu klar til brug. Når alle burene er indstillet, ligner den endelige opsætning den, der er vist i figur 1E.
- Transport af mange fødevarebeholdere ad gangen kan være besværlig. For at lette lettere transport skal du tage tre stykker 0,25 tommer PVC-rør. Bor et 0,625 tommer hul i midten af to stykker og lim dem sammen. Brug derefter et smalt 0,625 tommer PVC-rør, der passer i hullet og gennem midten af madkopperne til at stable madkopper for at lette transporten, som vist i figur 1F.
- Test timere, før musene introduceres, ved at tilslutte opsætningen til stikkontakter, placere et stykke nestlet i et rum på et registreret tidspunkt og overvåge nestlets position 12 timer senere for at sikre, at timeren drejer straks.
2. Anvendelse af fodringssystemet
- Kontinuerlig måling af fødeindtagelse hos mus
- Overfør mus til forsøgsrummet og akklimatisere dem til lys-mørk (LD) cyklus indstillet i rummet i mindst 1 uge og i 2 uger, hvis lys-mørk cyklus forskydes med mere end 3 timer. Til dette eksperiment indsamles data fra C57BL/6-han- og hunmus mellem 2-4 måneder udsat for LD 12:12 (n = 7 hanner og 4 hunner).
- Registrer musenes vægt, før de individuelt anbringes i foderburene (vægten blev registreret kl. 15.00, dvs. på det tidspunkt, hvor foderskift blev udført). Sørg for, at mus har ad libitum adgang til vand og nok strøelse og nestlets.
- Tilsæt 1,5 g mad (rutinemæssigt brugt 45 mg støvløse præcisionspiller) til alle otte rum i fødekoppen. Placer fødekoppen på timeren. Sæt derefter låget på fødekoppen, så kun et rum er udsat, og bemærk tidspunktet for madpræsentation. Fire rum repræsenterer natpunkter, og de andre fire repræsenterer dagtidspunkter.
BEMÆRK: På grund af hamstringsadfærd observeret ved overskydende madpræsentation blev 1,5 g optimeret som startvægt. Mus har tendens til at hamstre pellets enten oven på madkoplåg eller i strøelse i buret. Dette skævvrider dataene, hvilket fører til fejlfortolkning. Hanmus hamstrer ikke pellets, når de fodres med 1,5 g eller mindre pr. Rum. Kvinder har tendens til at hamstre mad mere end mænd, men dette er musespecifikt og kan dæmpes, hvis det giver 1 g pellet pr. Rum. - Skift mad hver dag på samme tid, og tæl antallet af pellets, der er tilbage i hvert rum for at beregne mængden af forbrugt mad. Overvåg fodringsprofilen i en uge for at få en baseline fodringsprofil for mus, der fodres ad libitum.
- Baseret på den mad, der indtages i hvert rum, beregnes det gennemsnitlige daglige foderforbrug for hver mus (figur 2).
- Højt fedtindhold kost (HFD) behandling
BEMÆRK: Dette fodringssystem kan også bruges til at undersøge effekten af HFD på metaboliske sygdomme og i sidste ende bruges til tidsbegrænsede fodringsplaner. HFD er ikke kommercielt tilgængelig som præcise størrelse og vægt pellets, og pellets til fodring indkøbes normalt som 0,5-tommer pellets.- Placer HFD-pillerne på en ren overflade eller gennemsigtig film og skær dem i 6-7 mindre stykker af jævn størrelse ved hjælp af et barberblad. Skær pillerne små nok, så de ligner normale chow-pellets som anvendt i afsnit 2.1 ovenfor.
BEMÆRK: Mus har tendens til at hamstre større pellets i deres bure, hvilket fører til fejlberegning af forbrugt mad. - Afvej 1,5 g skårne HFD-stykker og læg dem i hvert af de 8 madrum. Til madskift hver anden dag er 1,5 g HFD pr. Rum tilstrækkeligt.
- Skift maden hver dag eller hver anden dag i henhold til eksperimentelle behov, og registrer vægten af den mad, der er tilbage.
- Beregn mængden af forbrugt mad ved at trække den resterende vægt af mad fra den oprindelige mængde mad, der blev givet. Gentag denne proces over en periode på 1 uge for at opnå en baseline for fødeindtagelse af HFD (figur 2).
- Placer HFD-pillerne på en ren overflade eller gennemsigtig film og skær dem i 6-7 mindre stykker af jævn størrelse ved hjælp af et barberblad. Skær pillerne små nok, så de ligner normale chow-pellets som anvendt i afsnit 2.1 ovenfor.
- Akklimatisering af hanmus til en natbegrænset (NR) diæt
- Følg trin 2.1.1-2.1.4 for at opnå en basislinje for ad libitum-fodring . Til dette eksperiment indsamles data fra C57BL/6-hanmus mellem 2-4 måneder udsat for LD 12:12 (n = 18 hanner).
- Efter 3-7 dages ad libitum-diæt sættes musene på overgangsdiæt ved gradvist at reducere antallet af pellets i dagrummet. For at gøre dette skal du have fem pellets pr. rum på dag 1 i overgangen (0,225 g pr. rum), 3 pellets på dag 2 (0,135 g pr. rum), 1 pellet på dag 3 (0,045 g pr. rum) og ingen derefter for fuldstændigt at skifte musene på en natbegrænset diæt.
BEMÆRK: Sørg for, at mus ikke er kaloriebegrænsede. Gennemsnit det daglige fødeforbrug for mus pr. rum baseret på ad libitum-basislinjen , og giv dem den samme mængde mad, og fordel den kun på tværs af de fire natrum. - Hold øje med fødeindtagelsen i 2 uger efter, at musene har tilpasset sig det natbegrænsede regime. I løbet af denne periode skal du justere mængden af mad, der gives til hver mus, så den passer bedre til dens samlede fødeindtagelse (figur 3A). Tilføj typisk madpiller (1 pellet til hvert af de fire natrum), når mus spiser al deres mad i to på hinanden følgende nætter.
- Vej musene i slutningen af 2-ugers perioden for at overvåge enhver ændring i vægt på grund af fodringsregimet. I slutningen af denne periode bedøves musene med isofluran og aflives ved halshugning. Saml væv og analyser dem for daglige ændringer på grund af fodringsparadigmet.
- Akklimatisering af hanmus til en arytmisk (AR) diæt
- Følg trin 2.1.1-2.1.4 for at opnå en basislinje for ad libitum-fodring . Til dette eksperiment indsamles data fra C57BL/6-hanmus mellem 2-4 måneder udsat for LD 12:12 (n = 18 hanner).
- Efter en uges ad libitum-diæt skal du beregne det gennemsnitlige madforbrug pr. dag og dividere dette tal med 8 for at få den mængde mad, der skal leveres i hvert rum. Opnå AR-fodring ved at sikre, at mus får en lige stor mængde mad i alle otte rum hele dagen.
- Sæt derefter musene på en overgangsdiæt ved gradvist at reducere mængden af mad, der gives pr. rum over 3-5 dage, for i sidste ende at afskaffe enhver rytme i fødeindtagelsen (som vist i figur 3B). Når du er på AR-diæt, skal du sikre dig, at musene har adgang til 1/8 af deres daglige fødeindtag i hvert af de otte rum og dermed fødeadgang hver 3. time. Sørg for, at mus ikke er kaloriebegrænsede.
- Hold musene på AR-diæt i 2 uger eller mere (figur 3B).
- Under AR-diæt skal du justere maden hver dag for at sikre, at mus kun efterlader et par pellets (typisk mindre end 5). Dette sikrer, at mus får den helt rigtige mængde mad og ikke er kaloriebegrænsede. Foretag justeringer ved at reducere eller tilføje pellets i enten alle de otte rum eller ved at reducere eller tilføje pellets i to modsatte rum for ikke at fremkalde nogen rytme i fødeindtagelse.
BEMÆRK: Mus, der fodres under en AR-diæt, efterlader mad næsten udelukkende mellem ZT3 og ZT9 (mellem 3 timer og 9 timer efter tænding), men er sultne om natten og bider fødevaredispenseren for at få adgang til det næste rum. Ikke desto mindre er AR-fodrede mus ikke kaloriebegrænsede og tager faktisk mere på i vægt end NR-fodrede mus over tid. - Vej musene i slutningen af 2-ugers perioden for at overvåge enhver ændring i vægt på grund af fodringsregimet. I slutningen af denne periode bedøves musene med isofluran og aflives ved halshugning. Saml væv og analyser dem for daglige ændringer på grund af fodringsparadigmet.
Representative Results
Fodringssystemet beskrevet ovenfor kan bruges til langsigtet manipulation af rytmisk fødeindtagelse hos mus. Dette system udsætter i det væsentlige et nyt madrum for musen hver 3. time, hvilket gør det muligt for forskeren specifikt at manipulere mad i hvert rum. En anvendelse var at analysere profilen af fødeindtagelse i løbet af 24 timers perioden. Dataene indikerer, at WT-mus, der fodres med normal chow ad libitum , spiser ca. 75% af deres mad om natten (figur 2A). Desuden forekommer det meste af den mad, der spises i løbet af dagen, inden for 3 timer før lyset slukkes.
Mus, der blev fodret med HFD ad libitum , spiste mere mad i de første 2 eksponeringsdage, sandsynligvis på grund af det nye ved HFD (figur 2A). Efter 2 dage forblev HFD-indtaget rytmisk, men alligevel med en nedsat amplitude sammenlignet med, når den blev fodret med normal chow ad libitum. Mens både han- og hunmus blev fodret med HFD, blev det konstateret, at hunmus hamstrede en stor mængde mad på låget af fodringsapparatet og i buret, mens hannerne ikke viste nogen mærkbar hamstring. Som nævnt ovenfor kan hamstring af mad resultere i fejlberegning af fødevareforbrug og føre til fejlfortolkning af data. Derudover bider hunmus oftere i madkoppernes plastikfælge, især i natrummene. Hanmus viste signifikant vægtøgning efter 1 uges ad libitum normal chow og efter 1 uges HFD (figur 2E). En lignende tendens blev observeret hos hunmus, men nåede ikke signifikante p-værdier, sandsynligvis delvis på grund af det lavere antal anvendte hunner sammenlignet med hanner.
Mus, der overgik til en NR-diæt, spiser kun deres daglige samlede kalorier om natten uden et signifikant fald i kalorieindtaget i de første 3-5 uger (figur 3A). Længere eksponering for NR-skema reducerer det daglige gennemsnitlige kalorieindtag med 10% -15% sammenlignet med mus, der fodres ad libitum, som beskrevet andetsteds34. Mus, der overgik til en AR-diæt, indtog deres daglige samlede kalorier i lige store mængder i løbet af dagen, hvilket førte til en dramatisk dæmpning af den daglige rytme af fødeindtagelse (figur 3B). Hvad angår NR-fodringsplanen, påvirkes det daglige gennemsnit af kalorieindtag ikke af AR-fodringsplanen for de første 3-5 ugers eksponering, men falder med længere eksponering. Mus viste vægtøgning efter NR (figur 3C) og AR skemaer (figur 3C).
Figur 1: Design og konstruktion af fødeapparatsystemet . (A) Dimensionerne på PVC-basen til fodringssystemet og beskrivelse af, hvor der skal laves huller til fastgørelse af timeren. (B) En 24 timers timer før og efter genanvendelse af ledningen og boring med skruer til placering af madkoppen. (C) Den samlede grå base og timer sammen med et 4-tommer PVC-rør. (D) Madbægeret med otte rum efter trimning af yderkanter. E) Den endelige opsætning af bure med madbægeret dækket af en 4-tommers hætte, således at kun ét rum er tilgængeligt ad gangen. (F) Transport af flere fødevarekopper under et forsøg. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Fodringsprofiler under forskellige diætregimer . (A) Fodringsprofilen for WT-hanmus, der fodres ad libitum med normal chow (NC) i 7 dage og fedtrig kost (HFD) i yderligere 7 dage. Farvede linjer repræsenterer individuelle museprofiler (n = 7), og den sorte linje angiver den gennemsnitlige ± SEM for syv mus. (B) Den fedtrige kost før og efter udskæring. (C) Det daglige gennemsnit af fødeindtagelse hver 3. time ± SEM (n = 7). Gennemsnittet blev beregnet over de sidste 5 dage af enten NC- eller HFD-fodringsplanen. D) Den gennemsnitlige (venstre) og procentdelen (højre) af fødeindtagelse i løbet af dagen og natten for mus, der fodres med NC eller HFD. Værdierne repræsenterer gennemsnittet af syv mus ± SEM og blev beregnet ved hjælp af fødeindtagelsesdata i løbet af de sidste 5 dage af enten NC- eller HFD-fodringsplaner. * p < 0,05 mellem de to grupper (parret t-test). E) Den gennemsnitlige kropsvægt for mus, der er anvendt i forsøget efter 1 uge med NC og 1 uge med HFD. Dataene for mænd (venstre) og kvinder (højre) vises med * p < 0,05 mellem de to grupper (parret t-test). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Manipulation af den daglige rytme for fødeindtagelse. (A) Fodringsprofilen for WT-hanmus, der fodres med normal chow ad libitum i 2 dage, overgik til en natbegrænset (NR) fodringsordning i 3 dage og opretholdt under NR-fodring i 8 nætter. De farvede linjer repræsenterer individuelle museprofiler (n = 18), og den sorte linje angiver den gennemsnitlige ± SEM på 18 mus. Den grå stjerne angiver, at timeren for den ene dag ikke fungerer korrekt på den ene dag, hvor timeren stoppede med at dreje. (B) Fodringsprofil for WT-hanmus, der fodres med normal chow ad libitum i 2 dage, overgik til et arytmisk (AR) fodringsregime i 1 dag og opretholdt under AR-fodring i 8 nætter. De farvede linjer repræsenterer individuelle museprofiler (n = 18), og den sorte linje angiver den gennemsnitlige ± SEM for de 18 mus. (C) Den gennemsnitlige kropsvægt for mus, der anvendes i forsøget efter 2 ugers eksponering for NR- og AR-diæt. Data vises med * p < 0,05 mellem de to grupper (parret t-test). Klik her for at se en større version af denne figur.
Tabel 1: Fordele og ulemper ved de eksisterende fodringssystemer. En tabel, der fremhæver forskellige fodringssystemer, der anvendes til manipulation af fødeindtagelse, med en kort beskrivelse af fordele og ulemper ved hvert system. Klik her for at downloade denne tabel.
Tabel 2: Omkostninger til materialer, der kræves til konstruktion af fodringssystemet. En tabel med en liste over omkostningerne ved de elementer, der kræves til konstruktion af fodringssystemet beskrevet i dette papir, sammen med et skøn over omkostningerne ved konstruktion pr. bur. Klik her for at downloade denne tabel.
Discussion
Omfattende forskning er blevet udført i løbet af de sidste par årtier om manipulation af fodringsrytmer og deres virkning på fysiologi. Konstruktionen og udnyttelsen af det her beskrevne fodringssystem kan bruges som en effektiv metode til manipulation af fødeindtagelse. Protokollen bruger en fælles 24 timers timer og en madkop designet som en otte-rums arrangør som nøglekomponenter i systemet. Burene kan nemt konstrueres ved hjælp af nogle få lettilgængelige værktøjer, og håndteringen af systemet er brugervenlig. Nogle af de vigtigste aspekter af protokollen til tilpasning af systemet til at manipulere rytmisk fødeindtagelse inkluderer daglig skift af madkopper, da timeren vender over en 24 timers periode, manuel tælling eller vejning af resterende mad og daglig justering af antallet af pellets til AR-fodring. Typisk ses plastspåner, når mus er sultne og ikke får tilstrækkelig mad. Dette problem kan løses ved at tilføje et par flere madpiller, der overholder fodringsregimet, indtil der ikke ses plastspåner. I tilfælde af AR-fodring, hvor den daglige mad skal justeres, skal man passe på ikke at fremkalde rytmen i fødeindtagelsen (figur 3B). Derfor foretrækkes det enten at tilføje eller trække pellets i modsatte rum overalt for at holde mus arytmisk fodret.
Dette system kan forbedres yderligere ved at belægge madkopperne med et lag epoxy for at forhindre musene i at bide i plastikken og dermed hjælpe med at forlænge madkoppernes levetid. Timerens overflade til placering af madkopper kan også ændres for at hjælpe madkoppen med at sidde fladt og stabilt på timeren. Dette kan forhindre utilsigtet stop af timeren forårsaget af en ujævnt placeret timer. Et par af burkomponenterne, såsom madkopper, kan også 3D-printes for at reducere omkostningerne og specialfremstilles efter forskerens smag. Dette kan omfatte madkopper med mere end otte rum, hvilket kan give en bedre tidsopløsning end det nuværende 3 timers vindue.
Selvom det er meget effektivt, har dette system nogle begrænsninger, såsom at være arbejdskrævende, hvor forskeren stadig skal skifte madkopper hver 24. time og kræve, at de manuelt tæller / vejer den resterende mad. Derudover skal timere overvåges fra tid til anden for at identificere potentielle problemer og / eller hvis de stoppede med at arbejde. Dette kan opnås, mens man tæller de madpiller, der er tilbage efter fodring (f.eks. ved at bestemme, om nogle mus kun spiste mad i nogle få rum og efterlod nogle rum uberørte). En anden begrænsning af dette system er, at det måske ikke fungerer så godt med hunmus, da de få eksperimenter udført med hunner viste, at de har tendens til at hamstre mad og tygge plasten mere end hanmus.
Ikke desto mindre er dette fodringssystem meget effektivt til at manipulere fødeindtagelse, er let at konstruere, betjene, vedligeholde og er billigt sammenlignet med de dyre automatiserede feedere, der findes på markedet. Det kan let tilpasses og ændres, så det passer til forskerens krav og behøver ingen særlig træning for at betjene systemet. Det er vigtigt, at timere kun producerer en lav mængde konstant hvid støj, hvilket forhindrer mus i at forbinde enhver lyd med fødetilgængelighed.
Sammenfattende beskriver dette papir et innovativt fodringssystem, der kan bruges til at overvåge det daglige fødeforbrug hos mus og kan tilpasses til at fodre mus på forskellige paradigmer såsom tidsbegrænset fodring, arytmisk fodring og fodring med fedtrig kost. Dette system tilføjer til listen over værktøjer, der kan bruges til at løse vigtige spørgsmål inden for rytmisk fødeindtagelse og dens virkning på fysiologi.
Disclosures
Alle forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet økonomisk af bevillingen R01DK128133 fra NIH/NIDDK (til J.S.M) og opstartsmidler fra Texas A&M University.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| #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 |
References
- Boothroyd, C. E., Wijnen, H., Naef, F., Saez, L., Young, M. W. Integration of light and temperature in the regulation of circadian gene expression in Drosophila. PLoS Genetics. 3 (4), 0492-0507 (2007).
- Brown, S. A., Zumbrunn, G., Fleury-Olela, F., Preitner, N., Schibler, U. Rhythms of mammalian body temperature can sustain peripheral circadian clocks. Current Biology. 12 (18), 1574-1583 (2002).
- Buhr, E. D., Yoo, S. H., Takahashi, J. S. Temperature as a universal resetting cue for mammalian circadian oscillators. Science. 330 (6002), 379-385 (2010).
- Kawamoto, T., et al. Effects of fasting and re-feeding on the expression of Dec, Per1, and other clock-related genes. Journal of Biochemistry. 140 (3), 401-408 (2006).
- Lamia, K. A., Storch, K. F., Weitz, C. J. Physiological significance of a peripheral tissue circadian clock. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (39), 15172-15177 (2008).
- Oosterman, J. E., Kalsbeek, A., La Fleur, S. E., Belsham, D. D. Impact of nutrients on circadian rhythmicity. American Journal of Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 308 (5), 337-350 (2015).
- Pitts, S. N., Perone, E., Silver, R. Food-entrained circadian rhythms are sustained in arrhythmic Clk/Clk mutant mice. American Journal of Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 285, 57-67 (2003).
- Sheward, W. J., et al. Entrainment to feeding but not to light: Circadian phenotype of VPAC 2 receptor-null mice. Journal of Neuroscience. 27 (16), 4351-4358 (2007).
- Gekakis, N., et al. Role of the CLOCK protein in the mammalian circadian mechanism. Science. 280 (5369), 1564-1569 (1998).
- King, D. P., et al. Positional cloning of the mouse circadian Clock gene. Cell. 89 (4), 641-653 (1997).
- Kume, K., et al. mCRY1 and mCRY2 are essential components of the negative limb of the circadian clock feedback loop. Cell. 98 (2), 193-205 (1999).
- Shearman, L. P., et al. Interacting molecular loops in the mammalian circadian clock. Science. 288 (5468), 1013-1019 (2000).
- Beytebiere, J. R., et al. Tissue-specific BMAL1 cistromes reveal that rhythmic transcription is associated with rhythmic enhancer-enhancer interactions. Genes and Development. 33 (5-6), 294-309 (2019).
- Menet, J. S., Pescatore, S., Rosbash, M. CLOCK: BMAL1 is a pioneer- like transcription factor. Genes and Development. 28 (1), 8-13 (2014).
- Koike, N., et al. Transcriptional architecture and chromatin landscape of the core circadian clock in mammals. Science. 338 (6105), 349-354 (2012).
- Mure, L. S., et al. Diurnal transcriptome atlas of a primate across major neural and peripheral tissues. Science. 359 (6381), (2018).
- Ruben, M. D., et al. A database of tissue-specific rhythmically expressed human genes has potential applications in circadian medicine. Science Translational Medicine. 10 (458), 1-8 (2018).
- Zhang, R., Lahens, N. F., Ballance, H. I., Hughes, M. E., Hogenesch, J. B. A circadian gene expression atlas in mammals: Implications for biology and medicine. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (45), 16219-16224 (2014).
- Menet, J. S., Rodriguez, J., Abruzzi, K. C., Rosbash, M. Nascent-Seq reveals novel features of mouse circadian transcriptional regulation. eLife. 2012 (1), 1-25 (2012).
- Miller, B. H., et al. Circadian and CLOCK-controlled regulation of the mouse transcriptome and cell proliferation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (9), 3342-3347 (2007).
- Cailotto, C., et al. The suprachiasmatic nucleus controls the daily variation of plasma glucose via the autonomic output to the liver: Are the clock genes involved. European Journal of Neuroscience. 22 (10), 2531-2540 (2005).
- Eckel-Mahan, K. L., et al. Coordination of the transcriptome and metabolome by the circadian clock. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (14), 5541-5546 (2012).
- Damiola, F., et al. Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Genes and Development. 14 (23), 2950-2961 (2000).
- Saini, C., et al. Real-time recording of circadian liver gene expression in freely moving mice reveals the phase-setting behavior of hepatocyte clocks. Genes and Development. 27 (13), 1526-1536 (2013).
- Stokkan, K. A., Yamazaki, S., Tei, H., Sakaki, Y., Menaker, M. Entrainment of the circadian clock in the liver by feeding. Science. 291 (5503), 490-493 (2001).
- Atger, F., et al. Circadian and feeding rhythms differentially affect rhythmic mRNA transcription and translation in mouse liver. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (47), 6579-6588 (2015).
- Greenwell, B. J., et al. Rhythmic food intake drives rhythmic gene expression more potently than the hepatic circadian clock in mice. Cell Reports. 27 (3), 649-657 (2019).
- Izumo, M., et al. Differential effects of light and feeding on circadian organization of peripheral clocks in a forebrain Bmal1 mutant. eLife. 3, 04617 (2014).
- Mange, F., et al. Diurnal regulation of RNA polymerase III transcription is under the control of both the feeding-fasting response and the circadian clock. Genome Research. 27 (6), 973-984 (2017).
- Van Der Veen, D. R., et al. Impact of behavior on central and peripheral circadian clocks in the common vole Microtus arvalis, a mammal with ultradian rhythms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (9), 3393-3398 (2006).
- Vollmers, C., et al. Time of feeding and the intrinsic circadian clock drive rhythms in hepatic gene expression. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (50), 21453-21458 (2009).
- Chaix, A., Lin, T., Le, H. D., Chang, M. W., Panda, S. Time-Restricted feeding prevents obesity and metabolic syndrome in mice lacking a circadian clock. Cell Metabolism. 29 (2), 303-319 (2019).
- Hatori, M., et al. Time-restricted feeding without reducing caloric intake prevents metabolic diseases in mice fed a high-fat diet. Cell Metabolism. 15 (6), 848-860 (2012).
- Acosta-Rodríguez, V. A., de Groot, M. H. M., Rijo-Ferreira, F., Green, C. B., Takahashi, J. S. Mice under caloric restriction self-impose a temporal restriction of food intake as revealed by an automated feeder system. Cell Metabolism. 26 (1), 267-277 (2017).
- Chung, H., et al. Time-restricted feeding improves insulin resistance and hepatic steatosis in a mouse model of postmenopausal obesity. Metabolism: Clinical and Experimental. 65 (12), 1743-1754 (2016).
- Sen, S., et al. Ultradian feeding in mice not only affects the peripheral clock in the liver, but also the master clock in the brain. Chronobiology International. 34 (1), 17-36 (2017).
- Xie, X., et al. Natural food intake patterns do not synchronize peripheral clocks. BMC Biology. 18 (160), 1-11 (2020).
- Swamy, S., et al. Circadian disruption of food availability significantly reduces reproductive success in mice. Hormones and Behavior. 105, 177-184 (2018).
- Xin, H., et al. Protocol for setup and circadian analysis of inverted feeding in mice. STAR Protocols. 2 (3), 100701 (2021).
