توضح هذه الورقة بالتفصيل التصميم والتجميع والبروتوكول لنظام التغذية الآلي جنبا إلى جنب مع تعديل بديل للغطاء والقفص يمكن تنفيذه على أقفاص القوارض القياسية مع الحد الأدنى من التعديلات لتجارب القياس الضوئي أو القياس الضوئي الوراثي المربوط. يوفر نظام التغذية أداة فعالة من حيث التكلفة للتغذية الموقوتة و / أو تقييد السعرات الحرارية.
مقالة منهجية
نظام افعل ذلك بنفسك للتغذية المجدولة لقوارض المختبر في قفص منزلهم
* These authors contributed equally
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
يتجه الصيام المتقطع والأبحاث المحيطة بتأثير تقييد السعرات الحرارية الموقوتة على تنظيم وزن الجسم ونتائج الشيخوخة ، سواء في المجتمع أو في المختبر. لدراسة التغذية المقيدة بالوقت و / أو تقييد السعرات الحرارية في المختبر ، يتم توزيع الكميات المخصصة من الطعام على فترات زمنية محددة. تتضمن التكنولوجيا الحالية للتغذية المجدولة للقوارض إما أقفاصا متخصصة مع منافذ دخول طعام مسورة ، أو قواديس رقمية مقفلة بمرور الوقت ، أو توصيل الطعام يدويا. يمكن أن تكون المعدات المتخصصة لمثل هذه التجارب مكلفة وغالبا ما تتطلب التغذية اليدوية من الباحثين القدوم في وقت متأخر من الليل / الصباح الباكر ، مما يحول دون إجراء دراسات مطولة. يوفر نظام التغذية الآلي الموصوف هنا أداة فعالة من حيث التكلفة للتغذية الموقوتة و / أو تقييد السعرات الحرارية التي يمكن تنفيذها على أقفاص القوارض القياسية بأقل قدر من التعديلات. يستخدم البروتوكول وحدة تغذية تلقائية جاهزة تم تجهيزها بغطاء قفص معزول دقيق قياسي (أغطية قفص الفئران أو الهامستر أو الفئران أو خنزير غينيا) ويمكنه إدارة مخصصات الطعام المطلوبة على فترات زمنية مبرمجة في قفص منزل. يمكن تعديل تصميمنا لقبول مغذيات مختلفة أو اختلافات طفيفة في أبعاد القفص. نحن نقدم التصميم والتجميع والبروتوكول لنظام التغذية جنبا إلى جنب مع تعديل بديل للغطاء والقفص لتجارب القياس الضوئي أو القياس الضوئي الوراثي أو الألياف المربوطة.
المقدمة
الصيام المتقطع هو مجال مهم لأبحاث التمثيل الغذائي والشيخوخة. يمكن أن تؤدي المحاذاة الصحيحة للتغذية وإيقاع الساعة البيولوجية إلى تغيير تأثير النظام الغذائي على وزنالجسم 1،2،3،4. علاوة على ذلك ، يرتبط الصيام المتقطع لفترات طويلة بزيادة طول العمر وتحسين الاضطرابات المرتبطة بالعمر5،6،7،8. عادة ما تتطلب الدراسات البحثية التي تنفذ بروتوكولات الصيام طويلة الأمد (>20 يوما) معدات متخصصة. في حين أنه من الممكن توصيل الطعام يدويا لبروتوكولات التغذية المجدولة ، فقد يتطلب ذلك وجود محقق في العديد من النقاط الزمنية خارج ساعات العمل لفترة طويلة. على سبيل المثال ، تتطلب ثلاث أوقات تغذية تفصل بينها 4 ساعات التسليم اليدوي في الساعة 8:00 مساء و 12:00 صباحا و 4:00 صباحا. من المحتمل أن يكون تحدي الامتثال لأكثر من بضعة أيام.
بدائل التوصيل اليدوي للأغذية لقوارض المختبرات هي 1) أقفاص متخصصة مع وصول آلي إلى البوابة إلى الطعام أو 2) أنظمة النطاط الرقمية التي توفر وصولا آليا ومبرمجا إلى الطعام ، مثل FED39. أنظمة الأقفاص مع الوصول إلى الأغذية المسورة مكلفة وبعضها لا يوفر بيئة قفص منزلية مناسبة للدراسات طويلة الأجل. على سبيل المثال ، صناديق التكييف التقليدية الفعالة قادرة على توصيل الطعام آليا ولكن لها أرضية مبشورة سلكية لا تساعد على السكن طويل الأجل. يوفر نظام BioDAQ من Research Diets الطعام والماء عبر منافذ خارجية مسورة. تسمح البوابات الآلية القابلة للبرمجة بدراسات التغذية أو الشرب المجدولة على المدى الطويل ، ومع ذلك ، فإن النظام استثمار مكلف. تعد أنظمة القادوس الميكانيكية أداة أخرى لبروتوكولات التغذية المجدولةالآلية 9،10. يأتي الاثنان من القواديس الميكانيكية المذكورة مع تحذير تقليل مساحة المعيشة في قفص المنزل. قد تمضغ الجائعة المقيدة بالطعام أجهزة التغذية و / أو قد تتداخل حطام الأقفاص مع ميكانيكا النطاط للدراسات طويلة الأجل. أخيرا ، تم تصميم قادوس ميكانيكي طورته مجموعة أبحاث تاكاهاشي جنبا إلى جنب مع تقنية فينومي خصيصا لدراسات التغذية المجدولة طويلةالأجل 3. في هذا النظام ، يتم وضع قادوس ميكانيكي فوق الرف السلكي لقفص قياسي مع شلال ينقل الطعام. ومع ذلك ، لا يوفر نظام Phenome المرونة للحيوانات المربوطة بكابل التصحيح (تجارب البصريات الوراثية / القياس الضوئي للألياف) ، وهو مكلف نسبيا مقارنة بجهاز التغذية التلقائية الموصوف هنا.
استجابة للتحديات السائدة في بروتوكولات التغذية المجدولة ، نقترح علاجا فعالا من حيث التكلفة. يسهل نظامنا الآلي توصيل الطعام بدقة على فترات زمنية محددة مسبقا. من خلال مزيج من الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد جنبا إلى جنب مع وحدة تغذية الأسماك الأوتوماتيكية المتوفرة تجاريا ، نبتكر نظام تغذية خارجي افعلها بنفسك (DIY) يمكن تجهيزه على أقفاص القوارض المستقلة التي تستخدم قمم العزل الدقيق. يمكن تطبيق نظام التغذية والأجزاء الموضحة هنا مباشرة على أي من أقفاص القوارض التالية: الفأر أو الفئران أو الهامستر أو خنزير غينيا ، بشرط أن تستخدم الأقفاص المستقلة قمم العزل الدقيق. نظرا لاختلاف الأقفاص في الحجم ، فقد تختلف المواضع قليلا ، ولكن الأقواس المطبوعة ثلاثية الأبعاد ونظام التغذية وتصميم زجاجة المياه الخارجية قابلة للتطبيق بشكل عام عبر أقفاص القوارض المستقلة ذات الأغطية المعزولة الدقيقة.
نحن نضع نموذجا واحدا على وحدة التغذية التلقائية ، ولكن تتوفر العديد من المغذيات التلقائية الأخرى الجاهزة ويمكن تركيبها على النظام المعياري مع تغييرات طفيفة في الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد. لتسهيل سهولة ضبط الحامل المطبوع ثلاثي الأبعاد إلى مغذيات بديلة أو اختلافات طفيفة في أبعاد الأقفاص ، نثبت ملف SolidWorks ثلاثي الأبعاد قابل للتعديل مع ملف STL مصاحب.
يوفر الموضع الخارجي للمغذي التلقائي مساحة كاملة داخل القفص المنزلي ويسمح بفصل وتعقيم وإعادة تحميل أو استبدال وحدة التغذية دون تعطيل. نظام التغذية الآلي فعال للتسجيلات طويلة الأجل ، وبأسعار معقولة ، وقابل للعديد من بروتوكولات التغذية و / أو تقييد السعرات الحرارية المقيدة بالوقت. نحن نقدم رسومات فنية مفصلة لتجميعات القفص والتصميم والبروتوكول لتنفيذ نظام التغذية ، جنبا إلى جنب مع بيانات العينة. ثانيا ، نقدم مجموعة من التعليمات لتعديل الأقفاص القياسية لاستخدام وحدة التغذية التلقائية مع المربوطة بكابل تصحيح لتجارب القياس الضوئي أو القياس الضوئي للألياف.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
تمت الموافقة على جميع الإجراءات من قبل لجنة رعاية واستخدام المؤسسية بجامعة ماساتشوستس في أمهيرست.
1. تجميع وحدة التغذية التلقائية على غطاء قفص معزول دقيق قياسي (الشكل 1)
- باستخدام أداة دوارة بعجلة قطع مقاس 1.5 بوصة ، قم بقص مربع مقاس 20 × 25 مم في غطاء قفص عازل دقيق. ضع الفتحة على بعد 2.75 سم من حافة الغطاء وتوسيطها فوق رف السلك (الشكل 1 ب ، على اليسار).
- طباعة ثلاثية الأبعاد حامل لإقران وحدة التغذية التلقائية على غطاء القفص (الشكل 1 أ والملف التكميلي 1). قم بتثبيت الحامل على فتحة غطاء القفص (الخطوة 1.1 ؛ الشكل 1 ب ، في الوسط) وحرك وحدة التغذية التلقائية على الجزء العلوي من الحامل الآمن (الشكل 1 ب [يمين] ، ج).
الشكل 1: تعديل وتجميع قوس المغذي التلقائي وغطاء القفص. (أ) الرسم الفني لقوس وحدة التغذية التلقائية (انظر ملفات SolidWorks / STL في الملف التكميلي 1 للمقياس في 3D). (ب) من اليسار إلى اليمين ، أعلى القفص مع ثقب 20 × 25 مم ؛ قوس مثبت على أعلى القفص ومثبت مع المغذي التلقائي Petbank. (ج) وحدة التغذية التلقائية للحيوانات الأليفة المجمعة على قفص مع حبيبات الطعام التي تسقط على رف سلكي قياسي بزجاجة ماء. قضبان المقياس = 25 سم). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. برمجة واستخدام مثال المغذي التلقائي الجاهز
- بالنسبة للتجارب الموقوتة، اضبط أوقات التغذية أولا وآخر ساعة التغذية المتزامنة حيث ستؤدي التعديلات اللاحقة إلى تغيير وقت الساعة.
- تأكد من شحن وحدة التغذية بشكل كاف. اضغط مع الاستمرار على زر الإعدادات حتى يومض إعداد الساعة على الشاشة.
- تابع إلى إعداد الوقت . باستخدام السهمين لأعلى ولأسفل ، اضبط الوقت على أول فترة تغذية مجدولة مطلوبة.
- اضبط عدد المخصصات لهذه النقطة الزمنية (يشار إليها بعدد النقاط بجوار إعداد الخلاصة). كرر الخطوات 2.2-2.4 ، لما يصل إلى نقطتين زمنيتين إضافيتين.
- قم بتحميل غرف التغذية التلقائية بمخصصات الطعام المطلوبة البالغة ≤1.5 جم من طعام القوارض القياسي. إذا كانت هناك حاجة إلى المزيد من الطعام ، فاضبط وحدة التغذية لتسليم مخصصات متعددة في نقطة زمنية معينة. يحتوي المغذي المثال على 16 غرفة.
ملاحظة: يمكن طلب الطعام حسب الحجم أو قصه بالمقص. - قم بتسمية غرفة واحدة بشريط أو طلاء لتأكيد دوران الغرفة المبرمج وتوصيل الطعام. تحقق يوميا أثناء تشغيل المغذيات.
3. نظام قفص معدل للحيوانات المربوطة بوحدة التغذية التلقائية
- ملحق غطاء بديل اختياري للحيوانات المربوطة بسلك التصحيح (الشكل 2)
- قم بقص قطعة من الأكريليك الشفاف بسمك 3 مم وفقا لمواصفات الشكل 2 أ (انظر أيضا الملف التكميلي 2). تم تصميم ملحق الأكريليك بعلامات تبويب لتثبيتها في الجزء العلوي من القفص. يسمح الشق المركزي (190 × 5 مم) بمرور كابل التصحيح. الفتحة المربعة مقاس 20 × 25 مم تناسب قوس المغذي التلقائي. 20 فتحة تهوية تسمح بتدوير الهواء النقي.
- باستخدام مفك براغي مسطح الرأس أو أداة إسفين ، انزع الغطاء العلوي للقفص المثقوب لغطاء معزل دقيق قياسي. اعمل على تحرير الألسنة من فتحات علامات التبويب وإزالة كل من الملحق المثقوب وورق الترشيح (الشكل 2C ، اليسار والوسط).
- تحت الجزء العلوي المثقب وورق الترشيح توجد شبكة دعم مضلعة داخلية. استخدم أداة دوارة وعجلة قطع مقاس 1.5 بوصة لإزالة شبكة الدعم ؛ باتباع مؤشرات الأسهم الموضحة في وسط الشكل 2C. بعد القطع لإزالة شبكة الدعم ، قم بملف لتنعيم الحافة المقطوعة.
- قم بتثبيت ملحق لوحة الأكريليك البديل (الخطوة 3.1) في الجزء العلوي من القفص. ابدأ التثبيت عن طريق تحريك ألسنة اللوحة في فتحات علامات التبويب على طول أي من الحواف القصيرة ثم إحدى الحواف الطويلة واضغط برفق حتى تستقر اللوحة في مكانها (الشكل 2C [يمين] ، D).
- حامل زجاجة ماء خارجي اختياري للحيوانات مربوطة بسلك تصحيح (الشكل 3)
- حفر منفذ لزجاجة الماء: ثقب قطره 11 مم ، 50 مم من الأرض ، متمركز على الحافة القصيرة للقفص (الشكل 3 ب والملف التكميلي 3).
- على جانبي الفتحة المركزية (± 27.5 مم) ، قم بحفر فتحتين قطرهما 6 مم. اختياريا ، استخدم أداة ثقب مربعة مقاس 8 مم لحفر ثقوب مربعة (كما هو موضح في الشكل 3 ب).
- طباعة ثلاثية الأبعاد لحامل زجاجة ماء خارجي (الشكل 3 أ والملف التكميلي 4). قم بتركيب حامل زجاجة الماء في قاع القفص باستخدام مسامير نقل (بطول 2 سم ، 6 × 1 مم ، أو 0.75 بوصة بطول 1/4 × 20 ؛ الشكل 2 ب ، ج).
- بالنسبة لزجاجة الماء ، قم بتركيب أنبوب مخروطي قياسي سعة 50 مل ، مغطى بمجموعة الشرب / السدادة (# 7 Stopper W / 3-1 / 2 "Curved sipper ، انظر جدول المواد) على القوس الخارجي. أعد تعبئة المياه كل 2-3 أيام.
الشكل 2: تجميع لوحة الأكريليك على الجزء العلوي من القفص. (أ ، ب) الرسومات الفنية للوحة الأكريليك وقابس منفذ التغذية. (ج) أعلى قفص قياسي يسار مع ملحق وفلتر مثقوب. المركز, إزالة الإدخال المثقوب والفلتر (يجب قطع الشبكة المضلعة على طول الخطوط المشار إليها السهم). صحيح ، لوحة الأكريليك في مكانها. (د) تجميع الغطاء الكامل. أشرطة المقياس = 25 سم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: تجميع قوس زجاجة الماء. (أ) الرسم الفني لقوس زجاجة المياه المطبوعة ثلاثية الأبعاد. (ب) تعديلات القفص وتجميع قوس زجاجة الماء ؛ (ج) قوس مثبت؛ (د) تجميع القفص الكامل. أشرطة المقياس = 10 سم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4: ملخص تجميع القفص الكامل مع وحدة التغذية التلقائية. (أ) قفص قياسي مع رف سلكي ، (ب) قفص معدل للحيوانات المربوطة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
دراسة تقييد السعرات الحرارية (21 يوما) للحث على العقم في إناث الفئران (المغذي التلقائي وتصميم القفص ، الشكل 4 أ)
نقص الطاقة المزمن كاف لتثبيط الخصوبة في الثدييات ، وهي استجابة محفوظة في القوارض والبشر على حد سواء11،12. في هذه الدراسة ، نستخدم تقييد السعرات الحرارية للحث على فقدان وزن الجسم على المدى الطويل. كانت الإناث البالغات C57BL / 6 الفئران ، التي تتراوح أعمارهن بين 15 و 18 أسبوعا ، في منزل واحد وفي 12:12 ساع...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
في النماذج الحيوانية قبل السريرية ، يعد تقييد السعرات الحرارية أداة تجريبية قوية لمعالجة عملية التمثيل الغذائي ودراستها بدقة. فقدان الوزن المستمر له آثار على السمنة والسكري والشيخوخة والخصوبة وانقطاع الطمث (نوع من الشيخوخة الإنجابية) ، وكلها نقاط نهاية انتقالية مهمة. ومع ذلك ، قد يكون من الصعب الحفاظ على نماذج تقييد السعرات الحرارية لفترة طويلة. في هذه المخطوطة ، نقدم حلا فعالا من حيث التكلفة لتحقيق تقييد السعرات الحرارية على المدى الطويل في بيئة معملية. يتم توفير تعليمات لربط وحدة التغذ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.
شكر وتقدير
يتم دعم Jason Lê من قبل برنامج التعليم البحثي لما بعد البكالوريا الممول من المعاهد الوطنية للصحة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| # 7 سدادة W / 3-1 / 2 "أنبوب الشرب المنحني بدون كرة | Labex | 2067 | |
| AN75 قفص الماوس أسفل | Ancare | AN75HT | |
| وحدة تغذية الأسماك الأوتوماتيكية لحوض السمك | Petbank-tek.com | توزيع الأمازون (#B0BRCWP16K) القوارض | |
| مرشح دقيق قمم | Ancare | N10MBTPLF | |
| سدادات مطاطية ، ثقب واحد | يونايتد ساينتيك | S24009 | |
| قياسي قوارض طعام | Prolab IsoPro 3000 |
المراجع
- Arble, D. M., Bass, J., Laposky, A. D., Vitaterna, M. H., Turek, F. W. Circadian timing of food intake contributes to weight gain. Obesity (Silver Spring). 17 (11), 2100-2102 (2009).
- Hatori, M., et al. Time-restricted feeding without reducing caloric intake prevents metabolic diseases in mice fed a high-fat diet. Cell Metab. 15 (6), 848-860 (2012).
- Acosta-Rodriguez, 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 Metab. 26 (1), 267-277.e2 (2017).
- Gallop, M. R., Tobin, S. Y., Chaix, A. Finding balance: understanding the energetics of time-restricted feeding in mice. Obesity (Silver Spring). 31 (Suppl 1), 22-39 (2023).
- Hua, L., et al. Time-restricted feeding improves the reproductive function of female mice via liver fibroblast growth factor 21. Clin Transl Med. 10 (6), e195(2020).
- Strilbytska, O., Klishch, S., Storey, K. B., Koliada, A., Lushchak, O. Intermittent fasting and longevity: From animal models to implication for humans. Ageing Res Rev. 96, 102274(2024).
- Di Francesco, A., Di Germanio, C., Bernier, M., de Cabo, R. A time to fast. Science. 362 (6416), 770-775 (2018).
- Longo, V. D., Panda, S. Fasting, Circadian rhythms, and time-restricted feeding in healthy lifespan. Cell Metab. 23 (6), 1048-1059 (2016).
- Matikainen-Ankney, B. A., et al. An open-source device for measuring food intake and operant behavior in rodent home-cages. Elife. 10, e66173(2021).
- Sahasrabudhe, A., Guy, C. R., Greenwell, B. J., Menet, J. S. Manipulation of rhythmic food intake in mice using a custom-made feeding system. J Vis Exp. (190), (2022).
- Kreisman, M. J., Tadrousse, K. S., McCosh, R. B., Breen, K. M. Neuroendocrine basis for disrupted ovarian cyclicity in female mice during chronic undernutrition. Endocrinology. 162 (8), ebqab103(2021).
- Allaway, H. C., Southmayd, E. A., De Souza, M. J. The physiology of functional hypothalamic amenorrhea associated with energy deficiency in exercising women and in women with anorexia nervosa. Horm Mol Biol Clin Investig. 25 (2), 91-119 (2016).
- Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
- Chen, Y., Lin, Y. C., Kuo, T. W., Knight, Z. A. Sensory detection of food rapidly modulates arcuate feeding circuits. Cell. 160 (5), 829-841 (2015).
- Mandelblat-Cerf, Y., et al. Arcuate hypothalamic AgRP and putative POMC neurons show opposite changes in spiking across multiple timescales. Elife. 4, e07122(2015).
- Kahnau, P., et al. A systematic review of the development and application of home cage monitoring in laboratory mice and rats. BMC Biol. 21 (1), 256(2023).
- Eckel-Mahan, K., Sassone-Corsi, P. Phenotyping circadian rhythms in mice. Curr Protoc Mouse Biol. 5 (3), 271-281 (2015).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن