利用定制化喂养系统调控小鼠节律性摄食行为

摘要

限制进食时间已被视为一种有前景的干预手段，可用于缓解饮食诱导的代谢性疾病。本文详细介绍了在本实验室构建并使用的一种高效系统，用于测量和调控小鼠的节律性进食行为。

摘要

节律性基因表达是昼夜节律的显著特征，对于在一天中适当的时间驱动生物功能的节律性至关重要。过去几十年的研究表明，节律性进食（即生物体在24小时周期内进食的时间）显著影响全身多种器官和组织中基因表达的节律性调控。自那时起，节律性进食对健康和生理功能的影响得到了广泛研究，结果表明，在活跃期将进食时间限制在8小时内，可减轻由多种致肥胖饮食引发的代谢性疾病。这些研究通常需要采用可控的方法来精确控制动物的进食时间。本文描述了一种低成本且高效的系统的设计与使用方法，该系统为实验室自主构建，可用于测量小鼠每日的食物摄入量，并调控其节律性进食。该系统采用价格低廉的原材料制作适合投喂食物的笼具，并遵循简便易行的操作流程。该系统可高效地用于实施多种喂养方案，如自由进食（ad libitum）、限时进食或非节律性进食，并可结合高脂饮食研究其对行为、生理及肥胖的影响。本文还描述了野生型（WT）小鼠对不同喂养方案的适应情况。

引言

昼夜节律钟在各种物种中普遍存在，提供了一种计时机制，帮助生物体适应其周期性变化的环境。主导昼夜节律的起搏器位于下丘脑的视交叉上核（SCN）。SCN 主要受外界光暗周期的调节，并协调几乎体内所有细胞中存在的外周节律钟。 通过 多种信号，包括神经元和激素信号、摄食以及体温^{1,2,3,4,5,6,7,8}在哺乳动物中，分子生物钟依赖于异源二聚体转录因子 CLOCK:BMAL1^9,10，调控名为核心生物钟基因的表达 周期 (Per1, Per2 和 Per3）和 隐花色素 (Cry1 和 Cry2以启动转录反馈环路，该环路对于昼夜节律的产生至关重要^9,11,12分子钟还调控着数千个基因的节律性转录，这些基因控制着几乎所有生物功能的节律性^13,14,15哺乳动物中超过50%的基因组在至少一种组织类型中呈节律性表达^16,17,18，小鼠的肝脏等组织中约有25%–30%的转录组呈节律性表达^18,19节律性基因表达对于激活细胞周期调控等重要生物学过程至关重要²⁰葡萄糖稳态²¹以及氨基酸代谢²² 在一天中的合适时间进行，以提高生物体的适应性。

近几十年来，越来越多的证据表明，食物摄入可作为强有力的同步信号，调节包括肝脏在内的多种组织中基因表达的节律^23,24。重要的是，已有研究显示，进食可在不依赖视交叉上核（SCN）或光暗周期的情况下，独立地对肝脏的节律进行同步化²⁵，并且节律性进食可在不涉及分子钟机制的情况下驱动基因的节律性表达^{26,27,28,29,30,31}。在小鼠的非活动期（白天）限制进食，会导致核心生物钟基因及许多节律性基因的表达相位发生反转³¹。限时进食（TRF）是一种营养干预方式，即将每日热量摄入限制在8-10小时的时间窗口内，已被证明可预防肥胖、高胰岛素血症、肝脂肪变性和代谢综合征^32,33。上述所有涉及食物摄入调控的实验均要求研究人员采用有效的方法，在一天中的特定时间准确提供食物。

已开发出多种食物输送方法，各具优缺点^{29,34,35,36,37,38,39}（表1）。一些自动喂食器设计为通过软件控制食物可获取的量、持续时间和时间点，同时记录小鼠的进食行为和自主跑轮活动³⁴。其他一些方法则涉及将小鼠置于不同笼子中以实现不同的喂食条件，由实验人员在规定时间手动添加食物颗粒^38,39。另一种系统采用由计算机控制的自动喂食装置，通过气动驱动的屏蔽装置阻止小鼠接触食物，该装置可依据时间间隔或食物质量进行控制³⁵。这些方法要么需要使用和设置可能价格昂贵且需经过一定培训才能正确操作的计算机软件，要么劳动强度较大，因为实验人员必须在特定时间到场手动改变喂食条件。计算机化系统也存在自身的问题，包括释放食物的杠杆或门发生故障、食物颗粒卡在出口处以及软件崩溃等。此外，在门或杠杆开启过程中可能产生的声音会使小鼠形成条件反射，将这些声音与食物供给联系起来，从而影响对食物干预效应的解释——难以判断效应是严格由食物可获取性引起，还是受到其他行为节律（如睡眠-觉醒周期）的影响。本研究的总体目标是开发一种经济高效、可用于调控长期节律性进食的系统，以帮助缓解上述诸多问题。首先，本文所开发并描述的喂食装置与自动化设备相比成本极低（表2），且无需复杂的培训即可进行操作、使用和维护。其次，该喂食系统在食物输送过程中仅产生背景白噪声，无明显声响，从而避免了经典条件反射的形成。综上所述，该喂食系统经济实惠、易于获取且运行可靠，同时仍能有效调控节律性进食行为。

方案

所有动物实验均依照德克萨斯农工大学机构动物护理与使用委员会（Institutional Animal Care and Use Committee of Texas A&M University）制定的指南进行。&M 大学（动物使用许可编号 #2022-0050）。本实验使用年龄在 2 至 4 个月之间的雄性和雌性 C57BL/6 小鼠。下文描述了 feeding system 的构建步骤，构建装置所需的原材料见文末参考文献 材料表.

1. 喂食系统的构建

1. 构建聚氯乙烯（PVC）底座
   1. 准备四块厚度为0.25英寸的PVC板材，按以下尺寸切割：4.875英寸×4.5英寸；4.875英寸×2.125英寸；9.5英寸×2.125英寸（两块）。根据图1A提供的尺寸，在4.875英寸×4.5英寸的底板上钻四个孔，用于安装24小时定时器。将四块PVC板粘合在一起，组装成如图1A所示的底座。
2. 将定时器固定在PVC底座上
   1. 打开定时器并拆下插头，使用标准延长线或电源线进行连接（见图1B）。
   2. 将定时器放置在PVC底座上，使其与步骤1.1.1中钻好的孔对齐。使用1.5英寸螺丝将定时器固定在PVC底座上。确保定时器平整且稳固地安装在底座上。
   3. 在定时器顶部钻四个孔，并安装0.75英寸螺丝，用于固定八格食物容器（见图1B）。该系统的底座现已完成，外观如图1C所示。
      警告：切勿将孔钻穿整个定时器。
3. 笼具设置
   1. 取一段直径为4英寸（外径4.5英寸）的PVC管，将其截成3.125英寸高。在管子底部钻一个约0.5英寸的孔，以便电线穿过。
   2. 打磨管子顶部（例如使用铣刀或旋转工具），以便在更换食物容器时能够轻松取下管帽。
   3. 选用宽度大于4.5英寸的小鼠笼具，使用开孔锯在笼底切割出一个直径为4.5英寸的孔。
      注意：开孔位置取决于笼具的具体配置（例如笼盖和饮水瓶的位置、是否添加跑轮等）。
4. 喂食容器设置
   1. 使用一个直径为4英寸的八格珠宝收纳盒制作喂食器，如图1D所示。修剪容器边缘，使其能良好地嵌入PVC管中。
   2. 取一个直径为4英寸的PVC管帽，用旋转工具在其上开一个与单个喂食格大小相匹配的孔，形成一个仅能同时暴露八个喂食格中一个格子的开口。随着定时器转动，每3小时会自动暴露一个新的喂食格。喂食系统的各组件现已准备就绪。所有笼具设置完成后，最终装置应如图1E所示。
   3. 同时运输多个食物容器可能较为不便。为便于搬运，取三段0.25英寸厚的PVC管材，在其中两段的中心位置钻一个直径为0.625英寸的孔，并将这两段粘合在一起。然后使用一段细的0.625英寸PVC管插入该孔并穿过食物杯中心，从而实现食物杯的堆叠运输，如图1F所示。
   4. 在引入小鼠前，应测试定时器功能：将装置插入电源插座，在某一喂食格中放入一块垫料，并记录时间，12小时后检查垫料位置，以确认定时器能否准时转动。

2. 喂食系统的应用

1. 小鼠食物摄入量的连续测量
   1. 将小鼠转移至实验室内，并使其适应室内设定的明暗循环（LD）至少1周；若明暗周期调整超过3小时，则需适应2周。本实验采集2至4月龄的雄性和雌性C57BL/6小鼠在LD 12:12条件下（n = 7只雄性，4只雌性）的数据。
   2. 在将小鼠单独饲养于饲喂笼之前记录其体重（体重记录时间为下午3:00，即更换食物的时间）。确保小鼠已 随意摄取 饮水充足，并提供足够的垫料和筑巢材料。
   3. 向饲喂杯的全部八个隔间中各加入 1.5 g 食物（常规使用 45 mg 无尘精密颗粒）。将饲喂杯放置在定时器上，然后盖上饲喂杯盖，仅暴露其中一个隔间，并记录食物呈现的时间。其中四个隔间代表夜间时间点，另外四个隔间代表白天时间点。
      注意：由于在提供过量食物时观察到小鼠的贮食行为，经优化确定起始食物重量为1.5 g。小鼠倾向于将饲料颗粒贮存在食杯盖顶部或笼内垫料中，这会导致数据偏差并引起误读。当每个隔间喂食1.5 g或更少时，雄性小鼠通常不会出现贮食行为。雌性小鼠比雄性更倾向于贮食，但该行为具有个体特异性，若每个隔间提供1 g饲料颗粒，可减轻此现象。
   4. 每天在同一时间更换食物，并统计每个隔间中剩余的饲料颗粒数量，以计算食物消耗量。持续监测一周的进食情况，以获得小鼠摄食的基础基线数据 随意摄取.
   5. 根据每个隔室中消耗的食物，计算每只小鼠的平均每日食物消耗量（图2).
2. 高脂饮食（HFD）处理
   注意：该喂养系统也可用于研究高脂饮食（HFD）对代谢性疾病的影响，并最终适用于限时喂养方案。高脂饮食（HFD）无法以精确尺寸和重量的颗粒形式 commercially 购得，通常以0.5英寸颗粒形式采购用于喂养。
   1. 将高脂饮食（HFD）颗粒置于洁净表面或透明薄膜上，使用剃刀片将其切割成6-7个大小均匀的较小颗粒。切割时应使颗粒足够小，以使其外观类似于上述2.1节中使用的普通饲料颗粒。
      注意：小鼠倾向于将较大的食物颗粒藏匿于笼内，导致摄食量计算出现偏差。
   2. 称取1.5 g高脂饮食（HFD）碎块，分别放入8个食物仓中。每间隔一天更换一次食物，每个仓内放置1.5 g HFD即可。
   3. 根据实验需要每天或每隔一天更换食物，并记录剩余食物的重量。
   4. 通过从初始给予的食物重量中减去剩余食物重量，计算消耗的食物量。重复此过程持续1周，以获得高脂饮食（HFD）摄入量的基础值（图2).
3. 使雄性小鼠适应夜间限制性饮食
   1. 按照步骤 2.1.1-2.1.4 获得基线数据 随意摄取 喂养。本实验采集了暴露于12:12明暗循环（LD 12:12）条件下、年龄在2至4个月之间的雄性C57BL/6小鼠的数据（n = 18只雄性小鼠）。
   2. 3至7天后 随意摄取 饮食转换：通过逐渐减少白天各隔间内的饲料颗粒数量，使小鼠逐步过渡到夜间限食饮食。具体操作如下：转换第1天，每个隔间放入5粒饲料（每粒0.225 g，共0.225 g/隔间）；第2天，每个隔间放入3粒（0.135 g/隔间）；第3天，每个隔间放入1粒（0.045 g/隔间）；此后不再提供白天饲料，使小鼠完全过渡至夜间限食饮食。
      注意：确保小鼠未处于热量限制状态。根据每个区域小鼠的每日食物消耗量进行平均计算 随意摄取 基线期并给予相同数量的食物，仅分配到四个夜间隔间中。
   3. 在小鼠适应夜间限时进食方案后，继续监测其食物摄入量持续2周。在此期间，根据每只小鼠的总食物消耗量调整其食物供给量图3A通常在小鼠连续两个晚上吃完所有食物后，为每个夜间隔间添加食物颗粒（每个隔间1粒）。
   4. 在为期2周的实验结束时称量小鼠体重，以监测喂养方案引起的体重变化。实验结束时，使用异氟烷麻醉小鼠，随后通过断头法处死。收集组织，分析喂养模式引起的每日变化。
4. 使雄性小鼠适应无节律性（AR）饮食
   1. 按照步骤 2.1.1-2.1.4 获得基线数据 随意摄取 喂养。本实验采集了暴露于12:12明暗循环（LD 12:12）条件下2至4月龄雄性C57BL/6小鼠的数据（n = 18只雄性）。
   2. 一周后 随意摄取 饮食，计算小鼠每日平均食物消耗量，再将该数值除以8，以确定每个隔间应提供的食物量。通过确保小鼠在全天内于全部八个隔间中获得等量的食物，实现限制性喂养（AR喂养）。
   3. 然后，通过在3至5天内逐渐减少每个隔间提供的食物量，使小鼠进入过渡饮食阶段，最终消除其摄食节律（如图所示）。 图3B）。在给予节律性进食饮食（AR饮食）时，确保小鼠在每8个隔间中均可获得其每日食物摄入量的1/8，即每隔3小时可获取食物。确保小鼠不受热量限制。
   4. 将小鼠维持在AR饮食中2周或更长时间（图3B).
   5. 在AR饮食期间，每天调整食物量，确保小鼠仅剩余少量饲料颗粒（通常少于5粒），以保证小鼠摄入的食物量恰到好处，未处于热量限制状态。可通过减少或增加全部八个隔间中的饲料颗粒，或减少或增加两个相对隔间中的颗粒来进行调整，以避免诱导进食节律的产生。
      注意：采用节律性进食（AR）饮食方案的小鼠几乎只在ZT3至ZT9（光照开始后3小时至9小时）之间进食，但在夜间表现出饥饿状态，并会啃咬食物分配器以试图进入下一个隔间。然而，AR饮食小鼠并未受到热量限制，且随着时间推移，其体重增加程度实际上超过正常进食（NR）饮食小鼠。
   6. 在为期2周的实验结束时称量小鼠体重，以监测喂养方案引起的体重变化。实验结束时，使用异氟烷麻醉小鼠，通过断头法处死。采集组织并分析其因喂养范式引起的每日变化。

结果

上述 feeding system 可用于小鼠节律性摄食行为的长期调控。该系统每 3 小时向小鼠暴露一个新的食物隔室，使研究者能够针对每个隔室中的食物进行特定操作。其中一种应用是分析小鼠在 24 小时内的摄食模式。实验数据显示，喂饲普通饲料的 WT 小鼠 随意摄取 约75%的食物摄入发生在夜间（图2A此外，一天中摄入的大部分食物都发生在光照关闭前的3小时内。

高脂饮食喂养的小鼠 随意摄取 在接触高脂饮食（HFD）的前两天进食量更多，可能是因为HFD的新颖性所致（图2A）。两天后，高脂饮食的摄入仍保持节律性，但与摄食普通饲料时相比，节律振幅降低 随意摄取尽管雄性和雌性野生型小鼠均被喂食高脂饮食（HFD），但发现雌性小鼠会将大量食物储存在饲喂装置的盖子上及笼内，而雄性小鼠则未表现出明显的储食行为。如上所述，储食行为可能导致食物摄入量计算错误，进而引起数据误读。此外，雌性小鼠更频繁地啃咬食物杯的塑料边缘，尤其是在夜间隔室中。雄性小鼠在喂食1周后即表现出显著的体重增加 随意摄取 正常饮食及高脂饮食1周后（图2E在雌性小鼠中也观察到类似趋势，但未达到显著性p值，部分原因可能是与雄性小鼠相比，雌性小鼠使用数量较少。

小鼠转为NR饮食后，仅在夜间摄取每日总热量，在最初3-5周内热量摄入未出现显著下降图3A）。与自由进食的小鼠相比，长时间的限制进食（NR）方案可使每日平均热量摄入减少10%–15% 随意摄取，如 elsewhere 所述³⁴小鼠转为随意进食（AR）饮食后，全天摄入的总热量分布均匀，导致进食行为的昼夜节律显著减弱。图3B）。至于正常进食（NR）喂养方案，每日平均热量摄入在最初暴露的3-5周内不受交替进食（AR）喂养方案的影响，但随着暴露时间延长而减少。小鼠在NR喂养后出现体重增加图3C）和 AR 程序（图3C).

图1：饲喂装置系统的设计与构建。（A）饲喂系统PVC底座的尺寸，以及为安装定时器需钻孔位置的说明。（B）24小时定时器在重新布线并用螺丝固定饲料杯前后的状态。（C）组装完成的灰色底座与定时器，以及一段4英寸PVC管。（D）修剪外缘后的八格饲料杯。（E）笼具的最终设置，饲料杯上方覆盖一个4英寸盖子，使得每次仅有一个格室可被动物接触。（F）实验过程中多个饲料杯的转运方式。请点击此处查看该图的放大版本。

图2不同饮食条件下的摄食特征。 (A野生型雄性小鼠的摄食特征 随意摄取 正常饲料（NC）喂养7天，随后高脂饮食（HFD）喂养额外7天。彩色线条代表单个小鼠的个体曲线（n = 7），黑色线条表示七只小鼠的平均值 ± 标准误。B切片前后给予的高脂饮食。C每3小时的食物摄入量日均值 ± 标准误（SEM）（n = 7）。该平均值基于正常饮食（NC）或高脂饮食（HFD）喂养计划的最后5天数据计算得出。D) 摄入正常饮食（NC）或高脂饮食（HFD）的小鼠在白天（左）和夜间（右）的食物摄入量平均值及百分比。数据表示七只小鼠的平均值 ± 标准误（SEM），计算基于NC或HFD饲喂方案最后5天的食物摄入数据。* p < 0.05，两组之间（配对） t-测试）。E实验所用小鼠在标准饮食1周及高脂饮食1周后的平均体重。雄性（左）和雌性（右）数据以 * p < 0.05，两组之间（配对） t-测试）。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3：食物摄入昼夜节律的调控。 (A野生型雄性小鼠在饲喂普通饲料条件下的摄食特征 随意摄取 持续2天，随后转为夜间限制性（NR）喂养模式3天，并在NR喂养条件下维持8个夜晚。彩色线条代表个体小鼠的活动曲线（n = 18），黑色线条表示18只小鼠的平均值±标准误（SEM）。灰色星号表示该小鼠在当日计时器出现故障，计时器停止运行。B野生型雄性小鼠摄食行为分析（普通饲料喂养） 随意摄取 持续2天，随后转为1天的无节律（AR）喂养，之后在AR喂养条件下维持8个夜晚。彩色线条代表个体小鼠的曲线（n = 18），黑色线条表示18只小鼠的平均值±标准误（SEM）。(C) 小鼠在暴露于NR和AR饮食2周后的平均体重。数据以* p表示 < 0.05，两组之间（配对） t-测试）。 请点击此处以查看此图的放大版本。

表1：现有饲喂系统的优缺点。 该表格重点介绍了用于调控食物摄入的不同饲喂系统，并简要描述了每种系统的优缺点。请点击此处下载该表格。

表2：构建喂食系统所需材料的成本。 本表列出了本文所述喂食系统构建所需物品的成本，并估算了每个笼具的建造成本。请点击此处下载该表格。

讨论

近几十年来，关于摄食节律的调控及其对生理功能影响的研究已广泛开展。本文所述摄食系统的构建与使用可作为调控食物摄入的一种高效方法。该方案采用常见的24小时定时器以及设计为八格分隔盒的食杯作为系统的关键组成部分。笼具的制作仅需少数易得工具即可轻松完成，系统操作也具有良好的用户友好性。为适应本方案以调控节律性摄食，一些关键操作要点包括：由于定时器以24小时为周期运行，需每日更换食杯；需手动计数或称量剩余食物；在随意进食（AR feeding）条件下，需每日调整食丸数量。通常情况下，当小鼠处于饥饿状态且未获得充足食物时，会啃咬塑料垫料产生碎屑。该问题可通过遵循既定喂养方案适当增加少量食丸加以解决，直至不再观察到塑料碎屑为止。在需要每日调整食物量的随意进食（AR feeding）情况下，应特别注意避免诱导出摄食节律（图3B）。因此，更推荐在整个周期内于相对的隔间中交替增减食丸数量，以确保小鼠处于非节律性摄食状态。

可通过在食杯表面涂覆一层环氧树脂来防止小鼠啃咬塑料，从而延长食杯的使用寿命。此外，还可改进食杯放置计时器的表面，使食杯在计时器上放置得更平整、更稳定，避免因计时器放置不平而导致计时意外中断。部分笼具组件（如食杯）也可采用3D打印技术制造，以降低成本并根据研究人员的偏好进行定制。例如，可制作具有超过八个隔室的食杯，从而实现比当前3小时时间窗口更高的时间分辨率。

尽管该系统效率很高，但仍存在一些局限性，例如劳动强度较大，研究人员仍需每24小时更换一次食杯，并需手动计数或称量剩余食物。此外，需要定期监控定时器，以发现潜在问题或判断其是否停止工作。这一过程可在饲喂后清点剩余食物颗粒时完成（例如，通过判断某些小鼠是否仅在少数几个隔间内进食，而其他隔间的食物则未被触碰）。该系统的另一局限性在于其在雌性小鼠中的应用效果可能不佳，因为少数针对雌性小鼠开展的实验表明，它们比雄性小鼠更倾向于贮藏食物并啃咬塑料部件。

然而，该喂食系统在调控食物摄入方面非常有效，且易于构建、操作和维护，与市场上昂贵的自动化喂食器相比成本低廉。该系统可轻松进行调整和改装，以满足研究者的需求，且操作时无需任何特殊培训。重要的是，定时器仅产生少量持续的白噪声，可防止小鼠将任何声音与食物供应关联起来。

综上所述，本文介绍了一种创新的喂养系统，可用于监测小鼠每日的食物摄入量，并可针对不同的喂养模式进行调整，例如限时喂养、无节律喂养以及高脂饮食喂养。该系统丰富了可用于研究节律性进食及其对生理功能影响的重要科学问题的工具集。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
#6 x 0.75 英寸菲利普斯盘头不锈钢钣金螺钉（50 个装）	Everbilt	#800172
#8 x 1.5 英寸菲利普斯盘头镀锌钣金螺钉（100 个装）	Everbilt	#801622
0.25 英寸灰色 PVC 板（24 英寸 x 48 英寸）	USPlastic	#45088
4 英寸 PVC 管（10 英尺）	Home Depot	#531103
45 mg 无尘精密颗粒	Bio-Serv	#F0165
6 英尺延长线	HDX	HD#145-017
食品容器（八格珠宝收纳盒）	JewelrySupply	#PB8301
室内基本定时器	General Electric	#15119
Oatey 4 英寸 ABS 管测试盖（带敲出孔）	Home Depot	#39103D
含 45 kcal% 脂肪的啮齿类动物饲料（含红色染料）	Research Diets	#D12451