本文详细介绍了用于标准啮齿类动物笼具的自动化喂食系统的设计、组装及操作流程，以及一种可选的笼盖和笼具改造方案，该方案仅需对笼具进行 minimal 的改动，即可适用于带缆线的光遗传学或光纤光度学实验。该喂食系统为定时喂食和/或热量限制提供了一种经济高效的工具。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
方法文章
一种用于实验啮齿类动物在原代笼具中定时喂食的自制系统
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
间歇性禁食以及关于限时热量限制对体重调节和衰老影响的研究，无论是在社会层面还是在实验室中，都日益受到关注。为了在实验室中研究限时进食和/或热量限制，通常需要在预定的时间间隔内分发定量的食物。目前用于啮齿类动物定时喂养的技术，主要包括使用带有门控食物入口的专用笼具、时间锁定的数字饲料仓，或人工投喂。此类实验的专用设备成本较高，而人工喂养通常要求研究人员在深夜或清晨进行操作，从而限制了长期研究的开展。本文所述的自动化喂养系统为定时喂养和/或热量限制提供了一种经济高效的工具，可直接应用于标准啮齿类动物笼具，仅需极少的改造。该方案采用市售的自动喂食器，将其装配于标准微隔离笼盖（适用于小鼠、仓鼠、大鼠或豚鼠笼具）上，可在程序设定的时间间隔内向动物的居住笼中精准投放所需的食物量。我们的设计可根据不同喂食器或笼具尺寸的微小差异进行调整。我们提供了该喂养系统的详细设计、组装方法及操作流程，并附带适用于连接式光遗传学或光纤光度实验的替代笼盖及笼具改造方案。
引言
间歇性禁食是代谢和衰老研究的重要领域。合理协调进食时间与昼夜节律可改变饮食对体重的影响1,2,3,4。此外，长期的间歇性禁食与寿命延长以及年龄相关疾病的改善有关5,6,7,8。在实施长期禁食方案（>20天）的研究中，通常需要专用设备。虽然可以通过人工方式按时提供食物，但这可能要求研究人员在较长时间内频繁地在非正常工作时段到场操作。例如，若每日进食时间间隔为4小时，则需在晚上8:00、午夜12:00和凌晨4:00进行人工投喂；这种安排很难持续数天以上。
用于实验啮齿类动物的非手动食物递送替代方案包括：1）配备自动门控装置以获取食物的特殊笼具，或 2）可提供自动程序化取食的数字料斗系统，例如 FED39。具有门控取食功能的笼具系统成本较高，且部分系统无法为长期研究提供适宜的笼内生活环境。例如，传统的操作条件反射箱虽可实现自动食物递送，但其金属网底板并不适合长期饲养。Research Diets 公司的 BioDAQ 系统通过笼外带门控的接口提供食物和水，可编程的自动门控装置支持长期定时喂食或饮水研究，但该系统购置成本较高。机械式料斗系统是另一种可用于自动定时喂食方案的工具9,10。文中引用的两种机械料斗存在减少动物标准笼内生活空间的局限性。食物限制状态下饥饿的动物可能啃咬喂食装置，或笼内碎屑可能干扰料斗机械结构，影响长期实验的稳定性。最后，Takahashi 研究组与 Phenome Technology 共同开发的机械料斗系统专为长期定时喂食研究而设计3。该系统将机械料斗置于标准笼具的金属网架上方，通过滑槽将食物传送至笼内。然而，Phenome 系统无法灵活适配连接光纤线缆的动物（如光遗传学/光纤光度法实验），且与本文所述的自动喂食装置相比成本相对较高。
针对当前定时喂养方案中存在的普遍挑战，我们提出了一种经济有效的解决方案。我们的自动化系统能够在预设的时间间隔内实现精确的食物投放。通过结合3D打印部件与市售的自动鱼类喂食器，我们设计出一种可自行组装（DIY）的外部喂食系统，可安装于使用微隔离器顶盖的独立啮齿类动物笼具上。本文所述的喂食系统及部件可直接应用于以下任何类型的独立啮齿类动物笼具：小鼠、大鼠、仓鼠或豚鼠，前提是这些独立笼具采用微隔离器顶盖。由于笼具尺寸存在差异，安装位置可能略有不同，但3D打印的支架、喂食系统以及外部水瓶设计总体上适用于所有配备微隔离器盖的独立啮齿类动物笼具。
我们介绍了一种自动喂食器的示例，但市面上还有多种其他现成的自动喂食器，只需对3D打印部件稍作修改，即可适配于该模块化系统。为了便于根据不同的喂食器或笼具尺寸的微小差异调整3D打印支架，我们提供了一个可修改的三维SolidWorks文件及配套的STL文件。
自动喂食器的外部放置方式为笼内提供了充足的空间，并允许在不干扰动物的情况下拆卸、灭菌以及重新装填或更换喂食器。该自动化喂食系统适用于长期记录，成本低廉，且可灵活应用于多种限时进食和/或热量限制实验方案。我们提供了笼具组件、设计及喂食系统实施方法的详细技术图纸，以及示例数据。其次，我们提供了一套操作指南，用于改造标准笼具，以便在对动物进行光遗传学或光纤光度法实验（通过补线连接）时使用自动喂食器。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
所有实验程序均经马萨诸塞大学阿默斯特分校机构动物护理与使用委员会批准。
1. 将自动喂食器组装到标准微隔离笼盖上（图1）
- 使用带有1.5英寸切割轮的旋转工具，在微隔离笼盖上切割出一个20 × 25 mm的方形开口。将开口位置定于距笼盖边缘2.75 cm处，并位于金属网架正上方居中位置（图1B，左图）。
- 3D打印一个支架，用于将自动喂食器固定到笼盖上（图1A 和 补充文件1）。将支架卡入笼盖的孔中（步骤1.1；图1B，中图），然后将自动喂食器滑入已固定支架的顶部（图1B [右图] ，C）。
图 1：自动喂食器支架及笼盖的改造与组装。（A）自动喂食器支架的技术图纸（三维尺寸参见 补充文件 1 中的 SolidWorks/STL 文件）。（B）从左至右：带 20 × 25 mm 孔的笼顶；支架安装于笼顶并装配 Petbank 自动喂食器。（C）组装完成的 Petbank 自动喂食器安装在笼具上，饲料颗粒掉落至带有饮水瓶的标准金属网格架上。比例尺 = 25 cm。请点击此处查看该图的高清版本。
2. 示例现成自动喂食器的编程与使用
- 进行定时实验时，应先设定喂食时间，最后再同步喂食器的时钟，因为后续的调整会改变时钟时间。
- 确保喂食器电量充足。按住 设置 按钮，直到屏幕上显示的小时数开始闪烁。
- 进入 时间 设置界面，使用上下箭头将时间调整至第一个期望的定时喂食时段。
- 设定该时间点的分配份数（由喂食设置旁的圆点数量表示）。重复步骤 2.2–2.4，最多可设置另外两个时间点。
- 将标准啮齿类动物饲料按每份 ≤1.5 g 装入自动喂食器的各个腔室中。若需要更多食物，可设置喂食器在指定时间点释放多份饲料。示例喂食器具有 16 个腔室。
注意：饲料可按所需尺寸订购，或用剪刀修剪。 - 用胶带或颜料标记其中一个腔室，以确认程序设定的腔室旋转及饲料投放是否准确。运行喂食器期间应每日检查。
3. 带自动喂食器的固定动物改良拘束系统
- 可选的笼盖替换插件，用于连接灌流导管的动物（图2）
- 使用3 mm厚的透明亚克力材料，按照图2A的规格进行激光切割（另见补充文件2）。该亚克力插件设计有卡扣，可嵌入笼盖顶部。中央狭缝（190 × 5 mm）用于穿过灌流导管；20 × 25 mm的方形孔用于安装自动喂食器支架；20个通风孔可确保新鲜空气流通。
- 使用平头螺丝刀或楔形工具，撬下标准微隔离笼盖上的穿孔盖板。操作时需将卡扣从卡槽中松脱，取下穿孔插件及滤纸（图2C，左图和中图）。
- 在穿孔盖板和滤纸下方为内部带肋支撑网格。使用旋转工具配合1.5英寸切割轮，沿图2C中心所示箭头方向切除支撑网格。切除后，用锉刀修整切口边缘，使其平滑。
- 将替换用亚克力板插件（步骤3.1）卡入笼盖顶部。安装时，先将板上的卡扣沿短边或长边之一滑入卡槽，然后轻轻按压，直至插件完全卡紧（图2C[右图]，D）。
- 可选的外置水瓶支架，用于连接灌流导管的动物（图3）
- 钻制水瓶饮水管穿孔：在笼体短边中心位置，距底部50 mm处钻一个直径11 mm的孔（图3B和补充文件3）。
- 在中心孔两侧（±27.5 mm处）各钻一个直径6 mm的孔。也可选用8 mm方形冲头工具钻出方孔（如图3B所示）。
- 3D打印一个外置水瓶支架（图3A和补充文件4）。使用圆头螺栓（长2 cm，6 × 1 mm，或长0.75英寸，1/4 × 20）将水瓶支架固定在笼底（图2B，C）。
- 使用标准50 mL锥形管作为水瓶，配以带饮水管/塞子组件的盖子（#7塞子配3-1/2英寸弯头饮水管，见材料表），安装在外置支架上。每2–3天补充一次水。
图 2：亚克力板在笼盖上的组装示意图。（A,B）亚克力板和饲喂口塞的技术图纸。（C）左图：标准笼盖，带有带孔插入件和滤膜；中图：移除带孔插入件和滤膜（肋状网格需沿箭头所示线条切除）；右图：亚克力板卡入到位。（D）完整的笼盖组件。比例尺 = 25 cm。请点击此处查看此图的放大版本。
图3：水瓶支架组件。（A）3D打印水瓶支架的技术图纸。（B）笼具改装及水瓶支架组件；（C）已安装的支架；（D）完整的笼具组件。比例尺 = 10 cm。请点击此处查看该图的放大版本。
图 4：配备自动喂食器的完整笼具组装示意图。 （A）带金属丝架的标准笼具，（B）适用于固定动物的改装笼具。 请点击此处查看该图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
通过热量限制研究（21天）诱导雌性小鼠不育（自动喂食器及笼具设计，图4A）
长期能量缺乏足以抑制哺乳动物的生育能力，这一反应在啮齿类动物和人类中均保守存在11,12。在本研究中，我们采用热量限制以诱导长期体重下降。将15-18周龄的成年雌性C57BL/6小鼠单只饲养，维持12:12小时光照-黑暗循环，关灯时间为昼夜节律时间12（ZT12）。在一周内每日称量每只动物所含食物的金属网架重量，以确定基础摄食量，为3.80 ± 0.64 g/天（均值 ± 标准误）。随后，通过限制食物供给诱导体重下降。将食物分为三份，由自动喂食器在三个时间段（ZT 12、16 和 20）分配（笼具配置见图4A）。在最初48小时内，动物摄食量限制为基础摄食量的50%。之后，在接下来的19天内，摄食量限制为基准摄食量的约70%，并在限制后期进行微调，以维持体重在基础体重的80-90%之间（<...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
在临床前动物模型中，热量限制是一种强大的实验工具，可用于精确调控和研究代谢过程。持续的体重减轻对肥胖、糖尿病、衰老、生育能力以及更年期（一种生殖系统衰老）均具有重要意义，这些均为重要的转化研究终点。然而，热量限制方案可能难以长期维持。在本文中，我们提供了一种经济高效的解决方案，可在实验室环境中实现长期的热量限制。文中提供了将市售的自动喂食器与带有标准微隔离器盖的啮齿类动物笼具相连接的操作说明。该喂食器直接安装在动物的饲养笼上，并可编程设定在指定时间释放食物。通过定时供食，可控制动物获取食物的数量和时间，且无需实验人员进入房间进行操作。此外，这一经济高效的系统可长时间连续运行（数月），从而提高了在实验室条件下实现长期热量限制的能力。
神经科学的最新进展使研究人员能够对清醒且行为正常的动物体内促进摄食的神经元进行操控或记录。具体而言，光纤光度记录（一种 体内 对摄食神经元的记录技术已采用一系列禁食（以促进神经元活动）和再喂养（以研究神经元活动的变化）操作来实施13,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明无利益冲突。
致谢
Jason Lê 获得美国国立卫生研究院资助的本科后科研教育项目的支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| #7 带3-1/2"弯曲吸管（无钢珠）的塞子 | Labex | 2067 | |
| AN75 小鼠笼底 | Ancare | AN75HT | |
| 水族箱自动喂鱼器 | Petbank-tek.com | 亚马逊分销 (#B0BRCWP16K) | |
| 啮齿类动物微滤盖 | Ancare | N10MBTPLF | |
| 单孔橡胶塞 | United Scientific | S24009 | |
| 标准啮齿类动物饲料 | Prolab IsoPro 3000 |
参考文献
- 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).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
标签
