Methodenartikel

Rad-Laufen und Umwelt Komplexität als therapeutische Intervention in einem Tiermodell der FASD

DOI:

10.3791/54947

⸱

2. Februar 2017

 , 
1Department of Psychological and Brain Sciences, University of Delaware

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Herz-Kreislauf Training und anregend Erfahrungen in einem komplexen Umfeld haben positive Auswirkungen auf mehrere Maßnahmen der Neuroplastizität im Gehirn von Nagetieren. Dieser Artikel wird die Umsetzung dieser Maßnahmen als "superintervention" diskutieren, die Radfahr und Umwelt Komplexität kombiniert und die Grenzen dieser Interventionen begegnen.

Zusammenfassung

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Aerobic - Übungen (zB Rad läuft (WR) ausgiebig in der Tierforschung) einen positiven Einfluss auf viele Maßnahmen von neuroplastische Potenzial im Gehirn, wie der Zahl der adulten Neurogenese, Angiogenese, und die Expression von neurotrophen Faktoren bei Nagern. Dieser Eingriff wurde auch Verhaltens- und neuroanatomische Aspekte der negativen Auswirkungen von teratogens (dh Entwicklungs Exposition gegenüber Alkohol) und altersbedingte Neurodegeneration bei Nagetieren zu mildern gezeigt. Umwelt Komplexität (EG) wurde mit zahlreichen neuroplastische Vorteile in kortikalen und subkortikalen Strukturen zu erzeugen, dargestellt und können mit Radfahr gekoppelt werden, um die Proliferation und das Überleben von neuen Zellen im erwachsenen Hippocampus zu erhöhen. Die Kombination dieser beiden Maßnahmen bietet eine robuste "superintervention" (WR-EC), die in einem Bereich von Nagetiermodellen von neurologischen Störungen durchgeführt werden kann. Wir werden die Umsetzung von WR / EG und ihren konstituierenden diskutieren inInterventionen für den Einsatz als leistungsfähigeren therapeutische Intervention bei Ratten, die das Tiermodell der pränatalen Exposition gegenüber Alkohol beim Menschen verwendet wird. Wir werden diskutieren, auch, welche Elemente der Verfahren unbedingt notwendig sind für die Eingriffe und welche verändert werden kann, abhängig von der Frage des Experimentators oder Einrichtungen.

Einleitung

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Aufzucht in verschiedenen Umgebungen ist seit langem bekannt in verschiedenen Maßnahmen von neurologischen Wellness Veränderungen zu verursachen. Viele Studien Blick auf die positiven Auswirkungen der in einer komplexen Umgebung (EG) Aufzucht mit bahnbrechende Forschung von Diamond und Rosenzweig beginnen (zB 1, 2) und Greenough (Beispielsweise 3, 4). EG hat sich gezeigt , 6 im Gehirn 5, eine unbestreitbare positive Auswirkungen auf die synaptische und zelluläre Veränderungen zu haben, 7. EG kann eine Vielzahl von Hirnregionen beeinflussen , einschließlich der Hippocampus 8, 9 und visuellen Kortex 10, 11, ventralen Striatum 12, 13, sowiewie Gehirn weite Neuroimmun - Funktion (in 14 überprüft). Von besonderem Interesse ist aus den Untersuchungen an Hippocampus entwickelt , wenn es wurde gezeigt , dass die EG die Überlebensrate der erwachsenen geborenen Körnerzellen des Gyrus dentatus durch dendritische Plastizität 9, 13 zu erhöhen. Dieser letzte Punkt hat angibt viel Interesse auf Grund der wachsenden Körper der Literatur gesammelt , dass Ausdauertraining adulten Neurogenese sowohl in der gesunden und geschädigten Gehirn 15, 16, 17, 18 fördert. Radfahr (WR) ist eine einfache Form der freiwilligen kardiovaskuläre Aktivität zu implementieren , die in Nagetiermodellen von neurologischen Erkrankungen als vorteilhaft gezeigt hat, oder Alterungs 17, 19, 20. WR wirkt sich auf die Expression von Wachstumsfaktoren sowohl im zentralen und peripheren Nervensystem 21, 22, 23.

Die Kombination von (später) WR und EG in eine "superintervention" (WR-EC) (dh 12 Tagen um 30 Tage in EG des WR) bietet eine robuste Zunahme des Hippocampus - adulten Neurogenese und ein verlängertes Überleben der neu proliferierten Zellen 8, die die Wirkung der einzelnen Komponenten erreicht im Tiermodell von FASD nicht (siehe unten). Da beide Komponenten von WR-EC eine Vielfalt von Strukturen innerhalb des Gehirns 13 beeinflussen (WR in 22 überprüft, überprüft EC in 24), die Umsetzung dieser Maßnahme leicht zu Nagetiermodellen beider Entwicklungs- und späteren Leben Beginn Modelle von neurologischen angewendet werden kann , Beeinträchtigung (zB neonatale Exposition Alkohol, Altern, Stress frühen Leben).

nt "> Integration von WR-EC in den Jugendlichen und jungen Erwachsenen Perioden (dh postnatalen Tag 30 bis 72) können einige der negativen Auswirkungen eines Rattenmodell der fetalen Alkohol - Spektrum - Störungen verbessern (FASDs) 8 Eine Sammlung von Studien haben. gezeigt , dass 31 bis Alkohol aus postnatalen Tag (PD) 4 bis 9 Anzeige erhebliche Defizite in neuroanatomischen Maßnahmen wie dendritischen Komplexität 25, des Kleinhirns Entwicklung 26, 27 und Neuroimmun - Ansprechbarkeit 28 sowie Manifestationen von beeinträchtigter Lernen und Gedächtnis 29, 30, ausgesetzt Nagetiere . Auch eine reduzierte Menge an Alkohol - Exposition innerhalb dieses Zeitfensters (dh PD 7 bis 9) nicht mehr auf Defizite in Lernen und Gedächtnis führen bei jugendlichen und erwachsenen Ratten 32 , während einige Strukturen sig sehenwerten Beeinträchtigung neuroanatomische 27. Viele dieser Defizite - zusätzlich zu Verhaltensstörungen bei Hippocampus-abhängigen Aufgaben - wurden 8, 33 oder WR allein 25, 31 nach Exposition mit diesem WR-EC Paradigma gemildert. Obwohl allein WR eine weit verbreitete Intervention gewesen ist, hat sich die Kombination von WR-EG noch nicht in der Literatur trotz seiner Fähigkeit verwendet worden 8 die relativ kürzer fristigen Vorteile der WR aufrecht zu erhalten. Dieser Artikel wird die Umsetzung des WR-EG-Intervention während der Adoleszenz zu diskutieren. Obwohl dieses Paradigma im Kontext der frühen postnatalen Exposition Alkohol verwendet wird, kann es zu verschiedenen Nagetiermodellen eingeführt werden, um Gehirnpotenziale neuroplasticity in den Modellen von Hirnerkrankungen zu beurteilen.

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Protokoll

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Ethik-Statement: Das folgende Protokoll von der Institutional Animal Care und Use Committee (IACUC) der University of Delaware genehmigt wurde.

1. Entwicklungs Exposure (oder Modell von Binge-wie Ethanol Exposure)

  1. Auf PD3 bestimmen das Geschlecht eines jeden Tieres und Quer fördern alle Tiere bei Bedarf Wurfgröße (8 Tiere) und Geschlechtsverteilung (4 Rüden: 4 Frauen) konsistent zu halten in jedem Wurf.
    HINWEIS: Es ist wichtig, Wurfgröße und Geschlechtsverteilung so konsistent wie möglich experimentelle verwechselt zu halten zu vermeiden. Obwohl dieses Protokoll 8 Welpen (4 Männer und 4 Frauen) verwendet pro Wurf, alternative Wurfgrößen oder Geschlechtsverteilungen können auf die Bedürfnisse des experimentellen Design angepasst werden.
  2. Subkutan injizieren eine kleine Menge von schwarzen Tusche in die Pfoten in jedem Wurf Tiere zu identifizieren.
  3. Pseudo-Zufallsprinzip zuweisen Würfe als Versuchs (mit 50% Alkohol-exponierten (AE) und 50% Sham-intubiert Kontrolle (SI) pups) oder säugen Regelung (SC) (Tiere, die, Schwanz Clipping oder Trennung Protokolle von PD 4 keine Intubation unterziehen - 9, außer für den täglichen Wiegen und Ohr-Stanzen).
    1. Um eine konsistente Gruppengröße behalten, weisen doppelt so viele experimentelle Würfe als SC Würfe.
  4. Wiegen Sie jedes Tier zurückkehren es dann in seinen Heimkäfig. Tierwiegung sollte täglich während der Intubationsdauer (PD 4-9) auftreten.
    1. Entfernen Sie den ganzen Wurf aus dem Damm.
    2. Legen Sie Welpen auf Heizkissen.
    3. Das Gewicht jedes einzelnen Welpen.
  5. Auf PD4, nachdem jedes Tier mit einem Gewicht von die notwendige Alkoholmenge für insgesamt 5,25 g / kg / Tag pro jedem Tier (basierend auf pup Gewicht von Schritt 1.4) 8 berechnen.
    1. Verabreichen Alkohol als 11,9% Ethanol-in-Milchersatz (vol / vol).
  6. Beginnend um 9 Uhr, entfernen Sie von der Mutter zu einer Zeit, ein Wurf Welpen.
  7. Verabreichen Sie die Ethanol-in-Milch zu jedem AE pup 34.
  8. Sham-intubieren jeder SI Welpe 8.
  9. Wiederholen Sie die Schritte 1.5. durch 1.8. Für jeden experimentellen Wurf.
  10. Zwei Stunden nach der ersten Dosis, wiederholen Sie den Dosiervorgang (Schritte 1.5 bis 1.8) für einen zweiten Alkohol-Dosis.
  11. Eineinhalb Stunden nach der zweiten Dosis Alkohol (der Punkt , an dem Spitzen täglichen Blutalkoholgehalt erreicht wird), zu sammeln und Zentrifuge Blut aus den AE und SI Welpen über Schwanz für zukünftige Blutalkoholgehalt Analyse Clipping - 35.
    1. Sammeln Sie 60 ul Blut.
    2. Legen Sie Blut in einem 1 ml Reaktionsgefäß. Zentrifuge Blut bei 1,5 g für 25 min.
    3. Vorsichtig sammeln für zukünftige Blutalkoholgehalt Analyse der Überstand Serum aus dem Zentrifugenröhrchen und sparen.
  12. Wiederholen Sie den Dosiervorgang (Schritte 1,5 bis 1,8) unter Verwendung von Milch anstelle von Ethanol-in-Milch Ernährungsdefizite in AE von Pflege Unfähigkeit zu verhindernWelpen.
    1. Führen Sie eine Gesamtzahl von 2 zusätzlichen Milchdosen 2 h auseinander liegen, auf PD 4.
  13. Wiederholen Sie die Schritte 1.4 bis 1.12 (außer Schritt 1.11) auf PD 5 bis 9.
  14. Nach dem abschließenden Ergänzungsmilchdosis auf PD9, Punsch Ohr alle Welpen zur Identifikation in der EG-Käfig.
    1. Koordinaten gestanzt Ohr mit einem gewissen Maß an Streu - Nummer oder Kennung (zB ungeraden Würfe innerhalb einer Kohorte würde ihr linkes Ohr bekommen gestanzt , während Tiere aus geradzahlige Würfe würden ihre rechte Ohr bekommen gestanzt). Dadurch wird es einfacher, Tiere zu identifizieren, in dem EG-Käfig sollte mehrere Tiere aus verschiedenen Würfen haben die gleiche pawmark Muster.

2. Weaning

  1. Auf PD 23, Haus alle Tiere in Käfigen von 2 - 3.
    1. Stellen Sie sicher, dass alle im selben Käfig untergebracht Tiere gleichen Geschlechts sind.
    2. Fügen Sie ein SC, ein SI, und ein AE Tier pro Käfig, wenn möglich.
    3. Minimieren Sie die Anzahl der Käfiggenossen than sind aus dem gleichen Wurf.
    4. Stellen Sie sicher, dass alle Tiere für den Zugriff auf Nahrung und Wasser in der Lage sind.

3. Rad-Lauf

  1. Auf PD30, weisen die Hälfte der Käfige mit den Tieren zu WR. Haus diese Tiere in Käfigen mit einem freien Zugang zu befestigten Edelstahl Laufrad.
    1. Stellen Sie sicher, dass die Räder einen Zähler haben die Gesamtzahl der Umdrehungen zu beurteilen.
  2. Wiegen Sie alle Tiere auf PD 30 und PD 36.
  3. Überprüfen Sie die Anzahl der Umdrehungen jedes Rades um 9 Uhr jeden Tag.
  4. Lassen Sie Tiere in ihrem jeweiligen Gehäuse Zustand für 12 Tage.

4. Umwelt Komplexität

  1. Bereiten Sie die EG-Käfig vor 9.00 Uhr an dem Tag, an PD 42 für Versuchstiere entspricht.
    1. Holen Sie sich ein 30 "x 18" x 36 "verzinkte Stahlkäfig.
      HINWEIS: Der Käfig mehrere Ebenen haben sollte, der Lage sein, das Gewicht von mehreren Ratten unterstützen, mit Standard gefüllt werdenBettwäsche und haben mehrere Standorte Wasserflaschen und Futterspender zu befestigen.
    2. Setzen Sie neue, bunte Objekte von variablen Größen und Formen in den Käfig.
      1. Legen Sie 6 große Spielzeug in der EG-Käfig. Stellen Sie sicher, dass jedes Spielzeug groß genug für 3 oder mehr Ratten ist mit gleichzeitig zu interagieren.
      2. Legen Sie 6 Medium Spielzeug in der EG-Käfig. Stellen Sie sicher, dass jedes Spielzeug ist groß genug für 3 bis 4 Ratten mit gleichzeitig zu interagieren.
      3. Legen Sie eine Menge (mindestens 20) von kleiner Spielzeug im EG-Käfig.
      4. Verwenden Sie Spielzeug mit unterschiedlichen Farben, Formen, Größe usw. Neuheit dieser Intervention kritisch ist (siehe Diskussion).
    3. Legen Sie zwei Gerichte von Lebensmitteln an entgegengesetzten Enden des Käfigs.
    4. Platzieren zwei Flaschen Wasser an den gegenüberliegenden Enden des Käfigs.
  2. Um 9 Uhr am PD 42, wiegen alle Tiere und die WR Tiere auf den EG-Käfig zu verlagern. 12 Tiere - Jedes EG-Käfig sollte 9 enthalten.
    1. Stellen Sie sicher, dass keine Tiere haben beide die gleiche pawmark und Ohr-punch Muster.
  3. Überprüfen Sie alle Lebensmittel und Wasser täglich.
  4. Alle zwei Tage entfernen Sie das Spielzeug aus dem EG-Käfig und ersetzen sie (gemäß Schritt 4.1.2.).
  5. Alle drei Tage, reinigen Sie die EG-Käfig.
    1. Entfernen Sie die Tiere aus dem EG-Käfig und legte sie in temporären Haltekäfigen von 2 - 3 Tiere.
    2. Entfernen all der Betten aus dem Boden des Käfigs.
    3. Bringen Sie die gleiche Spielzeug in den Käfig, es sei denn dieser Tag mit dem Spielzeug Ersatz Zeitplan übereinstimmt (nach 4.4 zu Schritt.).
    4. Ersetzen Sie alle Lebensmittel und Wasser.
    5. Ersetzen Sie die Ratten in den EG-Käfig.

5. Collect Tissue

HINWEIS: Gewebesammlung (zB Perfusion mit Paraformaldehyd) und Speicherung (beispielsweise Gefrieren, Paraffineinbettung) kann mit einer Vielzahl von Methoden durchgeführt werden. Im Folgenden wird der Prozess der Perfusion mit 4% Paraformaldehyd in 0,1 M Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung (4% Paraformaldehyd in PBS erklären) Lösung 8.

Achtung: Paraformaldehyd ist krebserregend und können auch Hautreizungen, allergische Hautreaktionen oder Augenschäden verursachen. Verwenden Sie geeignete Schutzbrille / Hautschutz.

  1. Expose eine Ratte in einer Zeit, um das Tier zu betäuben leicht zu Isofluran.
  2. Intraperitoneal injizieren, um die Ratte mit 2 ml / kg Ketamin / Xylazin-Mischung (1,5 ml Xylazin mit 10 ml Ketamin gemischt).
    HINWEIS: Ketamin und Xylazin beide auf Lager Konzentrationen von 100 mg / ml vor Injektions Mischung kombiniert.
  3. Sobald Ratte nicht mehr reagiert, perfundieren das Tier mit 0,1 M phosphatgepufferter Salzlösung (PBS; pH = 7,2), gefolgt von 4% Paraformaldehyd in PBS (pH = 7,2).
  4. Entfernen Sie Gehirn und Speicher in 4% Paraformaldehyd in PBS bei 4 ° C für 48 Stunden.
  5. Nach 2 Tagen Übertragung auf Lösung von 30% Sucrose zugesetzt 4% Paraformaldehyd in PBS bei 4 ° C.

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Ergebnisse

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Um die Wirkung des Super Intervention beurteilen zu können, müssen wir die Auswirkungen jedes seiner Bestandteile zu finden - WR und EC - auf unserer Maßnahmen von Interesse. Die 1 bis 3 (unten) in einer früheren Publikation erschien 8 dieses Paradigma nutzen. Abbildung 4 erschien in einer Doktorarbeit 36. Diese Daten zeigen die Auswirkungen der WR-EC auf Hippokampus-adulten Neurogenese im ...

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Diskussion

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In dem obigen Protokoll haben wir gezeigt, eine sinnvolle Intervention folgende neuroanatomischen Defizite Neugeborenen Alkoholexposition zu retten. Dieser Eingriff kann aufgrund der Robustheit der jede der Komponenten des Eingriffs in anderen Tiermodellen als Therapeutikum verwendet werden. Freiwilligen kardiovaskuläre Aktivität in Form von WR wurde 38 mehrere Verhaltensergebnisse gezeigt profitieren, 39 und funktionelle Kunststoff Veränderungen in Gehirnregion...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

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Wir möchten diese Arbeit dem Andenken an den verstorbenen Dr. William T. Greenough widmen, einem großartigen Mentor, Kollegen und Freund. Diese Arbeit wurde durch die NIH/NIAAA-Fördernummer AA009838 und NIH/NIGMS COBRE unterstützt: Das Delaware Center for Neuroscience Forschungsstipendium 1P20GM103653 an AYK. Wir danken den ehemaligen und aktuellen Mitgliedern des Labors Klintsova.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Weibliche zeitschwangere Long Evans RatsEnvigo (früher: Harlan, Inc.)Die durchschnittliche Wurfgröße beträgt 8 - 10 Welpen
Black India InkHiggins (Chartpak, Inc.)44201
Spritzen und InjektionsnadelnBecton, Dickinson and Company (BD)VerschiedenesZur Injektion von Pfotenmarkiertinte, Verabreichung von Milch-Alkohol-Lösung
Ear PunchKent Scientific CorporationINS750076
LaufräderWahmann LabsWahmann Laufrad wird eingestellt. Einer pro Käfig.
EC CageMartin's Cages, Inc.R-695
Kleines EC-SpielzeugVerschiedenes
Mittleres EC-SpielzeugSortiertSollte in der Lage sein, 1 - 2 Ratten in/auf ein Objekt zu passen
Großes EC-SpielzeugSortiertSollte in der Lage sein, 3 oder mehr Ratten in/auf einem Objekt unterzubringen

Referenzen

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FASD InterventionNeuroplastizit tadulte NeurogeneseGyrus dentatusBrdU F rbungZellproliferationK figaufbau

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