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Research Article
Sandra P. Zoubovsky1,2,3, Akil Wilder4, Louis Muglia1,2,3
1Molecular Developmental Biology Program,Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, 2Division of Human Genetics,Cincinnati Children’s Hospital Medical Center, 3Department of Pediatrics,University of Cincinnati College of Medicine, 4Division of Veterinary Services,Cincinnati Children’s Hospital Medical Center
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Das Paradigma des chronischen psychosozialen Stresses (CGS) verwendet klinisch relevante Stressoren während der Schwangerschaft bei Mäusen, um psychiatrische Störungen von Müttern und Säuglingen zu modellieren. Hier bieten wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Anwendung des CGS-Paradigmas und nachgelagerter Bewertungen, um dieses Modell zu validieren.
Die peripartale Periode gilt als sensible Periode, in der nachteilige mütterliche Expositionen zu langfristigen negativen Folgen für Mutter und Nachkommen führen können, einschließlich der Entwicklung neuropsychiatrischer Störungen. Risikofaktoren, die mit dem Auftreten einer affektiven Dysregulation in der Mutter-Kind-Dyade verbunden sind, wurden umfassend untersucht. Die Exposition gegenüber psychosozialem Stress während der Schwangerschaft hat sich durchweg als einer der stärksten Prädiktoren herausgestellt. Mehrere Nagetiermodelle wurden erstellt, um diese Assoziation zu untersuchen; Diese Modelle beruhen jedoch auf der Verwendung von physischen Stressoren oder einer begrenzten Anzahl von psychosozialen Stressoren, die sich wiederholen, die die Art, Intensität und Häufigkeit von Stressoren, die von Frauen erlebt werden, nicht genau erfassen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde ein Paradigma des chronischen psychosozialen Stresses (CGS) generiert, das verschiedene psychosoziale Beleidigungen unterschiedlicher Intensität verwendet, die auf unvorhersehbare Weise präsentiert werden. Das Manuskript beschreibt dieses neuartige CGS-Paradigma, bei dem schwangere weibliche Mäuse vom Schwangerschaftstag 6,5 bis 17,5 tagsüber und über Nacht verschiedenen Stressoren ausgesetzt sind. Tagesstressoren, zwei pro Tag durch eine 2- h-Pause getrennt, reichen von der Exposition gegenüber Fremdkörpern oder Raubtiergeruch bis hin zu häufigen Änderungen der Bettwäsche, Entfernung von Bettwäsche und Käfigneigung. Zu den Stressfaktoren über Nacht gehören kontinuierliche Lichteinwirkung, wechselnde Käfigkameraden oder Benetzung von Bettwäsche. Wir haben bereits gezeigt, dass die Exposition gegenüber CGS zur Entwicklung von mütterlichen neuroendokrinen und Verhaltensanomalien führt, einschließlich erhöhter Stressreaktivität, der Entstehung fragmentierter mütterlicher Pflegemuster, Anhedonie und angstbedingtem Verhalten, Kernmerkmalen von Frauen, die an perinataler Stimmung und Angststörungen leiden. Dieses CGS-Modell wird daher zu einem einzigartigen Werkzeug, das verwendet werden kann, um molekulare Defekte aufzuklären, die der mütterlichen affektiven Dysregulation zugrunde liegen, sowie transplazentale Mechanismen, die die fetale Neuroentwicklung beeinflussen und zu negativen langfristigen Verhaltensfolgen bei den Nachkommen führen.
Die Mechanismen, die einer erhöhten Anfälligkeit für neuropsychiatrische Störungen bei Müttern und Säuglingen nach nachteiligen mütterlichen Expositionen in der peripartalen Periode zugrunde liegen, bleiben weitgehend unbekannt. Während der Schwangerschaft und des Übergangs in die postpartale Periode treten erhebliche mütterliche physiologische Veränderungen auf, einschließlich mehrerer neuroendokriner Anpassungen, von denen angenommen wird, dass sie nicht nur für die Neuroentwicklung gesunder Nachkommen, sondern auch für die Erhaltung der psychischen Gesundheit der Mutter von entscheidender Bedeutung sind1,2. Auf der Ebene der mütterlichen Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (HPA) werden Anpassungen sowohl in der zirkadianen als auch in der stressinduzierten Glukokortikoidfreisetzung beobachtet, einschließlich eines abgeflachten Rhythmus der tagaktiven HPA-Achsenaktivität und einer gedämpften HPA-Achsenreaktion auf akute Stressoren3,4,5. Angesichts der Tatsache, dass eine erhöhte HPA-Achsenaktivität bei einer Untergruppe von Frauen mit postpartaler affektiver Dysregulation berichtet wird, einschließlich erhöhter Konzentrationen zirkulierender Glukokortikoide und gehemmtem negativem Feedback6,7,8, wird angenommen, dass die Exposition gegenüber Stressoren, die zu einer erhöhten postpartalen Stressreaktivität führen und mütterliche HPA-Achsenanpassungen verhindern, die Anfälligkeit für neuropsychiatrische Störungen erhöhen.
Um die Auswirkungen von Stress auf die affektive Dysregulation bei Müttern und Säuglingen aufzuklären, wurden mehrere Nagetiermodelle von Stress in der peripartalen Periode erstellt. Die meisten dieser Modelle sind durch die Anwendung von physischen Stressoren gekennzeichnet, die zu homöostatischen Herausforderungen und Veränderungen des physiologischen Status des Muttertiers9führen, wie chronischer Zurückhaltungsstress10 und Schwimmstress während derSchwangerschaft 11oder postpartale Schockexposition12. Obwohl gezeigt wurde, dass diese Paradigmen zur Entstehung von postpartalen depressiven Verhaltensweisen und Veränderungen in der mütterlichen Pflegeführen 10,11,12, wurden sie durch ihre Unfähigkeit, die psychosoziale Natur von Stressoren, die häufig von menschlichen Müttern erlebt werden, genau zu erfassen, eingeschränkt. Dies wird besonders wichtig, wenn versucht wird, die neuroendokrinen Folgen von chronischem Stress in der peripartalen Periode aufzudecken, da angenommen wird, dass die Verarbeitung verschiedener Arten von Stressoren durch unterschiedliche neuronale Netze vermittelt wird, die die HPA-Achsenaktivierung orchestrieren9.
Um diese Einschränkung zu überwinden, haben mehrere Gruppen Stressparadigmen entwickelt, die psychosoziale Beleidigungen oder eine Kombination aus physischen und psychosozialen Stressoren verwenden. Das mütterliche Trennungsmodell, bei dem Muttertiere während der postpartalen Periode13 , 14für mehrere Stunden pro Tag von ihren Welpen getrenntwerden,und das chronische soziale Stressmodell, bei dem die Muttertiere in Gegenwart ihrerWürfe 15 , 16 einemmännlichen Eindringling ausgesetztsind,konnten das Auftreten von Anomalien in der mütterlichen Pflege und depressiven Phänotypen im Zusammenhang mit physischen Stressparadigmen reproduzieren. Das Paradigma des chronischen Ultramild-Stresses, bei dem schwangere weibliche Mäuse einer Vielzahl von psychosozialen Beleidigungen ausgesetzt sind, einschließlich Käfigneigung und Beleuchtung über Nacht, sowie erheblichen physiologischen Beleidigungen wie Zurückhaltungsstress und Nahrungseinschränkung, hat weiter gezeigt, dass die Exposition gegenüber einer gemischten Natur von Stressoren zu Anomalien im mütterlichen Verhalten führt, einschließlich Beeinträchtigungen der mütterlichen Aggression. sowie Dysregulation in der circadianen Aktivität der HPA-Achse17,18. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen führt ein alternierendes Zurückhaltungsstress- und Überfüllungsmodell während der Schwangerschaft zu Erhöhungen des postpartalen mütterlichen zirkadianen Corticosteronspiegels sowie zu Veränderungen in der mütterlichen Versorgung, obwohl keine Unterschiede in der HPA-Achsenreaktivität nach postpartaler Exposition gegenüber neuartigen akuten Beleidigungen beobachtet werden1.
Eine Erweiterung dieser Arbeit, die ein Schwangerschaftsstressparadigma erzeugt, das mehrere psychosoziale Beleidigungen verwendet, die auf unvorhersehbare Weise präsentiert werden, und den Einsatz physiologischer Stressoren minimiert. Studien haben bereits gezeigt, dass dieses chronische psychosoziale Stressparadigma (CGS) zur Entwicklung einer dysfunktionalen mütterlichen HPA-Achse führt, einschließlich einer erhöhten Stressreaktivität in der frühen postpartalen Periode19. Diese Veränderungen sind mit Anomalien im mütterlichen Verhalten verbunden, einschließlich Veränderungen in der Qualität der mütterlichen Versorgung, die von Welpen erhalten werden, und das Auftreten von anhedonischen und angstähnlichen Verhaltensweisen19, Merkmale, die mit perinataler Stimmung und Angststörungen übereinstimmen20,21. Darüber hinaus nimmt die Gewichtszunahme der Nachkommen während der postnatalen Periode nach der In-utero-Exposition gegenüber CGS19ab, was darauf hindeutet, dass CGS in zukünftigen Generationen anhaltende negative Programmeffekte haben kann.
Ziel bei der Entwicklung des CGS-Paradigmas war es, in erster Linie klinisch relevante Stressoren zu verwenden, die die Art, Intensität und Häufigkeit von Beleidigungen, die oft mit neuroendokriner Dysregulation und der Entwicklung von perinatalen Stimmungs- und Angststörungen verbunden sind, genau erfassen. Hier bietet die Studie ein detailliertes Protokoll, wie schwangere weibliche Mäuse CGS unterzogen werden können, sowie nachgelagerte Bewertungen, mit denen die Gültigkeit des Modells getestet werden kann.
Alle beschriebenen Tierversuche wurden vom Animal Care and Use Committee am Cincinnati Children's Medical Center genehmigt und entsprachen den Richtlinien der National Institutes of Health. Ad libitum Zugang zu Standard-Nagetier-Chow und Wasser wurde den Mäusen zu jeder Zeit zur Verfügung gestellt, auch während des CGS-Paradigmas. Mäuse wurden in einem Hell-Dunkel-Zyklus von 14 h / 10 h (Lichter um 06:00 Uhr) untergebracht, sofern nicht anders angegeben (d. H. Exposition gegenüber Lichtern über Nacht).
1. Vorbereitung auf zeitaufgenommene Paarungen
2. Einrichten von zeit zeitigen Paarungen
3. Überprüfung des Kopulationspfropfens, der als Schwangerschaftstag 0,5 (G0,5) bezeichnet wird
4. Vorbereitung auf das CGS-Paradigma
5. Ausführen des CGS-Paradigmas
6. Überwachung der experimentellen Mäuse während des CGS-Paradigmas
7. Messung der prozentualen Körpergewichtszunahme während der Schwangerschaft bei den Versuchsmäusen (optional)
8. Messung der postpartalen relativen Nebennierengewichte bei Versuchsmäusen (optional)
9. Messung der postpartalen Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenachse (HPA) bei den experimentellen Mäusen (optional)
10. Messung der postpartalen Verhaltensänderungen bei den Versuchsmäusen (optional)
11. Messung der Gewichtsveränderungen der postnatalen Nachkommen (optional)
Die Exposition der trächtigen weiblichen Mäuse gegenüber CGS führt zu Veränderungen chronischer stressrelevanter Parameter, einschließlich einer Verringerung der Körpergewichtszunahme während der Schwangerschaft (Abbildung 2A) und erhöhten Nebennierengewichten in der frühen postpartalen Periode (Abbildung 2B)19. Wichtig ist, dass die Exposition gegenüber CGS zu postpartalen Anomalien in der mütterlichen neuroendokrinen Funktion führt. CGS-Muttertiere weisen eine hyperaktive HPA-Achse auf, wie die erhöhten Serumkorticosteronspiegel nach der Anwendung einer neuartigen akuten Beleidigung belegen (Abbildung 3)19.
Die Exposition der trächtigen weiblichen Mäuse gegenüber CGS führt in der frühen postpartalen Periode zu Verhaltensanomalien, die die Entstehung eines depressiven Phänotyps widerzuspiegeln scheinen. CGS-Muttertiere zeigen Veränderungen in der mütterlichen Versorgung, was sich in einer Zunahme des Grades der Fragmentierung der mütterlichen Signale widerspiegelt, die von den Welpen empfangen werden. Die durchschnittliche Dauer von Leck-/Pflegeanfällen ist reduziert und mit einer Zunahme der mittleren Anzahl von Anfällen nach CGS verbunden, was auf zahlreiche kurze Episoden von Pflegeverhalten hinweist (Abbildung 4A, B)19. Die Saccharosepräferenz ist auch bei CGS-Dämmen im Vergleich zu Kontrolldämmen gedrückt, was auf das Vorhandensein von Anhedonie hindeutet (Abbildung 4C)19. Schließlich zeigen die CGS-Dämme auch ein erhöhtes angstbedingtes Verhalten, gemessen an einer Verringerung der Zeit, die in den offenen Quadranten des EZM im Vergleich zu Kontrolldämmen verbracht wird (Abbildung 4D)19.
Bei den Nachkommen führt die Exposition gegenüber CGS in-utero zu einer verminderten Gewichtszunahme während der postnatalen Periode, vom postnatalen Tag 7 bis 21, obwohl bei der Geburt keine Veränderungen beobachtet werden. Diese Verringerung der Körpergewichtszunahme ist bei Nachkommen beider Geschlechter vorhanden (Abbildung 5)19. Bemerkenswert ist, dass das CGS-Paradigma keinen Einfluss auf die Schwangerschaftslänge, die Wurfgröße oder das Geschlechterverhältnis pro Wurf hatte (Daten nicht gezeigt)19.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des CGS-Paradigmas und der funktionalen Bewertungen zur Validierung. Diese Zahl wurde von Zoubovsky, S.P. et al.19modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Veränderungen der chronischen stressbedingten Parameter in den Mutterdämmen nach CGS-Exposition. (A) Veränderungen des Körpergewichts von G6,5-G17,5, Kontrolle = 17, CGS = 17. (B) Relative mütterliche Nebennierengewichte bei PP2, Kontrolle = 20, CGS = 15. *p < 0,05, ****p < 0,0001. Diese Zahl wurde von Zoubovsky, S.P. et al.19modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3:Mütterliche HPA-Achsenmessungen nach CGS-Exposition. Mütterliche Serumkorticosteronspiegel gemessen nach 20 Minuten Zurückhaltungsstress auf PP2, Kontrolle = 8, CGS = 5. Daten dargestellt als Mittelwert + REM. *p < 0,05. Diese Zahl wurde von Zoubovsky, S.P. et al.19modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Verhaltensänderungen in der frühen postpartalen Periode bei Mutterdämmen nach CGS-Exposition. (A) Mittlere Dauer und (B) Anzahl der leckenden/pflegenden Kämpfe, die von PP2-PP5 aufgezeichnet wurden, Kontrolle = 17, CGS = 17. (C) Prozentuale Saccharosepräferenz bei SPT, Kontrolle = 17, CGS = 19. (D) Gesamtzeit, die während des 5-minütigen Zeitraums im offenen Quadranten des EZM verbracht wurde, Kontrolle = 17, CGS = 19. Die Daten werden als Mittelwert + REM *p < 0,05, **p < 0,01 dargestellt. Diese Zahl wurde von Zoubovsky, S.P. et al.19modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Veränderungen des Körpergewichts der Nachkommen während der postnatalen Entwicklung nach in-utero-Exposition gegenüber CGS. Das Körpergewicht der Nachkommen gemessen von PN0 bis PN21, Kontrolle = 17 Würfe, CGS = 17 Würfe. *p < 0,05, ****p < 0,0001. Diese Zahl wurde von Zoubovsky, S.P. et al.19modifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Das Paradigma des chronischen psychosozialen Stresses (CGS) verwendet klinisch relevante Stressoren während der Schwangerschaft bei Mäusen, um psychiatrische Störungen von Müttern und Säuglingen zu modellieren. Hier bieten wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Anwendung des CGS-Paradigmas und nachgelagerter Bewertungen, um dieses Modell zu validieren.
Die Autoren möchten die Unterstützung des National Institute of General Medical Sciences T32 GM063483-14 und der Cincinnati Children's Research Foundation anerkennen. Für Daten, die von Zoubovsky et al., 2019, angepasst wurden, finden Sie die Creative Common License an folgendem Ort: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
| Tierlanzette | Braintree Scientific Inc. | GR4MM | |
| Sonde mit stumpfem Ende | Fine Science Tools | 10088-15 | Wird verwendet, um auf Kopulationsstopfen |
| zu prüfen Flaschen für SPT | Braintree Scientific Inc. | WTRBTL S-BL | 100 mL Wasserflasche aus Glas mit Stopfen und Sipper Kugelschreiber, graduiert mit 1 mL. |
| Konische Röhrchen (50 mL) | Corning Inc. | 352098 | Wird zur Fixierung von Mäusen verwendet, um die Reaktion der HPA-Achse auf akuten Stress zu messen. Stellen Sie sicher, dass das konische Rohr am Ende eine kleine Öffnung für die Belüftung hat. |
| Legos | Amazon-Marbles | ||
| Amazon-Maus | |||
| Corticosteron ELISA Kit | Biovendor | RTC002R | |
| Maus EZM | TSE | Systems-Reziproke | |
| Laborschüttler | Labnet international | S2030-RC-B | |
| Serum Separator Röhrchen | Becton Dickinson | 365967 | |
| Statischer Käfigboden | Alternative Design Manufacturing and Supply Inc. | RC71D-PC | |
| Statischer Käfig - gefilterte, belüftete Platten | Alternative Design Manufacturing and Supply Inc. | FT71H-PC |