Summary
Gıda alımının zamanlamasını kısıtlamak, diyete bağlı metabolik hastalıkları hafifletmek için umut verici bir müdahale olarak ortaya çıkmıştır. Bu makale, farelerde ritmik gıda alımını ölçmek ve manipüle etmek için şirket içinde inşa edilmiş verimli bir sistemin inşasını ve kullanımını detaylandırmaktadır.
Abstract
Ritmik gen ekspresyonu, sirkadiyen ritmin bir işaretidir ve biyolojik fonksiyonların ritmikliğini günün uygun saatinde yönlendirmek için gereklidir. Son birkaç on yılda yapılan çalışmalar, ritmik gıda alımının (yani, organizmaların 24 saatlik gün boyunca yemek yediği zaman), vücuttaki çeşitli organ ve dokularda gen ekspresyonunun ritmik düzenlenmesine önemli ölçüde katkıda bulunduğunu göstermiştir. Ritmik gıda alımının sağlık ve fizyoloji üzerindeki etkileri o zamandan beri yaygın olarak incelenmiştir ve aktif faz sırasında 8 saat boyunca gıda alımını kısıtlamanın çeşitli obezojenik diyetlerden kaynaklanan metabolik hastalıkları azalttığını ortaya koymuştur. Bu çalışmalar genellikle gıdaların hayvanlara verilmesini zamanlamak için kontrollü yöntemlerin kullanılmasını gerektirir. Bu makale, günlük gıda tüketimini ölçmek ve farelerde ritmik gıda alımını manipüle etmek için şirket içinde inşa edilmiş düşük maliyetli ve verimli bir sistemin tasarımını ve kullanımını açıklamaktadır. Bu sistem, kullanıcı dostu bir elleçleme prosedürünü takiben, gıda dağıtımına uygun kafesler oluşturmak için uygun fiyatlı hammaddelerin kullanılmasını gerektirir. Bu sistem, fareleri ad libitum, zaman kısıtlı veya aritmik programlar gibi farklı beslenme rejimlerinde beslemek için verimli bir şekilde kullanılabilir ve davranış, fizyoloji ve obezite üzerindeki etkisini incelemek için yüksek yağlı bir diyet içerebilir. Vahşi tip (WT) farelerin farklı beslenme rejimlerine nasıl adapte olduklarının bir açıklaması verilmiştir.
Introduction
Sirkadiyen saat, türler arasında her yerde bulunur ve organizmaların ritmik olarak değişen ortamlarına uyum sağlamalarına yardımcı olan bir zaman tutma mekanizması sağlar. Ana sirkadiyen kalp pili, hipotalamusun suprakiazmatik çekirdeğinde (SCN) bulunur. SCN öncelikle çevresel ışık-karanlık döngüsü tarafından hapsedilir ve vücudun hemen hemen her hücresinde bulunan periferik saatleri, nöronal ve hormonal sinyaller, beslenme ve vücut ısısı 1,2,3,4,5,6,7,8 dahil olmak üzere çoklu ipuçları aracılığıyla senkronize eder . Memelilerde, moleküler sirkadiyen saat, sirkadiyen ritimlerin üretimi için kritik olan bir transkripsiyonel geri besleme döngüsünü başlatmak için Dönem (Per1, Per2 ve Per3) ve Kriptokrom (Cry1 ve Cry2) adlı çekirdek saat genlerinin ekspresyonunu kontrol eden heterodimerik transkripsiyon faktörü CLOCK: BMAL1 9,10'a dayanır 9,11,12 . Moleküler saat aynı zamanda hemen hemen her biyolojik fonksiyonun ritmikliğini kontrol eden binlerce genin ritmik transkripsiyonunu da düzenler13,14,15. Memelilerde genomun% 50'sinden fazlası ritmik olarak en az bir doku tipi 16,17,18'de eksprese edilir ve farelerde karaciğer gibi dokular, transkriptomlarının yaklaşık% 25-30'una sahiptir ve ritmik olarak 18,19 olarak ifade edilir. Ritmik gen ekspresyonu, organizma zindeliğini arttırmak için günün doğru saatinde hücre döngüsü kontrolü20, glikoz homeostazı21 ve amino asit metabolizması22 gibi önemli biyolojik süreçleri aktive etmek için çok önemlidir.
Son birkaç on yılda, gıda alımının, karaciğer23,24 de dahil olmak üzere birden fazla dokuda gen ekspresyonunda ritimleri zorlamak için güçlü bir senkronizasyon ipucu olarak hareket edebileceğini gösteren kanıtlar artmaktadır. Önemli olarak, beslenmenin karaciğerdeki ritimleri SCN'den veya aydınlık-karanlık döngüsü25'ten bağımsız olarak içerdiği gösterilmiştir ve ritmik beslenme, moleküler saat 26,27,28,29,30,31'i içermeden ritmik gen ekspresyonunu yönlendirebilir. Farelerin aktif olmayan periyodu (gündüz) ile sınırlı beslenme, çekirdek saat genlerinin ve birçok ritmik genin ekspresyon fazını tersine çevirir31. Günlük kalori alımının 8-10 saat ile sınırlandırıldığı bir beslenme müdahalesi olan zaman kısıtlı beslenmenin (TRF) obezite, hiperinsülinemi, hepatik steatoz ve metabolik sendroma karşı koruma sağladığı gösterilmiştir32,33. Gıda alımının manipülasyonunu içeren yukarıdaki deneylerin tümü, deneycinin günün doğru saatinde yiyecek sağlamak için etkili yöntemler kullanmasını gerektirir.
Çeşitli avantaj ve dezavantajlar taşıyan farklı gıda dağıtım yöntemleri geliştirilmiştir 29,34,35,36,37,38,39 (Tablo 1). Bazı otomatik besleyiciler, farelerde besleme ve gönüllü tekerlek çalıştırma aktivitesini kaydederken gıda mevcudiyetinin miktarını, süresini ve zamanlamasını kontrol eden bir yazılıma dayanarak çalışacak şekilde tasarlanmıştır34. Diğer birkaç yöntem, farelerin farklı beslenme koşulları için farklı kafeslere yerleştirilmesini içerir; deneyci, ön koşul zamanı38,39'da manuel olarak yiyecek topakları ekler. Başka bir sistem, pnömatik tahrikli bir kalkanın gıdaya erişimi engellediği ve zaman aralıkları veya gıda kütlesi ile kontrol edilebilen bir bilgisayar tarafından kontrol edilen otomatik bir besleyici sistemi kullanır35. Tüm bu yöntemler ya pahalı olabilecek ve cihazın düzgün çalışması için biraz eğitim gerektiren bilgisayarlı bir yazılımın kullanılmasını ve kurulmasını gerektirir ya da deneycinin besleme koşullarını manuel olarak değiştirmek için belirli zamanlarda hazır bulunması gerektiğinden emek yoğundur. Bilgisayarlı sistemler ayrıca, yiyeceklerin dışarı çıkmasına izin veren kolların veya kapıların arızalanması, gıda peletlerinin çıkışlara sıkışması ve yazılım arızası gibi sorunların payıyla birlikte gelir. Dahası, kapıların veya kolların açılması sırasında üretilebilecek ses, fareleri bunları yiyecek dağıtımı ile ilişkilendirmek için şartlandırma riski taşır, böylece gıda manipülasyonunun etkilerinin kesinlikle gıda erişiminden veya uyku / uyanıklık döngüsü gibi diğer davranışsal ritimler üzerindeki etkilerden kaynaklandığı şeklinde yorumlanmasını tehlikeye atar. Bu çalışmanın genel amacı, yukarıda belirtilen sorunların çoğunu hafifletmeye yardımcı olacak uzun vadeli ritmik gıda alımını manipüle etmek için uygun fiyatlı ve verimli bir sistem geliştirmekti. Her şeyden önce, geliştirilen ve aşağıda açıklanan besleme aparatı, otomatik makinelere kıyasla çok düşük bir maliyetle inşa edilebilir (Tablo 2) ve taşıma, çalıştırma ve bakım için sofistike eğitim gerektirmez. İkincisi, besleme sistemi sadece arka planda beyaz bir gürültü üretir ve yiyecek dağıtımı sırasında yüksek sesler çıkarmaz, böylece Pavlovian şartlandırılmasını önler. Toplamda, bu besleme sistemi araştırmacılar için ekonomik, daha erişilebilir ve güvenilirdir, ancak ritmik gıda alımının manipülasyonunda hala etkilidir.
Protocol
Tüm hayvan denekleri, Texas A&M Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (AUP #2022-0050) tarafından belirlenen yönergelere uygun olarak kullanılmaktadır. Burada 2-4 aylıkken hem erkek hem de dişi C57BL/6 fareler kullanılmaktadır. Besleme sistemini kurma prosedürü aşağıda açıklanmıştır ve aparatı inşa etmek için gereken hammaddeler Malzeme Tablosunda belirtilmiştir.
1. Besleme sisteminin inşası
- Poli vinil klorür (PVC) baz yapımı
- Aşağıdaki boyutlara göre kesilmiş dört adet 0,25 inç PVC levha tedarik edin: 4,875 inç x 4,5 inç; 4,875 inç x 2,125 inç; 9,5 inç x 2,125 inç (iki parça). Şekil 1A'da verilen ölçümleri kullanarak 24 saatlik bir zamanlayıcı takmak için 4,875 inç x 4,5 inç tabanda dört delik açın. Şekil 1A'daki gibi tabanı elde etmek için dört PVC parçasını yapıştırın.
- PVC taban üzerindeki zamanlayıcının sabitlenmesi
- Fişi çıkarmak için zamanlayıcıyı açın. Standart bir uzatma/elektrik kablosu kullanarak bağlantı kurun (Şekil 1B).
- Zamanlayıcıyı, adım 1.1.1'de tabanda açılan deliklerle hizalamak için PVC tabanın üzerine yerleştirin. Zamanlayıcıyı PVC tabana sabitlemek için 1,5 inç vidalar kullanın. Zamanlayıcının düz durduğundan ve PVC taban üzerinde sabit olduğundan emin olun.
- Zamanlayıcının üstüne dört delik açın ve sekiz bölmeli yiyecek kabını tutmak için 0,75 inçlik vidaları sabitleyin (Şekil 1B). Sistemin tabanı tamamlandı ve Şekil 1C'ye benziyor.
DİKKAT: Delikleri zamanlayıcının tamamı boyunca delmeyin.
- Kafes kurulumu
- 4 inçlik bir PVC tüpü (dış çapı 4,5 inç) 3,125 inç yükseklikte kesin. Elektrik kablosunun geçmesine izin vermek için borunun dibinde yaklaşık 0,5 inçlik bir delik açın.
- Gıda kabını değiştirirken kapağın kolayca çıkarılmasını sağlamak için borunun üst kısmını zımparalayın (örneğin, bir yönlendirici veya döner aletle).
- Genişliği 4,5 inçten büyük bir fare kafesi kullanın ve bir delik testeresi kullanarak kafesin dibinde 4,5 inçlik bir delik açın.
NOT: Deliğin yeri kafes kurulumuna bağlıdır (örneğin, kafes üstünün ve su şişesinin konumu, bir koşu tekerleğinin eklenmesi, vb.).
- Besleme kabı kurulumu
- Şekil 1D'de gösterildiği gibi 4 inçlik sekiz bölmeli bir mücevher düzenleyicisinden bir yiyecek dağıtıcısı yapın. Kabın kenarını boruya iyi oturacak şekilde kesin.
- 4 inçlik bir PVC boru kapağı kullanın ve aynı anda sekiz bölmeden yalnızca birini açığa çıkaran bir açıklık oluşturmak için tek bir dağıtıcı bölmesinin boyutuna karşılık gelen bir delik açın (örneğin, döner bir aletle). Zamanlayıcı hareket ettikçe, açıklık her 3 saatte bir yeni bir bölme ortaya çıkarır. Besleme sistemi bileşenleri artık kullanıma hazırdır. Tüm kafesler ayarlandıktan sonra, son kurulum Şekil 1E'de gösterilene benzer.
- Bir seferde birçok yiyecek kabının taşınması hantal olabilir. Daha kolay taşımayı kolaylaştırmak için, üç adet 0.25 inç PVC boru alın. İki parçanın ortasına 0,625 inçlik bir delik açın ve bunları birbirine yapıştırın. Ardından, Şekil 1F'de gösterildiği gibi, yiyecek bardaklarını taşımalarını kolaylaştırmak için istiflemek için deliğe ve yiyecek bardaklarının ortasına sığan dar bir 0.625 inç PVC boru kullanın.
- Fareleri takmadan önce, kurulumu elektrik prizlerine takarak, kaydedilen bir zamanda bir bölmeye bir yuva parçası yerleştirerek ve zamanlayıcının derhal döndüğünden emin olmak için yuvacığın konumunu 12 saat sonra izleyerek zamanlayıcıları test edin.
2. Besleme sisteminin uygulanması
- Farelerde gıda alımının sürekli ölçümü
- Fareleri deney odasına aktarın ve onları odada en az 1 hafta boyunca ayarlanan açık-karanlık (LD) döngüsüne ve açık-karanlık döngüsü 3 saatten fazla kaydırılırsa 2 hafta boyunca alıştırın. Bu deney için, LD 12:12'ye (n = 7 erkek ve 4 dişi) maruz kalan 2-4 aylıkken erkek ve dişi C57BL / 6 farelerden veriler toplanmıştır.
- Farelerin ağırlıklarını, besleyici kafeslerde ayrı ayrı barındırmadan önce kaydedin (ağırlıklar saat 15:00'te, yani yiyecek değişimlerinin yapıldığı sırada kaydedildi). Farelerin suya ad libitum erişimine ve yeterli yatak takımı ve yuvacığa sahip olduğundan emin olun.
- Besleyici kabının sekiz bölmesinin tümüne 1,5 g yiyecek (rutin olarak kullanılan 45 mg tozsuz hassas peletler) ekleyin. Besleyici kabını zamanlayıcıya yerleştirin. Ardından, kapağı besleyici kabına yalnızca bir bölme açıkta kalacak şekilde yerleştirin ve yiyecek sunum zamanını not edin. Dört bölme gece noktalarını, diğer dördü ise gündüz noktalarını temsil eder.
NOT: Aşırı gıda sunumunda gözlenen istifleme davranışı nedeniyle, başlangıç gıda ağırlığı olarak 1,5 g optimize edilmiştir. Fareler, topakları ya yiyecek kabı kapaklarının üstüne ya da kafes içindeki yataklara istifleme eğilimindedir. Bu, yanlış yorumlanmasına yol açan verileri çarpıtır. Erkek fareler, bölme başına 1,5 g veya daha az ile beslendiğinde pelet biriktirmezler. Dişiler yiyecekleri erkeklerden daha fazla biriktirme eğilimindedir, ancak bu fareye özgüdür ve bölme başına 1 g pelet sağlarsa zayıflatılabilir. - Yiyecekleri her gün aynı saatte değiştirin ve tüketilen yiyecek miktarını hesaplamak için her bölmede kalan pelet sayısını sayın. Ad libitum ile beslenen farelerin temel besleme profilini elde etmek için besleme profilini bir hafta boyunca izleyin.
- Her bölmede tüketilen yiyeceklere dayanarak, her fare için ortalama günlük yiyecek tüketimini hesaplayın (Şekil 2).
- Yüksek yağlı diyet (HFD) tedavisi
NOT: Bu besleme sistemi, HFD'nin metabolik hastalıklar üzerindeki etkisini incelemek için de kullanılabilir ve sonunda zaman kısıtlı beslenme programları için kullanılabilir. HFD, hassas boyut ve ağırlık peletleri olarak ticari olarak mevcut değildir ve besleme için peletler genellikle 0,5 inçlik peletler olarak tedarik edilir.- HFD peletlerini temiz bir yüzeye veya şeffaf bir filme yerleştirin ve bir tıraş bıçağı kullanarak eşit büyüklükte 6-7 küçük parçaya bölün. Peletleri, yukarıdaki bölüm 2.1'de kullanıldığı gibi normal chow peletlerine benzeyecek şekilde yeterince küçük kesin.
NOT: Fareler kafeslerinde daha büyük topaklar biriktirme eğilimindedir ve bu da tüketilen yiyeceklerin yanlış hesaplanmasına neden olur. - 1,5 g kesilmiş HFD parçasını tartın ve 8 gıda bölmesinin her birine yerleştirin. Her gün yiyecek değişimi için, bölme başına 1,5 g HFD yeterlidir.
- Yiyecekleri her gün veya her gün deneysel ihtiyaçlara göre değiştirin ve kalan yiyeceğin ağırlığını kaydedin.
- Kalan yiyecek ağırlığını verilen ilk yiyecek miktarından çıkararak tüketilen yiyecek miktarını hesaplayın. HFD gıda alımının temelini elde etmek için bu işlemi 1 haftalık bir süre boyunca tekrarlayın (Şekil 2).
- HFD peletlerini temiz bir yüzeye veya şeffaf bir filme yerleştirin ve bir tıraş bıçağı kullanarak eşit büyüklükte 6-7 küçük parçaya bölün. Peletleri, yukarıdaki bölüm 2.1'de kullanıldığı gibi normal chow peletlerine benzeyecek şekilde yeterince küçük kesin.
- Erkek fareleri gece kısıtlı (NR) bir diyete alıştırmak
- Ad libitum beslemesinin temelini elde etmek için 2.1.1-2.1.4 adımlarını izleyin. Bu deney için, LD 12:12'ye (n = 18 erkek) maruz kalan 2-4 aylıkken erkek C57BL / 6 farelerden veri toplanmıştır.
- 3-7 günlük ad libitum diyetinden sonra, fareleri günlük bölmelerdeki pelet sayısını kademeli olarak azaltarak bir geçiş diyetine koyun. Bunu yapmak için, geçişin 1. gününde bölme başına beş pelet (bölme başına 0.225 g), 2. günde 3 pelet (bölme başına 0.135 g), 3. günde 1 pelet (bölme başına 0.045 g) ve bundan sonra fareleri gece kısıtlı bir diyette tamamen değiştirmek için hiçbiri yoktur.
NOT: Farelerin kalori kısıtlaması olmadığından emin olun. Ad libitum taban çizgisine göre bölme başına farelerin günlük gıda tüketiminin ortalaması ve onlara aynı miktarda yiyecek verin ve sadece dört gecelik bölmelere dağıtın. - Fareler gece kısıtlı rejime adapte olduktan sonra 2 hafta boyunca gıda alımını izlemeye devam edin. Bu süre zarfında, her bir fareye verilen yiyecek miktarını, toplam gıda tüketimine daha iyi uyacak şekilde ayarlayın (Şekil 3A). Tipik olarak, fareler art arda iki gece boyunca tüm yiyeceklerini yediklerinde yiyecek topakları (dört gece bölmesinin her biri için 1 pelet) ekleyin.
- Beslenme rejimi nedeniyle herhangi bir ağırlık değişikliğini izlemek için fareleri 2 haftalık sürenin sonunda tartın. Bu sürenin sonunda, fareleri izofluran ile uyuşturun ve dekapitasyonla ötenazi yapın. Dokuları toplayın ve beslenme paradigması nedeniyle günlük değişiklikler için analiz edin.
- Erkek fareleri aritmik (AR) bir diyete alıştırmak
- Ad libitum beslemesinin temelini elde etmek için 2.1.1-2.1.4 adımlarını izleyin. Bu deney için, LD 12:12'ye (n = 18 erkek) maruz kalan 2-4 aylıkken erkek C57BL / 6 farelerden veri toplanmıştır.
- Bir haftalık ad libitum diyetinden sonra, günlük ortalama gıda tüketimini hesaplayın ve her bölmede sağlanacak yiyecek miktarını elde etmek için bu sayıyı 8'e bölün. Farelerin gün boyunca sekiz bölmenin hepsinde eşit miktarda yiyecek almasını sağlayarak AR beslemesi sağlayın.
- Daha sonra, fareleri 3-5 gün boyunca, herhangi bir gıda alım ritmini ortadan kaldırmak için bölme başına verilen yiyecek miktarını kademeli olarak azaltarak bir geçiş diyetine koyun ( Şekil 3B'de gösterildiği gibi). Bir AR diyetindeyken, farelerin sekiz bölmenin her birinde günlük yiyecek alımlarının 1 / 8'ine erişebildiğinden ve böylece her 3 saatte bir yiyeceğe erişebildiğinden emin olun. Farelerin kalori kısıtlaması olmadığından emin olun.
- Fareleri AR diyetinde 2 hafta veya daha uzun süre tutun (Şekil 3B).
- AR diyeti sırasında, farelerin geride sadece birkaç pelet bıraktığından emin olmak için yiyecekleri her gün ayarlayın (tipik olarak 5'ten az). Bu, farelerin doğru miktarda yiyecek almasını ve kalori kısıtlaması olmamasını sağlar. Herhangi bir gıda alımı ritmine neden olmamak için sekiz bölmenin hepsinde peletleri azaltarak veya ekleyerek ya da iki zıt bölmede peletleri azaltarak veya ekleyerek ayarlamalar yapın.
NOT: Bir AR diyeti altında beslenen fareler yiyecekleri neredeyse sadece ZT3 ve ZT9 arasında bırakırlar (ışık yandıktan sonra 3 saat ila 9 saat arasında), ancak geceleri acıkırlar ve bir sonraki bölmeye erişmek için yiyecek dağıtıcısını ısırırlar. Bununla birlikte, AR ile beslenen fareler kalori kısıtlaması değildir ve aslında zamanla NR ile beslenen farelerden daha fazla kilo alırlar. - Beslenme rejimi nedeniyle herhangi bir ağırlık değişikliğini izlemek için fareleri 2 haftalık sürenin sonunda tartın. Bu sürenin sonunda, fareleri izofluran ile uyuşturun ve dekapitasyonla ötenazi yapın. Dokuları toplayın ve beslenme paradigması nedeniyle günlük değişiklikler için analiz edin.
Representative Results
Yukarıda tarif edilen besleme sistemi, farelerde ritmik gıda alımının uzun süreli manipülasyonu için kullanılabilir. Bu sistem esasen her 3 saatte bir fareye yeni bir yiyecek bölmesi sunar ve araştırmacının her bölmedeki yiyecekleri özel olarak manipüle etmesini sağlar. Bir uygulama, 24 saatlik süre boyunca gıda alımının profilini analiz etmekti. Veriler, normal chow ad libitum ile beslenen WT farelerinin gece boyunca yiyeceklerinin yaklaşık% 75'ini yediğini göstermektedir (Şekil 2A). Dahası, gün boyunca yenen yiyeceklerin çoğu, ışık sönmeden önceki 3 saat içinde gerçekleşir.
HFD ad libitum ile beslenen fareler, muhtemelen HFD'nin yeniliği nedeniyle, maruziyetin ilk 2 gününde daha fazla yiyecek yediler (Şekil 2A). 2 gün sonra, HFD alımı ritmik kaldı, ancak normal chow ad libitum ile beslenene kıyasla genliği azaldı. Hem erkek hem de dişi WT fareleri HFD ile beslenirken, dişi farelerin besleme aparatının kapağında ve kafeste çok miktarda yiyecek biriktirdiği, erkeklerin ise gözle görülür bir istifleme göstermediği bulunmuştur. Yukarıda belirtildiği gibi, yiyecek istiflemek gıda tüketiminin yanlış hesaplanmasına ve verilerin yanlış yorumlanmasına neden olabilir. Ek olarak, dişi fareler, özellikle gece bölmelerinde, yiyecek bardaklarının plastik jantlarına daha sık girerler. Erkek fareler, 1 haftalık ad libitum normal chow ve 1 haftalık HFD'den sonra önemli kilo alımı gösterdi (Şekil 2E). Benzer bir eğilim dişi farelerde de gözlendi, ancak kısmen erkeklere kıyasla kullanılan daha az sayıda dişi nedeniyle önemli p değerlerine ulaşmadı.
NR diyetine geçen fareler, günlük toplam kalorilerini ilk 3-5 hafta boyunca kalori alımında önemli bir azalma olmadan sadece geceleri yiyorlar (Şekil 3A). NR programına daha uzun süre maruz kalmak, günlük ortalama kalori alımını, başka bir yerde açıklandığı gibi, ad libitum ile beslenen farelere kıyasla% 10-15 oranında azaltır34. Bir AR diyetine geçen fareler, günlük toplam kalorilerini gün boyunca eşit miktarlarda tüketti ve bu da günlük gıda alımı ritminin dramatik bir şekilde azalmasına yol açtı (Şekil 3B). NR beslenme programına gelince, günlük kalori alımı ortalaması, maruziyetin ilk 3-5 haftası için AR besleme programından etkilenmez, ancak daha uzun süre maruz kaldıkça azalır. Fareler, NR (Şekil 3C) ve AR programlarından (Şekil 3C) sonra kilo alımı gösterdi.
Resim 1: Besleme aparatı sisteminin tasarımı ve yapımı . (A) Besleme sistemi için PVC tabanın boyutları ve zamanlayıcıyı sabitlemek için deliklerin nerede yapılması gerektiğinin tanımı. (B) Telin yeniden kullanılmasından ve gıda kabının yerleştirilmesi için vidalarla delmeden önce ve sonra 24 saatlik bir zamanlayıcı. (C) 4 inçlik PVC boru ile birlikte monte edilmiş gri taban ve zamanlayıcı. (D) Dış kenarları kesildikten sonra sekiz bölmeli yiyecek kabı. (E) Mama kabının 4 inçlik bir kapakla kaplı olduğu kafeslerin son kurulumu, aynı anda yalnızca bir bölmeye erişilebilecek şekilde. (F) Bir deney sırasında birden fazla yiyecek kabının taşınması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Farklı diyet rejimleri altında beslenme profilleri . (A) Erkek WT farelerinin beslenme profili, 7 gün boyunca normal chow (NC) ve 7 gün boyunca yüksek yağlı diyet (HFD) ile ad libitum ile beslenir. Renkli çizgiler tek tek fare profillerini (n = 7) temsil eder ve siyah çizgi yedi farenin ortalama ± SEM'ini gösterir. (B) Dilimlemeden önce ve sonra yüksek yağlı diyet. (C) SEM ± her 3 saatte bir günlük gıda alımı ortalaması (n = 7). Ortalama, NC veya HFD beslenme programının son 5 günü içinde hesaplanmıştır. (D) NC veya HFD ile beslenen fareler için gündüz ve gece boyunca gıda alımının ortalama (solda) ve yüzdesi (sağda). Değerler, SEM ± yedi farenin ortalamasını temsil eder ve NC veya HFD beslenme programlarının son 5 günü boyunca gıda alım verileri kullanılarak hesaplanmıştır. * İki grup arasında p < 0.05 (eşleştirilmiş t-testi). (E) 1 haftalık NC ve 1 haftalık HFD'den sonra deneyde kullanılan farelerin ortalama vücut ağırlıkları. Erkekler (solda) ve kadınlar (sağda) için veriler iki grup arasında * p < 0.05 ile gösterilmiştir (eşleştirilmiş t-testi). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Gıda alımının günlük ritminin manipülasyonu. (A) 2 gün boyunca normal chow ad libitum ile beslenen, 3 gün boyunca gece kısıtlamalı (NR) besleme rejimine geçen ve 8 gece boyunca NR beslemesi altında tutulan erkek WT farelerinin beslenme profili. Renkli çizgiler tek tek fare profillerini (n = 18) temsil eder ve siyah çizgi 18 farenin ortalama ± SEM'ini gösterir. Gri yıldız işareti, zamanlayıcının dönmeyi bıraktığı tek günde o fare için zamanlayıcının arızalandığını gösterir. (B) 2 gün boyunca normal chow ad libitum ile beslenen, 1 gün boyunca aritmik (AR) besleme rejimine geçen ve 8 gece boyunca AR beslemesi altında tutulan erkek WT farelerinin beslenme profili. Renkli çizgiler tek tek fare profillerini (n = 18) temsil eder ve siyah çizgi 18 farenin ortalama ± SEM'ini gösterir. (C) NR ve AR diyetlerine 2 hafta maruz kaldıktan sonra deneyde kullanılan farelerin ortalama vücut ağırlıkları. Veriler iki grup arasında * p < 0.05 ile gösterilmiştir (eşleştirilmiş t-testi). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Tablo 1: Mevcut besleme sistemlerinin avantajları ve dezavantajları. Gıda alımının manipülasyonu için kullanılan farklı besleme sistemlerini vurgulayan ve her sistemin artılarını ve eksilerini kısa bir şekilde açıklayan bir tablo. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 2: Besleme sistemini kurmak için gerekli malzemelerin maliyeti. Bu makalede açıklanan besleme sisteminin inşası için gerekli öğelerin maliyetini ve kafes başına inşaat maliyetinin bir tahminini listeleyen bir tablo. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Discussion
Son birkaç on yılda beslenme ritimlerinin manipülasyonu ve fizyoloji üzerindeki etkileri üzerine kapsamlı araştırmalar yapılmıştır. Burada açıklanan besleme sisteminin yapımı ve kullanımı, gıda alımını manipüle etmek için etkili bir yöntem olarak kullanılabilir. Protokol, ortak bir 24 saat zamanlayıcı ve sistemin temel bileşenleri olarak sekiz bölmeli bir düzenleyici olarak tasarlanmış bir yemek kabı kullanır. Kafesler, kolayca erişilebilen birkaç alet kullanılarak kolaylıkla inşa edilebilir ve sistemin kullanımı kullanıcı dostudur. Sistemi ritmik gıda alımını manipüle edecek şekilde uyarlamak için protokolün kilit yönlerinden bazıları, zamanlayıcı 24 saatlik bir süre boyunca döndüğünden beri yiyecek bardaklarının günlük olarak değiştirilmesini, kalan yiyeceklerin manuel olarak sayılmasını veya tartılmasını ve AR beslemesi için pelet sayısının günlük olarak ayarlanmasını içerir. Tipik olarak, plastik talaş, fareler aç olduğunda ve yeterli yiyecek almadıklarında görülür. Bu sorun, plastik talaş görülmeyene kadar besleme rejimine uyan birkaç gıda peleti daha eklenerek düzeltilebilir. Günlük yiyeceklerin ayarlanması gereken AR beslenmesi durumunda, gıda alımının ritmini indüklememeye özen gösterilmelidir (Şekil 3B). Bu nedenle, fareleri aritmik olarak beslemek için zıt bölmelere pelet eklemek veya çıkarmak tercih edilir.
Bu sistem, farelerin plastiği ısırmasını önlemek için yiyecek bardaklarını bir epoksi tabakası ile kaplayarak daha da geliştirilebilir ve böylece yiyecek kaplarının ömrünü uzatmaya yardımcı olur. Gıda kabı yerleştirme zamanlayıcısının yüzeyi, yiyecek kabının zamanlayıcı üzerinde düz ve sabit oturmasına yardımcı olmak için de değiştirilebilir. Bu, eşit olmayan şekilde yerleştirilmiş bir zamanlayıcının neden olduğu zamanlayıcının yanlışlıkla durmasını önleyebilir. Yiyecek bardakları gibi kafes bileşenlerinden birkaçı, maliyeti düşürmek için 3D olarak basılabilir ve araştırmacının beğenisine göre özel olarak yapılabilir. Bu, sekizden fazla bölmeli yiyecek bardaklarını içerebilir ve bu da mevcut 3 saatlik pencereden daha iyi bir zaman çözünürlüğü sağlayabilir.
Çok verimli olmasına rağmen, bu sistemin emek yoğun olması gibi bazı sınırlamaları vardır, araştırmacının hala her 24 saatte bir yiyecek bardaklarını değiştirmesi ve kalan yiyecekleri manuel olarak saymalarını / tartmalarını istemesi gerekir. Ek olarak, potansiyel sorunları ve / veya çalışmayı durdurup durdurmadıklarını belirlemek için zamanlayıcıların zaman zaman izlenmesi gerekir. Bu, beslenmeden sonra kalan yiyecek topaklarını sayarken elde edilebilir (örneğin, bazı farelerin sadece birkaç bölmede yemek yiyip yemediğini ve bazı bölmeleri el değmeden bırakıp bırakmadığını belirleyerek). Bu sistemin bir başka sınırlaması, dişi farelerle de çalışmayabileceğidir, çünkü dişilerle yapılan birkaç deney, yiyecekleri biriktirme ve plastiği erkek farelerden daha fazla çiğneme eğiliminde olduklarını göstermiştir.
Bununla birlikte, bu besleme sistemi gıda alımını manipüle etmede çok etkilidir, inşa edilmesi, çalıştırılması, bakımı kolaydır ve piyasada bulunan pahalı otomatik besleyicilere kıyasla ucuzdur. Araştırmacının gereksinimlerine uyacak şekilde kolayca uyarlanabilir ve değiştirilebilir ve sistemi çalıştırmak için herhangi bir özel eğitime ihtiyaç duymaz. Daha da önemlisi, zamanlayıcılar yalnızca farelerin herhangi bir sesi yiyecek mevcudiyeti ile ilişkilendirmesini önleyen düşük miktarda sabit beyaz gürültü üretir.
Özetle, bu makalede, farelerde günlük gıda tüketimini izlemek için kullanılabilecek ve zaman kısıtlı beslenme, aritmik beslenme ve yüksek yağlı diyetle beslenme gibi farklı paradigmalarda fareleri beslemek için uyarlanabilecek yenilikçi bir beslenme sistemi açıklanmaktadır. Bu sistem, ritmik gıda alımı ve fizyoloji üzerindeki etkisi alanındaki önemli soruları ele almak için kullanılabilecek araçlar listesine eklenmektedir.
Disclosures
Tüm yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan eder.
Acknowledgments
Bu çalışma, NIH / NIDDK'den (JSM'ye) R01DK128133 hibesi ve Texas A &M Üniversitesi'nden başlangıç fonları ile finansal olarak desteklenmiştir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| #6 x 0.75 inch Phillips Pan Head Stainless Steel Sheet Metal Screw (50-Pack) | Everbilt | #800172 | |
| #8 x 1.5 inch Phillips Pan Head Zinc Plated Sheet Metal Screw (100-Pack) | Everbilt | #801622 | |
| 0.25 inch gray PVC sheet (24 inch x 48 inch) | USPlastic | #45088 | |
| 4 inch PVC pipe (10 ft) | Home Depot | #531103 | |
| 45 mg dustless precision pellets | Bio-Serv | #F0165 | |
| 6 ft. Extension Cord | HDX | HD#145-017 | |
| Food container (eight-compartment jewelry organizer) | JewelrySupply | #PB8301 | |
| Indoor Basic Timer | General Electric | #15119 | |
| Oatey 4 inch ABS Pipe Test Cap with Knockout | Home Depot | #39103D | |
| Rodent Diet with 45 kcal% fat (with red dye) | Research Diets | #D12451 |
References
- Boothroyd, C. E., Wijnen, H., Naef, F., Saez, L., Young, M. W. Integration of light and temperature in the regulation of circadian gene expression in Drosophila. PLoS Genetics. 3 (4), 0492-0507 (2007).
- Brown, S. A., Zumbrunn, G., Fleury-Olela, F., Preitner, N., Schibler, U. Rhythms of mammalian body temperature can sustain peripheral circadian clocks. Current Biology. 12 (18), 1574-1583 (2002).
- Buhr, E. D., Yoo, S. H., Takahashi, J. S. Temperature as a universal resetting cue for mammalian circadian oscillators. Science. 330 (6002), 379-385 (2010).
- Kawamoto, T., et al. Effects of fasting and re-feeding on the expression of Dec, Per1, and other clock-related genes. Journal of Biochemistry. 140 (3), 401-408 (2006).
- Lamia, K. A., Storch, K. F., Weitz, C. J. Physiological significance of a peripheral tissue circadian clock. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (39), 15172-15177 (2008).
- Oosterman, J. E., Kalsbeek, A., La Fleur, S. E., Belsham, D. D. Impact of nutrients on circadian rhythmicity. American Journal of Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 308 (5), 337-350 (2015).
- Pitts, S. N., Perone, E., Silver, R. Food-entrained circadian rhythms are sustained in arrhythmic Clk/Clk mutant mice. American Journal of Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 285, 57-67 (2003).
- Sheward, W. J., et al. Entrainment to feeding but not to light: Circadian phenotype of VPAC 2 receptor-null mice. Journal of Neuroscience. 27 (16), 4351-4358 (2007).
- Gekakis, N., et al. Role of the CLOCK protein in the mammalian circadian mechanism. Science. 280 (5369), 1564-1569 (1998).
- King, D. P., et al. Positional cloning of the mouse circadian Clock gene. Cell. 89 (4), 641-653 (1997).
- Kume, K., et al. mCRY1 and mCRY2 are essential components of the negative limb of the circadian clock feedback loop. Cell. 98 (2), 193-205 (1999).
- Shearman, L. P., et al. Interacting molecular loops in the mammalian circadian clock. Science. 288 (5468), 1013-1019 (2000).
- Beytebiere, J. R., et al. Tissue-specific BMAL1 cistromes reveal that rhythmic transcription is associated with rhythmic enhancer-enhancer interactions. Genes and Development. 33 (5-6), 294-309 (2019).
- Menet, J. S., Pescatore, S., Rosbash, M. CLOCK: BMAL1 is a pioneer- like transcription factor. Genes and Development. 28 (1), 8-13 (2014).
- Koike, N., et al. Transcriptional architecture and chromatin landscape of the core circadian clock in mammals. Science. 338 (6105), 349-354 (2012).
- Mure, L. S., et al. Diurnal transcriptome atlas of a primate across major neural and peripheral tissues. Science. 359 (6381), (2018).
- Ruben, M. D., et al. A database of tissue-specific rhythmically expressed human genes has potential applications in circadian medicine. Science Translational Medicine. 10 (458), 1-8 (2018).
- Zhang, R., Lahens, N. F., Ballance, H. I., Hughes, M. E., Hogenesch, J. B. A circadian gene expression atlas in mammals: Implications for biology and medicine. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (45), 16219-16224 (2014).
- Menet, J. S., Rodriguez, J., Abruzzi, K. C., Rosbash, M. Nascent-Seq reveals novel features of mouse circadian transcriptional regulation. eLife. 2012 (1), 1-25 (2012).
- Miller, B. H., et al. Circadian and CLOCK-controlled regulation of the mouse transcriptome and cell proliferation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (9), 3342-3347 (2007).
- Cailotto, C., et al. The suprachiasmatic nucleus controls the daily variation of plasma glucose via the autonomic output to the liver: Are the clock genes involved. European Journal of Neuroscience. 22 (10), 2531-2540 (2005).
- Eckel-Mahan, K. L., et al. Coordination of the transcriptome and metabolome by the circadian clock. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (14), 5541-5546 (2012).
- Damiola, F., et al. Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the suprachiasmatic nucleus. Genes and Development. 14 (23), 2950-2961 (2000).
- Saini, C., et al. Real-time recording of circadian liver gene expression in freely moving mice reveals the phase-setting behavior of hepatocyte clocks. Genes and Development. 27 (13), 1526-1536 (2013).
- Stokkan, K. A., Yamazaki, S., Tei, H., Sakaki, Y., Menaker, M. Entrainment of the circadian clock in the liver by feeding. Science. 291 (5503), 490-493 (2001).
- Atger, F., et al. Circadian and feeding rhythms differentially affect rhythmic mRNA transcription and translation in mouse liver. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (47), 6579-6588 (2015).
- Greenwell, B. J., et al. Rhythmic food intake drives rhythmic gene expression more potently than the hepatic circadian clock in mice. Cell Reports. 27 (3), 649-657 (2019).
- Izumo, M., et al. Differential effects of light and feeding on circadian organization of peripheral clocks in a forebrain Bmal1 mutant. eLife. 3, 04617 (2014).
- Mange, F., et al. Diurnal regulation of RNA polymerase III transcription is under the control of both the feeding-fasting response and the circadian clock. Genome Research. 27 (6), 973-984 (2017).
- Van Der Veen, D. R., et al. Impact of behavior on central and peripheral circadian clocks in the common vole Microtus arvalis, a mammal with ultradian rhythms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (9), 3393-3398 (2006).
- Vollmers, C., et al. Time of feeding and the intrinsic circadian clock drive rhythms in hepatic gene expression. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (50), 21453-21458 (2009).
- Chaix, A., Lin, T., Le, H. D., Chang, M. W., Panda, S. Time-Restricted feeding prevents obesity and metabolic syndrome in mice lacking a circadian clock. Cell Metabolism. 29 (2), 303-319 (2019).
- Hatori, M., et al. Time-restricted feeding without reducing caloric intake prevents metabolic diseases in mice fed a high-fat diet. Cell Metabolism. 15 (6), 848-860 (2012).
- Acosta-Rodríguez, 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 Metabolism. 26 (1), 267-277 (2017).
- Chung, H., et al. Time-restricted feeding improves insulin resistance and hepatic steatosis in a mouse model of postmenopausal obesity. Metabolism: Clinical and Experimental. 65 (12), 1743-1754 (2016).
- Sen, S., et al. Ultradian feeding in mice not only affects the peripheral clock in the liver, but also the master clock in the brain. Chronobiology International. 34 (1), 17-36 (2017).
- Xie, X., et al. Natural food intake patterns do not synchronize peripheral clocks. BMC Biology. 18 (160), 1-11 (2020).
- Swamy, S., et al. Circadian disruption of food availability significantly reduces reproductive success in mice. Hormones and Behavior. 105, 177-184 (2018).
- Xin, H., et al. Protocol for setup and circadian analysis of inverted feeding in mice. STAR Protocols. 2 (3), 100701 (2021).
