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Änderung des Folsäure- oder Cholingehalts in der Nahrung, um die Auswirkungen von Mangelerscheinungen auf die Gesundheit der Nachkommen zu untersuchen

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DOI:

10.3791/66827

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28. Juni 2024

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1Department of Biomedical Sciences, Midwestern University, 2Department of Basic Medical Sciences, College of Medicine Phoenix, University of Arizona, 3Department of Anesthesiology, Pharmacology, & Therapeutics, Faculty of Medicine, University of British Columbia, 4Center of Metabolomics, Institute of Metabolic Disease, Baylor Scott & White Research Institute, 5Department of Physiology, Southern Illinois University, 6Department of Child Health, College of Medicine Phoenix, University of Arizona, 7Department of Neuroscience, Carleton University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt die Methode zur Reduzierung der Aufnahme von Folsäure oder Cholin über die Nahrung bei weiblichen Mäusen vor der Schwangerschaft mit dem Ziel, den Einfluss der mütterlichen Ernährung auf die Gesundheit der Nachkommen zu untersuchen.

Zusammenfassung

Die Ernährung der Mutter während der Schwangerschaft und Stillzeit spielt eine wichtige Rolle für die neurologische Entwicklung der Nachkommen. Der Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel (1C), der sich auf Folsäure und Cholin sowie andere B-Vitamine konzentriert, spielt eine Schlüsselrolle beim Verschluss des Neuralrohrs des sich entwickelnden Fötus. Die Auswirkungen dieser mütterlichen Ernährungsmängel während der Schwangerschaft auf die Gesundheit der Nachkommen nach der Geburt sind jedoch noch relativ undefiniert. Darüber hinaus kann ein Mangel an Folsäure oder Cholin in der Ernährung der Mutter andere gesundheitliche Ergebnisse bei den Nachkommen beeinträchtigen - was dies zu einem wertvollen Modell macht. Dieses Protokoll zielt darauf ab, das Verfahren zur Induktion eines Mangels im 1C-Stoffwechsel bei weiblichen Mäusen durch Ernährungsumstellungen zu skizzieren. Die Weibchen werden bei der Entwöhnung bis zum Alter von 2 Monaten 4-6 Wochen vor der Paarung auf Diät gesetzt und bleiben während der gesamten Trächtigkeit und Stillzeit auf Diät. Nachkommen dieser Weibchen können auf ihre gesundheitlichen Ergebnisse hin untersucht werden. Weibchen können mehrfach verwendet werden, um Nachkommen zu erzeugen, und Gewebe von Weibchen kann entnommen werden, um 1C-Metabolitenmessungen durchzuführen. Dieses Protokoll gibt einen Überblick darüber, wie mütterliche Ernährungsmängel an Folsäure oder Cholin induziert werden können, um die gesundheitlichen Ergebnisse der Nachkommen zu untersuchen.

Einleitung

Die Ernährung der Mutter während der Schwangerschaft und Stillzeit spielt eine wichtige Rolle für die Entwicklung des Nachwuchses. Der Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel (1C) ist ein wichtiges metabolisches Netzwerk, das Ernährungssignale mit Biosynthese, Redoxhomöostase und Epigenetik integriert. Folsäure und Cholin sind zentrale Bestandteile von 1C, die eine wichtige Rolle beim Verschluss des Neuralrohrs spielen. Es wird Frauen allgemein empfohlen, während des gebärfähigen Alters Folsäure und Cholin zu ergänzen1. Während die entscheidende Rolle von Folsäure bei der Entwicklung des Fötus eindeutig erwiesen ist, bleiben die zugrunde liegenden Mechanismen unklar. Frauen im gebärfähigen Alter wird empfohlen, Folsäure vor der Schwangerschaft einzunehmen, da der Verschluss des Neuralrohrs innerhalb des ersten Trimesterserfolgt 2. Schwangere Mütter, die einen Mangel an Folsäure oder anderen Bestandteilen von 1C wie Cholin haben, haben aufgrund des hohen Bedarfs an Nukleotidsynthese und anderen Prozessen, die in der frühen Schwangerschaftsperiode erforderlich sind, eine höhere Inzidenz von Nachkommen mit Neuralrohrdefekten3.

Die langfristigen Auswirkungen einer Ernährung der Mütter, die nicht in den 1C-Stoffwechsel aufgenommen werden, auf die Gesundheit der Nachkommen sind nur unzureichend verstanden. Untersuchungen in unseren und anderen Labors haben gezeigt, dass eine Ernährung der Mütter, die entweder Folsäure oder Cholin enthält, die Gesundheit der Nachkommen nach einem ischämischen Schlaganfall tatsächlich beeinflusst, wobei präklinische Modelle verwendet wurden 4,5,6. Der Einfluss der mütterlichen Ernährung wurde auch in klinischen Studien gezeigt, in denen kleinere Gehirnvolumina und veränderte Methylierungsniveaus beschrieben wurden7. Die Theorie der Developmental Origins of Health and Disease (DOHaD) legt nahe, dass prospektive chronische Krankheiten in utero programmiert werden 8,9 und die Ernährung der Mutter eine wichtige Rolle spielt.

Dieses Protokoll soll die Methode zur Veränderung des 1C-Nahrungsverbrauchs bei weiblichen Mäusen vor der Schwangerschaft beschreiben, um die Auswirkungen der mütterlichen Ernährung auf die gesundheitlichen Ergebnisse der Nachkommen zu untersuchen.

Protokoll

Dieses Protokoll wurde genehmigt, und alle Tierversuche wurden in Übereinstimmung mit den Richtlinien des Institutional Animal Care and Use Committee der Midwestern University (Protokoll 2983) verwendet. In dieser Studie wurden weibliche C57BL/6J-Mäuse im Alter von 2 Monaten (Körpergewicht, ~20 g) verwendet. Im Allgemeinen können weibliche Mäuse im gebärfähigen Alter verwendet werden10. Um sicherzustellen, dass Auswirkungen auf den Wurf vermieden werden, müssen für jede Diät mehrere weibliche Tiere verwendet werden11. Die Einzelheiten zu den Reagenzien und der in der Studie verwendeten Ausrüstung sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Vorbereitung der Versuche

  1. Besorgen Sie sich Folsäure- oder Cholinmangelnahrung von kommerziellen Nagetierfutterherstellern. In Tabelle 1 finden Sie eine detaillierte Liste der Mikro- und Makronährstoffe, einschließlich der genauen Menge an Folsäure oder Cholin, die bei einer mangelhaften Ernährung benötigt wird.
    HINWEIS: Eine entsprechende Kontrolldiät muss ebenfalls bestellt werden; Einzelheiten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Diese Diäten basierten auf AIN93G und enthielten die empfohlenen Nährstoffe für Nagetiere10.
  2. Bestimmen Sie in Zusammenarbeit mit dem Hersteller die Färbung der Diäten, da dies bei der Verteilung der richtigen Diäten in experimentellen Studien hilfreich sein kann. In dieser Studie wurde Grün für Folsäuremangeldiäten, Gelb für Cholin und Weiß für Kontrolldiäten verwendet. Sie sind alle leicht zu unterscheiden.
    HINWEIS: Es gibt keine Einschränkungen für den Wasserverbrauch. Das Wasser enthält keine Folsäure, Cholin oder andere 1C-Metaboliten.

2. Induktion eines Folsäure- oder Cholinmangels in der Ernährung

  1. Bevor Sie die Weibchen auf Diät setzen, wiegen Sie alle Tiere. Dies wird als Basisgewicht bezeichnet.
  2. Abhängig von der individuellen Einrichtung des Laborkäfigs (belüftet oder unbelüftet, siehe Materialtabelle) können Sie die speziellen Diätpellets für jeden Käfig einige Male pro Woche austauschen oder nachfüllen. Überfüllen Sie die Käfigfutterkörbe nicht mit speziellen Diäten, da dies zu einer Verschlechterung der Pellets führen kann, sobald sie mit dem Speichel der Tiere interagieren, und im Laufe der Zeit verderben.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass der Diätvorrat gemäß den Herstellerrichtlinien gelagert und vor dem Verfallsdatum verwendet wird.
  3. Halten Sie die weiblichen Mäuse vor der Paarung 4-6 Wochen lang auf dem Futter.
  4. Führen Sie die männlichen Mäuse zur Paarung in die weiblichen Käfige ein. Stellen Sie sicher, dass Männchen in weibliche Käfige gebracht werden, nachdem die Weibchen mindestens 4-6 Wochen lang spezielle Diäten erhalten haben. Setzen Sie ein Männchen für einen bis mehrere Tage in einen weiblichen Käfig ein.
    HINWEIS: In der vorliegenden Studie wurden die Männchen während der gesamten Dauer des Experiments (~4 Monate) bei den Weibchen gehalten, um die Anzahl der produzierten Jungtiere zu erhöhen, da die Paarung bei Mäusen nach der Geburt stattfinden kann12. Weibchen nach einem Alter von 6 Monaten wurden für keine Studien verwendet.
  5. Überprüfen Sie die weiblichen Mäuse täglich auf einen Kopulationspfropfen, der darauf hinweist, dass eine Brut stattgefunden hat.
  6. Sammeln Sie jede Woche die Gewichtsmessungen der weiblichen Mäuse, um ihren Gesundheitszustand und ihren Trächtigkeitsstatus zu verfolgen.
    HINWEIS: Es ist sicher für Frauen, die Diät während der Schwangerschaft (~21 Tage) und Stillzeit (~21 Tage) beizubehalten.
  7. Wenn die Nachkommen von der Mutter entwöhnt werden (~21 Tage nach der Geburt), setzen Sie sie auf eine Folsäure- und Cholinmangeldiät sowie auf eine Kontrolldiät. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Ergebnisse.
    HINWEIS: Bei der Untersuchung der Auswirkungen der mütterlichen Ernährung auf die Gesundheit der Nachkommen wird empfohlen, dass die Nachkommen nach dem Absetzen auf eine Kontrolldiät gesetzt werden. Die Kontrolldiät muss ausreichende Mengen an Vitaminen und Nährstoffen enthalten, um zu überleben.
  8. Am Ende der Studie (Bestimmung der wöchentlichen Gewichte zur Überwachung des allgemeinen Gesundheitszustands von Weibchen, die eine Folsäure- oder Cholinmangeldiät erhalten) euthanasieren Sie die Mütter mit einer Überdosis CO2 (Dosierung, 10%-30% Volumenverdrängung pro Minute, gemäß institutionell anerkannten Protokollen) und entnehmen Sie das Gewebe (Schritt 3), um Ernährungsmängel zu bestätigen.

3. Gewebeentnahme für die Messung von 1C und den damit verbundenen Metaboliten

HINWEIS: Beim Einschläfern von Tieren ist es wichtig sicherzustellen, dass die Tiere nicht auf ein Einklemmen der Zehen reagieren. Sobald die Tiere nicht mehr ansprechbar sind, kann mit der Dissektion des Gewebes begonnen werden. Das Gewebe, das präpariert werden soll, muss vorher bestimmt werden 13,14 und das Material muss vorbereitet werden. Zu diesen Materialien gehören Röhrchen für die Lagerung, geeignete Sezierwerkzeuge sowie Trockeneis oder flüssiger Stickstoff.

  1. Entnahme von Blut- und Lebergewebe gemäß den zuvor veröffentlichten Protokollen15,16.
    1. Sammeln Sie ~500-1000 μl Blut mit einer Herzpunktion, indem Sie die folgenden Schritte ausführen. Für Details siehe Parasuraman et al.17:
      1. Machen Sie einen V-förmigen Schnitt durch die Haut und die Bauchdecke. Schieben Sie die Bauchorgane zur Seite und führen Sie eine Nadel durch das Zwerchfell in das Herz ein, um die Blutprobe zu entnehmen.
      2. Geben Sie die Blutproben in EDTA-beschichtete Röhrchen. Das Röhrchen kann bei Raumtemperatur belassen werden, bis alle Proben entnommen wurden.
    2. Die Blutproben werden in einer Zentrifuge bei 1000-2000 x g für 7 min bei 4 °C heruntergeschleudert, um das Blutplasma zu isolieren. Sammeln Sie das Plasma in einem 1,5-ml-Mikrofugenröhrchen und lagern Sie es dann bis zur Analyse bei -80 °C.
    3. Um die Leber zu entfernen, öffnen Sie den Bauch und präparieren Sie die gesamte Leber gemäß dem zuvor veröffentlichten Protokoll15.
      1. Nachdem Sie die Leber aus der Körperhöhle entnommen haben, schneiden Sie das Gewebe mit einer kleinen Schere in kleinere Stücke und frieren Sie sie mit Trockeneis oder flüssigem Stickstoff ein.
        HINWEIS: Die gefrorenen Gewebestücke können in ein 1,5-ml-Kryo-Mikrozentrifugenröhrchen gegeben und bis zur Analyse bei -80 °C aufbewahrt werden.

Ergebnisse

Der Schwerpunkt dieser Studie lag auf der Untersuchung des Einflusses von mütterlichen Ernährungsmängeln auf Folsäure oder Cholin auf die Gesundheit der Nachkommen. Es wurden wöchentliche Gewichte bestimmt, um die allgemeine Gesundheit von Frauen zu überwachen, die eine Folsäure- oder Cholinmangeldiät erhielten. In unserer früheren Arbeit wurden keine Veränderungen des Körpergewichts zwischen den Ernährungsgruppen der Mütter beobachtet4. Abbildung 1 zeigt das Ausgangs- und Wochengewicht der Weibchen, die in den vier Wochen vor der Paarung eine Kontroll-, Cholin- oder Folsäuremangeldiät erhielten (F (1.144,4.577) = 11.96, p = 0.196). Eine allgemeine Beobachtung ist, dass die Anzahl der Nachkommen bei diesen speziellen Diäten im Vergleich zu Standard-Mausfutter reduziert ist. Dies wurde nicht als statistisch signifikant eingestuft.

Wenn die weiblichen Mäuse mit Futter gefüttert werden, das einen Mangel an 1C enthält, entweder Folsäure oder Cholin, kommt es zu Veränderungen der Metaboliten im Körpergewebe, die 1C verarbeiten. Messungen von 1C und verwandten Metaboliten können mit einer Vielzahl von Techniken durchgeführt werden. In der vorliegenden Studie wurde die Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie mit Ultra-Performance-Flüssigkeitschromatographie (UPLC) eingesetzt, wie zuvor beschrieben12. Es werden sowohl Leber- (Tabelle 2) als auch Plasma-1C-Messungen für Gesamthomocystein, S-Adenosylmethionin (SAM), S-Adenosylhomocystein (SAB), Methionin, Cystathionin, Betain und Cholin präsentiert. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Metaboliten zu messen; LC-MS ist nur eine Möglichkeit.

Die in Tabelle 2 und Tabelle 3 dargestellten Daten zeigen einige geringfügige Veränderungen der Metabolitenspiegel. Die aktuellen Messungen wurden durchgeführt, als sich die Weibchen 6 Monate lang auf Diät paarten. Es kann besser sein, die Metaboliten nach 4 Wochen oder nach ein bis zwei Schwangerschaftsrunden zu messen. Die Daten aus der Leber und dem Plasma wurden mit Einweg-ANOVAs und Statistik- und Grafiksoftware analysiert. Alle signifikanten Auswirkungen der ANOVA-Diät mit Tukeys paarweisen Vergleichen sowie paarweisen Vergleichen zwischen Kontrolldiät und Folsäure- oder Cholinmangeldiäten.

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Abbildung 1: Körpergewicht weiblicher Mäuse, die mit einer ausreichenden und mangelhaften Ernährung gehalten wurden. Körpergewichte weiblicher Mäuse vor Beginn einer speziell formulierten Diät (Baseline) und dann wöchentliche Gewichte für 4 Wochen bei Kontrolldiäten (CD) sowie Folsäure- (FADD) und Cholinmangeldiäten. Die Daten werden als Mittelwert + Standardfehler des Mittelwerts dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Der Ein-Kohlenstoff-Metabolismus und die damit verbundenen biologischen Rollen (Methylierung und Nukleotidsynthese). Enzyme sind in schwarzen Kreisen dargestellt. Abkürzungen: BHMT, Betain-Homocystein-Methyltransferase; CHDH, Cholin-Dehydrogenase; COMT, Catechol-O-Methyltransferase; DHFR, Dihydrofolat-Reduktase; dTMP, Desoxythymidinmonophosphat; dTTP, Desoxythymidintriphosphat; dUMP, Desoxyuridinmonophosphat; dUTP, Desoxyuridintriphosphat; FR, Folatrezeptor; MTHFR, Methylentetrahydrofolat-Reduktase; MTR, Methionin-Synthase; MTRR, Methioninsynthase-Reduktase; RFC, Träger mit reduziertem Folatgehalt; SAM, S-Adenosylmethionin; SAH S-Adenosylhomocystein; und TS, Thymidylat-Synthase. Diese Abbildung wurde von Jadavjiet al. modifiziert.18. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Liste der Mikro- und Makronährstoffgehalte in der Kontrolle des Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsels, in Folsäure und in Diäten mit Cholinmangel. Die Folsäuremangeldiät enthält 0,3 mg/kg Folsäure. Die Cholinmangeldiät enthält 300 mg/kg Cholinbitrate. Die Werte sind in der Tabelle rot hervorgehoben innerhalb der eckigen Klammern. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Mütterliche Konzentrationen von Ein-Kohlenstoff-Metaboliten in isoliertem Lebergewebe. Diese Daten wurden von Hurley et al.4 übernommen. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 3: Maternale Konzentrationen von Ein-Kohlenstoff-Metaboliten in isoliertem Plasma. Diese Daten wurden von Hurley et al.4 übernommen. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Diskussion

Bei der Implementierung dieses Protokolls in Forschungslabors gibt es einige wichtige Hinweise, die Forscher vor Beginn von Experimenten beachten müssen. Erstens muss bei der Herstellung von Diäten genügend Vorlaufzeit eingeräumt werden, um die Diät vor Beginn der experimentellen Studie herzustellen. Die Vorlaufzeiten können von Unternehmen zu Unternehmen variieren, und auch der Versand von Futter muss berücksichtigt werden. Weibliche Mäuse, die sich im gebärfähigen Alter (~2-2,5 Monate im Alter) befinden, können 4-6 Wochen vor der Paarung auf die Diät gesetzt werden 4,6,14. Frühere Studien haben nur C57Bl/6J-Mäuse verwendet 4,5,6,18, aber andere Gruppen haben BALB/c-Mäuse in ähnlichen Studien verwendet 19,20,21.

Das in dieser Studie verwendete hergestellte Futter enthält 1% Succinylsulfathiazol, um die Folatsynthese durch die Darmflora zu reduzieren; Dies ist ein weiterer Grund, warum eine Kontrolldiät verwendet werden muss, da sie die gleichen Antibiotika enthält, die in den Mangeldiäten enthalten sind. Sobald das Futter hergestellt und versandt wurde, ist seine Lagerung von entscheidender Bedeutung. Es ist wichtig, die Anweisungen des Herstellers zu befolgen, damit die Diät für die Dauer der experimentellen Studie anhalten kann. Es ist wichtig zu beachten, dass Standard-Mausfutter mit einem erhöhten Gehalt an Folsäure und Cholin formuliert ist, um die Schwangerschaft und die allgemeine Gesundheit der Mäusekolonien zu unterstützen. Daher muss die Verwendung einer Kontrolldiät in Studien, die hauptsächlich darauf abzielen, die Auswirkungen von Folsäure- und/oder Cholinmangel zu untersuchen, verwendet werden. Für solche experimentellen Studien wird empfohlen, von den Herstellern Kontrolldiäten mit der empfohlenen Mindestmenge an Folsäure (2,0 mg/kg) oder Cholinbitrate (1150 mg/kg) zu erhalten10 (Tabelle 1).

Darüber hinaus wurde die Kombination von Folsäure- und Cholinmangel in der Nahrung bei Frauen noch nicht ausprobiert. Sowohl Folsäure als auch Cholin sind wichtige Methylspender, und es besteht ein hoher Bedarf an ihnen während der Schwangerschaft für die Entwicklung von Nachkommen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass der Folat- und Cholinstoffwechsel eng mit der normalen Gehirnfunktion verbunden ist16,17. Dies wurde auch von anderen in anderen Geweben nachgewiesen18,19. Es ist nicht bekannt, ob eine Ernährung, die an Folsäure und Cholin mangelt, lebensfähige Nachkommen hervorbringen würde.

Bei der Betrachtung des Versuchsdesigns ist es wichtig zu beachten, dass Ernährungsmängel bei 1C bei Männern Berichten zufolge negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Nachkommen haben11. Dies ist ein wichtiger Punkt, der zu beachten ist, wenn Männchen in Käfigen mit Weibchen untergebracht werden, die entweder mit Folsäure oder Cholinmangel gefüttert werden. Zu diesem Zeitpunkt sind die Auswirkungen eines kurzfristigen Ernährungsmangels bei Männern noch unbekannt.

Eine erfolgreiche Mauszucht kann Herausforderungen im experimentellen Fortschritt mit sich bringen. Es wird empfohlen, das Tierpflegepersonal der Einrichtung oder die Literatur zu konsultieren, einschließlich Anbieter, die erfolgreich Mäuse züchten. Das wöchentliche Wiegen der Weibchen half, das Fortschreiten der Schwangerschaft zu überwachen.

Die langfristigen Auswirkungen eines mütterlichen 1C-Mangels während der Schwangerschaft auf die gesundheitlichen Ergebnisse der Nachkommen erfordern weitere Untersuchungen 4,14. In diesem Protokoll wurde beschrieben, wie mütterliche Folsäure- oder Cholinmangel in einem Mausmodell induziert und bestätigt werden kann. Um andere mögliche Marker für einen Mangel an Folsäure oder Cholin in der Ernährung zu bestimmen, stellen Sie sicher, dass Abbildung 2 konsultiert wird18. Dieses experimentelle Modell erleichtert die Untersuchung von Mangelerscheinungen in Folsäure oder Cholin in der Ernährung von Müttern während der Schwangerschaft und Stillzeit auf die langfristigen gesundheitlichen Ergebnisse der Nachkommen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1,5 mL RöhrchenEppendorf
C57BL/6 Weibliche MäuseCharles River27Mäuse können auch im Haus gezüchtet werden.
Cholinmangel-DiätEnvigoTD.06119
KontrolldiätEnvigoTD.190790
EDTA-Röhrchen
Folsäure-MangeldiätEnvigoTD.01546
GraphPad-Prismahttps://www.graphpad.com/features
Gehäuse für NagetiereLab Products, LLCOne CageBelüftete Racks &
Käfige Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS)sciex, Framingham, MA5500 QTrap
Ultra-Performance Flüssigkeitschromatographie (UPLC)Shimadzu, Columbia, MD, USANexera

Referenzen

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