Methodenartikel

Ein Do-it-yourself-System für die planmäßige Fütterung von Labornagetieren in ihrem Heimkäfig

1.3K Ansichten

⸱

DOI:

10.3791/67119

⸱

6. Juni 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biology, University of Massachusetts, 2Institute of Applied Life Sciences, University of Massachusetts, 3Animal Care Services at University, University of Massachusetts

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Papier beschreibt das Design, die Montage und das Protokoll für ein automatisiertes Fütterungssystem zusammen mit einer alternativen Deckel- und Käfigmodifikation, die mit minimalen Modifikationen für angebundene optogenetische oder faserphotometrische Experimente in Standard-Nagetierkäfigen implementiert werden kann. Das Fütterungssystem bietet ein kostengünstiges Werkzeug für die zeitgesteuerte Fütterung und/oder Kalorienrestriktion.

Zusammenfassung

Intermittierendes Fasten und die Erforschung des Einflusses einer zeitgesteuerten Kalorienrestriktion auf die Regulierung des Körpergewichts und das Altern liegen im Trend, sowohl in der Gesellschaft als auch im Labor. Um die zeitlich begrenzte Fütterung und/oder Kalorienrestriktion im Labor zu untersuchen, werden zugeteilte Futtermengen in festgelegten Zeitintervallen verteilt. Die derzeitige Technologie für die planmäßige Fütterung von Nagetieren umfasst entweder spezielle Käfige mit geschlossenen Futtereintrittsöffnungen, zeitlich gesperrte digitale Trichter oder manuelle Futterabgabe. Spezielle Geräte für solche Experimente können kostspielig sein, und die manuelle Fütterung erfordert oft, dass die Forscher spät in der Nacht oder am frühen Morgen kommen, was längere Studien ausschließt. Das hier beschriebene automatisierte Fütterungssystem bietet ein kostengünstiges Werkzeug für die zeitgesteuerte Fütterung und/oder Kalorienrestriktion, das mit minimalen Modifikationen in Standard-Nagetierkäfigen implementiert werden kann. Das Protokoll verwendet einen handelsüblichen Futterautomaten, der mit einem Standard-Mikroisolator-Käfigdeckel (Käfigdeckel für Maus, Hamster, Ratte oder Meerschweinchen) ausgestattet ist und die gewünschten Futterzuteilungen in programmierten Zeitintervallen im Heimkäfig des Tieres verabreichen kann. Unser Design kann modifiziert werden, um verschiedene Futterautomaten oder geringfügige Abweichungen in den Käfigabmessungen zu akzeptieren. Wir liefern das Design, die Montage und das Protokoll für das Fütterungssystem sowie eine alternative Deckel- und Käfigmodifikation für angebundene optogenetische oder faserphotometrische Experimente.

Einleitung

Intermittierendes Fasten ist ein wichtiger Bereich der Stoffwechsel- und Alternsforschung. Die richtige Abstimmung der Fütterung und des zirkadianen Rhythmus kann die Wirkung der Ernährung auf das Körpergewicht verändern 1,2,3,4. Darüber hinaus ist längeres intermittierendes Fasten mit einer erhöhten Langlebigkeit und verbesserten altersbedingten Störungen verbunden 5,6,7,8. Forschungsstudien, die Langzeitfastenprotokolle (>20 Tage) implementieren, erfordern in der Regel spezielle Geräte. Es ist zwar möglich, Futter für geplante Fütterungsprotokolle manuell zu liefern, dies kann jedoch erfordern, dass ein Untersucher über einen längeren Zeitraum zu zahlreichen Zeitpunkten außerhalb der Geschäftszeiten anwesend ist. Zum Beispiel würden drei Fütterungszeiten, die 4 Stunden auseinander liegen, eine manuelle Lieferung um 20:00 Uhr, 12:00 Uhr und 4:00 Uhr erfordern; Wahrscheinlich eine Compliance-Herausforderung, die länger als ein paar Tage anhält.

Alternativen zur manuellen Futterabgabe für Labornagetiere sind 1) spezialisierte Käfige mit automatischem Torzugang zu Lebensmitteln oder 2) digitale Trichtersysteme, die einen automatisierten und programmierten Zugang zu Lebensmitteln ermöglichen, wie z. B. FED39. Käfigsysteme mit bewachtem Zugang zu Futter sind kostspielig und einige bieten keine geeignete Käfigumgebung für Langzeitstudien. Herkömmliche operante Konditionierungsboxen sind beispielsweise in der Lage, die Lebensmittellieferung zu automatisieren, haben aber einen Drahtgitterboden, der für eine langfristige Unterbringung nicht förderlich ist. Das BioDAQ-System von Research Diets liefert Futter und Wasser über geschlossene externe Anschlüsse. Programmierbare automatisierte Gates ermöglichen langfristig geplante Fütterungs- oder Trinkstudien, das System ist jedoch eine kostspielige Investition. Mechanisierte Trichtersysteme sind ein weiteres Werkzeug für automatisierte geplante Fütterungsprotokolle 9,10. Die beiden genannten mechanisierten Trichter haben den Vorbehalt, dass sie den Wohnraum im Käfig reduzieren. Hungrige Tiere mit Nahrungseinschränkung können an den Fütterungsgeräten kauen und/oder Käfigreste können die Mechanik des Trichters für Langzeitstudien beeinträchtigen. Schließlich wurde ein mechanisierter Trichter, der von der Takahashi-Forschungsgruppe zusammen mit der Phenome-Technologie entwickelt wurde, speziell für langfristig geplante Fütterungsstudien entwickelt3. Bei diesem System befindet sich ein mechanisierter Trichter über dem Drahtgestell eines Standardkäfigs mit einer Rutsche, die das Futter liefert. Das Phenome-System bietet jedoch keine Flexibilität für Tiere, die an ein Patchkabel gebunden sind (Optogenetik/Faserphotometrie-Experimente), und es ist im Vergleich zu dem hier beschriebenen Autofeeder-Gerät relativ teuer.

Als Antwort auf die vorherrschenden Herausforderungen bei geplanten Fütterungsprotokollen schlagen wir eine kostengünstige Lösung vor. Unser automatisiertes System ermöglicht eine präzise Lieferung von Lebensmitteln in festgelegten Intervallen. Mit einer Kombination aus 3D-gedruckten Teilen und einem im Handel erhältlichen automatischen Fischfutterautomaten entwickeln wir ein externes Fütterungssystem zum Selbermachen (DIY), das auf eigenständigen Nagetierkäfigen mit Mikroisolatoren ausgestattet werden kann. Das Fütterungssystem und die hier beschriebenen Teile können direkt auf jeden der folgenden Nagetierkäfige angewendet werden: Maus, Ratte, Hamster oder Meerschweinchen, vorausgesetzt, dass die eigenständigen Käfige Mikroisolator-Oberteile verwenden. Da die Käfige unterschiedlich groß sind, können die Platzierungen leicht variieren, aber die 3D-gedruckten Halterungen, das Fütterungssystem und das Design der externen Wasserflasche sind im Allgemeinen auf eigenständige Nagetierkäfige mit Mikroisolatordeckeln anwendbar.

Wir stellen ein Beispiel für einen Autofeeder vor, aber viele andere Standard-Autofeeder sind verfügbar und können mit leichten Änderungen an den 3D-gedruckten Teilen in das modulare System eingebaut werden. Um die Anpassung des 3D-gedruckten Halters an alternative Feeder oder geringfügige Abweichungen in den Käfigabmessungen zu erleichtern, weisen wir eine modifizierbare, 3-dimensionale SolidWorks-Datei mit einer begleitenden STL-Datei nach.

Die externe Platzierung des Futterautomaten bietet vollen Platz im Heimkäfig und ermöglicht das Abnehmen, Sterilisieren und erneute Beladen oder Ersetzen des Futterautomaten ohne Unterbrechung des Tieres. Das automatisierte Fütterungssystem ist effizient für Langzeitaufzeichnungen, erschwinglich und für verschiedene zeitlich begrenzte Fütterungs- und/oder Kalorienrestriktionsprotokolle zugänglich. Wir stellen detaillierte technische Zeichnungen der Käfigbaugruppen, des Designs und des Protokolls für die Implementierung des Fütterungssystems sowie Beispieldaten zur Verfügung. Zweitens stellen wir eine Reihe von Anweisungen zur Verfügung, um die Standardkäfighaltung für die Verwendung des Autofeeders mit Tieren zu modifizieren, die an ein Patchkabel für optogenetische oder faserphotometrische Experimente gebunden sind.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

Alle Verfahren wurden vom Amherst Institutional Animal Care and Use Committee der University of Massachusetts genehmigt.

1. Montage des Autofeeders auf einem Standard-Mikroisolator-Käfigdeckel (Abbildung 1)

  1. Schneiden Sie mit einem rotierenden Werkzeug mit einer 1,5-Zoll-Trennscheibe ein 20 x 25 mm großes Quadrat in einen Käfigdeckel für den Mikroisolator aus. Positionieren Sie die Öffnung 2,75 cm von der Deckelkante entfernt und mittig über dem Gitterrost (Abbildung 1B, links).
  2. Drucken Sie eine Halterung in 3D, um den Autofeeder mit dem Käfigdeckel zu koppeln (Abbildung 1A und ergänzende Datei 1). Lassen Sie die Halterung auf das Loch des Käfigdeckels einrasten (Schritt 1.1; Abbildung 1B, Mitte) und schieben Sie den Autofeeder auf die Oberseite der gesicherten Halterung (Abbildung 1B [rechts] ,C).

figure-protocol-1
Abbildung 1: Modifikation und Montage der Autofeeder-Halterung und des Käfigdeckels. (A) Technische Zeichnung der Autofeeder-Halterung (siehe SolidWorks/STL-Dateien in der Zusatzdatei 1 für den Maßstab in 3D). (B) Von links nach rechts, Käfigdeckel mit Loch 20 x 25 mm; Die Halterung wird auf der Käfigoberseite montiert und mit dem Petbank-Autofeeder montiert. (C) Zusammengebauter Petbank Autofeeder auf einem Käfig mit Futterpellets, das auf ein Standard-Gitter mit Wasserflasche fallen gelassen wird. Maßstabsbalken = 25 cm). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Programmierung und Verwendung des Beispiel-Autofeeders von der Stange

  1. Stellen Sie bei zeitgesteuerten Experimenten zuerst die Fütterungszeiten und zuletzt die synchronisierte Fütterungsuhr ein, da nachfolgende Anpassungen die Taktzeit verschieben.
  2. Stellen Sie sicher, dass der Feeder ausreichend geladen ist. Halten Sie die Einstellungstaste gedrückt, bis die Stundeneinstellung auf dem Bildschirm blinkt.
  3. Fahren Sie mit der Zeiteinstellung fort. Stellen Sie mit den Pfeilen nach oben und unten die Zeit auf die erste gewünschte geplante Fütterungsperiode ein.
  4. Legen Sie die Anzahl der Zuteilungen für diesen Zeitpunkt fest (gekennzeichnet durch die Anzahl der Punkte neben der Feed-Einstellung). Wiederholen Sie die Schritte 2.2 bis 2.4 für bis zu zwei weitere Zeitpunkte.
  5. Befüllen Sie die Kammern der automatischen Fütterung mit den gewünschten Futterkontingenten von ≤1,5 g Standard-Nagetierfutter. Wenn mehr Futter benötigt wird, stellen Sie den Futterautomaten so ein, dass er mehrere Zuteilungen zu einem bestimmten Zeitpunkt liefert. Der Beispiel-Feeder verfügt über 16 Kammern.
    HINWEIS: Lebensmittel können nach Maß bestellt oder mit einer Schere zugeschnitten werden.
  6. Beschriften Sie eine Kammer mit Klebeband oder Farbe, um die programmierte Kammerdrehung und die Futterausgabe zu bestätigen. Kontrollieren Sie täglich, während Sie die Futterautomaten laufen lassen.

3. Modifiziertes Käfigsystem für angebundene Tiere mit dem Futterautomaten

  1. Optionaler Ersatzdeckeleinsatz für Tiere, die an ein Patchkabel gebunden sind (Abbildung 2)
    1. Schneiden Sie ein Stück aus 3 mm dickem, klarem Acryl nach den Vorgaben in Abbildung 2A mit dem Laser (siehe auch Ergänzende Datei 2). Der Acryleinsatz ist mit Laschen versehen, die in die Käfigoberseite eingerastet werden können. Der Mittelschlitz (190 x 5 mm) ermöglicht den Durchgang des Patchkabels. Das quadratische Loch von 20 x 25 mm passt auf die Halterung des automatischen Vorschubs; 20 Belüftungslöcher sorgen für eine Frischluftzirkulation.
    2. Hebeln Sie mit einem Schlitzschraubendreher oder einem Keilwerkzeug die perforierte obere Abdeckung des Käfigs eines Standard-Mikroisolatordeckels ab. Lösen Sie die Laschen aus den Laschenschlitzen, und entfernen Sie sowohl den perforierten Einsatz als auch das Filterpapier (Abbildung 2C, links und Mitte).
    3. Unter der perforierten Oberseite und dem Filterpapier befindet sich ein internes geripptes Stützgitter. Verwenden Sie ein rotierendes Werkzeug und ein 1,5-Zoll-Schneidrad, um das Stützgitter zu entfernen. folgen Sie den Pfeilindikatoren, die in der Mitte von Abbildung 2C gezeigt sind. Nach dem Schneiden, um das Stützgitter zu entfernen, feilen Sie, um die Schnittkante zu glätten.
    4. Lassen Sie die Ersatz-Acrylplatte (Schritt 3.1) in die Käfigoberseite einrasten. Beginnen Sie mit der Installation, indem Sie die Plattenlaschen in die Laschenschlitze entlang einer der kurzen Kanten und dann einer der langen Kanten schieben und vorsichtig drücken, bis die Platte einrastet (Abbildung 2C [rechts] ,D).
  2. Optionale externe Wasserflaschenhalterung für Tiere, die an ein Patchkabel gebunden sind (Abbildung 3)
    1. Bohren Sie eine Öffnung für den Trinkflaschen-Sipper: Loch mit 11 mm Durchmesser, 50 mm über dem Boden, zentriert an der kurzen Kante des Käfigs (Abbildung 3B und ergänzende Datei 3).
    2. Bohren Sie auf beiden Seiten des Mittellochs (± 27,5 mm) zwei Löcher mit einem Durchmesser von 6 mm. Optional können Sie ein 8-mm-Vierkantlochwerkzeug verwenden, um quadratische Löcher zu bohren (siehe Abbildung 3B).
    3. Drucken Sie eine externe Wasserflaschenhalterung in 3D (Abbildung 3A und ergänzende Datei 4). Montieren Sie die Halterung der Wasserflasche mit Schlossschrauben (2 cm lang, 6 x 1 mm oder 0,75" lang 1/4 x 20; Abbildung 2B,C).
    4. Für eine Wasserflasche montieren Sie ein konisches Standardröhrchen mit 50 mL und einer Sipper/Stopper-Baugruppe (#7 Stopper mit 3-1/2" gebogenem Sipper, siehe Materialtabelle) an der externen Halterung. Füllen Sie alle 2-3 Tage Wasser nach.

figure-protocol-2
Abbildung 2: Montage der Acrylplatte auf der Käfigoberseite. (A,B) Technische Zeichnungen der Acrylplatte und des Feeder-Port-Steckers. (C) Links, Standard-Käfigoberteil mit perforiertem Einsatz und Filter. Mitte, Entnahme des perforierten Einsatzes und des Filters (das gerippte Gitter muss entlang der mit dem Pfeil gekennzeichneten Linien ausgeschnitten werden). Rechts, die Acrylplatte rastete ein. (D) Komplette Deckelmontage. Maßstabsbalken = 25 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

figure-protocol-3
Abbildung 3: Montage der Wasserflaschenhalterung. (A) Technische Zeichnung der 3D-gedruckten Wasserflaschenhalterung. (B) Modifikationen am Käfig und Montage der Wasserflaschenhalterung; (C) Halterung installiert; (D) Komplette Käfigbaugruppe. Maßstabsbalken = 10 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

figure-protocol-4
Abbildung 4: Zusammenfassung der kompletten Käfigmontage mit dem Futterautomaten. (A) Standardkäfig mit Drahtgestell, (B) modifizierter Käfig für angebundene Tiere. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

Eine Studie zur Kalorienrestriktion (21 Tage) zur Induktion von Unfruchtbarkeit bei weiblichen Mäusen (Autofeeder- und Käfigdesign, Abbildung 4A)
Chronischer Energiemangel reicht aus, um die Fruchtbarkeit bei Säugetieren zu hemmen, eine Reaktion, die bei Nagetieren und Menschen gleichermaßen konserviert ist11,12. In dieser Studie verwenden wir die Kalorienrestriktion, um einen langfristigen Körpergewichtsverlust z...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

In präklinischen Tiermodellen ist die Kalorienrestriktion ein leistungsfähiges experimentelles Werkzeug, um den Stoffwechsel präzise zu manipulieren und zu untersuchen. Nachhaltiger Gewichtsverlust hat Auswirkungen auf Fettleibigkeit, Diabetes, Alterung, Fruchtbarkeit und Menopause (eine Art des reproduktiven Alterns), die allesamt wichtige translationale Endpunkte sind. Es kann jedoch schwierig sein, kalorische Restriktionsparadigmen über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. In d...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Danksagungen

Jason Lê wird vom von den National Institutes of Health finanzierten Forschungsausbildungsprogramm nach dem Abitur unterstützt.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
#7 Stopfen mit 3-1/2" gebogenem Sipperrohr ohne KugelLabex2067
AN75 Mauskäfig BodenAncareAN75HT
Automatischer Fischfutterautomat für AquariumPetbank-tek.comAmazon Vertrieb (#B0BRCWP16K)
Nagetier Mikrofilter TopsAncareN10MBTPLF
Gummistopfen, ein LochUnited ScientificS24009
Standard-NagetierfutterProlab IsoPro 3000

Referenzen

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Di Francesco, A., Di Germanio, C., Bernier, M., de Cabo, R. A time to fast. Science. 362 (6416), 770-775 (2018).
  8. Longo, V. D., Panda, S. Fasting, Circadian rhythms, and time-restricted feeding in healthy lifespan. Cell Metab. 23 (6), 1048-1059 (2016).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
  14. 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).
  15. Mandelblat-Cerf, Y., et al. Arcuate hypothalamic AgRP and putative POMC neurons show opposite changes in spiking across multiple timescales. Elife. 4, e07122(2015).
  16. 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).
  17. Eckel-Mahan, K., Sassone-Corsi, P. Phenotyping circadian rhythms in mice. Curr Protoc Mouse Biol. 5 (3), 271-281 (2015).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

Kalorienrestriktionintermittierendes FastenNagetier Heink figautomatisiertes F tterungssystemzeitlich begrenzte F tterungoptogenetische ExperimenteFiberphotometrieMicroisolator K figFutterzuteilung

Verwandte Artikel