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Articolo metodologico

Esposizione cronica intermittente ai vapori di etanolo abbinata alla scelta di due bottiglie per modellare il disturbo da uso di alcol

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DOI:

10.3791/65320

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23 giugno 2023

 ,  ,  ,  , 
1Department of Basic Medical Sciences, College of Veterinary Medicine, Purdue University, 2The Scripps Research Institute, 3Purdue Institute for Integrative Neuroscience, 4Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, 5Purdue Institute of Inflammation, Immunology, and Infectious Disease

In questo articolo

Sommario

Presentato qui è un protocollo per il modello 2BC/CIE della dipendenza da alcol nei topi per studiare il disturbo da uso di alcol.

Abstract

Il disturbo da uso di alcol (AUD) è un disturbo cronico correlato all'alcol che si presenta tipicamente come consumo incontrollato di alcol e preoccupazione per l'alcol. Una componente chiave della ricerca sull'AUD è l'utilizzo di modelli preclinici rilevanti dal punto di vista traslazionale. Negli ultimi decenni, una varietà di modelli animali è stata utilizzata per studiare l'AUD. Un modello importante di AUD è il modello di esposizione cronica intermittente al vapore di etanolo (CIE), che è un approccio consolidato per indurre la dipendenza da alcol nei roditori attraverso cicli ripetuti di esposizione all'etanolo per inalazione. Per modellare l'AUD nei topi, l'esposizione alla CIE è abbinata a una scelta volontaria di due bottiglie (2BC) di consumo di alcol e acqua per misurare l'escalation del consumo di alcol. La procedura 2BC/CIE prevede l'alternanza di settimane di consumo di 2BC e CIE, che si ripetono fino a raggiungere l'escalation del consumo di alcol. Nel presente studio, delineiamo le procedure per l'esecuzione di 2BC/CIE, incluso l'uso quotidiano della camera di vapore CIE, e forniamo un esempio di consumo di alcol intensificato nei topi C57BL/6J utilizzando questo approccio.

Introduzione

Il disturbo da uso di alcol (AUD), che comporta un consumo cronico eccessivo di alcol, è uno dei disturbi psichiatrici più comuni ed è un problema globale. I sintomi dell'AUD comportano cicli ripetuti di intossicazione, astinenza e voglie e sono caratterizzati dal consumo costante di alcol senza riguardo per le conseguenze sociali, lavorative e sanitarie1,2,3,4,5,6,7. Il disturbo da uso di alcol si verifica spesso in combinazione con altri disturbi mentali pervasivi, persistenti e compromettenti8, come ADHD9, anxiety10 o depression11 ed è responsabile di circa 88.000 decessi all'anno solo negli Stati Uniti2. L'uso eccessivo o frequente di alcol può influenzare lo stato lavorativo e le relazioni sociali di una persona12 e può portare a un aumento della violenza13. Fisicamente, l'astinenza acuta dall'alcol può provocare ansia, agitazione, tremore, sudorazione eccessiva, alterazione della coscienza e allucinazioni14,15. Inoltre, le persone possono avvertire sintomi di astinenza quando riducono o smettono di bere e diventano irritabili o irritabili16. Inoltre, il consumo cronico di alcol può causare perdita di memoria17 e può provocare carenza di tiamina, nota anche come sindrome di Wernicke-Korsakoff (WKS), che contribuisce in modo significativo alla demenza indotta dall'alcol18.

Per far progredire ulteriormente la ricerca sull'AUD, è necessario disporre di modelli animali della malattia rilevanti dal punto di vista traslazionale. Il modello più comune di AUD nei roditori è l'esposizione cronica intermittente ai vapori di etanolo (CIE), che è un approccio consolidato per indurre la dipendenza da alcol attraverso l'inalazione ripetuta di vapori di alcol4,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Le procedure CIE per roditori inducono sintomi di astinenza come convulsioni indotte dalla manipolazione31, ipereccitabilità, comportamento simile all'irritabilità, comportamento simile all'ansia e disturbi del sonno e provocano un'escalation del consumo di alcol22,32,33,34,35. Inoltre, la CIE porta a una significativa escalation del consumo volontario di alcol, riflettendo l'assunzione compulsiva osservata nell'AUD36. Durante le fasi di intossicazione, i topi mostrano segni comportamentali e fisiologici coerenti con l'intossicazione da alcol negli esseri umani, tra cui atassia, sedazione e ipotermia compromessa37,38<span style="font-size: 11.6667px;">,39. Questi risultati sottolineano l'utilità del modello CIE nel catturare sia gli aspetti neurobiologici che comportamentali della dipendenza da alcol, rendendolo uno strumento prezioso per chiarire i meccanismi dell'AUD e testare potenziali interventi terapeutici. Nei modelli preclinici di AUD, come l'esposizione cronica intermittente al vapore di etanolo (CIE), i topi mostrano segni comportamentali e fisiologici che sono paralleli all'intossicazione e alla dipendenza da alcol nell'uomo. Durante le fasi di intossicazione, i topi possono mostrare segni tra cui atassia, sedazione, diminuzione del comportamento esplorativo e alterazione del riflesso raddrizzante. Dati questi rischi, gli animali sono stati attentamente monitorati durante e dopo l'esposizione ai vapori di etanolo per identificare segni di grave intossicazione o deterioramento della salute.

Nei ratti, il modello CIE spesso coinvolge l'autosomministrazione operante di alcol per misurare l'escalation dell'assunzione40,41,42, mentre il modello murino prevede CIE e scelta di due bottiglie (2BC) drinking43,44. I modelli preclinici di dipendenza da alcol hanno costantemente dimostrato che gli animali aumentano l'assunzione di etanolo dopo l'esposizione cronica ai vapori di etanolo23,45,46,47. Nei topi, in particolare, è stato dimostrato che cicli ripetuti di CIE aumentano l'assunzione volontaria di etanolo3,21,48,49,50. Nel complesso, studi precedenti dimostrano che il modello CIE è sufficiente per aumentare il consumo di etanolo e modellare l'AUD nei roditori.

Questo studio mira a evidenziare il metodo CIE per lo studio dell'AUD e, più specificamente, a concentrarsi sul modello murino 2BC/CIE. Esaminiamo un processo dettagliato dei passaggi necessari per eseguire la 2BC/CIE e presentiamo un esempio dell'escalation del consumo di alcol dopo la CIE.

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Protocollo

Tutte le procedure sono state approvate dal Comitato per la cura e l'uso degli animali della Purdue University. Il presente studio ha utilizzato topi C57BL/6J di 8 settimane. Il gruppo CIE aveva 5 topi (3 maschi, 2 femmine) e il gruppo Air aveva 10 topi (5 maschi e 5 femmine). Gli animali sono stati ottenuti da una fonte commerciale (vedi Tabella dei materiali) e sono stati alloggiati in gruppo con un ciclo luce-buio di 12 ore con accesso al cibo. Il peso corporeo dei topi è stato misurato una volta alla settimana durante l'esperimento.

1. Disegno sperimentale generale

NOTA: La scelta di due bottiglie (2BC)/esposizione cronica intermittente al vapore di etanolo (CIE) è un modello murino preclinico per esplorare la dipendenza dall'etanolo51.

  1. Durante le settimane 2BC, assicurati che i topi abbiano accesso a una bottiglia contenente etanolo (15% p/v) e una bottiglia contenente acqua per 2 ore al giorno (dal lunedì al venerdì), iniziando 2 ore nel ciclo di buio.
  2. All'inizio, consentire ai topi un minimo di 2 settimane di bere 2BC al basale fino a quando non è stato raggiunto un livello stabile di assunzione di etanolo. A seconda delle esigenze sperimentali, dividere i topi in due gruppi (un gruppo CIE e un gruppo Air) o più se sono inclusi trattamenti aggiuntivi in base all'assunzione media di etanolo al basale.
  3. Dopo le settimane di base di 2BC, esporre i topi del gruppo CIE al vapore di etanolo (CIE) per quattro giorni consecutivi (dal lunedì al giovedì) con 16 ore consecutive di vapore acceso e 8 ore consecutive di vapore spento. Per garantire concentrazioni stabili e sostenute di etanolo nel sangue durante il periodo di esposizione, il pirazolo è stato co-somministrato come inibitore dell'alcol deidrogenasi, impedendo così il rapido metabolismo dell'etanolo e promuovendo livelli sistemici costanti di etanolo><. NOTA: Per controllare le potenziali variabili specifiche della camera come l'illuminazione, le vibrazioni, il rumore e la temperatura, i topi del gruppo Air sono stati alloggiati in una camera identica nelle stesse condizioni ambientali del gruppo CIE, ma senza esposizione al vapore di alcol.
  4. Durante la settimana CIE/Air, assicurarsi che non si verifichi il 2BC. Dopo 1 settimana di CIE/Air, riprendere i topi su 2BC per il successivo lunedì al venerdì.
  5. Consentire ai topi di alternare settimane di CIE/Air e 2BC per il resto della procedura fino a quando non si verifica l'escalation del consumo di alcol nei topi CIE. Raccogliere il sangue dai topi almeno una volta alla settimana di CIE per determinare la loro concentrazione di etanolo nel sangue (BEC)52.

2. Preparazione sperimentale

  1. Acquisire tutte le seguenti forniture prima dell'inizio dello studio: topi, gabbie/tappi di gabbie metalliche, borracce per due per gabbia fianco a fianco, lettiera, cibo, una bilancia, una camera di vapore cronica interrotta e una macchina Analox o un altro metodo per analizzare i BEC (vedi Tabella dei materiali).
  2. Assicurarsi che tutte le sostanze chimiche necessarie siano pronte per l'esperimento: acqua potabile, etanolo al 95%, pirazolo, eparina e soluzione salina sterile.

3. Assuefazione animale

  1. Se i topi non sono già alloggiati nella stessa posizione degli esperimenti, attendere almeno 1 settimana per farli acclimatare al nuovo ambiente.
    NOTA: Durante questo periodo, i topi dovrebbero anche essere abituati a una manipolazione delicata per ridurre al minimo i confondi legati allo stress e migliorare il benessere degli animali. Le sessioni di manipolazione sono state condotte una volta al giorno per cinque giorni consecutivi, ciascuna della durata di circa 2-3 minuti per animale. I topi sono stati presi a coppa o guidati delicatamente nelle mani dello sperimentatore senza sollevare la coda, consentendo loro di esplorare volontariamente la mano del conduttore. Questa tecnica facilita l'interazione di routine, riduce lo stress durante le successive procedure sperimentali e garantisce dati comportamentali più affidabili. Inoltre, gli animali sono stati trasferiti nell'area sperimentale per 30 minuti al giorno per acclimatarli ulteriormente all'ambiente di test.
  2. Assicurati che ai topi venga data 1 settimana di scelte di due bottiglie con entrambe le bottiglie piene d'acqua per consentire loro di adattarsi alla diversa configurazione della gabbia e di essere messi in una gabbia individuale per bere.

4. Scelta di due bottiglie con il 15% p/v di etanolo e acqua

  1. Assuefazione a scelta di due bottiglie
    1. Il paradigma del test della scelta delle due bottiglie è lo stesso per tutta la settimana della scelta delle due bottiglie con acqua e del successivo test con acqua ed etanolo. Sposta i topi alloggiati nel gruppo nelle loro gabbie individuali 30 minuti prima che le luci si spengano, quindi lascia che i topi bevano per 2 ore.
    2. Registrare i volumi di ogni borraccia prima e dopo il periodo di consumo di 2 ore. Ogni gruppo si sottopone a 2BC per 5 giorni, dal lunedì al venerdì.
      NOTA: Lo scopo della settimana di assuefazione è quello di consentire agli animali di adattarsi a due biberon nella gabbia per ridurre al minimo eventuali distorsioni causate dalla posizione laterale naturale di una singola biberon. Durante questa settimana, entrambe le bottiglie vengono riempite d'acqua. Se la tramoggia metallica in dotazione è progettata per contenere una sola bottiglia, utilizzare con attenzione lo spazio tra le sue barre adiacente alla prima bottiglia per creare spazio per la seconda bottiglia. I flaconi utilizzati per gli esperimenti di bevute sono realizzati su misura utilizzando pipette da 10 ml e 25 ml con le estremità tagliate per consentire l'inserimento di un sorso dritto con un cuscinetto a sfera da cui i topi possono bere. L'uso di clip per legare le bottiglie al coperchio del filo assicurerà che le bottiglie non si muovano durante il periodo di consumo (Figura 1 e Figura 2 supplementare).
  2. Scelta di base di due bottiglie
    1. Dopo l'assuefazione, consentire ai topi di sottoporsi ad almeno 2 settimane di consumo di 2BC al basale per stabilire un'assunzione stabile di etanolo. Durante il consumo di base, testare i topi per 2 ore al giorno e 5 giorni alla settimana (dal lunedì al venerdì) con una bottiglia d'acqua e una seconda bottiglia con etanolo al 15% p/v. Registrare i volumi di ogni borraccia prima e dopo il periodo di consumo di 2 ore.
      NOTA: Per stabilire una linea di base stabile dell'assunzione di etanolo, ripetere le settimane di 2BC fino a quando ogni topo ha una variazione approssimativa inferiore al 15% nell'assunzione tra i giorni.
    2. Dopo che i topi hanno raggiunto una base stabile di assunzione di etanolo, dividere uniformemente i topi in base all'assunzione di etanolo in gruppi non dipendenti dall'etanolo (trattamento dell'aria) e dipendenti dall'etanolo (trattamento CIE). Una volta stabilita l'assunzione di etanolo al basale, i topi vengono sottoposti a CIE (o esposizione all'aria) la settimana successiva.
      NOTA: Non tutti gli esperimenti richiedono l'inclusione di un gruppo non dipendente, e questo deve essere determinato in base al focus dello studio. Ad esempio, i topi dipendenti dall'etanolo con e senza trattamento specifico possono essere un confronto più rilevante.
  3. Due bottiglie a scelta (2BC)
    1. Riprendere la procedura 2BC eseguita durante il consumo di base dopo la prima settimana di CIE.
      NOTA: La formula da bere per topi a scelta in due bottiglie è una miscela di etanolo al 15% p/v (1 L): etanolo al 95% (195 mL) e acqua potabile per topi (805 mL).

5. Esposizione cronica intermittente al vapore di etanolo (CIE)

  1. Disporre i seguenti materiali: camere di vapore CIE su misura (Figura supplementare 3), etanolo al 95%, una soluzione di etanolo-pirazolo (68,1 mg/kg di pirazolo miscelato in etanolo al 20%), una soluzione salina-pirazolo (68,1 mg/kg di pirazolo miscelato in soluzione fisiologica), siringhe (1 mL) e aghi.
  2. Procedura cronica intermittente di vapore di etanolo (CIE)
    1. Prima di essere inseriti nelle camere di vapore per CIE, iniettare intraperitonealmente i topi con una soluzione di etanolo-pirazolo (0,0075 mL/g), che viene utilizzata per creare un'intossicazione iniziale da etanolo, inibire l'etanola deidrogenasi e bloccare il metabolismo dell'etanolo53.
    2. Iniettare tutti i controlli dell'aria e altri gruppi con la stessa dose di pirazolo miscelata con soluzione fisiologica (0,0075 mL/g) invece che con etanolo. Si raccomanda di somministrare una mezza dose (0,00375 mL/g) delle soluzioni di pirazolo il primo e l'ultimo giorno di CIE ogni settimana.
    3. Dopo le iniezioni, riportare i topi Air/control nelle loro gabbie domestiche e posizionare le gabbie per il gruppo CIE all'interno della camera di vapore><. NOTA: Dati i potenziali rischi per la salute associati all'esposizione cronica ai vapori di etanolo, gli animali sono stati attentamente monitorati durante tutto il protocollo per garantire il loro benessere e rilevare eventuali effetti avversi. I topi sono stati pesati almeno due volte a settimana e le valutazioni della salute includevano l'osservazione dei segni clinici di disagio. Si è ritenuto che gli animali che mostravano una perdita di peso corporeo superiore al 20% rispetto al basale o che mostravano segni come postura curva, letargia, piloerezione o pelo spettinato, avessero raggiunto gli endpoint umanitari e sono stati prontamente rimossi dallo studio in conformità con le linee guida istituzionali approvate per la cura e l'uso degli animali. Durante la CIE, i topi sono più suscettibili a cattivi esiti di salute verso la fine della settimana, quando entrano in un periodo di sospensione prolungato dopo la cessazione dell'esposizione all'etanolo. Per ridurre al minimo la gravità dell'astinenza, ogni settimana viene somministrata mezza dose di pirazolo l'ultimo giorno di esposizione al vapore. Inoltre, all'inizio di ogni nuovo ciclo di CIE viene somministrata una mezza dose per facilitare il ritorno degli animali all'esposizione all'etanolo. Il pirazolo, un inibitore dell'alcol deidrogenasi, viene utilizzato per stabilizzare e prolungare le concentrazioni di etanolo nel sangue; le dosi variano tipicamente da 0,00375 mL/g a 0,0075 mL/g e possono essere regolate per raggiungere la concentrazione di etanolo nel sangue desiderata.
    4. Una volta che i mouse sono stati inseriti nelle camere di vapore, bloccare gli sportelli e impostare la pompa sul livello di vapore appropriato (ad esempio, 1-3). Impostare il tempo di esecuzione dell'esperimento. Per il presente studio, l'esperimento è iniziato alle 17:00 e si è concluso alle 09:00 ed è stata utilizzata un'impostazione della pompa di 1-2 (utilizzata per tutto il tempo).
    5. Quindi, premere il pulsante Start sullo schermo di controllo della camera di vapore CIE per avviare l'esperimento.
      NOTA: Questo passaggio può variare a seconda della camera utilizzata e delle differenze nella configurazione. Qui, una volta che tutti i topi sono stati iniettati e inseriti nella camera dell'etanolo, la camera dovrebbe iniziare a pompare etanolo al 95% in un pallone di vetro e riscaldare l'etanolo liquido in vapore. Il vapore scorre attraverso la camera in cui i topi vengono tenuti per 16 ore al giorno per 4 giorni (dal lunedì sera al venerdì mattina). Ogni giorno, i topi sperimentano 8 ore di svuotamento del vapore. I topi vengono quindi rimossi dalla camera alla fine del quarto giorno (venerdì mattina) e iniziano il 2BC il lunedì successivo. A seconda del sistema e della configurazione specifici della camera di vapore, potrebbero esserci variazioni nei BEC causate dalle diverse impostazioni/livelli di vapore. Vari fattori, come lievi differenze nei componenti del sistema, nel flusso d'aria, nello scarico, ecc., possono causare ciò. La regolazione del livello di vapore di etanolo invece della dose di pirazolo è adatta per mantenere un BEC nell'intervallo target. Con lo sviluppo della tolleranza, i BEC potrebbero essere troppo bassi e potrebbe essere necessario regolare il livello di vapore. Se il gradiente tra i livelli di vapore è troppo ripido per aumentare i BEC, si consiglia di regolare di conseguenza la dose di pirazolo per modificare i BEC.
    6. Misurare i BEC (vedere il passaggio 5.3) dei topi almeno una volta alla settimana durante la CIE. Eseguire il prelievo di sangue 30 minuti prima che il vapore si fermi per assicurarsi che i BEC non abbiano iniziato a diminuire.
      NOTA: Potrebbe essere necessario regolare il livello di vapore durante l'esperimento poiché la tolleranza all'etanolo si accumula nel corso di diverse settimane. I BEC devono essere testati prima e dopo aver regolato le impostazioni del vapore.
    7. Riportare i topi al test 2BC la settimana successiva alla CIE. Ripetere il passaggio 4 e il passaggio 5. Mantenere i topi alternati tra CIE e 2BC per quattro-otto cicli (8-16 settimane) fino a quando non hanno un aumento significativo del consumo di etanolo rispetto al loro volume di consumo di base.
  3. Misurazioni del sangue
    1. Disporre i seguenti materiali: apparecchiature per misurare i BEC, come un sistema Analox, una lama, una provetta (0,2 mL), eparina/EDTA e una centrifuga (vedere la Tabella dei materiali).
    2. Tagliare i topi CIE una volta durante la settimana CIE, 30 minuti prima che il sistema di vapore si spenga, per raccogliere il sangue per determinare il BEC. Il prelievo di sangue può essere eseguito utilizzando diversi metodi a seconda delle preferenze del lab54.
      NOTA: Il sangue viene raccolto in provette da 0,5 ml eparinizzate o rivestite con EDTA (vedere la Tabella dei materiali).
    3. Mantenere i campioni di sangue raccolti a 4 °C fino all'elaborazione.
    4. Per elaborare i campioni, centrifugare prima a 208 x g per 10 minuti a 4 °C per separare il plasma.
    5. Determinare le concentrazioni di etanolo nel sangue utilizzando un analizzatore di etanolo con tasso di ossigeno (vedere la Tabella dei materiali) o altri sistemi in grado di determinare i BEC.

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Risultati

Nel presente studio rappresentativo, l'assunzione di etanolo (g/kg) durante il test 2BC è riportata durante la fase iniziale di consumo e dopo settimane di esposizione a etanolo inalato (post esposizione). In breve, come descritto nel protocollo, durante il test 2BC, i topi avevano accesso a due bottiglie: una contenente acqua e l'altra contenente etanolo al 15% (p/v). Dopo aver determinato le assunzioni iniziali, gli animali sono stati suddivisi e assegnati equamente al gruppo CIE o al gruppo Air. L'assunzione iniziale ...

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Discussione

Il disturbo da uso di alcol rappresenta un problema di salute pubblica globale con un'elevata prevalenza e costi per la società56. Per studiare l'AUD in modelli animali preclinici, un metodo comune nei topi è 2BC/CIE 20,34,43,44,51,57,58,59.

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Dichiarazioni

Maury Cole è il proprietario e gestore di La Jolla Alcohol Research Inc.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato supportato dalle sovvenzioni del National Institutes of Health (NIH) AA027301 e AA029985.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
500 provette EppendorfEppendorfL203896J
95% etanoloDecon laboratories2816
Macchina AnaloxStrumenti AnaloxAnalox-AM1
Bilancia per animaliKent ScientificSCL-4000
Clip per raccoglitoriDeposito per ufficio560394
mouse C57BL/6JIl Jackson Laboratory000664
CentrifugaEppendorf5418R
Camera di vapore cronica interrottaLa Jolla Alcohol Research IncMateriali su misura
Eparina/EDTASagent PharmaceuticalsTS/DRUGS/2/2015
Lettiera per topiBed-o' Pannocchie8Briempire con 1/8 "di
profondità Mouse bere bottigliaMateriali su misura
PirazoloSigma-Aldrichbccc6397
Teklad global 18% protein (cibo per topi)Teklad globalEnvigo 2018

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