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방법 논문

만성 간헐적 에탄올 증기 노출과 알코올 사용 장애를 모델링하기 위한 2병 선택

2.2K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/65320

⸱

2023년 6월 23일

 ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

여기에 제시된 것은 알코올 사용 장애를 연구하기 위한 마우스의 알코올 의존성에 대한 2BC/CIE 모델에 대한 프로토콜입니다.

초록

알코올 사용 장애(AUD)는 일반적으로 통제되지 않은 음주와 알코올에 대한 집착으로 나타나는 만성 알코올 관련 장애입니다. AUD 연구의 핵심 구성 요소는 중개 관련성이 있는 전임상 모델을 사용하는 것입니다. 지난 수십 년 동안 AUD를 연구하기 위해 다양한 동물 모델이 사용되었습니다. AUD의 두드러진 모델 중 하나는 만성 간헐적 에탄올 증기 노출(CIE) 모델로, 흡입을 통한 에탄올 노출의 반복적인 주기를 통해 설치류의 알코올 의존을 유도하는 잘 확립된 접근 방식입니다. 생쥐에서 AUD를 모델링하기 위해 CIE 노출을 알코올 음주와 물의 자발적인 2병 선택(2BC)과 짝을 이루어 알코올 음주의 증가를 측정합니다. 2BC/CIE 절차는 2BC 음주와 CIE를 교대로 몇 주씩 마시는 것으로, 이는 음주가 증가할 때까지 반복됩니다. 본 연구에서는 CIE 증기 챔버의 일일 사용을 포함하여 2BC/CIE를 수행하는 절차를 간략하게 설명하고 이 접근 방식을 사용하여 C57BL/6J 마우스에서 알코올 섭취 증가의 예를 제공합니다.

서론

만성적인 과도한 알코올 섭취를 포함하는 알코올 사용 장애(AUD)는 가장 흔한 정신 질환 중 하나이며 전 세계적인 문제입니다. AUD 증상은 중독, 금단 증상 및 갈망의 반복적인 주기를 포함하며 사회적, 직업적, 건강상의 결과를 고려하지 않고 지속적으로 알코올을 섭취하는 것이 특징입니다1,2,3,4,5,6,7. 알코올 사용 장애는 종종 ADHD9, anxiety10 또는 depression11과 같은 다른 만연하고 지속적이며 손상되는 정신 장애8과 함께 발생하며 미국에서만 매년 약 88,000명의 사망2의 원인이 됩니다. 과도하거나 잦은 음주는 개인의 업무 상태와 사회적 관계에 영향을 미칠 수 있습니다12 및 폭력 증가로 이어질 수 있습니다13. 신체적으로 급성 알코올 금단 증상은 불안, 초조, 떨림, 과도한 발한, 의식 변화 및 환각을 유발할 수 있습니다14,15. 또한 사람들은 음주를 줄이거나 중단할 때 금단 증상을 느끼고 짜증을 내거나 짜증을 낼 수 있습니다.16. 또한 만성 알코올 섭취는 기억 상실을 유발할 수 있습니다17 및 알코올 유발 치매에 크게 기여하는 베르니케-코르사코프 증후군(WKS)이라고도 하는 티아민 결핍을 유발할 수 있습니다18.

AUD 연구를 더욱 발전시키기 위해서는 이 질병에 대한 번역 관련 동물 모델이 필요합니다. 설치류에서 AUD의 가장 흔한 모델은 만성 간헐적 에탄올 증기 노출(CIE)이며, 이는 알코올 증기의 반복적인 흡입을 통해 알코올 의존을 유도하는 잘 확립된 접근 방식입니다4,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. 설치류 CIE 절차는 취급으로 인한 경련31, 과흥분성, 과민성 유사 행동, 불안 유사 행동 및 수면 장애와 같은 금단 증상을 유발하고 알코올 음주를 확대합니다.22,32,33,34,35. 더욱이, CIE는 자발적 알코올 섭취를 현저히 증가시키는데, 이는 인간의 AUD36에서 관찰된 강박적 섭취를 반영합니다. 중독 단계에서 마우스는 운동 실조, 진정 및 저체온증 장애를 포함하여 인간의 알코올 중독과 일치하는 행동 및 생리적 징후를 나타냅니다<.sup class="xref">37,38,39. 이러한 결과는 알코올 의존의 신경생물학적, 행동적 측면을 모두 포착하는 데 있어 CIE 모델의 유용성을 강조하여 AUD 메커니즘을 설명하고 잠재적인 치료 개입을 테스트하는 데 유용한 도구가 됩니다. 만성 간헐적 에탄올(CIE) 증기 노출과 같은 AUD의 전임상 모델에서 마우스는 인간의 알코올 중독 및 의존과 유사한 행동 및 생리학적 징후를 나타냅니다. 중독 단계에서 마우스는 운동 실조, 진정, 탐색 행동 감소 및 오른쪽 반사 장애를 포함한 징후를 나타낼 수 있습니다. 이러한 위험을 감안하여 동물을 면밀히 모니터링하여 심각한 중독 또는 건강 악화의 징후를 식별하기 위해 에탄올 증기에 노출되는 동안과 노출 후에 동물을 면밀히 모니터링했습니다.

쥐에서 CIE 모델은 종종 섭취량의 증가를 측정하기 위해 알코올의 조작적 자가 투여를 포함합니다40,41,42, 마우스 모델은 CIE와 2병 선택(2BC) drinking43,44를 포함합니다.. 알코올 의존에 대한 전임상 모델은 동물이 만성 에탄올 증기에 노출된 후 에탄올 섭취를 증가시킨다는 것을 일관되게 보여주었습니다23,45,46,47. 특히 마우스에서 CIE의 반복적 인 주기는 자발적 에탄올 섭취를 증가시키는 것으로 나타났습니다3,21,48,49,50. 전반적으로 이전 연구는 CIE 모델이 설치류의 에탄올 소비를 증가시키고 AUD를 모델링하기에 충분하다는 것을 보여줍니다.

본 연구는 AUD를 연구하기 위한 CIE 방법을 강조하고, 보다 구체적으로는 2BC/CIE 마우스 모델에 초점을 맞추는 것을 목표로 합니다. 2BC/CIE를 수행하는 데 필요한 단계에 대한 자세한 프로세스를 살펴보고 CIE 후 음주가 증가하는 예를 제시합니다.

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프로토콜

모든 절차는 퍼듀 대학교 동물 보호 및 사용 위원회의 승인을 받았습니다. 본 연구는 8주 된 C57BL/6J 마우스를 사용했습니다. CIE 그룹에는 5마리의 마우스(수컷 3마리, 암컷 2마리)가 있었고 공기 그룹에는 10마리의 마우스(수컷 5마리, 암컷 5마리)가 있었습니다. 동물들은 상업적인 출처(재료 표 참조)에서 얻었으며 음식에 접근할 수 있는 12시간 명암 주기로 그룹 수용되었습니다. 쥐의 체중은 실험 전반에 걸쳐 일주일에 한 번 측정되었습니다.

1. 일반 실험 설계

참고: 2병 선택(2BC)/만성 간헐적 에탄올 증기 노출(CIE)은 에탄올 의존성을 탐색하기 위한 전임상 마우스 모델입니다51.

  1. 2BC 주 동안 마우스가 에탄올(15% w/v)이 들어 있는 병과 물이 들어 있는 병에 접근할 수 있는지 확인합니다. 매일 2시간(월요일부터 금요일까지) 어두운 주기로 2시간 동안 시작합니다.
  2. 처음에는 안정적인 수준의 에탄올 섭취량에 도달할 때까지 생쥐에게 최소 2주간의 기본 2BC 음주를 허용합니다. 실험적 필요에 따라 마우스를 두 그룹(CIE 그룹 및 공기 그룹)으로 나누거나 평균 기준선 에탄올 섭취량을 기준으로 추가 처리가 포함된 경우 그 이상으로 나눕니다.
  3. 기준선 2BC 주 후, CIE 그룹의 마우스를 16시간 연속 증기 켜기 및 8시간 연속 증기 끄기로 4일 연속(월요일부터 목요일) 동안 에탄올 증기(CIE)에 노출시킵니다. 노출 기간 동안 안정적이고 지속적인 혈중 에탄올 농도를 보장하기 위해 피라졸을 알코올 탈수소효소 억제제로 동시 투여하여 급격한 에탄올 대사를 방지하고 일관된 전신 에탄올 수치를 촉진했습니다.
    참고: 조명, 진동, 소음 및 온도와 같은 잠재적인 챔버 특정 변수를 제어하기 위해 공기 그룹의 마우스는 CIE 그룹과 동일한 환경 조건의 동일한 챔버에 수용되었지만 알코올 증기에 노출되지 않았습니다.
  4. CIE/Air 주간에는 2BC가 발생하지 않도록 합니다. CIE/Air의 1주일 후, 다음 월요일부터 금요일까지 2BC에서 마우스를 다시 시작합니다.
  5. CIE 마우스에서 알코올 음주의 확대가 발생할 때까지 나머지 절차 동안 마우스에게 CIE/Air와 2BC를 교대로 몇 주 동안 허용합니다. 일주일에 한 번 이상 CIE의 쥐로부터 혈액을 수집하여 혈중 에탄올 농도(BEC)52를 확인합니다.

2. 실험적 준비

  1. 연구를 시작하기 전에 생쥐, 케이지/금속 케이지 상판, 케이지당 2개씩 나란히 들어갈 수 있는 음료수 병, 침구, 음식, 저울, 만성 간헐적 증기 챔버, Analox 기계 또는 BEC를 분석하기 위한 다른 방법(재료 표 참조)과 같은 소모품을 모두 획득하십시오.
  2. 실험에 필요한 모든 화학 물질(음용수, 95% 에탄올, 피라졸, 헤파린 및 멸균 식염수)이 준비되었는지 확인합니다.

3. 동물 서식화

  1. 생쥐가 실험과 같은 위치에 이미 수용되어 있지 않은 경우 새로운 환경에 적응할 때까지 최소 1주일을 허용합니다.
    참고: 이 기간 동안 생쥐는 스트레스와 관련된 혼란을 최소화하고 동물 복지를 개선하기 위해 부드럽게 다루는 습관을 들여야 합니다. 취급 세션은 5일 연속으로 하루에 한 번 수행되었으며 각 세션은 동물 당 약 2-3분 동안 지속되었습니다. 쥐는 꼬리를 들어 올리지 않고 실험자의 손에 오므리거나 부드럽게 안내되어 자발적으로 핸들러의 손을 탐색할 수 있었습니다. 이 기술은 일상적인 상호 작용을 촉진하고 후속 실험 절차 중 스트레스를 줄이며 보다 신뢰할 수 있는 행동 데이터를 보장합니다. 또한 동물들이 실험 환경에 더 잘 적응할 수 있도록 매일 30분 동안 실험 구역으로 옮겨졌습니다.
  2. 생쥐에게 1주일 동안 두 병을 선택하고 두 병 모두에 물을 채워 다른 케이지 설정에 적응할 수 있도록 하고 물을 마시기 위해 개별 케이지에 넣도록 합니다.

4. 15% w/v 에탄올과 물을 가진 2 병 선택

  1. 2병 선택 습관화
    1. 2병 선택 테스트 패러다임은 물을 사용한 2병 선택과 물과 에탄올을 사용한 후속 테스트의 주 내내 동일합니다. 조명이 꺼지기 30분 전에 그룹에 수용된 쥐를 개별 마시는 우리로 옮긴 다음 쥐가 2시간 동안 물을 마시도록 합니다.
    2. 2시간 음주 시간 전후의 각 음료수 병의 부피를 기록합니다. 각 그룹은 월요일부터 금요일까지 5일 동안 2BC를 겪습니다.
      참고: 습관화 주간의 목적은 동물들이 케이지에 있는 두 개의 병에 적응하여 한 병의 자연스러운 측면 위치로 인한 편견을 최소화하는 것입니다. 이번 주에는 두 병 모두에 물이 채워져 있습니다. 제공된 금속 호퍼가 하나의 병만 담을 수 있도록 설계된 경우 첫 번째 병에 인접한 막대 사이의 공간을 조심스럽게 사용하여 두 번째 병을 위한 공간을 만드십시오. 음주 실험에 사용되는 병은 10mL 및 25mL 피펫을 사용하여 맞춤 제작되며, 마우스가 마실 수 있도록 볼 베어링이 있는 스트레이트 시퍼를 삽입할 수 있도록 끝을 절단합니다. 바인더 클립을 사용하여 병을 와이어 뚜껑에 끼우면 마시는 동안 병이 움직이지 않도록 할 수 있습니다(보충 그림 1 및 보충 그림 2).
  2. 기본 2병 선택
    1. 습관화 후, 안정적인 에탄올 섭취를 확립하기 위해 마우스가 최소 2주간의 기본 2BC 음주를 받도록 합니다. 기준선 음주 중에 하루에 2시간, 일주일에 5일(월요일부터 금요일까지) 동안 한 병의 물병과 15% w/v 에탄올이 함유된 두 번째 병으로 마우스를 테스트합니다. 2시간 음주 기간 전후의 각 술병의 부피를 기록합니다.
      알림: 에탄올 섭취량의 안정적인 기준선을 설정하려면 각 마우스가 며칠 간 섭취량 변동이 약 15% 미만일 때까지 2BC의 주를 반복합니다.
    2. 마우스가 에탄올 섭취량의 안정적인 기준선을 달성한 후, 에탄올 섭취량에 따라 마우스를 에탄올 비의존적(공기 처리) 그룹과 에탄올 의존적(CIE 처리) 그룹으로 균등하게 나눕니다. 기준선 에탄올 섭취량이 설정되면 마우스는 다음 주에 CIE(또는 공기 노출)를 겪습니다.
      참고: 모든 실험에서 비종속 그룹을 포함해야 하는 것은 아니며 이는 연구의 초점에 따라 결정되어야 합니다. 예를 들어, 특정 처리를 한 마우스와 사용하지 않은 에탄올 의존성 마우스가 더 관련성 있는 비교가 될 수 있습니다.
  3. 2 병 선택 (2BC)
    1. 첫 번째 CIE 주 이후 기준선 음주 중에 수행된 대로 2BC 절차를 재개합니다.
      알림: 두 병 선택 마우스 음용 포뮬러는 15% w/v 에탄올 혼합물(1L): 95% 에탄올(195mL) 및 마우스 음용수(805mL)입니다.

5. 만성 간헐적 에탄올 증기(CIE) 노출

  1. 맞춤형 CIE 증기 챔버(보충 그림 3), 95% 에탄올, 에탄올-피라졸 용액(20% 에탄올에 68.1mg/kg 피라졸 혼합), 식염수-피라졸 용액(식염수에 68.1mg/kg 피라졸 혼합), 주사기(1mL) 및 바늘.
  2. 만성 간헐적 에탄올 증기(CIE) 절차
    1. CIE를 위해 증기 챔버에 넣기 전에 초기 에탄올 중독을 생성하고 에탄올 탈수소 효소를 억제하며 에탄올의 대사를 차단하는 데 사용되는 에탄올-피라졸 용액(0.0075mL/g)을 마우스에 복강내 주사합니다.53.
    2. 모든 Air Control 및 기타 그룹에 에탄올 대신 식염수(0.0075mL/g)와 혼합된 동일한 피라졸 용량을 주입합니다. 매주 CIE 첫날과 마지막 날에 피라졸 용액의 절반 용량(0.00375mL/g)을 투여하는 것이 좋습니다.
    3. 주사 후 공기/제어 마우스를 가정용 케이지로 되돌리고 CIE 그룹의 케이지를 증기 챔버 내부에 놓습니다.
      참고: 만성 에탄올 증기 노출과 관련된 잠재적인 건강 위험을 감안하여 동물의 복지를 보장하고 부작용을 감지하기 위해 프로토콜 전반에 걸쳐 동물을 면밀히 모니터링했습니다. 쥐는 일주일에 최소 두 번 체중을 측정했으며 건강 평가에는 고통의 임상적 징후에 대한 관찰이 포함되었습니다. 기준선에서 20%를 초과하는 체중 감소를 보이거나 구부정한 자세, 무기력, 필로렉션 또는 단정하지 않은 털과 같은 징후를 보이는 동물은 인도적 종점에 도달한 것으로 간주되었으며 승인된 기관 동물 관리 및 사용 지침에 따라 연구에서 즉시 제거되었습니다. CIE 기간 동안 생쥐는 에탄올 노출이 중단된 후 연장된 금단 기간에 접어드는 주말로 갈수록 건강 상태가 좋지 않을 수 있습니다. 금단 증상의 심각성을 최소화하기 위해, 매주 증기 노출 마지막 날에 피라졸의 절반 용량을 투여합니다. 또한, 동물이 에탄올에 다시 노출되는 것을 완화하기 위해 각각의 새로운 CIE 주기가 시작될 때 절반 용량이 제공됩니다. 알코올 탈수소효소 억제제인 피라졸은 혈중 에탄올 농도를 안정화하고 연장하는 데 사용됩니다. 용량은 일반적으로 0.00375mL/g에서 0.0075mL/g 사이이며 원하는 혈액 에탄올 농도를 달성하기 위해 조정할 수 있습니다.
    4. 쥐를 증기 챔버에 넣으면 문을 잠그고 펌프를 적절한 증기 수준(예: 1-3)으로 설정합니다. 실험의 실행 시간을 설정합니다. 본 연구에서는 실험이 오후 17:00에 시작되어 오전 09:00에 완료되었으며 1-2의 펌프 설정이 사용되었습니다(전체적으로 사용됨).
    5. 그런 다음 CIE 증기 챔버 제어 화면에서 시작 버튼을 눌러 실험을 시작합니다.
      참고: 이 단계는 사용 중인 챔버와 설정의 차이에 따라 달라질 수 있습니다. 여기서, 모든 마우스가 주입되어 에탄올 챔버에 배치되면, 챔버는 95% 에탄올을 유리 플라스크로 펌핑하기 시작하고 액체 에탄올을 증기로 가열해야 합니다. 증기는 쥐가 4일 동안(월요일 저녁부터 금요일 아침까지) 하루 16시간 동안 유지되는 챔버를 통해 흐릅니다. 매일 생쥐는 8시간 동안 증기가 꺼지는 것을 경험합니다. 그런 다음 마우스는 4일째(금요일 아침)가 끝날 때 챔버에서 꺼내고 다음 월요일에 2BC를 시작합니다. 특정 증기 챔버 시스템 및 설정에 따라 다양한 설정/증기 수준으로 인해 BEC에 변동이 있을 수 있습니다. 시스템 구성 요소, 공기 흐름, 배기 장치 등의 약간의 차이와 같은 다양한 요인이 이 문제를 일으킬 수 있습니다. 피라졸 투여 대신 에탄올 증기 수준을 조정하면 BEC를 목표 범위로 유지하는 데 적합합니다. 허용 오차가 개발됨에 따라 BEC가 너무 낮아질 수 있으며 증기 수준을 조정해야 할 수 있습니다. 증기 수준 사이의 구배가 너무 가파르기 때문에 BEC를 증가시킬 수 없는 경우, 그에 따라 피라졸 용량을 조정하여 BEC를 변경하는 것이 좋습니다.
    6. CIE 기간 동안 적어도 일주일에 한 번 마우스의 BEC(5.3단계 참조)를 측정합니다. BEC가 떨어지기 시작하지 않았는지 확인하기 위해 증기가 멈추기 30분 전에 혈액 채취를 수행합니다.
      참고: 몇 주 동안 에탄올 내성이 구축됨에 따라 실험 중에 증기 수준을 조정해야 할 수도 있습니다. BEC는 증기 설정을 조정하기 전과 후에 테스트해야 합니다.
    7. CIE 다음 주에 마우스를 2BC 테스트에 다시 참여시킵니다.4단계와 5단계를 반복합니다. 생쥐가 기준선 음용량에 비해 에탄올 소비량이 현저히 증가할 때까지 4-8주기(8-16주) 동안 CIE와 2BC를 번갈아 가며 유지합니다.
  3. 혈액 측정
    1. Analox 시스템, 블레이드, 튜브(0.2mL), 헤파린/EDTA 및 원심분리기와 같은 BEC 측정 장비(재료 표 참조)를 준비합니다.
    2. CIE 주간 동안 증기 시스템이 꺼지기 30분 전에 CIE 마우스를 한 번 꼬리를 잘라 BEC를 결정하기 위한 혈액을 수집합니다. 채혈은 lab54.
      의 선호도에 따라 여러 가지 방법을 사용하여 수행할 수       있습니다. 참고: 혈액은 헤파린 처리 또는 EDTA 코팅된 0.5mL 튜브에 수집됩니다(재료 표 참조).
    3. 수집된 혈액 샘플을 처리할 때까지 4°C로 유지합니다.
    4. 샘플을 처리하려면 먼저 208 x g에서 4°C에서 10분 동안 원심분리하여 플라즈마를 분리합니다.
    5. 산소 속도 에탄올 분석기(재료 표 참조) 또는 BEC를 측정할 수 있는 기타 시스템을 사용하여 혈중 에탄올 농도를 측정합니다.

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결과

본 대표 연구에서는 2BC 동안의 에탄올 섭취량(g/kg)을 기저 음주 기간과 수주간의 CIE 이후(증기 노출 후)로 나누어 보고하였습니다. 프로토콜에 기술된 바와 같이, 2BC 기간 동안 생쥐는 물이 담긴 병 하나와 15% (w/v) 에탄올이 담긴 병 하나, 총 두 개의 병을 이용할 수 있었습니다. 기저 섭취량이 결정된 후, 피험자들은 CIE 군 또는 Air 군으로 균등하게 배정되었습니다. CIE 이전 3주간의 초기 기저 에탄올 섭취량은 2.00 g/kg ± 0.21 g/kg (n = 15)로 안정화되었습니다(그림 1A,B).

알코올 섭취의 모든 주차를 분석한 결과, 이원 반복측정 분산분석(two-way repeated measures ANOVA)에서 에탄올 섭취량에 대해 CIE 처치 효과(F(13,78) =7.471, p < 0.0001)와 주차 효과(...

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토론

알코올 사용 장애는 유병률이 높고 사회에 비용이 드는 세계적인 공중 보건 문제를 나타냅니다56. 전임상 동물 모델에서 AUD를 연구하기 위해 마우스에서 일반적인 방법은 2BC/CIE 20,34,43,44,51,57,58,59입니다. 여기에서 이 확립된 알코올 의존 모델을 사용하여 표준 2BC/CIE 연구의 대표적인 방법과 결과를 제시했습니다. 예상대로 이 연구는 쥐가 공기 대조군 및 자신의 이전 기준 알코올 섭취량...

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공개 사항

Maury Cole은 La Jolla Alcohol Research Inc.의 소유주이자 운영자입니다.

감사의 글

이 작업은 NIH(National Institutes of Health) 보조금 AA027301 및 AA029985의 지원을 받았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
500 Eppendorf 튜브EppendorfL203896J
95% 에탄올Decon laboratories2816
Analox 기계Analox InstrumentsAnalox-AM1
동물 체중계Kent ScientificSCL-4000
바인더 클립사무실 창고560394
C57BL/6J 마우스 Jackson Laboratory000664
CentrifugeEppendorf5418R
Chronic intermitted vapor chamberLa Jolla Alcohol Research Inc맞춤형 재료
Heparin/EDTASagent PharmaceuticalsTS/DRUGS/2/2015
Mouse beddingBed-o' Cobs8Bfill with 1/8 "
deep Mouse drinking bottle맞춤형 재료
PyrazoleSigma-Aldrichbccc6397
Teklad 글로벌 18 % 단백질 (마우스 식품)Teklad 글로벌Envigo 2018

참고문헌

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