Dit artikel beschrijft het ontwerp, de assemblage en het protocol voor een geautomatiseerd voersysteem, samen met een alternatieve deksel- en kooiaanpassing die kan worden geïmplementeerd op standaard knaagdierkooien met minimale aanpassingen voor vastgebonden optogenetische of vezelfotometrie-experimenten. Het voersysteem biedt een kosteneffectief hulpmiddel voor getimed voeren en/of caloriebeperking.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een doe-het-zelf-systeem voor het systematisch voeren van laboratoriumknaagdieren in hun thuiskooi
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Intermitterend vasten en onderzoek naar de invloed van getimede caloriebeperking op de regulering van het lichaamsgewicht en verouderingsresultaten zijn trending, zowel in de samenleving als in het laboratorium. Om tijdgebonden voeding en/of caloriebeperking in het laboratorium te bestuderen, worden de toegewezen hoeveelheden voedsel met geplande tijdsintervallen verspreid. De huidige technologie voor het gepland voeren van knaagdieren omvat gespecialiseerde kooien met omheinde voedselinvoerpoorten, tijdvergrendelde digitale trechters of handmatige voedselbezorging. Gespecialiseerde apparatuur voor dergelijke experimenten kan kostbaar zijn en handmatig voeren vereist vaak dat onderzoekers 's avonds laat / vroeg in de ochtend komen, waardoor langdurige onderzoeken worden uitgesloten. Het geautomatiseerde voersysteem dat hier wordt beschreven, biedt een kosteneffectief hulpmiddel voor getimed voeren en/of caloriebeperking dat met minimale aanpassingen kan worden geïmplementeerd op standaard knaagdierkooien. Het protocol maakt gebruik van een kant-en-klare autofeeder die is uitgerust met een standaard micro-isolator kooideksel (muizen-, hamster-, ratten- of caviakooideksels) en kan de gewenste voedseltoewijzingen toedienen met geprogrammeerde tijdsintervallen in de thuiskooi van het dier. Ons ontwerp kan worden aangepast om verschillende feeders of kleine variaties in kooiafmetingen te accepteren. We bieden het ontwerp, de assemblage en het protocol voor het voersysteem, samen met een alternatieve deksel- en kooiaanpassing voor experimenten met vastgebonden optogenetische of vezelfotometrie.
Inleiding
Intermitterend vasten is een belangrijk gebied van onderzoek naar stofwisseling en veroudering. Een goede afstemming van voeding en circadiane ritme kan het effect van voeding op het lichaamsgewicht veranderen 1,2,3,4. Verder wordt langdurig intermitterend vasten geassocieerd met een langere levensduur en verbeterde leeftijdsgebonden aandoeningen 5,6,7,8. Onderzoeken die langdurige vastenprotocollen (>20 dagen) implementeren, vereisen doorgaans gespecialiseerde apparatuur. Hoewel het mogelijk is om voedsel handmatig te bezorgen voor geplande voedingsprotocollen, kan dit vereisen dat een onderzoeker gedurende een langere periode op verschillende tijdstippen buiten kantooruren aanwezig is. Bijvoorbeeld, drie voedertijden die 4 uur uit elkaar liggen, vereisen handmatige levering om 8:00 uur, 12:00 uur en 4:00 uur; waarschijnlijk een nalevingsuitdaging om langer dan een paar dagen vol te houden.
Alternatieven voor handmatige voedsellevering voor laboratoriumknaagdieren zijn 1) gespecialiseerde kooien met geautomatiseerde poorttoegang tot voedsel of 2) digitale hoppersystemen die geautomatiseerde en geprogrammeerde toegang tot voedsel bieden, zoals FED39. Kooisystemen met omheinde toegang tot voedsel zijn kostbaar en sommige bieden geen geschikte thuiskooiomgeving voor langetermijnstudies. Traditionele operante conditioneringsboxen zijn bijvoorbeeld in staat om voedsel geautomatiseerd te bezorgen, maar hebben een draadroostervloer die niet bevorderlijk is voor langdurige huisvesting. Het BioDAQ-systeem van Research Diets levert voedsel en water via omheinde externe poorten. Programmeerbare geautomatiseerde poorten maken langdurige geplande voedings- of drinkstudies mogelijk, maar het systeem is een kostbare investering. Gemechaniseerde trechtersystemen zijn nog een ander hulpmiddel voor geautomatiseerde protocollen voor geplande aanvoer 9,10. De twee genoemde gemechaniseerde trechters komen met het voorbehoud dat ze de leefruimte van de huiskooi verkleinen. Hongerige dieren met voedselbeperkingen kunnen op de voederapparaten kauwen en/of kooiresten kunnen de mechanica van de trechter verstoren voor langetermijnstudies. Ten slotte werd een gemechaniseerde trechter, ontwikkeld door de Takahashi-onderzoeksgroep samen met Phenome Technology, speciaal ontworpen voor geplande voedingsstudies op lange termijn3. In dit systeem wordt een gemechaniseerde trechter boven het rooster van een standaardkooi geplaatst met een stortkoker die voedsel aanvoert. Het Phenome-systeem biedt echter geen flexibiliteit voor dieren die aan een patchkabel zijn vastgemaakt (experimenten met optogenetica/vezelfotometrie), en het is relatief duur in vergelijking met het autofeeder-apparaat dat hier wordt beschreven.
Als antwoord op de heersende uitdagingen in geplande voerprotocollen, stellen we een kosteneffectieve remedie voor. Ons geautomatiseerde systeem maakt een nauwkeurige levering van eten mogelijk op vooraf bepaalde tijdstippen. Met een combinatie van 3D-geprinte onderdelen en een in de handel verkrijgbare automatische visvoeder, bedenken we een doe-het-zelf (doe-het-zelf) extern voersysteem dat kan worden uitgerust op stand-alone knaagdierkooien die micro-isolator tops gebruiken. Het hier beschreven voersysteem en de hier beschreven onderdelen kunnen rechtstreeks worden aangebracht op een van de volgende knaagdierkooien: muis, rat, hamster of cavia, op voorwaarde dat de op zichzelf staande kooien micro-isolator gebruiken. Omdat de kooien in grootte variëren, kunnen de plaatsingen enigszins variëren, maar de 3D-geprinte beugels, het voersysteem en het ontwerp van de externe waterfles zijn over het algemeen van toepassing op stand-alone knaagdierkooien met micro-isolator deksels.
We profileren één voorbeeld van een autofeeder, maar er zijn veel andere kant-en-klare autofeeders beschikbaar die met kleine wijzigingen in de 3D-geprinte onderdelen op het modulaire systeem kunnen worden gemonteerd. Om het gemakkelijker te maken de 3D-geprinte houder aan te passen aan alternatieve feeders of kleine variaties in de afmetingen van de kooi, bewijzen we een aanpasbaar, 3-dimensionaal SolidWorks-bestand met een bijbehorend STL-bestand.
De externe plaatsing van de autofeeder biedt volledige ruimte in de thuiskooi en maakt loskoppelen, steriliseren en herladen of vervangen van de feeder mogelijk zonder het dier te verstoren. Het geautomatiseerde voersysteem is efficiënt voor langdurige opnames, betaalbaar en vatbaar voor verschillende tijdgebonden voedings- en/of caloriebeperkingsprotocollen. We bieden gedetailleerde technische tekeningen van de kooiassemblages, het ontwerp en het protocol voor de implementatie van het voersysteem, samen met voorbeeldgegevens. Ten tweede bieden we een reeks instructies om standaard kooien aan te passen voor het gebruik van de autofeeder met dieren die zijn vastgemaakt aan een patchkabel voor optogenetische of vezelfotometrie-experimenten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle procedures zijn goedgekeurd door de Amherst Institutional Animal Care and Use Committee van de Universiteit van Massachusetts.
1. Montage van de autofeeder op het deksel van een standaard micro-isolator (Figuur 1)
- Snijd met een roterend gereedschap met een snijwiel van 1.5 inch een vierkant van 20 x 25 mm uit in het deksel van een micro-isolator kooi. Plaats de opening op 2.75 cm van de rand van het deksel en in het midden boven het rooster (Figuur 1B, links).
- 3D-print een beugel om de autofeeder op het deksel van de kooi te koppelen (Afbeelding 1A en aanvullend bestand 1). Klik de beugel op het gat van het deksel van de kooi (stap 1.1; Figuur 1B, midden) en schuif de autofeeder op de bovenkant van de beveiligde beugel (Figuur 1B [rechts], C).
Afbeelding 1: Aanpassing en montage van de autofeederbeugel en het deksel van de kooi. (A) Technische tekening van de autofeeder-beugel (zie SolidWorks/STL-bestanden in aanvullend bestand 1 voor schaal in 3D). (B) Van links naar rechts, bovenkant van de kooi met gat van 20 x 25 mm; beugel geïnstalleerd op de bovenkant van de kooi en gemonteerd met Petbank autofeeder. (C) Geassembleerde Petbank Autofeeder op kooi met voedselpellet gedropt op een standaard rooster met waterfles. Schaal balken = 25 cm). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Programmering en gebruik van het voorbeeld van een kant-en-klare autofeeder
- Voor getimede experimenten stelt u eerst de voedertijden in en de gesynchroniseerde feederklok als laatste, omdat volgende aanpassingen de kloktijd zullen verschuiven.
- Zorg ervoor dat de feeder voldoende is opgeladen. Houd de knop Instellingen ingedrukt totdat de uurinstelling op het scherm knippert.
- Ga door naar de tijdinstelling . Stel met behulp van de pijlen omhoog en omlaag de tijd in op de eerste gewenste geplande voerperiode.
- Stel het aantal toewijzingen voor dit tijdstip in (aangegeven door het aantal stippen naast de voerinstelling). Herhaal stap 2.2-2.4 voor maximaal twee extra tijdstippen.
- Laad de autofeeder-kamers met de gewenste voedseltoewijzingen van ≤ 1,5 g standaard knaagdiervoer. Als er meer voedsel nodig is, stelt u de feeder in om meerdere toewijzingen op een bepaald tijdstip af te leveren. De voorbeeldfeeder heeft 16 kamers.
OPMERKING: Voedsel kan op maat worden besteld of met een schaar worden bijgesneden. - Label een kamer met tape of verf om de geprogrammeerde kamerrotatie en voedselafgifte te bevestigen. Controleer dagelijks tijdens het gebruik van de feeders.
3. Aangepast kooisysteem voor aangebonden dieren met de autofeeder
- Optioneel vervangend dekselinzetstuk voor dieren die aan een patchkabel zijn vastgemaakt (Afbeelding 2)
- Lasersnijd een stuk 3 mm dik, helder acrylaat volgens de specificaties van Figuur 2A (zie ook Aanvullend Bestand 2). Het acryl inzetstuk is ontworpen met lipjes om in de bovenkant van de kooi te klikken. De middelste spleet (190 x 5 mm) maakt doorgang van de patchkabel mogelijk. Het vierkante gat van 20 x 25 mm past op de autofeeder-beugel; 20 ventilatieopeningen zorgen voor circulatie van frisse lucht.
- Gebruik een platte schroevendraaier of een wiggereedschap om de geperforeerde bovenklep van de kooi van een standaard micro-isolator deksel los te wrikken. Werk om de lipjes uit de sleuven van de tabbladen los te maken en verwijder zowel het geperforeerde inzetstuk als het filterpapier (Afbeelding 2C, links en midden).
- Onder de geperforeerde bovenkant en het filterpapier bevindt zich een intern geribbeld steunrooster. Gebruik een roterend gereedschap en een snijwiel van 1.5 inch om het steunrooster te verwijderen; volgens de pijlindicatoren in het midden van figuur 2C. Na het snijden om het steunrooster te verwijderen, vijlt u om de snijrand glad te strijken.
- Klik het vervangende inzetstuk van de acrylplaat (stap 3.1) in de bovenkant van de kooi. Begin met de installatie door de plaatlipjes in de lipgleufjes langs een van de korte zijden en vervolgens een van de lange zijden te schuiven en voorzichtig aan te drukken totdat de plaat op zijn plaats klikt (Figuur 2C [rechts], D).
- Optionele externe waterflesbeugel voor dieren die aan een patchkabel zijn vastgemaakt (Figuur 3)
- Boor een poort voor de drinkbeker: gat met een diameter van 11 mm, 50 mm vanaf de vloer, gecentreerd aan de korte kant van de kooi (Figuur 3B en aanvullend bestand 3).
- Boor aan weerszijden van het middelste gat (± 27,5 mm) twee gaten met een diameter van 6 mm. Gebruik eventueel een vierkant ponsgereedschap van 8 mm om vierkante gaten te boren (weergegeven in afbeelding 3B).
- 3D-print een externe waterflesbeugel (Figuur 3A en aanvullend bestand 4). Monteer de beugel van de waterfles aan de bodem van de kooi met slotbouten (2 cm lang, 6 x 1 mm of 0,75" lang 1/4 x 20; Figuur 2B,C).
- Monteer voor een waterfles een standaard conische buis van 50 ml, afgedekt met een sipper/stopper-assemblage (#7 Stopper W/ 3-1/2" gebogen sipper, zie materiaaltabel) op de externe beugel. Vul elke 2-3 dagen water bij.
Figuur 2: Montage van een acrylplaat op de bovenkant van de kooi. (een, b) Technische tekeningen van acrylplaat en plug van de feederpoort. (C) Links, standaard kooi top met geperforeerd inzetstuk en filter. Centreren, verwijderen van het geperforeerde inzetstuk en filter (het geribbelde raster moet langs de pijlaangegeven lijnen worden uitgesneden). Rechts, acrylplaat klikte op zijn plaats. (D) Volledige dekselmontage. Schaalbalken = 25 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Montage van de beugel voor waterflessen. (A) Technische tekening van de 3D-geprinte beugel voor waterflessen. (B) Aanpassingen aan de kooi en beugel voor waterflessen; (C) Beugel geïnstalleerd; (D) Volledige montage van de kooi. Schaalbalken = 10 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Samenvatting van de volledige kooi met de autofeeder. (A) Standaard kooi met rooster, (B) aangepaste kooi voor aangebonden dieren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Een onderzoek naar caloriebeperking (21 dagen) om onvruchtbaarheid bij vrouwelijke muizen te induceren (autofeeder en kooiontwerp, Figuur 4A)
Chronisch energietekort is voldoende om de vruchtbaarheid van zoogdieren te remmen, een reactie die zowel bij knaagdieren als bij mensen behouden blijft 11,12. In deze studie gebruiken we caloriebeperking om langdurig gewichtsverlies te indu...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
In preklinische diermodellen is caloriebeperking een krachtig experimenteel hulpmiddel om het metabolisme nauwkeurig te manipuleren en te bestuderen. Aanhoudend gewichtsverlies heeft implicaties voor obesitas, diabetes, veroudering, vruchtbaarheid en menopauze (een vorm van reproductieve veroudering), die allemaal belangrijke translationele eindpunten zijn. Paradigma's voor caloriebeperking kunnen echter moeilijk voor langere tijd vol te houden zijn. In dit manuscript bieden we een koste...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen belangenconflicten te onthullen.
Dankbetuigingen
Jason Lê wordt ondersteund door het door de National Institutes of Health gefinancierde post-baccalaureaat onderzoeksonderwijsprogramma.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| #7 Stopper W/ 3-1/2" gebogen sipperslang zonder bal | Labex | 2067 | |
| AN75 muizenkooibodem | Ancare | AN75HT | |
| Automatische visvoerder voor aquarium | Petbank-tek.com | Amazon-distributie (#B0BRCWP16K) | |
| Rodent Micro-filter Tops | Ancare | N10MBTPLF | |
| Rubbers Stopper, Eén Gat | United Scientific | S24009 | |
| standaard knaagdiervoer | Prolab IsoPro 3000 |
Referenties
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Di Francesco, A., Di Germanio, C., Bernier, M., de Cabo, R. A time to fast. Science. 362 (6416), 770-775 (2018).
- Longo, V. D., Panda, S. Fasting, Circadian rhythms, and time-restricted feeding in healthy lifespan. Cell Metab. 23 (6), 1048-1059 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
- 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).
- Mandelblat-Cerf, Y., et al. Arcuate hypothalamic AgRP and putative POMC neurons show opposite changes in spiking across multiple timescales. Elife. 4, e07122(2015).
- 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).
- Eckel-Mahan, K., Sassone-Corsi, P. Phenotyping circadian rhythms in mice. Curr Protoc Mouse Biol. 5 (3), 271-281 (2015).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
