Este protocolo descreve um modelo voluntário eficaz de corrida de rodas que pode ser implementado em vários contextos de pesquisa. Ao contrário de outros modelos de execução voluntária, esse método evita o isolamento enquanto rastreia métricas de execução em mouses individuais.
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Artigo de método
Rastreando métricas de corrida individuais em camundongos usando um protocolo voluntário de corrida de roda que minimiza o isolamento social
Neste artigo
Resumo
Resumo
A corrida voluntária em roedores é utilizada para avaliar o desempenho e a resistência e para simular o exercício. Em contraste com outros paradigmas de exercícios que requerem estímulo aversivo para induzir o movimento ativo, a corrida com rodas é voluntária. A VWR consiste geralmente em colocar uma roda de corrida dentro da gaiola inicial do rato. No entanto, a análise dos parâmetros do exercício normalmente só pode ser conduzida quando os camundongos estão alojados individualmente, enquanto os efeitos gerais da gaiola podem ser relatados quando os camundongos são alojados em grupo. Portanto, os modelos atuais forçam os experimentadores a escolher entre medir parâmetros individuais de exercício em camundongos alojados em um único ou medir os efeitos do grupo em camundongos alojados em grupo; Dependendo da questão e do modelo de pesquisa, isso pode ser limitante.
Portanto, o objetivo deste método é demonstrar um protocolo que avalie a VWR em um modelo de camundongo, quantificando os parâmetros de execução em camundongos individuais, com isolamento mínimo. Relatamos o design do dispositivo, os preparativos pré-operatórios e a configuração do experimento. Os resultados de um protocolo de treinamento de 6 semanas usando este modelo VWR sugerem que ele fornece estímulo suficiente para aumentar a memória de reconhecimento de objetos espaciais, comparável ao efeito clínico do exercício. Este modelo simples e barato facilita a investigação do efeito da VWR em várias medições da atividade da roda, minimizando fatores que podem limitar ou afetar os resultados experimentais.
Introdução
O exercício afeta beneficamente a saúde fisiológica e psicológica e pode melhorar a fisiopatologia de inúmeras doenças1. A atividade física é fundamental para a saúde, e a Organização Mundial da Saúde (OMS) relatou em 2020 que o aumento da atividade física reduz o risco de inúmeras doenças, incluindo distúrbios psicológicos2. Além da prevenção de doenças, o exercício pode melhorar a função cerebral, estimulando o fluxo sanguíneo3, induzindo a neurogênese, particularmente no hipocampo4, uma região chave do cérebro para aprendizado e memória, regulação hormonal5 e plasticidade sináptica através do aumento dos níveis de fatores neurotróficos derivados do cérebro6. Por meio desses mecanismos, o exercício pode melhorar a função cognitiva e a memória7,8,9. Mecanismos neurobiológicos adicionais promovidos pelo exercício apoiam a saúde mental, incluindo liberação de endorfina10, redução do cortisol11, melhora da qualidade do sono12 e inibição da neuroinflamação13. Temos anteriormente
demonstraram que o exercício voluntário pode promover resiliência ao estresse crônico e comportamento semelhante à ansiedade em camundongos machos e fêmeas14. As evidências de que a atividade física melhora os resultados da doença, combinada com a promoção da saúde mental, destacam a necessidade de estratégias para incentivar a atividade física, incluindo o aumento de nossa compreensão do potencial preventivo e terapêutico do exercício.
Um método para estudar os efeitos do exercício na função biológica é usar modelos de exercícios de roedores. Esses modelos são eficazes no aumento do débito cardíaco e na indução da produção de lactato em vários níveis, dependendo da intensidade e frequência do exercício. Modelos comuns usados para estudar o efeito terapêutico do exercício incluem natação, treinamento em esteira e treinamento intervalado de alta intensidade15. Uma desvantagem de alguns modelos, no entanto, é o exercício involuntário ou forçado, que pode ser uma experiência estressante. Por exemplo, quando camundongos são submetidos a corrida em esteira em um modelo de lesão por isquemia cerebral, foi relatado um comportamento semelhante à ansiedade elevada no teste de campo aberto, aumento dos níveis de corticosterona, dano neuronal ou aumento dos níveis de citocinas16. Alternativamente, modelos de exercícios voluntários, incluindo VWR, podem evitar a experiência potencialmente estressante, permitindo que os roedores corram livremente, sem a necessidade de condicionamento ou reforço17. A VWR é normalmente realizada fornecendo acesso contínuo a uma roda de corrida em uma gaiola que abriga 4-5 camundongos ou gaiolas de camundongos com um único alojamento. Portanto, a VWR fornece condições não estressantes, pois não requer um estímulo negativo ou uma intervenção direta do experimentador e pode fornecer um mecanismo de enfrentamento ou experiência de enriquecimento18,19,20.
O objetivo deste método é propor um protocolo VWR simples e barato que permita o rastreamento de métricas individuais em execução com isolamento mínimo. Os camundongos são alojados em grupo para evitar o isolamento social prolongado, e os parâmetros de corrida são registrados para camundongos individuais, isolando-os em uma arena de corrida por apenas 2 h / dia. Os detalhes são fornecidos para um modelo VWR de 6 semanas no qual 10 camundongos C57BL/6 tiveram acesso a rodas de corrida por 2 h/dia, enquanto 10 camundongos C57BL/6 tiveram acesso a rodas travadas. Os resultados confirmaram que este protocolo VWR foi capaz de rastrear com sucesso parâmetros de corrida individuais com isolamento mínimo e mediar os efeitos benéficos do exercício na memória espacial induzida pelo hipocampo no teste de reconhecimento de objetos espaciais (SORT).
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Protocolo
Todos os procedimentos experimentais foram aprovados pelo Comitê de Cuidado e Uso de Animais da Rowan University. Camundongos machos pesavam entre 20 g e 27 g e tinham 8 a 10 semanas de idade no início do estudo. Os camundongos foram mantidos em grupos de 4, em um ambiente controlado (ciclo claro/escuro de 12:12 h) com acesso ad libitum a alimento e água.
1. Configuração das rodas
- Na circunferência média externa de cada roda, cole um ímã. Esse ímã será detectado pelo sensor do velocímetro para monitorar a VWR (Figura 1A).
- No lado oposto da roda, cole um objeto com peso semelhante ao do ímã (uma moeda) para contrabalançar e evitar rotação indesejada devido ao peso do ímã.
- Crie uma plataforma para o velocímetro e a roda. Usando uma placa de isopor branco, corte um pedaço com formato complementar à base da roda e fixe-o com fita adesiva à base (Figura 1B).
- Após inserir um conjunto novo de pilhas no velocímetro, configure o tamanho da roda durante a programação inicial, medindo a circunferência externa da roda.
- Fixe o sensor do velocímetro na plataforma. Certifique-se de que o sensor do velocímetro esteja posicionado paralelamente ao ímã da roda para permitir a correta gravação do movimento (Figura 1C). Cada vez que o ímã passar pelo sensor, será contada como uma revolução.
- Envolva o sensor e o fio com fita adesiva para evitar que os camundongos roam os fios (Figura 1D).
Figura 1: Configuração do equipamento com roda giratória. (A) Um ímã e uma moeda colados (seta vermelha) em lados opostos da borda externa da roda. (B) Uma plataforma feita de placa de espuma (seta vermelha) usada como suporte para o sensor do velocímetro. (C) Sensor do velocímetro sobre a plataforma (seta vermelha); (D) Sensor fixado com fita (seta vermelha) e configuração final da roda. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.
2. Configuração do aparelho
- Utilize o aparato comportamental e divida a caixa de 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) em quatro quadrantes para testar individualmente quatro camundongos ao mesmo tempo.
- Corte duas peças de placa de espuma branca com base nas seguintes dimensões: C 30 cm, L 40 cm (Figura 2A).
- No centro do lado de 40 cm de largura da placa de espuma, faça um corte de 20 cm para permitir a interseção de duas placas de espuma.
- Cubra a placa de espuma com papel adesivo impermeável para facilitar a limpeza entre os grupos.
- Divida a caixa de 40 cm x 40 cm x 35 cm (h) em quatro quadrantes (20 cm x 20 cm x 30 cm (h)) utilizando duas placas de espuma cruzadas (Figura 2B).
- Coloque uma roda preparada (verifique a montagem da roda acima) em cada canto dos quadrantes e fixe os fios na parede. Fixe os velocímetros ao lado do aparato de plexiglass transparente (Figura 2C).
Figura 2: Configuração do aparelho. (A) Placa de espuma cortada e fixada com fita adesiva; (B) Aparelho de plexiglass dividido em quatro quadrantes; (C) uma roda colocada no canto de um quadrante com o fio do velocímetro fixado na parede. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.
3. VWR
OBSERVAÇÃO: Além das métricas do velocímetro, utilizamos um software de rastreamento comportamental, o sistema de rastreamento comportamental ANY-maze, para fornecer informações adicionais de rastreamento comportamental.
- Realize as sessões de VWR diariamente, na fase clara, sempre no mesmo horário (das 9h às 11h). Coloque os camundongos sem exercício em arenas idênticas por 2 h, mas com as rodas travadas. Trave as rodas usando cola quente para imobilizar o centro de rotação da roda e impedir sua rotação.
- Coloque os camundongos na sala de VWR para habituação por 30-60 min.
- Zere todos os velocímetros.
- Coloque cada camundongo no canto do quadrante onde ele possa correr livremente por 2 h.
- Após 2 h, devolva os camundongos às suas gaiolas de origem e registre os dados dos velocímetros.
- Limpe as arenas e as rodas com etanol 70% entre os dois grupos.
4. CLASSIFICAÇÃO
OBSERVAÇÃO: Ao final de 5 semanas de VWR, foi realizada a avaliação SORT para testar se o exercício melhorou a função hipocampal de acordo com o protocolo publicado21.
- Realize as sessões de habituação e o SORT durante a fase clara em uma sala com iluminação ambiente. Realize as sessões de habituação um dia antes do SORT, durante as quais transfira os camundongos para gaiolas individuais e leve-os à sala de testes para pelo menos 30 minutos de aclimatação.
- Designe um dos cantos da arena como o "canto de liberação" e certifique-se de que cada camundongo seja colocado voltado para o canto de liberação para explorar livremente a arena por 6 minutos. Retorne os camundongos para suas gaiolas individuais para limpar a arena com etanol 70%.
- Repita o passo 4.1.1 duas vezes, de modo que cada camundongo passe por três sessões de habituação. Após a conclusão das sessões de habituação, retorne todos os camundongos para suas gaiolas de origem.
- Após 24 horas, retorne os camundongos à sala de testes e permita que se habituem em gaiolas individuais por 30 a 60 minutos antes do teste.
- Fixe dois objetos diferentes na arena de maneira contrabalanceada, a 6 x 6 cm de dois cantos que não são o canto de liberação.
- Coloque cada camundongo voltado para o canto de liberação para explorar livremente os objetos por 10 minutos. Retorne os camundongos para suas gaiolas individuais por 20 minutos e limpe os objetos e a arena com etanol 70%.
- Mova um dos dois objetos e fixe-o a 6 x 6 cm de um novo canto que não é o canto de liberação, sem modificar a posição do outro objeto.
- Coloque cada camundongo voltado para o canto de liberação para explorar livremente os objetos por 10 minutos antes de retornar à sua gaiola de origem. Grave este teste usando software automatizado para medir o tempo de investigação por objeto e calcule a porcentagem de tempo de investigação da seguinte forma:
% tempo de investigação =
5. Análise estatística
- Expresse todos os dados como média ± erro padrão da média (SEM).
- Realize as análises estatísticas utilizando software de análise estatística, com significância definida em p ≤ 0,05. Analise os resultados do SORT utilizando o teste T de Student.
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Resultados
Neste estudo, 20 camundongos machos C57BL/6 foram aleatoriamente distribuídos em um dos dois grupos: sem exercício (NO-EX) ou exercício (VWR) durante 6 semanas. Os parâmetros individuais de corrida foram registrados diariamente em velocímetros e plotados abaixo ± erro padrão da média (SEM) (Figura 3A-C). Ao longo das 6 semanas, os camundongos foram mais ativos na semana 2, período em que passaram em média 2.135,87 ± 351,14 s na roda, percorrendo uma distância de 1,16 ± 0,25 ...
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Discussão
Vários paradigmas de exercício são usados por pesquisadores para avaliar a atividade física e seus efeitos em roedores, incluindo paradigmas de corrida voluntária e forçada. Em comparação com os paradigmas de exercício forçado, o VWR permite que os ratos corram livremente em uma intensidade mais baixa, o que minimiza as condições estressantes22. Atualmente, os investigadores podem coletar parâmetros de exercício de camundongos individuais alojando-os 23,24,25,26,...
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Divulgações
Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| ANY-box Sistema de Teste de 5 Comportamentos | Stoelting | 65000 | https://stoeltingco.com/Neuroscience/ANY-box-Multi-Configuration-Behavior-Apparatus~9838 |
| Computador de Bicicleta Velocímetro e Odômetros com Fio | IPSXP | N/A | Qualquer velocímetro com fio que meça a distsnce, tempo, velocidade poderia funcionar |
| Revestimento Protetor de Adesivo Transparente | Marca Con-Tact | N/A | https://con-tactbrand.com/products/clear-cover%E2%84%A2-clear-matte?_pos=1&_fid=be2dc000c&_ss=c |
| GraphPad Prism | |||
| Adesivo Instantâneo 496 Super Bonder | Loctite | S-24546 | https://www.uline.com/Product/Detail/S-24546/Adhesives-Glue-Epoxy/Loctite-Instant-Adhesive-496-Super-Bonder?pricode=WB0948&gadtype=pla&id= S-24546& gad_source=1& gclid=Cjw KCAjw68K4BhAuEiwAylp3klS0FN ur-l_xKkue1NUmruDDV48QO5b2tVH W9Bc08s9eZKmedj-yxBoCgIEQAvD_BwE |
| Pro Mag Ímã de Neodímio Ímã | Aplicado | ND018-6 | Se escolher outros ímãs, certifique-se de que eles são fortes o suficiente para serem detectados pelo censor |
| Rodas de Exercício para Animais Pequenos Silent Spinner (mini 11.4 cm) | Kaytee | SKU# 100079369 | https://www.kaytee.com/all-products/ Placas de Espuma Branca para Pequenos Animais/Roda Silenciosa |
| Pacon | 5553 | https://pacon.com/foam-board-350/pacon-foam-board-20-x-30-white-10pkg-2.html |
Referências
- Bull, F. C., et al. World Health Organization 2020 guidelines on physical activity and sedentary behaviour. Br J Sports Med. 54 (24), 1451-1462 (2020).
- Physical activity. , World Health Organization (WHO). https://www.who.int/health-topics/physical-activity (2024).
- Gliemann, L., Vestergaard Hansen, C., Rytter, N., Hellsten, Y. Regulation of skeletal muscle blood flow during exercise. Curr Opin Physiol. 10, 146-155 (2019).
- Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
- Hackney, A. C., Lane, A. R. Exercise and the regulation of endocrine hormones. Prog Mol Biol Transl Sci. 135, 293-311 (2015).
- De la Rosa, A., et al. Long-term exercise training improves memory in middle-aged men and modulates peripheral levels of BDNF and Cathepsin B. Sci Rep. 9 (1), 3337(2019).
- De Miguel, Z., et al. Exercise plasma boosts memory and dampens brain inflammation via clusterin. Nature. 600 (7889), 494-499 (2021).
- Roig, M., Nordbrandt, S., Geertsen, S. S., Nielsen, J. B. The effects of cardiovascular exercise on human memory: A review with meta-analysis. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1645-1666 (2013).
- Babaei, P., Azari, H. B. Exercise training improves memory performance in older adults: A narrative review of evidence and possible mechanisms. Front Hum Neurosci. 15, 771553(2022).
- Harber, V. J., Sutton, J. R. Endorphins and exercise. Sports Med. 1 (2), 154-171 (1984).
- De Nys, L., et al. The effects of physical activity on cortisol and sleep: A systematic review and meta-analysis. Psychoneuroendocrinology. 143, 105843(2022).
- Alnawwar, M. A., et al. The effect of physical activity on sleep quality and sleep disorder: A systematic review. Cureus. 15 (8), e43595(2023).
- Mee-inta, O., Zhao, Z. -W., Kuo, Y. -M. Physical exercise inhibits inflammation and microglial activation. Cells. 8 (7), 691(2019).
- Elias, E., Zhang, A. Y., White, A. G., Pyle, M. J., Manners, M. T. Voluntary wheel running promotes resilience to the behavioral effects of unpredictable chronic mild stress in male and female mice. Stress. 26 (1), 2203769(2023).
- Hastings, M. H., et al. Animal models of exercise from rodents to pythons. Circ Res. 130 (12), 1994-2014 (2022).
- Svensson, M., et al. Forced treadmill exercise can induce stress and increase neuronal damage in a mouse model of global cerebral ischemia. Neurobiol Stress. 5, 8-18 (2016).
- Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: patterns and physiological effects in mice. Braz J Med Biol Res. 52 (1), e7830(2018).
- Garland, T. Jr, et al. The biological control of voluntary exercise, spontaneous physical activity and daily energy expenditure in relation to obesity: human and rodent perspectives. J Exp Biol. 214 (Pt 2), 206-229 (2011).
- Meijer, J. H., Robbers, Y. Wheel running in the wild. Proc Biol Sci. 281 (1786), 20140210(2014).
- Banjanin, S., Mrosovsky, N. Preferences of mice, Mus musculus, for different types of running wheel. Lab Anim. 34 (3), 313-318 (2000).
- Denninger, J. K., Smith, B. M., Kirby, E. D. Novel object recognition and object location behavioral testing in mice on a budget. J Vis Exp. (141), e58593(2018).
- Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: patterns and physiological effects in mice. Braz J Med Biol Res. 52 (1), e7830(2018).
- Scott, K. S., Chelette, B., Chidomere, C., Phillip West, A., Dantzer, R. Cisplatin decreases voluntary wheel-running activity but does not impair food-motivated behavior in mice. Brain Behav Immun. 111, 169-176 (2023).
- Hamm, S. E., et al. Prolonged voluntary wheel running reveals unique adaptations in mdx mice treated with microdystrophin constructs ± the nNOS-binding site. Front Physiol. 14, 1166206(2023).
- Williams, Z. A. P., et al. Sex-specific effects of voluntary wheel running on behavior and the gut microbiota-immune-brain axis in mice. Brain Behav Immun Health. 30, 100628(2023).
- Ehichioya, D. E., et al. Gut microbiota depletion minimally affects the daily voluntary wheel running activity and food anticipatory activity in female and male C57BL/6J mice. Front Physiol. 14, 1299474(2023).
- Kim, M. -J., et al. Sex differences in body composition, voluntary wheel running activity, balance performance, and auditory function in CBA/CaJ mice across the lifespan. Hear Res. 428, 108684(2023).
- Yusifova, M., et al. Voluntary wheel running exercise does not attenuate circadian and cardiac dysfunction caused by conditional deletion of Bmal1. J Biol Rhythms. 38 (3), 290-304 (2023).
- Bittel, A. J., Bittel, D. C., Gordish-Dressman, H., Chen, Y. -W. Voluntary wheel running improves molecular and functional deficits in a murine model of facioscapulohumeral muscular dystrophy. iScience. 27 (1), 108632(2024).
- Leimbacher, A. C., et al. Voluntary exercise does not always suppress lung cancer progression. iScience. 26 (8), 107298(2023).
- Zhang, Y., et al. Trimethylamine N-oxide aggravated cognitive impairment from APP/PS1 mice and protective roles of voluntary exercise. Neurochem Int. 162, 105459(2023).
- Zhang, W., et al. Notch1 is involved in physiologic cardiac hypertrophy of mice via the p38 signaling pathway after voluntary running. Int J Mol Sci. 24 (4), 3212(2023).
- Wan, C., et al. Long-term voluntary running improves cognitive ability in developing mice by modulating the cholinergic system, antioxidant ability, and BDNF/PI3K/Akt/CREB pathway. Neurosci Lett. 836, 137872(2024).
- Weegh, N., et al. Wheel running behaviour in group-housed female mice indicates disturbed wellbeing due to DSS colitis. Lab Anim. 54 (1), 63-72 (2020).
- Coleman, A. L., et al. Short-term social isolation induces depressive-like behaviour and reinstates the retrieval of an aversive task: Mood-congruent memory in male mice. J Psychiatry Neurosci. 38 (4), 259-268 (2013).
- Desan, P. H., Silbert, L. H., Maier, S. F. Long-term effects of inescapable stress on daily running activity and antagonism by desipramine. Pharmacol Biochem Behav. 30 (1), 21-29 (1988).
- DeVallance, E., et al. Effect of chronic stress on running wheel activity in mice. PloS One. 12 (9), e0184829(2017).
- Liu, P. Z., Nusslock, R. Exercise-mediated neurogenesis in the hippocampus via BDNF. Front Neurosci. 12, 52(2018).
- Erickson, K. I., et al. Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proc Natl Acad Sci USA. 108 (7), 3017-3022 (2011).
- Zhang, S., et al. The effect of aerobic exercise on cognitive function in people with Alzheimer's disease: A systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Int J Environ Res Public Health. 19 (23), 15700(2022).
- Nystoriak, M. A., Bhatnagar, A. Cardiovascular effects and benefits of exercise. Front Cardiovasc Med. 5, 135(2018).
- Kirwan, J. P., Sacks, J. P., Nieuwoudt, S. The essential role of exercise in the management of type 2 diabetes. Cleve Clin J Med. 84 (7 Suppl 1), S15-S21 (2017).
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Reimpressões e permissões
