В этой статье подробно описывается конструкция, сборка и протокол автоматизированной системы кормления, а также альтернативная модификация крышки и клетки, которая может быть реализована на стандартных клетках для грызунов с минимальными изменениями для экспериментов по привязной оптогенетике или фотометрии волокон. Система кормления представляет собой экономичный инструмент для временного кормления и/или ограничения калорий.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Система «сделай сам» для регулярного кормления лабораторных грызунов в их домашней клетке
* These authors contributed equally
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Прерывистое голодание и исследования, посвященные влиянию временного ограничения калорий на регуляцию массы тела и результаты старения, имеют тенденцию как в обществе, так и в лаборатории. Для изучения ограниченного по времени кормления и/или ограничения калорий в лабораторных условиях отведенное количество пищи распределяется через запланированные промежутки времени. Современные технологии запланированного кормления грызунов включают в себя либо специализированные клетки с закрытыми входными отверстиями для корма, цифровые бункеры с временной блокировкой, либо ручную доставку корма. Специализированное оборудование для таких экспериментов может быть дорогостоящим, а ручная подача часто требует, чтобы исследователи приходили поздно ночью / ранним утром, что исключает длительные исследования. Описанная здесь автоматизированная система кормления представляет собой экономичный инструмент для временного кормления и/или ограничения калорий, который может быть реализован в стандартных клетках для грызунов с минимальными модификациями. В протоколе используется готовая автоматическая кормушка, которая устанавливается на стандартную крышку микроизолятора клетки (крышка клетки для мыши, хомяка, крысы или морской свинки) и может давать желаемую порцию пищи через запрограммированные промежутки времени в домашней клетке животного. Наша конструкция может быть изменена для работы с различными кормушками или небольшими изменениями в размерах клетки. Мы обеспечиваем проектирование, сборку и протокол для системы кормления, а также альтернативную модификацию крышки и клетки для экспериментов с привязной оптогенетической или фотометрией волокон.
Введение
Прерывистое голодание является важной областью исследований в области метаболизма и старения. Правильное выравнивание кормления и циркадного ритма может изменить влияние диеты на массу тела 1,2,3,4. Кроме того, длительное прерывистое голодание связано с увеличением продолжительности жизни и улучшением возрастных расстройств 5,6,7,8. Научные исследования, проводящие долгосрочные протоколы голодания (>20 дней), обычно требуют специализированного оборудования. Несмотря на то, что можно доставлять еду вручную в соответствии с запланированными протоколами кормления, для этого может потребоваться присутствие следователя в течение длительного периода времени в нерабочее время. Например, для трех кормлений с интервалом в 4 часа потребуется ручная доставка в 8:00 вечера, 12:00 и 4:00 утра; Вероятно, проблема с соблюдением нормативных требований будет сохраняться более нескольких дней.
Альтернативой ручной доставке пищи для лабораторных грызунов являются: 1) специализированные клетки с автоматическим доступом к пище или 2) цифровые системы бункеров, обеспечивающие автоматизированный и программируемый доступ к пище, такие как FED39. Клеточные системы с закрытым доступом к пище стоят дорого, и некоторые из них не обеспечивают подходящих домашних условий для долгосрочных исследований. Например, традиционные футляры для оперантного кондиционирования способны автоматизировать доставку еды, но имеют пол с проволочной решеткой, который не способствует долгосрочному содержанию. Система BioDAQ от Research Diets обеспечивает подачу пищи и воды через закрытые внешние порты. Программируемые автоматические ворота позволяют проводить долгосрочные исследования кормления или питья по расписанию, однако эта система является дорогостоящей инвестицией. Механизированные бункерные системы являются еще одним инструментом для автоматизации протоколов плановой подачи 9,10. Два упомянутых механизированных бункера поставляются с оговоркой об уменьшении жилой площади в домашней клетке. Голодные животные, ограниченные в пище, могут жевать устройства для кормления и/или мусор клетки может мешать механике бункера при длительных исследованиях. Наконец, механизированный бункер, разработанный исследовательской группой Такахаси совместно с компанией Phenome Technology, был специально разработан длядолгосрочных исследований по планированию кормления. В этой системе механизированный бункер расположен над решеткой стандартной клетки с желобом, который подает пищу. Система Phenome, однако, не обеспечивает гибкости для животных, привязанных к патч-кабелю (эксперименты по оптогенетике/фотометрии волокон), и она относительно дорога по сравнению с описанным здесь устройством автоматической подачи.
В ответ на преобладающие проблемы, связанные с протоколами запланированного кормления, мы предлагаем экономически эффективное решение. Наша автоматизированная система обеспечивает точную доставку еды через заданные промежутки времени. С помощью комбинации деталей, напечатанных на 3D-принтере, вместе с коммерчески доступной автоматической кормушкой для рыб, мы разрабатываем внешнюю систему кормления «сделай сам» (DIY), которая может быть установлена на отдельных клетках для грызунов с микроизоляторами. Описанная здесь система кормления и детали могут быть непосредственно применены к любой из следующих клеток для грызунов: мыши, крысы, хомяка или морской свинки, при условии, что в отдельно стоящих клетках используются микроизоляторы. Поскольку клетки различаются по размеру, их размещение может немного отличаться, но напечатанные на 3D-принтере кронштейны, система кормления и конструкция внешней бутылки для воды обычно применимы к автономным клеткам для грызунов с крышками микроизоляторов.
Мы описываем один пример автоподачи, но доступно множество других готовых автоподачи, которые могут быть установлены в модульную систему с небольшими изменениями в деталях, напечатанных на 3D-принтере. Чтобы упростить настройку напечатанного на 3D-принтере держателя в соответствии с альтернативными устройствами подачи или небольшими изменениями размеров клетки, мы проверяем изменяемый трехмерный файл SolidWorks с сопутствующим STL-файлом.
Внешнее расположение автоматической кормушки обеспечивает полное пространство в домашней клетке и позволяет отсоединять, стерилизовать, а также перезагружать или заменять кормушку без нарушения работы животного. Автоматизированная система кормления эффективна для долговременных записей, доступна по цене и поддается различным протоколам ограниченного по времени кормления и/или ограничению калорий. Мы предоставляем подробные технические чертежи клеточных сборок, дизайн и протокол реализации системы кормления, а также данные образцов. Во-вторых, мы предоставляем набор инструкций по модификации стандартной клетки для использования автокормушки с животными, привязанными к патч-кабелю для экспериментов по оптогенетике или оптоволоконной фотометрии.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Все процедуры были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию в учреждениях Массачусетского университета в Амхерсте.
1. Установка автопитателя на стандартную крышку клетки микроизолятора (Рисунок 1)
- С помощью вращающегося инструмента с отрезным кругом 1,5 дюйма вырежьте квадрат размером 20 x 25 мм в крышку микроизолятора. Расположите отверстие на расстоянии 2,75 см от края крышки и по центру над решеткой (рис. 1B, слева).
- Напечатайте на 3D-принтере кронштейн для соединения автоподающего устройства с крышкой клетки (Рисунок 1A и Дополнительный файл 1). Защелкните кронштейн на отверстии крышки клетки (шаг 1.1; Рисунок 1B, в центре) и сдвиньте автоподатчик на верхнюю часть закрепленного кронштейна (Рисунок 1B [справа], C).
Рисунок 1: Модификация и сборка кронштейна автоподачи-автокорма и крышки клетки. (A) Технический чертеж кронштейна автоподачи-автокорма (масштаб в 3D см. в файлах SolidWorks/STL в Дополнительном файле 1 ). (B) Слева направо крышка клетки с отверстием 20 x 25 мм; кронштейн установлен на верхней части клетки и смонтирован с автокормушкой Petbank. (В) Собранный автокормушка Petbank на клетку с пищевой гранулой опускается на штатную решетку с бутылкой с водой. Масштабные линейки = 25 см). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
2. Программирование и использование примера готового автопитателя
- Для экспериментов с ограничением по времени сначала установите время кормления, а синхронизированные часы питателя — последними, так как последующие корректировки сместят время.
- Убедитесь, что кормушка достаточно заряжена. Нажмите и удерживайте кнопку «Настройки », пока часовая настройка на экране не начнет мигать.
- Перейдите к настройке времени . С помощью стрелок вверх и вниз отрегулируйте время до первого желаемого запланированного периода кормления.
- Задайте количество выделений для этого момента времени (указывается количеством точек рядом с настройкой ленты). Повторите шаги 2.2-2.4, еще до двух временных точек.
- Загрузите в камеры автокормушки желаемое количество пищи в количестве ≤1,5 г стандартного корма для грызунов. Если требуется больше корма, настройте кормушку на доставку нескольких участков в определенный момент времени. Пример питателя имеет 16 камер.
ПРИМЕЧАНИЕ: Еду можно заказать по размеру или обрезать ножницами. - Пометьте одну камеру скотчем или краской для подтверждения запрограммированного вращения камеры и подачи пищи. Проверяйте ежедневно во время работы кормушек.
3. Модифицированная система посадки в клетку для привязанных животных с автокормушкой
- Дополнительная сменная вставка крышки для животных, привязанных к патч-корду (Рисунок 2)
- Вырежьте лазером кусок прозрачного акрила толщиной 3 мм в соответствии со спецификациями, приведенными на рисунке 2A (см. также Дополнительный файл 2). Акриловая вставка имеет выступы для защелкивания в верхней части клетки. Центральная щель (190 x 5 мм) позволяет пропустить патч-кабель. Квадратное отверстие 20 x 25 мм подходит для кронштейна автоподачи; 20 вентиляционных отверстий обеспечивают циркуляцию свежего воздуха.
- С помощью отвертки с плоской головкой или клинового инструмента подденьте верхнюю крышку с перфорированной клеткой стандартной крышки микроизолятора. Освободите язычки из пазов для вкладок и снимите перфорированный вкладыш и фильтровальную бумагу (рисунок 2C, слева и в центре).
- Под перфорированной верхушкой и фильтровальной бумагой находится внутренняя ребристая опорная сетка. Используйте вращающийся инструмент и режущий круг 1,5 дюйма, чтобы снять опорную решетку; следуя стрелочным индикаторам, показанным в центре рисунка 2C. После резки снять опорную сетку, подпилить сглаженный край среза.
- Защелкните сменную вставку из акриловой пластины (шаг 3.1) в верхнюю часть клетки. Начните установку, вставив выступы пластины в пазы по одному из коротких краев, а затем по одному из длинных краев и осторожно надавите, пока пластина не встанет на место (рисунок 2C [справа], D).
- Дополнительный внешний кронштейн для бутылки с водой для животных, привязанных к патч-корду (Рисунок 3)
- Просверлите отверстие для сипла для бутылки с водой: отверстие диаметром 11 мм, на высоте 50 мм от пола, по центру короткого края клетки (Рисунок 3B и Дополнительный файл 3).
- По обе стороны от центрального отверстия (± 27,5 мм) просверлите два отверстия диаметром 6 мм. При необходимости используйте инструмент для сверления квадратных отверстий диаметром 8 мм (показано на рисунке 3B).
- 3D-печать внешнего кронштейна для бутылки с водой (Рисунок 3A и Дополнительный файл 4). Закрепите кронштейн для бутылки с водой на дне клетки с помощью болтов каретки (длина 2 см, 6 x 1 мм или длина 0,75 дюйма 1/4 x 20; Рисунок 2B, C).
- Для бутылки с водой установите стандартную коническую трубку объемом 50 мл, закрытую узлом сиппер/пробка (#7 Стоппер с изогнутым сиппером 3-1/2 дюйма, см. Таблицу материалов) на внешнем кронштейне. Пополняйте воду каждые 2-3 дня.
Рисунок 2: Монтаж акриловой пластины на верхнюю часть клетки. (А,Б) Технические чертежи акриловой пластины и заглушки порта подачи. (C) Левая, стандартная верхняя часть каркаса с перфорированной вставкой и фильтром. По центру, удаление перфорированной вставки и фильтра (ребристая сетка должна быть вырезана по линиям, указанным стрелками). Справа, акриловая пластина встала на место. (D) Полная сборка крышки. Масштабные линейки = 25 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Сборка кронштейна для бутылки с водой. (A) Технический чертеж кронштейна для бутылки с водой, напечатанного на 3D-принтере. (B) Модификации клетки и сборка кронштейна для бутылки с водой; (C) Установлен кронштейн; (D) Сборка клетка в сборе. Масштабные линейки = 10 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: Краткое описание полной сборки клетки с автоматической кормушкой. (A) Стандартная клетка с решеткой, (B) модифицированная клетка для привязанных животных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Исследование по ограничению калорий (21 день) для индуцирования бесплодия у самок мышей (конструкция автокормушки и клетки, рисунок 4A)
Хронический дефицит энергии достаточен для подавления фертильности у млекопитающих, реакция, которая сохраняется как у грызунов, так и у человека11,12. В этом исследовании мы использовали ограничение калорий, чтобы вызвать долгосрочную потерю массы тела. Взрослые самки мышей C57BL...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
В доклинических моделях на животных ограничение калорий является мощным экспериментальным инструментом для точного манипулирования и изучения метаболизма. Устойчивая потеря веса имеет последствия для ожирения, диабета, старения, фертильности и менопаузы (тип репродуктивного старения), которые являются важными трансляционными конечными точками. Однако парадигмы ограничения калорий может быть трудно поддерживать в течение длительного времени. В этой рукописи мы предлагаем экономически эффе...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
Благодарности
Джейсон Ле получает поддержку в рамках программы научного образования после бакалавриата, финансируемой Национальным институтом здравоохранения.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| #7 Стопор с изогнутой трубкой 3-1/2" без мяча | Labex | 2067 | |
| AN75 дно клетки для мышей | Ancare | AN75HT | |
| Автоматическая кормушка для рыб для аквариума | Petbank-tek.com | распространения Amazon (#B0BRCWP16K) | |
| Крышки микрофильтра для грызунов | Ancare | N10MBTPLF | |
| резиновые пробки, одно отверстие | United Scientific | S24009 | |
| стандартный корм для грызунов | Prolab IsoPro 3000 |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Теги
