Usando a Anorexia Rodent modelo baseado em atividades para estudar a base neurobiológica da Anorexia Nervosa

1Center for Neural Science, New York University
Published 10/22/2015
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Behavior
 

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Chowdhury, T. G., Chen, Y. W., Aoki, C. Using the Activity-based Anorexia Rodent Model to Study the Neurobiological Basis of Anorexia Nervosa. J. Vis. Exp. (104), e52927, doi:10.3791/52927 (2015).

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Abstract

Anorexia nervosa (AN) é uma doença psiquiátrica caracterizada pela ingestão calórica excessivamente restrita e níveis anormalmente elevados de atividade física. A doença difícil de tratar, devido à falta de compreensão da neurobiologia subjacente, AN tem a maior taxa de mortalidade entre as doenças psiquiátricas. Para atender a essa necessidade, os neurocientistas estão usando um modelo animal para estudar como os circuitos neurais podem contribuir para a vulnerabilidade à AN e podem ser afetados pela AN. Anorexia (ABA) baseado em atividades é um fenômeno bio-comportamental descrito em roedores que os modelos os principais sintomas de anorexia nervosa. Quando roedores com acesso gratuito ao exercício voluntário em uma roda de corrida restrição experiência de alimentos, eles se tornam hiperativo - executando mais de animais com livre acesso a comida. Aqui, descrevemos os procedimentos pelos quais ABA é induzida em adolescentes do sexo feminino camundongos C57BL / 6. No dia pós-natal 36 (P36), o animal é alojado com acesso ao exercício voluntário em uma corridaroda. Após 4 dias de aclimatação à roda de funcionamento, em P40, todos os alimentos é removido da jaula. Para os próximos 3 dias, a comida é devolvido para a gaiola (permitindo o acesso aos alimentos animais livre) durante 2 horas por dia. Após o quarto dia de restrição alimentar, o acesso livre a comida é devolvido ea roda de corrida é removida da gaiola para que os animais possam se recuperar. A análise contínua de vários dias de execução actividade roda mostra que os ratos se tornar hiperactivo dentro de 24 horas após o início da restrição alimentar. Os ratos funcionar mesmo durante o período de tempo limitado durante o qual eles têm acesso aos alimentos. Além disso, o padrão circadiano da roda de corrida torna-se perturbado pela experiência de restrição alimentar. Temos sido capazes de correlacionar alterações neurobiológicas com vários aspectos da roda comportamento de marcha dos animais de implicar determinadas regiões cerebrais e alterações neuroquímicas com resiliência e vulnerabilidade a-restrição alimentar hiperatividade induzida.

Introduction

Anorexia nervosa (AN) é uma doença psiquiátrica caracterizada por restrição excessiva da ingestão de alimentos, o excesso de exercício, e medos irracionais de ganhar peso. Uma das doenças psiquiátricas mais letais 1, um não tem nenhum tratamento farmacológico aceita até à data, e os mecanismos neurobiológicos e efeitos da doença são mal compreendidos. Estamos estudando um modelo animal de AN para explorar as alterações neurobiológicas e neuroquímicos associados com sintomas característicos da doença.

Anorexia (ABA) com base em actividades é um fenómeno de bio-comportamental descrito em modelos roedores que algumas das características de um 2,3. Quando roedores com acesso gratuito ao exercício voluntário em uma roda de corrida experiência-restrição alimentar, muitos, mas não todos, se tornam hiperativos - correndo mais do que correu antes do início de alimentos restrição 3,4. Houve muitas explicações sugeridas para o excesso de exercício exibido porAnimais ABA e pacientes com AN: que é uma forma de comportamento de forrageamento 5, um mecanismo para lidar com o estresse de alimentos restrição 6, uma tentativa de elevar a temperatura corporal durante a queda induzida pela fome no metabolismo 7, ou um resultado de hipoleptinemia 8 . Este modelo de roedores reproduz os sintomas An da perda de peso corporal, hiperatividade, restrição alimentar voluntária, optando para executar durante o acesso limitado de alimentos, as correlações com ansiedade traços 9,10 e vulnerabilidade afetada pela experiência de vida início de 11. Enquanto o modelo de roedor ABA é considerado um modelo de stress, isso pode não refletir com precisão AN em pacientes humanos, que mostram aumento da função imunológica 12. Entre ambos os roedores e pacientes humanos, alguns indivíduos apresentam maior vulnerabilidade do que outros. Enquanto estudos epidemiológicos nos esforçamos para elucidar os fatores de risco para AN, relativamente poucos estudos têm tentado compreender a base neurobiológica para as diferenças individuais na vulnerability a indução ABA em roedores.

É importante notar que o paradigma ABA é amplamente utilizada, e a sua utilização como um modelo animal de AN tenha sido extensivamente revistos 6,13-15. A contribuição do presente trabalho é descrever os métodos específicos utilizados para induzir a ABA em camundongos fêmeas adolescentes e delinear as modificações que foram necessárias para fazer com os modelos de roedores existentes, a fim de melhorar a sobrevida de ratos jovens. Além disso, nós discutimos várias técnicas que podem ser acoplados com o paradigma comportamento ABA, a fim de estudar outros aspectos do modelo animal.

O modelo do rato ABA permite a exploração estritamente da neurobiologia da doença AN. Este é separável das influências sócio-culturais, que, sem dúvida, contribuir para a vulnerabilidade de uma pessoa. O modelo ABA também pode ser utilizado para investigar o efeito da restrição alimentar recorrente ou outras formas de stress em combinação com o acesso de roda, de modopara capturar alguns aspectos de uma recaída 16. A função do sistema neurotransmissor inibitório em centros de ansiedade do cérebro tem sido estudado utilizando técnicas de elétron-microscópica 4,16,17. Arborização dendrítica foi estudada usando o rastreamento e análise de células piramidais no campo CA1 do hipocampo e amígdala 18,19 17 Neurolucida-assistida.   Efeitos da restrição alimentar e acesso roda em cima de ansiedade têm sido estudados por meio de testes comportamentais, tais como o labirinto em cruz elevado 10. A base genética de vulnerabilidade tem sido estudado utilizando diferentes linhagens puras de ratos 9. Manipulações farmacológicas podem ser testadas em um modelo animal antes de testes em humanos 20-24. Os animais geneticamente modificados e knockdown transiente de genes pode ser utilizado para estudar o modo como a manipulação de vias moleculares específicos podem afectar o comportamento no paradigma de ABA. O impacto do estresse no início da vida sobre a vulnerabilidade diferencial para ABA would ser outro tema que pode ser abordado através desta abordagem.

Protocol

Todos os procedimentos descritos neste protocolo estão em conformidade com o cuidado e uso de animais Comitê Institucional da Universidade de Nova York (Animal Welfare Assurance # A3317-01).
NOTA: Este protocolo foi otimizado para mulheres adolescente camundongos C57BL / 6. Os animais foram alojados em instalações que mantém RT a 72 ° ± 2 ° C e humidade ambiente de 50% ± 10%. Luzes da sala se transformou em sete horas-sete horas por dia.

1. Preparação de gaiolas com rodas de correr

  1. Configure o computador e USB Hub de interface em uma área segura da sala de manutenção do animal, longe do tráfego de pé de água e, mas próximo o suficiente para o rack gaiola correndo para estar dentro do alcance sem fio dos transmissores. Certifique-se de que o Hub USB do computador e interface de ambos recebem energia a partir de uma tomada de parede, eo Hub USB Interface se conecta ao computador através de um cabo USB. Use um dispositivo de backup de energia para alimentar o computador e do Hub USB.
  2. Ligue o computador to Centro para o interface USB utilizando o cabo USB fornecido com o equipamento roda de corrida.
  3. Reinicie o computador e iniciar o software roda de corrida com um duplo clique no ícone.
  4. Instale três pilhas AAA para a base de cada uma das rodas de corrida, e confirmar que o software gerenciador de roda reconheceu o transmissor. Liste cada roda na janela do programa sob o título "Wheel Sensors".
  5. Defina a configuração da aquisição de dados de acordo com as especificações particulares do experimento.
  6. Prepare uma gaiola para cada assunto rato com roupa de cama, nestlets, livre acesso à água, e uma roda de corrida. Normalmente, 8 camundongos são usados ​​por experimento para estudos de neuroanatomia. Mais camundongos pode ser necessária para estudos comportamentais para garantir poder estatístico adequado.
  7. Certifique-se de que a roda de corrida é capaz de se mover livremente, sem tocar em qualquer das paredes da gaiola, cesta de alimentos, ou topo de gaiola. Girar cada roda algumas vezes e confirmar que tele software está atualizando as contagens de roda para cada roda.

2. Aclimatação Fase

  1. Coloque cada assunto rato (fêmea C57BL / 6 do mouse; P36 idade) individualmente em uma gaiola com uma roda de corrida.
  2. Adicionar uma quantidade pré-pesado de alimentos secos (aproximadamente 100 g) para o funil de alimentação, e coloque um recipiente cheio pré-pesado (aproximadamente 50 g) de alimento molhado na gaiola.
  3. Na janela do programa, comece a atividade de aquisição de dados e roda o armazenamento de dados selecionando a opção "Start Acquisition" no menu Arquivo. Escolha o diretório para o qual os dados serão salvos. O software irá gravar as revoluções da roda continuamente até que o experimento está parado manualmente.
  4. Pesar o animal, alimento molhado, seco e comida todos os dias no momento em que as luzes são desligadas no quarto. Reabastecer o alimento seco se o peso cai abaixo de 50 g, e substituir o recipiente de alimento molhado, se a comida seca ou ficar suja com roupa de cama. Registrar manualmente o wheel todos os dias, neste momento, bem como, em caso de perda dos dados digitais.

3. A partir de restrição alimentar

  1. Retire todos os alimentos secos e molhados da jaula ao meio-dia (ou 7 horas antes de as luzes da sala são programados para desligar) no primeiro dia de restrição alimentar.
  2. No mesmo dia, no início do ciclo de escuro, registrar o peso do animal e a roda de contagem. Coloque uma quantidade pré-pesado de alimentos secos (aproximadamente 50g) para dentro do depósito de alimentos e uma quantidade pré-pesado de alimento úmido (aproximadamente 5 g) para a gaiola em um barco de pesagem.
  3. Prepare uma nova gaiola com roupa de cama e nestlets para cada animal.
  4. Após 2 horas, transferir a roda de corrida para a gaiola fresco preparado. Esta mudança gaiola garante que o animal permanece restrição alimentar até a próxima vez alimentação, no caso de algumas migalhas de alimentos tenham caído ou sido acumulado na cama. A fim de reduzir o stress da mudança gaiola, adicionar duas mãos cheias (cerca de 500 ml) do sujadeitar-do velho gaiola, e mover o animal para a nova gaiola.
  5. Grave o peso do alimento úmido e seco remanescente para determinar a quantidade de alimento que foi comido. Grave a contagem da roda no final do período de acesso à comida.

4. Acompanhamento da Saúde Animal durante Food Restrição

  1. Todos os dias, no início do ciclo de escuro, registrar o peso do animal e a roda de contagem. Coloque uma quantidade pré-pesado de alimentos secos e molhados para a jaula.
  2. Se o peso do corpo de um animal cai abaixo de 75% do seu peso corporal inicial, antes de restrição alimentar, removê-los da experiência.
    NOTA: Outras indicações de fome excessiva incluem uma postura curvada e incapacidade de se mover ao redor da gaiola. O animal pode ser fria ao toque e não comer durante o 2 horas de acesso aos alimentos.
  3. Prepare uma nova gaiola com roupa de cama e nestlets para cada animal.
  4. Após 2 horas, transferir a roda de corrida para a gaiola fresco preparado. Adicionar twO punhados (aproximadamente 500 ml) da cama suja do velho gaiola e mover o animal para a nova gaiola.
  5. Grave o peso do alimento úmido e seco remanescente para determinar a quantidade de alimento que foi comido. Grave a contagem da roda no final do período de acesso à comida.

5. Acabar com a Experiência

  1. Após três dias de restrição alimentar, acabar com o experimento ABA. Eutanásia do animal para a coleta do tecido cerebral, ou permitir que os animais se recuperar antes de sofrer o teste comportamental adicional.
  2. Clique na opção "End Aquisição" no menu Arquivo na janela do programa.
  3. Retire as rodas que funcionam das gaiolas, e retire as pilhas a partir da base da roda.
  4. Se permitir que os animais se recuperar, retornar uma quantidade pré-pesado de alimento seco para o funil de alimentação e permitir o acesso de animais ad libitum a comida durante a recuperação.

Análise 6. Dados

  1. Salvar umLL dados da roda para a experiência de um ficheiro no directório .wls escolhido no início da experiência.
  2. Exportar dados para uma planilha selecionando a opção "Exportar" no menu Arquivo. Selecione os arquivos desejados .wls na opção "Arquivo Fonte de Dados". Selecione a data e hora de início e fim, e selecione cada sensor da roda para a exportação na lista Sensores de rodas.

Representative Results

A fim de estudar o efeito de ABA numa população semelhante a anorexia nervosa humano, estas experiências foram realizadas em ratinhos adolescentes do sexo feminino. Assim, a roda de aclimatação começa logo após o início da puberdade nos ratinhos, no dia P36. A fase de aclimatação é conduzida a partir de P36-P40, e da restrição alimentar ocorre a partir de P40-P43.

Camundongos adolescentes estão continuando a crescer, e seu peso corporal continua a aumentar à medida que se aproxima a idade adulta integral. Durante a roda de aclimatação, os ratos geralmente perder uma pequena quantidade de peso ou planalto em peso. Após o início da restrição de alimentos, o peso corporal dos animais ABA diminui acentuadamente (Figura 1). O peso corporal dos animais do grupo ABA pode ser comparado ao controle (CON) animais que não têm acesso a uma roda de corrida e não experimentaram a restrição alimentar.

A actividade da roda de cada animal podem ser analisadas de várias formas: (1) O (24-h) roda diáriaactividade dos animais ABA pode ser representada graficamente, que mostra que os animais comecem a rodar excessivamente após o início da restrição de alimentos (figura 2). (2) actividade da roda de cada animal pode ser examinada numa escala mais fina usando o software de análise, que mostra o padrão circadiano da actividade da roda (Figura 3). (3) A actividade roda durante a 2 horas de acesso aos alimentos indica restrição alimentar voluntário, uma vez que os animais estão a optar por executar, em vez de comer. (4) Depois de restrição alimentar começa, alguns animais mostram um aumento da actividade no período de tempo imediatamente antes da hora de alimentação. Este aumento diário na actividade locomotora antes da apresentação da comida é chamado de "comida actividade antecipada" (Figura 4). (5) A velocidade com que os animais correr pode ser comparado, como tanto a distância e o tempo de permanência na roda são monitorados continuamente. Mudança no esses parâmetros podem refletir a fase de aprendizagem de correr na roda.

16. No mesmo estudo, também foi mostrado que a inervação GABAérgica de células piramidais de CA1 do hipocampo foi aumentada nos animais que mostraram diminuição da hiperactividade numa segunda experiência de ABA. Num estudo com ratos ABA, verificou-se que a expressão de receptores de GABA contendo a subunidade α4 correlaciona com a diminuição da hiperactividade, ou resistência ao AAB 25.

figura 1
Figura 1. Corpo alterações de peso durante a dados de peso do corpo ABA. É mostrado de uma coorte de cinco camundongos fêmeas adolescentes. Os ratos tiveram acesso roda correndo para o total de 7 dias do experimento. Os primeiros quatro dias foram a fase de aclimatação, após o que foi aplicada a restrição alimentar durante mais três dias. Dia 0 indica o início da restrição alimentar. As barras de erro indicam o erro padrão da média. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Actividade diária roda antes e após o início da restrição alimentar. Diária (24 h) a actividade da roda é mostrado para um rato. Dia 0 indica o início da restrição alimentar. Total de atividade diária roda aumenta em quase duas vezes após oinício da restrição alimentar. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. monitorado continuamente a atividade roda de corrida durante o experimento oito dias. Uma captura de tela é mostrada a partir do software Análise de rodas. Esta mostra a actividade da roda (contagens roda sobre o eixo vertical) de um único rato ao longo de oito dias (tempo no eixo horizontal) de acesso a uma roda de corrida. Abaixo o enredo atividade é uma sobreposição indicando as vezes quando as luzes são on e off no quarto. Antes de restrição alimentar começa, o animal mostra a atividade mínima durante o ciclo de luz. A primeira linha a tracejado vertical indica o início da restrição alimentar, as três linhas subsequentes indicam a alimentação começar 2 horas cada dia, e as setas vermelhas indicam the surgimento de alimentos actividade antecipatória durante a fase de luz. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Roda atividade é aumentado em todas as horas do dia, mas de forma mais dramática no período anterior à alimentação acesso. Roda de corrida é mostrado para quatro setores 6 horas do dia. Barras rotulados "Antes FR" indicam o número médio de contagens roda durante os dois últimos dias da fase de aclimatação. Bares rotulados "Durante FR" indicam os dois primeiros dias do ph restrição alimentarase. "Recovery" indica os níveis de atividade depois de animais foram autorizados a recuperar sem uma roda de corrida por pelo menos 6 dias. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Os aspectos críticos do modelo ABA são (1) o acesso gratuito ao exercício voluntário em uma roda de corrida e (2) restrição alimentar com o acesso à alimentação limitada a um período limitado de tempo. O acesso a uma roda de corrida permite ao animal escolher utilizar a roda e dá uma indicação do efeito de restrição alimentar sobre a motivação do animal para o exercício. Por outro lado, com restrição de tempo de acesso de alimentos (em vez de calorias restrição) permite que o experimentador para medir a restrição alimentar voluntária, monitorando a medida em que os animais optar por executar durante as horas limitadas de acesso aos alimentos. Desta forma, ABA é um excelente modelo da auto-inanição que ocorre na AN.

A fim de minimizar o ruído nos dados relativos ao comportamento do rato, é importante minimizar a quantidade de stress imprevisível que a experiência os animais. Por exemplo, manejo dos animais devem ser mantidos a um mínimo, com os animais apenas ser perturbado durante a pesagem, uma vez pordia. O experimentador manusear os animais devem ser treinados e confortável com a manipulação dos animais. Se possível, uma pessoa deve lidar com os animais durante todo o experimento para evitar estresse adicional. Aromas e perfumes devem ser evitados. O momento da pesagem e entrega de alimentos deve ser feito para ser tão regular quanto possível, para minimizar qualquer imprevisibilidade. Como precaução contra a perda de dados, é melhor para alimentar o computador através de uma fonte de alimentação de backup em caso de falta de energia; até mesmo uma breve interrupção de energia fará com que o computador seja reiniciado e aquisição de dados cessará. Além disso, é importante controlar a duração da bateria dos transmissores roda diária. Se o nível da bateria está fraca, o transmissor pode falhar intermitentemente para enviar dados para o hub, subestimando assim a atividade do animal.

O protocolo de rato aqui descrito foi modificado a partir do protocolo padrão que foi usado para 4 ratos. Camundongos fêmeas do Adolescentesão muito mais vulneráveis ​​à perda de peso excessiva e morte devido à fome. Portanto, as seguintes alterações foram feitas com o fim de melhorar a sobrevivência de pelo menos três dias de ABA. Em primeiro lugar, o primeiro dia de restrição alimentar foi encurtada através da remoção de alimentos ao meio-dia em vez de às 8 horas do dia anterior. Além disso, o período de tempo de acesso aos alimentos foi aumentada desde 1 h a 2 h e a disponibilidade de alimento húmido também foi adicionado para minimizar os efeitos de desidratação. Descobrimos que a administração de alimento molhado para os ratos melhorou muito sua condição através de três dias de restrição alimentar. Sem o alimento molhado, o peso corporal foi de queda muito mais rápido e animais teve de ser removido do ambiente de restrição alimentar. Essas mudanças foram suficientes para permitir que os ratos para sobreviver por três dias completos de restrição alimentar e facilmente recuperar da ABA.

Este protocolo para ABA tem algumas limitações importantes a considerar. Em primeiro lugar, é necessário para abrigar os ratinhos individualmente emgaiolas com uma roda de corrida, a fim de monitorar a atividade de cada roda do mouse de forma independente. Isto resulta no isolamento social dos animais, um estressor conhecida que pode afectar o comportamento dos animais durante o ABA, bem como alguns dos circuitos neuronais que estão a ser estudados 26. Até agora, não há equipamentos disponíveis que é capaz de monitorar a atividade individual de ratinhos co-instalado, mas este parece ser um problema solucionável usando a tecnologia RFID e acompanhamento de marcas amarrados a cada animal. Outra conseqüência inevitável de animais potencialmente co-habitação durante a restrição alimentar é o risco de que os animais podem se tornar agressivos com sua gaiola companheiros. Mudando jaula dos animais após cada sessão de alimentação é outro fator estressante que tínhamos de introduzir devido a um animal hoarding alimentos sob a cama. O nosso objectivo é minimizar o stress de uma nova gaiola através da introdução de uma quantidade substancial de cama suja da gaiola anterior na gaiola fresco.

13,27 luzes acesas. Este pode ser, por razões de conveniência do experimentador, e é importante notar que o período de tempo para a porção de alimento durante a fase de luz deve ser aumentado para melhorar a sobrevivência. Também tem-se sugerir que bloquear o acesso à roda de corrida durante a alimentação pode melhorar a sobrevida, mas nós sentimos que este remove o aspecto muito interessante de comportamento que é a decisão tomada por alguns animais para executar em vez de comer, agravando ainda mais a auto-inanição aspecto do modelo ABA, mas a captura de uma imagem de marca dacomportamento humano associado com AN.

É importante notar que este protocolo foi otimizado especificamente para mulheres adolescente camundongos C57BL / 6. Se uma estirpe de ratinho, sexo, idade ou grupo diferente é para ser utilizado, alguns parâmetros do protocolo pode exigir a modificação. Também tem sido mostrado que a RT afecta a gravidade da ABA em roedores 28. Enquanto nós não tente variar o RT para os nossos estudos, aumentando o RT é susceptível de melhorar as taxas de sobrevivência entre os animais ABA.

A vantagem de usar um modelo animal de uma doença humana, como AN, é que é possível estudar a anatomia e fisiologia do cérebro e as mudanças induzidas pelo acesso ao exercício voluntário e da restrição alimentar em um ambiente controlado. A utilização de ratinhos no modelo ABA permite a utilização de abordagens genéticas poderosas usando animais transgénicos e infecção viral para manipulação genética. Futuros estudos são teve como objetivo estudar o efeito de genes específicos na resiliênciaou vulnerabilidade à alimentação induzida por restrição hiperatividade e auto-inanição.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado pelo Programa Bolsa Fundação Klarman em Transtornos Alimentares Research para a CA; Institutos Nacionais de Saúde Grants R21MH091445-01 a CA, a CA R21MH105846, R01NS066019-01A1 a CA, a CA R01NS047557-07A1, NEI Núcleo Grant EY13079 a CA, a CA R25GM097634-01, UL1 TR000038 do Centro Nacional para o Avanço da Ciência Translational para TGC, Challenge Fund Research da Universidade de Nova York para a CA; Os Fulbright e Subsídios para yw C.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Wireless running wheel for mouse Med Associates ENV-044
USB Interface Hub  Med Associates DIG-804
Wheel Manager Software Med Associates SOF-860
Wheel Manager Data Analysis Med Associates SOF-861
Diet Gel 76A Clear H2O 72-07-5022
Mouse Diet 5001 PMI

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References

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