使用定制的喂养系统操纵小鼠的节律食物摄入

摘要

限制食物摄入的时间已成为减轻饮食引起的代谢疾病的有希望的干预措施。这份手稿详细介绍了内部构建的高效系统的构建和使用，该系统用于测量和操纵小鼠有节奏的食物摄入量。

摘要

节律基因表达是昼夜节律的标志，对于在一天中的适当时间驱动生物功能的节律至关重要。过去几十年的研究表明，有节奏的食物摄入（即生物体在24小时内进食食物的时间）显着有助于全身各种器官和组织中基因表达的节律调节。从那以后，有节奏的食物摄入对健康和生理的影响得到了广泛的研究，并揭示了在活动期限制食物摄入8小时可以减轻由各种致胖饮食引起的代谢疾病。这些研究通常需要使用受控方法来计时向动物输送食物的时间。这份手稿描述了一个低成本和高效的系统的设计和使用，该系统是内部构建的，用于测量日常食物消耗以及操纵小鼠的有节奏的食物摄入量。该系统需要使用负担得起的原材料来建造适合食品配送的笼子，遵循用户友好的处理程序。该系统可以有效地用于以不同的喂养方案（例如 随意，限时或心律失常时间表）喂养小鼠，并且可以结合高脂肪饮食来研究其对行为，生理和肥胖的影响。描述了野生型（WT）小鼠如何适应不同的喂养方案。

引言

生物钟在物种中无处不在，并提供一种计时机制，帮助生物体适应其节奏变化的环境。主昼夜节律起搏器位于下丘脑的视交叉上核 （SCN）。SCN主要由环境光暗循环夹带，并通过多种线索同步存在于身体几乎每个细胞中的外周时钟，包括神经元和激素信号，进食和体温¹，²，³，⁴，⁵，⁶，^7，8.在哺乳动物中，分子生物钟依赖于异二聚体转录因子CLOCK:BMAL1 9，10，它控制名为Period（Per1，Per2和Per3）和Cryptochrome（Cry1和Cry2）的核心时钟基因的表达，以启动转录反馈环，这对于昼夜节律的产生至关重要⁹，11^，12.分子钟还调节数千个基因的节律转录，这些基因控制着几乎所有生物功能的节律性¹³，^14，15。哺乳动物中超过50%的基因组在至少一种组织类型16，^17，18中节律表达，并且小鼠肝脏等组织有约25%-30%的转录组有节律表达^18，19。节律性基因表达对于在一天中的正确时间激活重要的生物过程（例如细胞周期控制²⁰，葡萄糖稳态21和氨基酸代谢²²）至关重要，以增加生物体适应性。

在过去的几十年里，越来越多的证据表明，食物摄入可以作为一种有效的同步线索，在包括肝脏在内的多个组织中夹带基因表达的节奏^23，24。重要的是，喂养已被证明可以独立于SCN或明暗循环²⁵在肝脏中夹带节律，并且有节奏的喂养可以在不涉及分子钟^26，27，²⁸，²⁹，^30，31的情况下驱动有节奏的基因表达。喂食仅限于小鼠的非活动期（白天）颠倒了核心时钟基因和许多节律基因的表达阶段³¹。限时喂养 （TRF） 是一种营养干预措施，每日热量摄入限制在 8-10 小时，已被证明可以预防肥胖、高胰岛素血症、肝脂肪变性和代谢综合征^32，33。上述所有涉及操纵食物摄入量的实验都要求实验者使用有效的方法在一天中的正确时间提供食物。

已经开发了不同的送餐方法，具有几个优点和缺点29，34，^35，36，37，^38，39（表1）。一些自动喂食器被设计为基于软件运行，该软件控制食物供应的数量、持续时间和时间，同时记录小鼠的喂食和自愿轮运行活动³⁴。其他一些方法涉及将小鼠放置在不同的笼子中以不同的摄食条件，实验者在先决条件时间手动添加食物颗粒^38，39。另一个系统使用由计算机控制的自动喂料器系统，其中气动驱动的防护罩阻止进入食物，并且可以通过时间间隔或食物质量³⁵进行控制。所有这些方法要么需要使用和设置计算机化软件，这可能很昂贵，并且需要一些培训才能正确操作仪器，要么是劳动密集型的，因为实验者需要在特定时间在场以手动改变喂食条件。计算机化系统也带来了一些问题，包括让食物排出的杠杆或门故障、食物颗粒卡在出口中以及软件故障。此外，在打开门或杠杆期间可能产生的声音存在使小鼠将这些与食物交付联系起来的风险，从而影响了对食物操纵影响的解释，即严格是由于食物获取或由于对其他行为节律的影响，如睡眠/觉醒周期。这项研究的总体目标是开发一种负担得起且有效的系统来控制长期有节奏的食物摄入量，这将有助于缓解上述许多问题。首先，与自动化机器相比，下面开发和描述的进料装置可以以非常低的成本建造（表2），并且不需要复杂的操作，操作和维护培训。其次，饲喂系统在送餐过程中只产生背景白噪声，没有响亮的声音，从而防止巴甫洛夫条件反射。总而言之，这种喂养系统对研究人员来说经济、更容易获得和可靠，同时在控制有节奏的食物摄入量方面仍然有效。

研究方案

所有动物受试者均按照德克萨斯A&M大学机构动物护理和使用委员会（AUP #2022-0050）制定的指南使用。这里使用2-4个月大的雄性和雌性C57BL / 6小鼠。构建进料系统的过程如下所述，材料 表中引用了构建设备所需的原材料。

1. 供料系统的构建

1. 构建聚氯乙烯（PVC）基材
   1. 采购四张0.25英寸PVC片材，按以下尺寸切割:4.875英寸x 4.5英寸;4.875 英寸 x 2.125 英寸;9.5 英寸 x 2.125 英寸（两件）。使用 图 1A 中提供的测量值在 4.875 英寸 x 4.5 英寸底座上钻四个孔，用于连接 24 小时计时器。将四块PVC粘合以获得基底，如图 1A所示。
2. 将定时器固定在 PVC 底座上
   1. 打开计时器以拔下插头。使用标准延长线/电源线进行连接（图1B）。
   2. 将计时器放在PVC底座上，使其与步骤1.1.1中在底座上钻的孔对齐。使用 1.5 英寸螺钉将计时器固定在 PVC 底座上。确保定时器平放并在PVC底座上稳定。
   3. 在计时器顶部钻四个孔，并固定 0.75 英寸螺钉以固定八格食品容器（图 1B）。系统的基础是完整的，如图 1C 所示。
      注意:不要在整个计时器上钻孔。
3. 保持架设置
   1. 以 4.125 英寸的高度切割 3.125 英寸的 PVC 管（外径为 4.5 英寸）。在管道底部钻一个约0.5英寸的孔，让电缆通过。
   2. 打磨管道顶部（例如，使用路由器或旋转工具），以便在更换食品容器时轻松取下盖子。
   3. 使用宽度大于 4.5 英寸的鼠笼，并使用孔锯在笼子底部切一个 4.5 英寸的孔。
      注意:孔的位置取决于保持架的设置（例如，保持架顶部和水瓶的位置，增加一个跑轮等）。
4. 进料容器设置
   1. 用 4 英寸的八格珠宝整理器制作食物分配器，如图 1D 所示。切割容器的边缘，使其很好地融入管道。
   2. 使用 4 英寸 PVC 管帽并切一个对应于单个分配器隔间大小的孔（例如，使用旋转工具），以创建一个一次仅露出八个隔间中的一个的开口。随着计时器的移动，开口每3小时露出一个新的隔间。供料系统组件现已准备就绪，可供使用。设置完所有保持架后，最终设置类似于 图1E所示的设置。
   3. 一次运输许多食品容器可能很麻烦。为了便于运输，请取三根0.25英寸的PVC管。在两块的中心钻一个 0.625 英寸的孔并将它们粘在一起。然后，使用适合孔并通过食物杯中心的 0.625 英寸窄 PVC 管堆叠食物杯以方便其运输，如图 1F 所示。
   4. 在引入小鼠之前测试计时器，方法是将设置插入电源插座，在记录的时间将一块巢穴放在一个隔间中，并在12小时后监测巢穴的位置以确保计时器迅速转动。

2. 供料系统的应用

1. 连续测量小鼠的食物摄入量
   1. 将小鼠转移到实验室并使它们适应房间中设置的明暗（LD）循环至少1周，如果明暗周期移动超过3小时，则适应2周。对于该实验，从暴露于LD 12:12的2-4个月大的雄性和雌性C57BL / 6小鼠（n = 7雄性和4雌性）收集数据。
   2. 在将它们单独安置在饲养笼中之前记录小鼠的体重（在下午3:00记录重量，即在进行食物更换时）。确保小鼠可以 随意 获得水和足够的床上用品和巢穴。
   3. 将 1.5 克食物（常规使用的 45 毫克无尘精密颗粒）添加到进料杯的所有八个隔间中。将进纸杯放在计时器上。然后，将盖子放在喂食器杯上，使其仅露出一个隔间，并注意食物呈现的时间。四个隔间表示夜间点，其他四个隔间表示白天时间点。
      注意:由于在过量食物呈现时观察到的囤积行为，1.5 g被优化为起始食物重量。小鼠倾向于将颗粒囤积在食物杯盖上或笼内的床上用品中。这扭曲了数据，导致其误解。雄性小鼠在每隔室喂食1.5克或更少时不会囤积颗粒。雌性往往比雄性更多地囤积食物，但这是小鼠特有的，如果每个隔室提供 1 克颗粒，可能会减弱。
   4. 每天在同一时间更换食物，并计算每个隔间中剩余的颗粒数量以计算消耗的食物量。监测一周的喂养情况，以获得 随意喂食的小鼠的基线喂养曲线。
   5. 根据每个隔间中消耗的食物，计算每只小鼠的平均每日食物消耗量（图2）。
2. 高脂肪饮食 （HFD） 治疗
   注意:该喂养系统也可用于研究HFD对代谢疾病的影响，并最终用于有时间限制的喂养时间表。HFD不能作为精确尺寸和重量的颗粒在市场上获得，用于喂养的颗粒通常以0.5英寸颗粒的形式采购。
   1. 将HFD颗粒放在干净的表面或透明薄膜上，并使用剃须刀片将它们切成6-7个大小均匀的小块。将颗粒切得足够小，使它们类似于上述第 2.1 节中使用的普通松狮颗粒。
      注意:老鼠倾向于在笼子里囤积更大的颗粒，导致错误计算消耗的食物。
   2. 称出 1.5 克切好的 HFD 块，放入 8 个食物隔间中的每一个。对于每隔一天更换一次食物，每个隔间 1.5 克 HFD 就足够了。
   3. 根据实验需要每天或每隔一天更换食物，并记录剩余食物的重量。
   4. 通过从初始食物量中减去剩余的食物重量来计算消耗的食物量。在 1 周内重复此过程以获得 HFD 食物摄入量的基线（图 2）。
3. 使雄性小鼠适应夜间限制（NR）饮食
   1. 按照步骤2.1.1-2.1.4获取 随意 喂养的基线。对于该实验，从暴露于LD 12:12（n = 18雄性）的2-4个月大的雄性C57BL / 6小鼠收集数据。
   2. 随意饮食3-7天后，通过逐渐减少日间隔室中的颗粒数量，使小鼠进行 过渡饮食。 为此，在过渡的第1天每个隔室有5个颗粒（每个隔室0.225g），第2天有3个颗粒（每个隔室0.135g），第3天有1个颗粒（每个隔室0.045g），此后没有完全过渡小鼠夜间限制饮食。
      注意:确保小鼠没有卡路里限制。根据 随意 基线平均每个隔间的小鼠每日食物消耗量，并给它们相同数量的食物，仅将其分布在四个晚上的隔间中。
   3. 在小鼠适应夜间限制方案后，继续监测食物摄入量2周。在此期间，调整给予每只小鼠的食物量以更好地适应其总食物消耗量（图3A）。通常添加食物颗粒（四个夜间隔间中的每一个1个颗粒），当小鼠连续两个晚上吃掉所有食物时。
   4. 在2周结束时称量小鼠，以监测由于喂养方案引起的体重变化。在此期间结束时，用异氟醚麻醉小鼠并通过斩首对它们实施安乐死。收集组织并分析它们由于喂养范式引起的日常变化。
4. 使雄性小鼠适应心律失常（AR）饮食
   1. 按照步骤2.1.1-2.1.4获取 随意 喂养的基线。对于该实验，从暴露于LD 12:12（n = 18雄性）的2-4个月大的雄性C57BL / 6小鼠收集数据。
   2. 经过一周 的随意 饮食，计算每天的平均食物消耗量并将该数字除以 8 以获得每个隔间中要提供的食物量。通过确保小鼠全天在所有八个隔间中获得等量的食物来实现 AR 喂养。
   3. 然后，通过在3-5天内逐渐减少每个隔室给予的食物量，使小鼠进行过渡饮食，以最终消除任何食物摄入的节奏（如图 3B所示）。在AR饮食中，确保小鼠在八个隔室中的每一个中都能获得其每日食物摄入量的1/8，从而每3小时获得一次食物。确保小鼠不受卡路里限制。
   4. 将小鼠维持AR饮食2周或更长时间（图3B）。
   5. 在AR饮食期间，每天调整食物，以确保小鼠只留下几个颗粒（通常少于5个）。这确保了小鼠获得适量的食物，并且不受卡路里限制。通过减少或添加所有八个隔室中的颗粒或在两个相对的隔室中减少或添加颗粒来进行调整，以免引起任何食物摄入的节奏。
      注意:在AR饮食下喂食的小鼠几乎只在ZT3和ZT9之间（亮灯后3小时至9小时之间）离开食物，但在夜间感到饥饿并咬住食物分配器以进入下一个隔间。然而，AR喂养的小鼠不受卡路里限制，实际上随着时间的推移，比NR喂养的小鼠体重增加更多。
   6. 在2周结束时称量小鼠，以监测由于喂养方案引起的体重变化。在此期间结束时，用异氟醚麻醉小鼠并通过斩首对它们实施安乐死。收集组织并分析它们由于喂养范式引起的日常变化。

结果

上述喂养系统可用于长期控制小鼠有节奏的食物摄入。该系统基本上每3小时向小鼠暴露一个新的食物隔间，使研究人员能够专门操纵每个隔间中的食物。一种应用是分析24小时内食物摄入量的概况。数据表明，随意喂食 正常食物的 WT小鼠在夜间吃掉了大约75%的食物（图2A）。此外，白天吃的大部分食物发生在熄灯前的3小时内。

随意喂食HFD的小鼠在暴露的前2天吃了更多的食物，可能是因为HFD的新颖性（图2A）。2 天后，HFD 摄入量保持有节奏，但与随意喂食正常食物时相比，振幅有所降低。虽然雄性和雌性WT小鼠都喂食HFD，但发现雌性小鼠在喂食装置的盖子和笼子中囤积了大量食物，而雄性小鼠则没有表现出任何明显的囤积。如上所述，囤积食物会导致错误计算食物消费并导致数据误解。此外，雌性小鼠更频繁地咬住食物杯的塑料边缘，尤其是在夜间隔间。雄性小鼠在随意正常食物1周和HFD1周后显示出显着的体重增加（图2E）。在雌性小鼠中观察到类似的趋势，但没有达到显着的p值，部分原因可能是与雄性相比，使用的雌性数量较少。

过渡到NR饮食的小鼠仅在晚上吃每日总卡路里，前3-5周的卡路里摄入量没有显着减少（图3A）。与 随意喂食的小鼠相比，长时间暴露于NR时间表会使日平均卡路里摄入量减少10%-15%，如其他部分所述³⁴。过渡到AR饮食的小鼠在一天中消耗了等量的每日总卡路里，导致每日食物摄入节奏的显着抑制（图3B）。至于NR喂养时间表，在暴露的前3-5周，每日平均卡路里摄入量不受AR喂养计划的影响，但随着暴露时间的延长而减少。小鼠在NR（图3C）和AR时间表（图3C）后显示体重增加。

图 1:进料装置系统的设计和构造 。 （A） 供料系统的PVC底座的尺寸，以及需要在哪里打孔来固定计时器。（B）在重新利用电线并用螺钉钻孔以放置食物杯之前和之后的24小时计时器。（C） 组装好的灰色底座和计时器以及 4 英寸 PVC 管。（D）修剪外边缘后的八格食品杯。（E）笼子的最终设置，食物杯上覆盖着4英寸的盖子，一次只能进入一个隔间。（六）实验过程中多个食物杯的运输。 请点击此处查看此图的大图。

图 2:不同饮食方案下的 喂养曲线。 （A）雄性WT小鼠的喂养曲线， 随意喂食 正常食物（NC）7天，高脂饮食（HFD）额外7天。彩色线表示单个小鼠轮廓（n = 7），黑线表示七只小鼠的平均± SEM。（二）切片前后的高脂饮食。（C）SEM±每3小时每日平均食物摄入量（n = 7）。平均值是在NC或HFD喂食计划的最后5天内计算的。（D）喂食NC或HFD的小鼠白天和晚上食物摄入量的平均（左）和百分比（右）。这些值代表 SEM ± 7 只小鼠的平均值，并使用 NC 或 HFD 喂养计划的最后 5 天的食物摄入量数据计算。* 两组之间的p < 0.05（配对 t 检验）。（E）NC和HFD1周后实验中使用的小鼠的平均体重。男性（左）和女性（右）的数据在两组之间显示为 * p < 0.05（配对 t 检验）。 请点击此处查看此图的大图。

图3:每日食物摄入节奏的操纵 。 （A）雄性WT小鼠的喂养曲线，随意喂食 正常食物2 天，过渡到夜间限制（NR）喂养方案3天，并在NR喂养下维持8晚。彩色线表示单个小鼠轮廓（n = 18），黑线表示18只小鼠的平均±SEM。灰色星号表示该鼠标的计时器在计时器停止转动的那一天出现故障。（B）雄性WT小鼠的喂养曲线， 随意 喂食正常食物2天，过渡到心律失常（AR）喂养方案1天，并在AR喂养下维持8晚。彩色线表示单个小鼠轮廓（n = 18），黑线表示18只小鼠的平均±SEM。（C）暴露于NR和AR饮食2周后实验中使用的小鼠的平均体重。两组之间的数据以 * p < 0.05 显示（配对 t 检验）。 请点击此处查看此图的大图。

表1:现有进料系统的优缺点。 一张表格，突出显示了用于控制食物摄入量的不同喂养系统，并简要描述了每种系统的优缺点。 请按此下载此表格。

表2:建造进料系统所需的材料成本。 下表列出了本文描述的建造饲喂系统所需物品的成本以及每个网箱的建造成本估算。 请按此下载此表格。

讨论

在过去的几十年里，人们对喂养节律的控制及其对生理学的影响进行了广泛的研究。这里描述的喂养系统的构建和利用可以用作控制食物摄入的有效方法。该协议使用一个通用的24小时计时器和一个设计为八隔间组织者的食物杯作为系统的关键组件。只需使用几个易于访问的工具即可轻松构建保持架，并且系统的处理是用户友好的。调整系统以操纵有节奏的食物摄入的协议的一些关键方面包括每天更换食物杯，因为计时器在 24 小时内转动，手动计数或称重剩余食物，以及每天调整用于 AR 喂养的颗粒数量。通常，当老鼠饥饿并且没有得到足够的食物时，可以看到塑料屑。这个问题可以通过添加更多遵守喂养方案的食物颗粒来解决，直到看不到塑料屑。在需要调整日常食物的AR喂养的情况下，应注意不要诱导食物摄入的节奏（图3B）。因此，最好在整个相反的隔室中添加或减去颗粒，以保持小鼠心律失常地进食。

该系统可以通过在食物杯上涂上一层环氧树脂来进一步改进，以防止小鼠咬塑料，从而有助于延长食物杯的使用寿命。还可以修改用于放置食物杯的计时器表面，以帮助食物杯在计时器上平放并稳定。这可以防止由于计时器放置不均匀而导致计时器意外停止。一些笼子组件，如食物杯，也可以3D打印以降低成本，并根据研究人员的喜好定制。这可以包括具有八个以上隔间的食品杯，这可以提供比当前3小时窗口更好的时间分辨率。

虽然非常高效，但该系统有一些局限性，例如劳动密集型，研究人员仍然需要每 24 小时更换一次食物杯，并要求他们手动计数/称重剩余的食物。此外，需要不时监控计时器，以识别潜在问题和/或它们是否停止工作。这可以在计数喂食后剩余的食物颗粒时实现（例如，通过确定一些小鼠是否只在几个隔间中进食并且让一些隔间保持不变）。该系统的另一个局限性是它可能不适用于雌性小鼠，因为对雌性小鼠进行的少数实验表明，它们比雄性小鼠更倾向于囤积食物和咀嚼塑料。

尽管如此，这种喂食系统在操纵食物摄入方面非常有效，易于构建、操作、维护，并且与市场上现有的昂贵的自动喂食器相比价格低廉。它可以很容易地调整和修改以适应研究人员的要求，并且不需要任何特殊培训来操作系统。重要的是，计时器只产生少量的恒定白噪声，这可以防止小鼠将任何声音与食物可用性联系起来。

综上所述，本文描述了一种创新的饲喂系统，可用于监测小鼠的日常食物消耗，并可适应于以限时喂养、心律失常喂养和高脂肪饮食喂养等不同范式的小鼠。该系统增加了可用于解决节律性食物摄入及其对生理学影响领域重要问题的工具列表。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
#6 x 0.75 inch Phillips Pan Head Stainless Steel Sheet Metal Screw (50-Pack)	Everbilt	#800172
#8 x 1.5 inch Phillips Pan Head Zinc Plated Sheet Metal Screw (100-Pack)	Everbilt	#801622
0.25 inch gray PVC sheet (24 inch x 48 inch)	USPlastic	#45088
4 inch PVC pipe (10 ft)	Home Depot	#531103
45 mg dustless precision pellets	Bio-Serv	#F0165
6 ft. Extension Cord	HDX	HD#145-017
Food container (eight-compartment jewelry organizer)	JewelrySupply	#PB8301
Indoor Basic Timer	General Electric	#15119
Oatey 4 inch ABS Pipe Test Cap with Knockout	Home Depot	#39103D
Rodent Diet with 45 kcal% fat (with red dye)	Research Diets	#D12451