一个 DIY 系统，用于定时喂养家笼中的实验室啮齿动物

摘要

本文详细介绍了自动饲喂系统的设计、组装和方案，以及另一种盖子和笼子修改，可以在标准啮齿动物笼上实施，只需对栓系光遗传学或纤维光度测定实验进行最少的修改。饲喂系统为定时饲喂和/或热量限制提供了一种经济高效的工具。

摘要

间歇性禁食和围绕定时热量限制对体重调节和衰老结果影响的研究在社会和实验室中都是趋势。为了在实验室中研究限时进食和/或热量限制，按预定的时间间隔分配分配的食物量。当前用于啮齿动物定时喂养的技术涉及带有门控食物入口的专用笼子、时间锁定的数字料斗或手动送食。用于此类实验的专用设备可能成本高昂，并且手动喂食通常需要研究人员在深夜/清晨的时间点进来，从而排除了长时间的研究。此处描述的自动饲喂系统为定时饲喂和/或热量限制提供了一种经济高效的工具，只需进行最少的修改即可在标准啮齿动物笼上实施。该方案使用现成的自动饲喂器，该饲喂器配备了标准微隔离器笼盖（小鼠、仓鼠、大鼠或豚鼠笼盖），并且可以在动物的家笼中以编程的时间间隔管理所需的食物分配。我们的设计可以修改，以适应各种喂料机或笼子尺寸的微小变化。我们提供补料系统的设计、组装和方案，以及用于栓系光遗传学或纤维光度测定实验的替代盖子和笼子修改。

引言

间歇性禁食是代谢和衰老研究的一个重要领域。适当的进食和昼夜节律可以改变饮食对体重的影响 1,2,3,4。此外，长时间的间歇性禁食与延长寿命和改善与年龄相关的疾病有关 5,6,7,8。实施长期禁食方案（>20 天）的研究通常需要专门的设备。虽然可以按照预定的喂养方案手动送餐，但这可能需要研究者长时间出现在许多非工作时间的时间点。例如，相隔 4 小时的三个饲喂时间需要在晚上 8：00、凌晨 12：00 和凌晨 4：00 手动配送;这可能是一个持续几天以上的合规性挑战。

实验室啮齿动物手动送餐的替代方案是 1） 具有自动进食门的专用笼子，或 2） 提供自动和编程进食的数字料斗系统，例如 FED3⁹。带有门控食物通道的笼子系统成本高昂，有些不能为长期研究提供合适的家庭笼环境。例如，传统的作调节箱能够自动送餐，但其铁丝格栅地板不利于长期居住。Research Diets 的 BioDAQ 系统通过门控外部端口提供食物和水。可编程的自动门允许长期安排饲喂或饮水研究，但是，该系统是一项昂贵的投资。机械化料斗系统是自动预定饲喂方案的另一种工具 ^9,10。引用的两个机械化漏斗带有减少家庭笼子生活空间的警告。食物受限的饥饿动物可能会咀嚼喂食设备和/或笼子碎片可能会干扰料斗机械装置以进行长期研究。最后，由 Takahashi 研究小组与 Phenome Technology 一起开发的机械化料斗专为长期预定饲喂研究而设计³。在该系统中，机械化料斗位于标准笼子的金属架上方，带有输送食物的溜槽。然而，Phenome 系统不能为拴在跳线上的动物（光遗传学/光纤光度实验）提供灵活性，并且与此处描述的自动饲养装置相比，它相对昂贵。

为了应对定期喂养方案中普遍存在的挑战，我们提出了一种具有成本效益的补救措施。我们的自动化系统有助于在预定的时间间隔内精确送餐。通过将 3D 打印部件与市售自动喂鱼器相结合，我们设计了一个自己动手 （DIY） 的外部喂食系统，该系统可以安装在使用微隔离器顶部的独立啮齿动物笼上。此处描述的饲喂系统和部件可以直接应用于以下任何啮齿动物笼子：小鼠、大鼠、仓鼠或豚鼠，前提是独立笼子使用微隔离器顶部。由于笼子的大小不同，放置位置可能略有不同，但 3D 打印的支架、饲喂系统和外部水瓶设计通常适用于带有微隔离器盖的独立啮齿动物笼。

我们介绍了一个例子自动送料器，但还有许多其他现成的自动送料器可用，并且只需对 3D 打印部件进行轻微更改即可安装到模块化系统中。为了便于将 3D 打印支架调整为替代进料器或笼子尺寸的微小变化，我们提供了一个可修改的 3D SolidWorks 文件，并附有 STL 文件。

自动喂食器的外部放置为家笼内提供了完整的空间，并允许分离、消毒、重新加载或更换喂食器，而不会干扰动物。自动补料系统可高效进行长期记录，价格合理，并且适用于各种限时补料和/或热量限制方案。我们提供笼式组件的详细技术图纸、设计和实施饲喂系统的协议，以及样品数据。其次，我们提供了一组说明，以修改标准笼子，以便将自动饲喂器与拴在跳线上的动物一起使用，用于光遗传学或光纤光度实验。

研究方案

所有程序均已获得马萨诸塞大学阿默斯特机构动物护理和使用委员会的批准。

1. 将自动进纸器组装到标准微隔离器笼盖上（图 1）

1. 使用带有 1.5 英寸切割轮的旋转工具，在微隔离器笼盖上切出一个 20 x 25 mm 的正方形。将开口放置在距离盖子边缘 2.75 cm 的位置，并在金属丝架上方居中（图 1B，左）。
2. 3D 打印支架以将自动进纸器耦合到笼盖上（图 1A 和 补充文件 1）。将支架卡在笼盖的孔上（步骤 1.1; 图 1B，中）并将自动进纸器滑到固定支架的顶部（图 1B [右] ，C）。

图 1：自动进纸器支架和笼盖的修改和装配。 （A） 自动进纸器支架的技术图纸（有关三维比例，请参阅 补充文件 1 中的 SolidWorks/STL 文件）。（B） 从左到右，笼顶有 20 x 25 mm 的孔;支架安装在笼子顶部，并安装在 Petbank 自动进料器上。（C） 组装好的笼子上的 Petbank 自动喂食器，将食物颗粒投放到带有水瓶的标准金属丝架上。比例尺 = 25 厘米）。 请单击此处查看此图的较大版本。

2. 现成的自动进纸器示例的编程和使用

1. 对于定时实验，先设置进样时间，最后设置同步进样时钟，因为后续调整将改变时钟时间。
2. 确保进料器充满电。按住 个人设置 按钮，直到屏幕上的小时设置闪烁。
3. 继续进行 时间 设置。使用向上和向下箭头，将时间调整到第一个所需的预定饲喂期。
4. 设置此时间点的分配数量（由 feed 设置旁边的点数表示）。重复步骤 2.2-2.4，最多再增加两个时间点。
5. 在自动喂食室中加载所需的食物分配 ≤1.5 克标准啮齿动物食物。如果需要更多食物，请将喂食器设置为在给定时间点提供多个分配。示例进料器有 16 个腔室。
   注意：食物可以按大小订购或用剪刀修剪。
6. 用胶带或油漆标记一个腔室，以确认编程的腔室旋转和食物输送。运行供料器时每天检查。

3. 带有自动喂食器的拴系动物的改进笼系统

1. 用于拴在跳线上的动物的可选替换盖子插件（图 2）
   1. 根据 图 2A 的规格激光切割一块 3 毫米厚的透明丙烯酸（另见 补充文件 2）。亚克力嵌件设计有标签，可卡入笼子顶部。中心狭缝 （190 x 5 mm） 允许跳线通过。20 x 25 mm 的方孔适合自动进纸器支架;20 个通风孔允许新鲜空气流通。
   2. 使用平头螺丝刀或楔形工具，撬开标准微隔离器盖的多孔笼顶盖。从标签槽中松开标签，并取出穿孔插件和滤纸（图 2C，左和中）。
   3. 在多孔顶部和滤纸下方是一个内部罗纹支撑网格。使用旋转工具和 1.5 英寸切割轮拆下支撑格栅;按照 图 2C 中心所示的箭头指示符进行作。切割后去除支撑网格，锉平切割边缘。
   4. 将替换的亚克力板插件（步骤 3.1）卡入笼子顶部。首先，将板片沿任一短边滑入片槽中，然后滑动其中一个长边，然后轻轻按压直到板卡入到位（图 2C [右] ，D）。
2. 用于拴在跳线上的动物的可选外部水瓶支架（图 3）
   1. 为水瓶吸管钻一个端口：直径为 11 毫米的孔，距离地板 50 毫米，以笼子的短边缘为中心（图 3B 和 补充文件 3）。
   2. 在中心孔 （± 27.5 mm） 的两侧，钻两个直径为 6 mm 的孔。或者，使用 8 mm 方形冲头工具钻方孔（如图 3B 所示）。
   3. 3D 打印外部水瓶支架（图 3A 和补充文件 4）。使用托架螺栓（2 厘米长、6 x 1 毫米或 0.75 英寸长 1/4 x 20;图 2B，C）。
   4. 对于水瓶，在外部支架上安装一个标准的 50 mL 锥形管，并在外部支架上盖上吸管/塞组件（#7 塞子带 3-1/2“ 弯曲吸管，参见 材料表）。每 2-3 天补充一次水。

图 2：将亚克力板组装到笼子顶部。 （A，B）亚克力板和馈线端口插头的技术图纸。（C） 左侧，标准笼式顶部，带多孔插件和过滤器。居中，去除穿孔插件和过滤器（必须沿箭头指示的线切出罗纹网格）。右图，亚克力板卡入到位。（D） 完整的盖子组件。比例尺 = 25 厘米。 请点击此处查看此图的较大版本。

图 3：水瓶支架组件。 （A） 3D 打印水瓶支架的技术图纸。（B） 笼子改装和水瓶支架组件;（C） 已安装支架;（D） 完整的保持架组件。比例尺 = 10 厘米。 请点击此处查看此图的较大版本。

图 4：使用自动喂食器的完整笼子组件摘要。 （A） 带金属架的标准笼子，（B） 用于拴系动物的改良笼子。 请单击此处查看此图的较大版本。

结果

诱导雌性小鼠不育的热量限制研究（21 天）（自动喂食和笼子设计， 图 4A）
慢性能量缺乏足以抑制哺乳动物的生育能力，这种反应在啮齿动物和人类中都是保守的^11,12。在这项研究中，我们使用热量限制来诱导长期体重减轻。15-18 周龄的成年雌性 C57BL/6 小鼠是单舍小鼠，处于 12：12 小时的光照：黑暗循环中，在 Zeitgeber Time 12 （ZT12） 熄灯。在一周的间隔内，每天为每只动物称重装有食物的金属丝架，以确定基线食物摄入量，即 3.80 ± 0.64 克/天（平均值 ± SE）。接下来，限制食物以诱导体重减轻。食物被分成三份，并由自动喂食器分三个间隔分配：ZT 12、16 和 20（笼式配置，图 4A）。在最初的 48 小时内，动物被限制在基线食物摄入量的 50%。然后，在接下来的 19 天内将动物限制在基线食物的 ~70%，并在限制的后半部分进行轻微调整以维持基线体重的 80-90%（图 5A，底部）。

在 ZT 0 和 ZT 1 之间，对动物进行称重，并通过对用 0.1 M 磷酸盐缓冲盐水进行阴道灌洗收集的细胞的组织学特征来评估排卵周期的分期。在 80-90% 体重减轻之前和期间监测周期长度至少 11 天。持续体重减轻超过 10% 足以诱发雌性小鼠不育，正如之前发表的那样¹¹。

每天调查自动喂食器的正确轮换和食物输送（方案步骤 3.1）。留在地上或留在铁丝架上的任何食物都被丢弃了。此处介绍的示例喂料机有 16 个腔室，可以设置为以三个间隔输送食物（参见 材料表）。我们确定适合腔室的食物的最大体积为 2 克，可以切割或按尺寸订购。我们还确定，一旦达到编程时间，送餐需要 ~10 秒。地板门需要 7 秒才能完全打开，然后腔室需要 3 秒才能越过开口，分配食物颗粒。有与大门打开和食物颗粒掉入空金属架相吻合的声音（视频 1，有录音）。

在 21 天的时间里，我们观察到使用 Petbank 的这种特定喂食器（材料表）的轮换和食物配送完全准确。在测试时，馈线距离初次使用有 3 到 6 个月，内部可充电电池在整个 21 天的试用期间保持充满电指示。由于这是一个相对较小的喂食器样本 （n = 4），我们随后对 10 个自动喂食器进行了另一项为期 21 天的研究，以匹配的速率分配食物。随后的研究在初次使用饲养员 10 个月后进行。在 21 天的试验中，一个饲养器在第 15 天损失了一格功率（~25% 的功率损失），另一个在第 17 天损失了一根能量，而其余 8 个饲喂器在整个 21 天内都有充满电指示。示例馈线上的功率级别表示为 4 个条形。我们的量化假设每个条形代表 25% 的功效。与我们的初始测试一样，后续研究中的喂食器在研究期间再次无差错地进行轮换和喂食。

图 5：使用自动喂食器在热量限制期间雌性小鼠的体重轨迹和叠加的发情周期数据。 （A） 使用自动喂食器在三个时间点（间隔 4 小时，从熄灯开始）提供 50-70% 的基线食物摄入量的平均体重减轻轨迹（底部）。代表性的发情周期数据与体重减轻一致（上）。灰色突出显示表示体重减轻超过起始体重的 10%。箭头表示通过用食物填充金属架并移除自动喂食器来恢复 随意 进食。（B） 减肥期间的发情周期;当动物体重减轻 1% 到 10%（开条）与 >10% 体重减轻时，发情时间百分比的受试者内比较（灰色条;注意：发情停滞是不育的迹象） n = 4。（C） 体重减轻与骑自行车的瀑布图。体重减轻高达 8% 时，100% 的动物具有生育能力和周期性，而在体重减轻 20% 的情况下，100% 的动物是非周期性和不育的。缩写： P = 发情前;E = 发情期;D = 发情。误差线表示均值的标准误差 请单击此处查看此图的较大版本。

视频 1：大门打开和食物颗粒掉入空金属丝架的声音。请点击此处下载此视频。

补充文件 1：包含自动进纸器支架的技术工程图和 SolidWorks + STL 文件的 Zip 文件。请点击此处下载此文件。

补充文件 2：亚克力板的技术图纸。请点击此处下载此文件。

补充文件 3：包含端口插头的技术图纸和 SolidWorks + STL 文件的 Zip 文件。请点击此处下载此文件。

补充文件 4：包含技术图纸的 Zip 文件，用于水瓶支架和水瓶架的 SolidWorks + STL 文件。请点击此处下载此文件。

讨论

在临床前动物模型中，热量限制是精确纵和研究新陈代谢的强大实验工具。持续体重减轻对肥胖、糖尿病、衰老、生育能力和更年期（一种生殖衰老）有影响，所有这些都是重要的转化终点。然而，热量限制范式可能难以长时间维持。在本手稿中，我们提供了一种经济高效的解决方案，可在实验室环境中实现长期热量限制。提供了将现成的自动饲喂器连接到带有标准微隔离器盖的啮齿动物笼的说明。喂食器组装在动物的家笼上，并被编程为在预定时间送食。预定送餐控制食物获取的数量和时间，并且没有处理人员进入房间。此外，经济高效的系统可以运行较长时间（数月），从而提高在实验室环境中实现长期热量限制的能力。

神经科学的最新进展使研究人员能够纵或记录促进清醒、行为正常的动物进食的神经元。具体来说，已经通过一系列禁食来执行喂养神经元的纤维光度测量记录（一种体内记录技术），以促进神经活动，然后重新喂养，以研究神经活动的变化 13,14,15。虽然最好在动物的家笼¹⁶ 中进行体内记录，但它们通常在外部舞台中进行，以便在拴在跳线时提供移动性。此外，体内记录可能会受到处理者进入房间而没有门控食物通道的影响。为了解决进食回路中神经元光度测量记录的两个混杂问题，我们设计了一种家笼改造，以长时间容纳被拴系的动物，它与自动喂食器耦合（协议第 3 节和第 4 节）。这种方法的一个限制是笼盖插件设计需要激光切割机。虽然可以使用旋转工具和划痕装置来切割亚克力嵌件，但这些工具可能无法产生小标签和薄缝。

此处描述的饲喂系统存在限制。也就是说，组装需要 3D 打印部件。此外，示例自动喂食器的时钟以 24 小时为周期运行，因此昼夜节律研究的送餐时间必须手动与动物的自由运行期¹⁷ 保持一致。最后，该设备限制为 16 个腔室和 3 个编程时间间隔。喂食器分配食物;它不监控消耗。可以在规定时间内未食用的食物从笼子地板或金属丝架上取回，但在计算和取回未食用的食物方面可能存在错误。

为了突出配备标准啮齿动物笼的商用现成自动喂食器的优势，我们展示了该设备是用户友好的，并且可以在特定的时间间隔提供精确的食物分配。该系统不会阻碍家笼区域。由于喂食器位于动物笼子外，可以很容易地从 3D 打印支架上拆下，因此可以在对动物造成最小干扰的情况下进行定期维护、食物补充和清洁。

例如，我们使用自动进食器来诱导热量限制，并最终导致不孕症。我们在一项为期 21 天的热量限制研究中演示了自动饲喂器的使用（图 5），随后在实验室中使用饲喂器进行了多次实验。正如结果所描述的，喂食器是可靠且准确地输送食物的。随着时间的推移，内部的可充电电池似乎会有所减少，但在使用馈线近一年后，它们至少运行 15 天，甚至会出现轻微的功率损失。制造商估计，电池从充满电开始可以运行 60 天。对于长时间的研究（>30 天），当饲喂器的电池寿命低于最大电量的 50% 时，建议将充满电的替换供料器旋转进来。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
#7 Stopper W/ 3-1/2" curved sipper tube no ball	Labex	2067
AN75 mouse cage bottom	Ancare	AN75HT
Automatic Fish Feeder for Aquarium	Petbank-tek.com	Amazon distribution (#B0BRCWP16K)
Rodent Micro-filter Tops	Ancare	N10MBTPLF
Rubber Stoppers, One Hole	United Scientific	S24009
standard rodent chow	Prolab IsoPro 3000