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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Presentato qui è un protocollo per il modello di frammentazione cronica del sonno (CSF) raggiunto da un rotore orbitale controllato elettricamente, che potrebbe indurre un deficit cognitivo confermato e un comportamento simile all'ansia nei giovani topi di tipo selvatico. Questo modello può essere applicato per esplorare la patogenesi del disturbo cronico del sonno e dei disturbi correlati.

Abstract

Il disturbo del sonno è generalmente comune nelle popolazioni come malattia cronica o evento lamentato. Si propone che il disturbo cronico del sonno sia strettamente collegato alla patogenesi delle malattie, in particolare delle malattie neurodegenerative. Recentemente abbiamo scoperto che 2 mesi di frammentazione del sonno hanno iniziato cambiamenti comportamentali e patologici simili al morbo di Alzheimer (AD) nei giovani topi di tipo selvatico. Qui presentiamo un protocollo standardizzato per ottenere la frammentazione cronica del sonno (CSF). In breve, csf è stato indotto da un rotore orbitale che vibra a 110 giri/min e opera con un ciclo ripetitivo di 10 s-on, 110 s-off, durante la fase light-ON (8:00-20:00) continuamente per un massimo di 2 mesi. Le menomazioni dell'apprendimento spaziale e della memoria, comportamento simile all'ansia ma non alla depressione nei topi come conseguenze della modellazione CSF, sono state valutate con il labirinto d'acqua morris (MWM), il riconoscimento di nuovi oggetti (NOR), il test open field (OFT) e il test di nuoto forzato (FST). Rispetto ad altre manipolazioni del sonno, questo protocollo riduce al minimo le fatiche di movimentazione e massimizza l'efficienza di modellazione. Produce fenotipi stabili in giovani topi di tipo selvatico e può essere potenzialmente generato per una varietà di scopi di ricerca.

Introduzione

Il disturbo del sonno è sempre più comune sia nei pazienti con condizioni di disturbo del sonno che nelle persone sane con eventi che disturbano il sonno. È stato osservato che i pazienti con malattie neurodegenerative, dolore cronico, stress emotivo, malattie del sistema respiratorio, malattie del sistema urinario, ecc., di solito si lamentano di spiacevoliesperienze di sonno 1,2,3,4,5. Apnea ostruttiva del sonno (OSA), movimenti periodici degli arti nel sonno (PLMS), insonnia di mantenimento del sonno tra gli altri disturbi del sonno sono le cause più comuni, che induconola frammentazione del sonno 6,7. Nei paesi sviluppati, l'OSA ha una prevalenza superiore al 5-9% nella popolazione adulta e il 2% nella popolazioneinfantile 8,9,10. Nel frattempo, c'è una percentuale crescente della popolazione sana che sperimenta disturbi del sonno a causa dell'uso eccessivo di smartphone, abitudini di sonno irregolari, rumori fastidiosi e doveri di lavoro, come i turni notturni per gli operatori sanitari. Il sonno è riconosciuto come importante per lo sdoganamentodei rifiuti cerebrali 11,12,consolidamentodella memoria 13,14,equilibriometabolico 15,16, tra molti altri processi fisiologici. Tuttavia, rimane ancora in gran parte sconosciuto se il disturbo del sonno a lungo termine dia luogo a alterazioni irreversibili della patogenesi negli esseri umani sani e se sia l'eziologia o un fattore che contribuisce allo sviluppo di malattie del sistema nervoso centrale, come le malattie neurodegenerative in un paio d'anni lungo la strada. Il nostro obiettivo è quello di segnalare un modello sperimentale che genera deficit cognitivo stabile ed evidente e comportamento simile all'ansia nei giovani topi di tipo selvaggio dopo un trattamento di frammentazione del sonno di 2 mesi. Questo modello sarebbe applicato per rispondere alle domande scientifiche sopra elencate.

Il disturbo del sonno è elencato come un potenziale fattore di rischio per lo sviluppo del morbo di Alzheimer (AD) o della demenza. Kang et al. Successivamente, molti altri studi hanno riferito che la privazione o la frammentazione del sonno potrebbero aggravare la patogenesi nei modelli transgenici di topi AD18,19,20. Tuttavia, pochissimi ricercatori hanno studiato la conseguenza del disturbo del sonno nei giovani topi di tipo selvatico; cioè, se il disturbo del sonno dà origine a comportamenti simili ad AD o cambiamenti patologici nei giovani topi di tipo selvatico. Nella nostra recente pubblicazione, abbiamo riferito che 2 mesi di frammentazione del sonno hanno indotto evidente deficit di memoria spaziale e comportamento simile all'ansia, così come l'aumento dell'accumulo intracellulare di amiloide-β (Aβ) sia in corteccia che in ippocampo in topi di tipo selvatico di 2-3 mesi21. Abbiamo anche osservato livelli di espressione alterati di marcatori di percorso endosome-autofagosome-lisosomio e attivazione di microglia, che era simile ai cambiamenti patologici riportati nei topi APP/ PS121,22.

Questo protocollo diframmentazione del sonno (SF) presentato è stato convalidato da Sinton etal. In breve, un rotore orbitale che vibra a 110 giri/min interrompe il sonno per 10 s ogni 2 minuti durante la fase light-ON (8:00-20:00). L'alterazione della struttura del sonno in questo modello è stata precedentemente caratterizzata da registrazioni elettrofisiofisioiche del sonno e riportata da Li etal. Attualmente, il sonno totale o la privazione parziale del sonno sono i modelli di manipolazione del sonno più comunemente usati. La privazione totale del sonno viene solitamente eseguita con una manipolazione delicata sostenuta o esponendo l'animale a nuovi oggetti, in alternativa ruotando continuamente una barra o un tapis roulantin esecuzione 25,26,27,28,29. Per motivi etici, la privazione totale del sonno è di solito inferiore a 24 ore. Il modello di privazione parziale del sonno più comunemente applicato è il metodo della piattaforma dell'acqua, che principalmente ablare il sonno REM30,31,32. Altri approcci che utilizzano un tapis roulant o una barra che spazza lungo il fondo della gabbia, potrebbero indurre la frammentazione del sonno se impostati a intervallifissi 33,34,35,36,37,38. È interessante notare che SF interrompe il sonno e provoca eccitazioni intermittenti in tutte le fasi del sonno24. Uno dei principali vantaggi di questo modello CSF che applica il rotore orbitale è che può essere eseguito continuamente per mesi controllati automaticamente dalle macchine, il che evita frequenti lavorazioni giornaliere ad eccezione del monitoraggio regolare. Inoltre, l'apparecchio consentirebbe di modellare contemporaneamente più gabbie di topi sotto interventi uniformi. Durante intere sessioni di modellazione, i topi sono alloggiati nelle loro gabbie di casa con soliti materiali di lettiera e nidificazione, mentre alcuni altri metodi richiedono esposizione ad ambienti diversificati e stress inevitabile.

La frammentazione del sonno era precedentemente caratterizzata dal metodo di manipolazione del sonno, che imita le eccitazioni frequenti durante la fase del sonno e un sostanziale rimbalzo del sonno durante la fase di veglia. In alcune letterature, il QCS è stato considerato il modello animale per OSA39,40. In questo studio, la logica della frequenza di eccitazione scelta per essere 30 volte all'ora si basa sull'osservazione di indici di eccitazione in pazienti con apnea del sonno da moderata a grave. È stato osservato che la frammentazione del sonno di 4 settimane ha aumentato significativamente la latenza dell'eccitazione ipercapnica e la soglia di eccitazione tattile, che potrebbe durare almeno 2 settimane dopoil recupero 24. Questo fenotipo è stato spiegato rivelando la riduzione dell'attivazione dei c-fos nei neuroni noradrenergici, orexinergici, istaminergici e colinergici wake-active in risposta all'ipercapnia, nonché proiezioni catecolaminergiche e orexinergiche ridotte nella corteccia cingolata24. Tuttavia, è necessario notare che la caratteristica più importante in OSA è l'ipossia causata dall'ostruzione delle vie aeree, che si traduce in interruzioni delsonno 41,42. Disturbi del sonno e ipossia ripetitiva interagiscono reciprocamente tra loro nella patogenesi OSA. Pertanto, la frammentazione del sonno da sola potrebbe non essere in grado di dimostrare completamente tutte le caratteristiche chiave dell'OSA nei topi.

Qui presentiamo un protocollo standardizzato per modellare la frammentazione cronica del sonno nei giovani topi di tipo selvatico. Deficit cognitivo e comportamenti simili all'ansia e alla depressione dopo che il trattamento CSF è stato valutato da Morris water laze, riconoscimento di nuovi oggetti, test sul campo aperto e test di nuoto forzato. È importante notare che questo modello dovrebbe essere preso nel suo insieme che genera fenotipi di modello di sonno disregolato, deficit cognitivo e comportamento simile all'ansia. Il modello attuale potrebbe potenzialmente essere applicato, ma non limitato, ai seguenti scopi: 1) Studiare ulteriormente i meccanismi di patogenesi funzionale o molecolare indotti dal disturbo cronico del sonno nei giovani topi senza predisposizione genetica, 2) Identificare la via diretta che porta alla neurodegenerazione iniziata dal disturbo del sonno, 3) Esplorare le terapie per migliorare i fenotipi indotti dal disturbo cronico del sonno, 4) Studiare i meccanismi protettivi/compensatori intrinseci nei topi di tipo selvatico in caso di disturbo cronico del sonno, 5) Da applicare per studiare la regolazione sonno-veglia e i meccanismi di transizione di stato.

Protocollo

Questo protocollo è stato approvato dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali dell'ospedale Tongji, del Tongji Medical College, dell'Università di scienza e tecnologia di Huazhong.

1. Screening e preparazione dei topi per l'esperimento

  1. Seleziona topi maschi adulti di tipo selvatico (8-10 settimane) con un peso di 20-28 g per l'intero esperimento.
    NOTA: I topi C57BL/6 di tipo selvatico sono ottenuti dall'Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, Cina.
  2. Assegnare casualmente tutti i mouse al CSF e al gruppo di controllo. Ospita 3-5 topi in ogni gabbia per evitare lo stress da isolamento sociale. Il numero di topi alloggiati nelle gabbie di controllo è abbinato a quello ospitato nelle gabbie CSF accoppiate.
    NOTA: I topi nelle stesse gabbie di gruppo sono raggruppati per eseguire esperimenti comportamentali di follow-up.
  3. Individuare le gabbie di controllo nella stessa stanza con le gabbie CSF, per mantenere identici l'ambiente circostante e gli effetti del lavoro.
  4. Numera e segna i topi in ogni gruppo sulle orecchie usando un marchio auricolare a scopo di monitoraggio.
  5. Mantenere la temperatura e l'umidità ambiente tra 21-23 °C e 35%-60 %.
  6. Mantenere l'ambiente ambiente in un ciclo chiaro-scuro di 12 ore (8:00-20:00 light-ON, 20:00-8:00 AM light-OFF), per evitare effetti distorti sul normale ritmo del sonno nei topi.
  7. Ridurre al minimo il rumore e le interferenze mentre il ricercatore è presente nella sala di modellazione.
  8. Fornire ai topi cibo e acqua sufficienti. Utilizzare ugelli lunghi con punte della valvola a sfera sulle bottiglie d'acqua, per evitare perdite d'acqua sui movimenti della piattaforma. Fissare la bottiglia d'acqua sopra la gabbia con una molla per evitare la lussazione della bottiglia durante il funzionamento del rotore.

2. Preparazione e impostazione del rotore orbitale

  1. Preparare un rotore orbitale a controllo elettrico con piattaforma allargata (67 cm x 110 cm), su cui 10 gabbie possono essere posizionate al massimo.
  2. Accendi il rotore orbitale durante la fase light-ON (8:00-20:00) controllato da un timer del programma, che è il momento in cui i topi mostrano la maggior parte del loro sonno quotidiano.
  3. Impostare il rotore orbitale con una velocità di 110 giri/min e un ciclo ripetitivo di 10 s-on, 110 s-off controllati con un timer a stato solido.
    NOTA: La capacità di carico della piattaforma è di 50 kg. L'ampiezza fissa dell'orizzonte del rotore vibrante è di 2,5 cm.
  4. Fissare le gabbie CSF sulla parte superiore della piattaforma del rotore da molle spesse per evitare la lussazione delle gabbie sulle rotazioni della piattaforma.

3. Modellazione e monitoraggio cronici della frammentazione del sonno

  1. Posizionare le gabbie del QCS e dei topi di controllo nella sala di modellazione per una settimana prima degli esperimenti, per lasciare che i topi si adattino all'ambiente circostante.
  2. All'inizio della modellazione, assicurarsi che tutti i topi abbiano libero accesso a cibo e acqua durante le rotazioni orbitali.
  3. All'inizio della modellazione, osservare almeno per 1 h per garantire che il rotore orbitale opera in marcia.
  4. Durante il periodo di modellazione, verificare che il rotore orbitale funzioni correttamente e che i topi condizionino ogni 2 giorni per garantire che i topi abbiano abbastanza cibo e acqua. Cambia le lenzuola delle gabbie ogni settimana.
  5. Durante il periodo di modellazione, pesare i topi settimanalmente alle 8:00 del mattino quando si cambia la biancheria da letto. Rimuovere i topi con una significativa perdita di peso dalla modellazione e anche dai gruppi sperimentali.
    NOTA: Una perdita di peso significativa è definita come un peso inferiore a 20 g della durata di 2 settimane.
  6. Durante le intere sessioni di modellazione, rimuovere l'aggressore, se del caso, dalla gabbia e, anche dai gruppi sperimentali.
  7. Dopo la fine della modellazione, continuare a mantenere e nutrire i topi nella stanza originale.

4. Test del labirinto d'acqua Morris (MWM)

  1. Preparazione alla prova
    1. Preparare l'apparato di un serbatoio circolare riempito con acqua tiepida (20-23 °C).
    2. Sospendere quattro segni con forme e colori diversi sulla tenda che circonda il serbatoio in quattro direzioni del quadrante come riferimento di visione distante. Rendere l'acqua opaca con l'aggiunta di latte in polvere.
    3. Individuare una piattaforma al centro del quadrante sud-ovest.
  2. Il test di allenamento
    1. Sottoponi i topi a quattro prove consecutive tra le 8:00 e le 12:00 ogni giorno in un periodo di allenamento di 5 giorni.
    2. Rilasciare ogni mouse nell'acqua di fronte alla parete laterale in uno dei quattro quadranti in quattro prove. In ogni prova, consenti al mouse di nuotare per 60 s per trovare la piattaforma. Se il mouse non è in grado di arrivare alla piattaforma entro 60 s, guidalo verso la piattaforma e resta lì per 15 s.
    3. Utilizza un sistema di tracciamento video per registrare automaticamente la latenza di fuga dei mouse per trovare la piattaforma nascosta.
  3. Il test della sonda
    1. Eseguire il test della sonda il sesto giorno dopo 5 giorni di allenamento.
    2. Rimuovere la piattaforma. Rilasciare ogni mouse dal quadrante nord-est e permettergli di nuotare per 60 s
    3. Utilizzare un sistema di tracciamento video per registrare automaticamente i dati di traccia dei mouse.

5. Nuovo test di riconoscimento degli oggetti (NOR)

  1. La fase familiare
    1. Posizionare i topi in un serbatoio (lunghezza 30 cm, larghezza 28 cm, altezza 35 cm) in sequenza, che contiene due copie di oggetti (A1 e A2). Consenti ai topi di esplorare liberamente (10 minuti per prova).
    2. Utilizzare un sistema di tracciamento video per registrare automaticamente i dati di traccia dei mouse.
  2. La fase di test
    1. Condurre la prova di prova dopo un ritardo di 1 h della fase familiare. Sostituire uno degli oggetti originali con un nuovo oggetto ("romanzo") nel serbatoio mantenendo invariato l'altro. Riportare i topi al serbatoio e consentirgli di esplorare per 5 minuti per prova.
    2. Usa un sistema di tracciamento video per registrare automaticamente il tempo trascorso nell'esplorazione di ogni oggetto da ogni mouse.
      NOTA: L'esplorazione dell'oggetto è determinata leccando, annusando, masticando o muovendo vibrisse mentre si orienta il naso verso e a meno di 1 cm dall'oggetto. L'indice di discriminazione (DI) è calcolato con l'equazione (TN − TF)/(TN + TF), dove TN = tempo trascorso ad esplorare l'oggetto "romanzo" e TF = tempo trascorso ad esplorare l'oggetto "familiare".

6. Prova sul campo aperto (OFT)

  1. Preparare l'apparecchio di un serbatoio (30 cm x 28 cm x 35 cm).
  2. Durante il test, posizionare ogni mouse al centro del serbatoio e consentirgli di esplorare liberamente per 5 minuti. Pulire il serbatoio con il 75% di etanolo dopo ogni prova per evitare gli effetti avanzi del mouse precedente.
  3. Utilizzare un sistema di tracciamento video per registrare automaticamente i dati di traccia dei mouse.

7. Prova di nuoto forzato (FST)

  1. Preparare l'apparato di un vaso cilindrico aperto, che contiene acqua (20-23 °C) profonda 15 cm.
  2. Durante il test, posizionare ogni mouse nel cilindro e lasciare che rimanga lì per 6 minuti.
  3. Utilizzare un sistema di traccia video per registrare automaticamente il tempo di immobilità durante gli ultimi 4 minuti del test da parte di ciascun mouse.
    NOTA: Il topo è determinato ad essere immobile quando smette di lottare e galleggia nell'acqua, facendo solo movimenti necessari per mantenere la testa sopra l'acqua.

8. Analisi dei dati

  1. Analizzare i dati utilizzando un software di analisi statistica (ad esempio, GraphPad Prism 6.0).
  2. Esprimere tutti i dati come media ± SEM.
  3. Confrontare la latenza di escape nel test MWM tra due gruppi utilizzando ANOVA a due vie con misure ripetute seguite dai posttest Bonferroni. Altri confronti tra il QCS e i gruppi di controllo sono determinati da test t non accoppiati.
  4. Considerare le differenze significative se P < 0.05 in tutti i test.

Risultati

Tutti i risultati e le cifre rappresentativi sono stati riprodotti dalla nostra recentepubblicazione 21. Il riutilizzo delle cifre è stato consentito dalla rivista originale.

L'intero progetto sperimentale è illustrato nell'ordine di tempo, che indica la tempistica della modellazione CSF, i test comportamentali di MWM, NOR, OFT e FST (Figura 1A). Abbiamo ottenuto pesi di topi ogni settimana dal CSF e dai gruppi di controllo, per monitorar...

Discussione

I passaggi critici del protocollo attuale includono la configurazione di macchine per la frammentazione del sonno con i parametri ottimizzati in base allo scopo dello studio e il mantenimento dei topi in un ambiente di vita confortevole e silenzioso durante tutte le sessioni di modellazione. È anche fondamentale decidere i tempi adeguati per interrompere o interrompere la frammentazione del sonno e organizzare test comportamentali per quei topi. Come altri modelli di manipolazione del sonno, è importante eseguire il pr...

Divulgazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato supportato dalla National Natural Science Foundation of China (61327902-6 a W. Wang e 81801318 a F.F. Ding). Riconosciamo la Dott.ssa Sigrid Veasy per aver stabilito il sistema sperimentale SF e aver gentilmente fornito dettagli tecnici. Riconosciamo il Dr. Maiken Nedergaard per i commenti istruttivi per esperimenti correlati.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
Any-maze behavior tracking systemStoelting,Inc,USA-A video-tracking system which was used to record the behavior track of mice.
C57BL/6J miceHubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, China.-healthy male C57BL/6J mice aged 10-12 weeks were purchased from Hubei Research Center for Laboratory Animals
Graphpad Prism 6.0 SoftwareGraphpad Software,Inc.USA-Graphpad Prism 6.0 software was used to draw statistical graphs.
Morris water maze systemShanghai XinRuan Information Technology Co.,Ltd,ChinaXR-XM101The system was used to perform Morris water maze test
Orbial rotorShanghai ShiPing Laboratory Equipment Co.,Ltd,ChinaSPH-331The orbital rotor was used to establish the chronic sleep fragmentation model
Solid state timerOMRON Corporation, Kyoto, JapanH3CR-F8-300The solid state time was used to control the frequency and time of the rotor running
Wooden Lusterless Tank--length 30 cm, width 28 cm, height 35 cm The tank was used to perform open field test and novel object recognition test

Riferimenti

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