振動性軌道ローターを用いた慢性睡眠断片化モデルによる若い野生型マウスの認知障害と不安様行動

要約

ここでは、若い野生型マウスで確認された認知障害および不安のような行動を誘発する可能性のある電気的に制御された軌道ローターによって達成された慢性睡眠断片化(CSF)モデルのプロトコルを提示する。このモデルは、慢性的な睡眠障害および関連障害の病因を探るために適用することができる。

要約

睡眠障害は、一般的に慢性疾患または苦情イベントとして集団で一般的です。慢性睡眠障害は、疾患、特に神経変性疾患の病因と密接に関連することが提案されている。最近、2ヶ月間の睡眠の断片化が、若い野生型マウスのアルツハイマー病(AD)のような行動および病理学的変化を開始したことを発見した。本明細書において、我々は、慢性睡眠断片化(CSF)を達成するための標準化されたプロトコルを提示する。簡単に言えば、CSFは110rpmで振動する軌道ローターによって誘発され、10 s-on、110 soffの繰り返しサイクルで、ライトオンフェーズ(8:00 AM-8:00 PM)の間、最大2ヶ月間連続的に作動しました。CSFモデリングの結果として、マウスにおける不安のような行動ではなく、不安のような空間学習と記憶の障害を、モリス水迷路(MWM)、新規物体認識(NOR)、オープンフィールドテスト(OFT)および強制水泳試験(FST)で評価した。他の睡眠操作と比較して、このプロトコルは処理作業を最小限に抑え、モデリング効率を最大化します。若い野生型マウスで安定した表現型を産生し、様々な研究目的で生成される可能性があります。

概要

睡眠障害は、睡眠不安状態の患者と睡眠不安イベントを持つ健康な人々の両方でますます一般的です。神経変性疾患、慢性疼痛、情緒的ストレス、呼吸器系疾患、尿系疾患等の患者は、通常、不快な睡眠経験^{1、2、3、4、5}について不平^を言^う。閉塞性睡眠時無呼吸(OSA)は、睡眠中の定期的な四肢の動き(PLMS)、睡眠維持不眠症、他の睡眠障害の中でも最も一般的な原因であり、これは睡眠の断片化を誘発する^6、7である。先進国では、OSAは成人人口が5%から9%、子人口^{が8、9、10}の2%以上の有病率を有する。一方、スマートフォンの過剰使用、不規則な睡眠習慣、迷惑な騒音、介護者の夜勤などの仕事の義務のために睡眠障害を経験している健康な人口の割合が増加しています。睡眠は、脳の無駄のクリアランス^11、12、記憶の統合13、14、代謝バランス^15、16、他の多くの生理学的プロセスの中で重要であると認められています。しかし、長期的な睡眠障害が健康な人間の不可逆的な病因の変化を引き起こすかどうか、そしてそれが病因なのか、それとも数年後に神経変性疾患などの中枢神経系疾患を発症する要因なのかは、依然としてほとんど分かっていない。私たちの目標は、2ヶ月間の睡眠断片化治療の後、若い野生型マウスで安定した明らかな認知障害と不安のような行動を生成する実験モデルを報告することです。このモデルは、上記の科学的な質問に答えるために適用されます。

睡眠障害は、アルツハイマー病(AD)または認知症を発症するための潜在的な危険因子としてリストされています。Kang et al. は、急性期の急性睡眠剥奪¹⁷によるAD病理の悪化を最初に発見し、説明した。その後、他の多くの研究は、睡眠不足または断片化がトランスジェニックADマウスモデル^18、19、20における病因を悪化させる可能性があることを報告した。しかし、若い野生型マウスの睡眠障害の結果を研究した研究者は非常に少ない。すなわち、睡眠障害が若い野生型マウスのAD様行動や病理学的変化を引き起こすかどうかである。我々の最近の発表では、睡眠の断片化の2ヶ月が明らかな空間記憶障害および不安様行動を誘発し、また2〜3ヶ月齢の野生型マウス²¹における皮質および海馬における細胞内アミロイドβ(Aβ)蓄積の増加を報告した。また、ENDOソーム-オートファゴソーム-リソソーム経路マーカーおよびミクログリア活性化の発現レベルの変化を観察^した。

この提示された睡眠断片化(SF)プロトコルは、Sintonら²³によって検証され、Liららによって変更^された。簡単に言うと、110 rpmで振動する軌道ローターは、ライトオンフェーズ(午前8時~午後8時)に2分ごとに10 sの睡眠を中断します。このモデルにおける睡眠構造の変化は、以前に電気生理学的睡眠記録で特徴付けられており、Liらら²⁴によって報告され、光ON期の急速眼球運動(REM)睡眠の覚醒時間の有意な増加および減少を示し、合計睡眠時間および覚醒時間(24時間)は4週間以上^{のモデリング後}に影響を受けない。現在、総睡眠または部分的な睡眠不足は、最も一般的に使用される睡眠操作モデルです。総睡眠不足は、通常、持続的な穏やかな取り扱いまたは動物を新しい物体にさらすことによって行われ、代わりにバーまたはランニングトレッドミル25、26、27、28、29を連続的に回転させることによって行われる。倫理的な理由から、完全な睡眠不足は通常24時間より短い。最も一般的に適用される部分的な睡眠剥奪モデルは、主にレム睡眠^30、31、32をアブレーションするウォータープラットフォーム法です。トレッドミルまたはケージの底に沿って掃引するバーのいずれかを使用して他のアプローチは、固定間隔^{33、34、35、36、37、38}に設定すると睡眠の断片化を引き起こす可能性があります。SFが睡眠を中断し、断続的にすべての睡眠段階²⁴にわたって覚醒を引き起こすことは注目に値する。このCSFモデルの顕著な利点の1つは、定期的な監視を除いて毎日頻繁な処理作業を回避する機械によって自動的に制御される数ヶ月間連続的に行うことができるということです。さらに、この装置は、均一な介入の下でマウスの複数のケージを同時にモデル化することを可能にするであろう。モデリングセッション全体で、マウスは通常の寝具やネスティング材料を備えた自宅のケージに収容され、他のいくつかの方法では多様な環境や避けられないストレスにさらされる必要があります。

睡眠の断片化は、以前は睡眠段階中の頻繁な覚醒と覚醒期の実質的な睡眠リバウンドを模倣する睡眠操作法によって特徴付けられていた。いくつかの文献では、CSFはOSA^39,40の動物モデルとみなされていた。本研究では、1時間に30回となる覚醒の選択頻度の理論的根拠は、中等度から重度の睡眠時無呼吸の患者における覚醒指数の観察に基づいている。4週間の睡眠の断片化は、超冠的覚醒遅延および触覚覚閾値を有意に増加させ、回復²⁴後少なくとも2週間は続く可能性がある。この表現型は、コナアドレナリン、オレキシン作動、ヒスタミン作動性、コリン作動性ニューロンのc-fos活性化減少を高カプニアに応答して明らかにし、ならびにカテコールアミン作動性およびオレキシネルジックの減少した突起性および帯状細胞の突出を帯状皮質²⁴に明らかにした。しかし、OSAの最も重要な特徴は気道閉塞によって引き起こされる低酸素症であり、睡眠障害^41,42に起因することに注意する必要がある。睡眠障害と反復性低酸素症は、OSAの病態において相互に相互作用する。したがって、睡眠の断片化だけでは、マウスの OSA の主要な機能をすべて完全に実証できない場合があります。

本明細書では、若い野生型マウスにおける慢性的な睡眠の断片化をモデル化するための標準化されたプロトコルを提示する。CSF治療後の認知障害や不安のような行動、うつ病のような行動は、モリス水迷路、新規物体認識、オープンフィールドテスト、強制水泳試験によって評価された。このモデルは、調節不全睡眠パターン、認知障害、不安のような行動の表現型を生成する全体として取るべきであることに注意することが重要です。現在のモデルは、次の目的に適用される可能性がありますが、限定されない:1)遺伝的素因なしに若いマウスの慢性睡眠障害によって誘発される機能的または分子病因メカニズムをさらに調査する、 2)睡眠障害によって始まる神経変性につながる直接的な経路を特定し、3)慢性睡眠障害によって誘発される表現型を改善するための治療法を探る、4)慢性睡眠障害時の野生型マウスにおける固有の保護/補償機構を研究し、5)睡眠覚醒調節および状態遷移メカニズムの研究に適用される。

プロトコル

この議定書は、華中科学技術大学同治医科大学同治病院の施設動物ケア・使用委員会によって承認されました。

1. 実験のためのマウスのスクリーニングと準備

1. 実験全体で体重20~28gの野生型の雄性マウス(8~10週齢)を選択します。
   注:野生型C57BL/6マウスは、中国湖北省湖北市の湖北実験動物研究センターから入手しています。
2. すべてのマウスを CSF およびコントロール グループにランダムに割り当てます。社会的孤立ストレスを避けるために、各ケージに3〜5匹のマウスを収容します。コントロールケージに収容されたマウスの数は、ペアのCSFケージに収容されたマウスと一致する。
   注: 同じグループケージ内のマウスは、フォローアップ動作実験を実行するためにプールされます。
3. CSFケージと同じ部屋にコントロールケージを見つけ、周囲の環境と労働効果を同一に保ちます。
4. 監視目的で耳札を使用して、各グループのマウスを耳に番号付けしてマークします。
5. 周囲温度と湿度を21~23°C~35%~60%に保ちます。
6. 12 時間の明暗サイクル (午前 8:00 ~ 8:00 PM ライト-オン、午後 8 時から 8 時のライトオフ) で周囲環境を維持し、マウスの通常の睡眠リズムに対する偏った影響を回避します。
7. 研究者がモデリングルームに存在している間、ノイズと干渉を最小限に抑えます。
8. 十分な食物と水をマウスに提供する。プラットフォームの動きに水漏れを防ぐために、水のボトルにボールバルブチップと長いノズルを使用してください。ローターの走行中にボトルの転位を避けるために、スプリングでケージの上に水筒を締めます。

2. 軌道ローターの準備と設定

1. 10ケージを配置できる拡大プラットフォーム(67 cm x 110 cm)を備えた電気制御の軌道ローターを用意します。
2. プログラムタイマーで制御されるライトオンフェーズ(午前8時~午後8時)に軌道ローターをオンに設定します。
3. 軌道ローターを110rpmの速度と10 s-on、110 sオフの繰り返しサイクルでソリッドステートタイマーで設定します。
   メモ:プラットフォームの負荷容量は50kgです。回転子の地平線振動の固定振幅は2.5 cmである。
4. プラットフォームの回転時にケージの転位を防ぐために、厚いスプリングでロータープラットフォームの上にCSFケージを締めます。

3. 慢性的な睡眠の断片化のモデリングとモニタリング

1. 実験前に1週間、CSFとコントロールマウスのケージをモデリングルームに入れ、マウスを周囲環境に適応させます。
2. モデリングの開始時に、すべてのマウスが軌道回転中に食料と水に自由にアクセスできることを確認します。
3. モデリングの開始時に、少なくとも1時間観察して、ギアで動作する軌道ローターを確保します。
4. モデリング期間中、軌道ローターが適切に動作していることを確認し、マウスが十分な食料と水を持っていることを確認するために、2日ごとにマウスの状態を確認してください。毎週ケージの寝具を変更します。
5. モデリング期間中、寝具を交換する場合は、毎週午前8時にマウスの重量を量ります。モデリングから、また実験群から有意な体重減少を有するマウスを除去する。
   注:大幅な体重減少は、2週間持続する20 g未満の重量を量ると定義されます。
6. モデリングセッション全体で、ケージからアグレッサーを取り外し、実験グループからも除去します。
7. モデリングの終了後、元の部屋でマウスを維持し、フィードを続行します。

4. モリス水迷路(MWM)テスト

1. テストの準備
   1. 温水(20~23°C)で満たされた円形タンクの装置を準備します。
   2. 遠方視参照として、タンク周囲のカーテンに異なる形状と色を持つ4つの標識を4つの象限方向に吊り下げます。粉ミルクを加えて水を不透明に見せる。
   3. 南西象限の中央にあるプラットフォームを見つけます。
2. トレーニングテスト
   1. マウスは、5日間のトレーニング期間中に毎日午前8時から午前12時の間に4回連続試験を受ける。
   2. 4回の試験で4つの象限のうちの1つで、サイドウォールに面した水にマウスをそれぞれ放します。各トライアルでは、マウスが60 sの間泳いでプラットフォームを見つけることができます。マウスが60s以内にプラットフォームに到着できない場合は、プラットフォームに誘導し、15sの間そこに留まる。
   3. ビデオ追跡システムを使用して、マウスのエスケープ待ち時間を自動的に記録して、隠されたプラットフォームを見つけます。
3. プローブテスト
   1. 5日のトレーニングの後、6日目にプローブテストを実施します。
   2. プラットフォームを削除します。北東の象限から各マウスを解放し、60 sのために泳ぐことを可能にする
   3. ビデオ追跡システムを使用して、マウスのトラックデータを自動的に記録します。

5. 新規物体認識(NOR)テスト

1. おなじみのフェーズ
   1. マウスをタンク(長さ30cm、幅28cm、高さ35cm)に順番に配置し、2つのコピーのオブジェクト(A1とA2)を含みます。マウスが自由に探索できるように(1回の試験につき10分)。
   2. ビデオ追跡システムを使用して、マウスのトラックデータを自動的に記録します。
2. テストフェーズ
   1. 慣れ親しんだ段階の1時間遅れの後に試験試験を行う。元のオブジェクトの 1 つをタンク内の新しいオブジェクト(「小説」)に置き換え、もう 1 つを変更しません。マウスをタンクに戻し、試験1回あたり5分間探索します。
   2. ビデオトラッキングシステムを使用して、各マウスで各オブジェクトの探索に費やした時間を自動的に記録します。
      注:オブジェクトの探索は、物体から1cm未満の方向に鼻を向けながら、ビブリッサエを舐めたり、嗅いだり、噛んだり、動かしたりすることによって決定されます。差別指数 (DI) は、方程式 (TN - TF)/(TN + TF) で計算され、TN = 「新しい」オブジェクトの探索に費やされた時間と TF = 「使い慣れた」オブジェクトの探索に費やされた時間。

6. オープンフィールドテスト(OFT)

1. タンク(30cm×28cm×35cm)の装置を準備します。
2. テスト中に、各マウスをタンクの中央に置き、5分間自由に探索できるようにします。前のマウスの残った効果を避けるために、各試験の後に75%エタノールでタンクをきれいにしてください。
3. ビデオ追跡システムを使用して、マウスのトラックデータを自動的に記録します。

7. 強制水泳試験(FST)

1. 深さ15cmの水(20~23°C)を含む開いた円筒形容器の装置を準備します。
2. テスト中に、各マウスをシリンダーに入れ、6分間そこに留まるようにします。
3. ビデオトラックシステムを使用して、各マウスでテストの最後の4分の間に自動的に不動時間を記録します。
   注:マウスは、動きが止まり、水に浮かぶときに動かないと判断され、頭を水の上に置くために必要な動きのみが行われます。

8. データ分析

1. 統計解析ソフトウェアを使用してデータを分析します(例えば、グラフパッドプリズム6.0)。
2. すべてのデータを SEM の平均±として表現します。
3. 双方向 ANOVA を使用する 2 つのグループ間の MWM テストのエスケープ遅延時間を、繰り返し測定した後にボンフェローニ後検定を比較します。CSF と制御群の他の比較は、ペアになっていない t 検定によって決定されます。
4. すべてのテストで P < 0.05 の場合は、有意な差を考慮します。

結果

すべての代表的な結果と数字は、当社の最近の出版物²¹から再現されました.数字の再利用は、元のジャーナルによって許可されました。

実験計画全体を時間の順に示し、CSFモデリングのタイミング、MWM、NOR、OFT、およびFSTの行動テストを示す(図1A)。我々は、モデリングセッション中に一般的な状態を監視するために、CSFおよび対?...

ディスカッション

現在のプロトコルの重要なステップには、研究目的に従って最適化されたパラメータを使用して睡眠断片化マシンを設定し、モデリングセッション全体を通して快適で静かな生活環境でマウスを維持することが含まれます。また、睡眠の断片化を中断または停止し、それらのマウスの行動テストを手配する適切なタイミングを決定することも重要です。他の睡眠操作モデルと同様に、制御さ?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Any-maze behavior tracking system	Stoelting,Inc,USA	-	A video-tracking system which was used to record the behavior track of mice.
C57BL/6J mice	Hubei 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 Software	Graphpad Software,Inc.USA	-	Graphpad Prism 6.0 software was used to draw statistical graphs.
Morris water maze system	Shanghai XinRuan Information Technology Co.,Ltd,China	XR-XM101	The system was used to perform Morris water maze test
Orbial rotor	Shanghai ShiPing Laboratory Equipment Co.,Ltd,China	SPH-331	The orbital rotor was used to establish the chronic sleep fragmentation model
Solid state timer	OMRON Corporation, Kyoto, Japan	H3CR-F8-300	The 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