Name: a chronic sleep fragmentation model using vibrating orbital rotor to induce cognitive deficit and anxiety-like behavior in young wild-type mice
Uploaded: 2020-09-22T13:30:00
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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (61327902-6 an W. Wang und 81801318 an F.F. Ding) unterstützt. Wir würdigen Dr. Sigrid Veasy für die Einrichtung des SF-Experimentalsystems und die freundliche Bereitstellung technischer Details. Wir würdigen Dr. Maiken Nedergaard für lehrreiche Kommentare für verwandte Experimente.

Dieses Protokoll wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee des Tongji Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology genehmigt.
1. Mäuse-Screening und Vorbereitung für das Experiment
<ol><li>Wählen Sie wildtypisierte Erwachsene (8–10 Wochen alt) männliche Mäuse mit einem Gewicht von 20–28 g für das gesamte Experiment aus. HINWEIS: Wildtyp C57BL/6 Mäuse werden vom Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, China, gewonnen.</...

Zu den kritischen Schritten des aktuellen Protokolls gehören die Einrichtung von Schlaffragmentierungsmaschinen mit den optimierten Parametern entsprechend dem Studienzweck und die Aufrechterhaltung der Mäuse in komfortablen und ruhigen Lebensbedingungen während der gesamten Modellierungssitzungen. Es ist auch wichtig, das richtige Timing zu entscheiden, um die Schlaffragmentierung zu unterbrechen oder zu stoppen und Verhaltenstests für diese Mäuse zu arrangieren. Wie andere Schlafmanipulationsmodelle ist es wichtig...

Schlafstörungen sind zunehmend sowohl bei Patienten mit schlafstörenden Bedingungen als auch bei gesunden Menschen mit schlafstörenden Ereignissen häufig. Es wurde beobachtet, dass Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen, chronischen Schmerzen, emotionalem Stress, Erkrankungen des Atmungssystems, Erkrankungen des Harnsystems usw. in der Regel über unangenehme Schlaferfahrungen klagen1,2,3,4,5. Obstruktive Schlafapnoe (OSA), periodische Gliedmaßenbewegungen im Schlaf (PLMS), SchlaferhaltungSchlaflosigkeit unter anderen Schlafstörungen sind die häufigsten Ursachen, die Schlaffragmentierung induzieren6,7. In den Industrieländern hat OSA eine Prävalenz von über 5% bis 9% bei der erwachsenen Bevölkerung und 2% in der Kinderbevölkerung8,9,10. Unterdessen gibt es einen wachsenden Anteil der gesunden Bevölkerung, die aufgrund der übermäßigen Nutzung von Smartphones, unregelmäßigen Schlafgewohnheiten, lästigen Geräuschen und Arbeitsaufgaben wie Nachtschichten für Pflegekräfte Schlafstörungen erleben. Schlaf ist anerkannt, wichtig für Die Hirnabfallclearance11,12, Speicherkonsolidierung13,14, metabolisches Gleichgewicht15,16, unter vielen anderen physiologischen Prozessen. Dennoch ist noch weitgehend unbekannt, ob langfristige Schlafstörungen zu irreversiblen Pathogenese-Veränderungen bei gesunden Menschen führen und ob es sich um die Ätiologie oder einen Faktor bei der Entwicklung von Erkrankungen des zentralen Nervensystems wie neurodegenerativen Erkrankungen in ein paar Jahren handelt. Unser Ziel ist es, ein experimentelles Modell zu berichten, das stabiles und offensichtliches kognitives Defizit und angstähnliches Verhalten bei jungen Wildtyp-Mäusen nach einer 2-monatigen Schlaffragmentierungsbehandlung erzeugt. Dieses Modell würde zur Beantwortung der oben aufgeführten wissenschaftlichen Fragen angewendet.
Schlafstörungen werden als potenzieller Risikofaktor für die Entwicklung von Alzheimer (AD) oder Demenz aufgeführt. Kang et al. fanden und beschrieben zuerst die Exazerbation der AD-Pathologie um 6 h akuten Schlafentzug17. Danach berichteten viele andere Studien, dass Schlafentzug oder Fragmentierung die Pathogenese in transgenen AD-Mäusemodellen18,19,20verschlimmern könnte. Allerdings haben nur sehr wenige Forscher die Folgen von Schlafstörungen bei jungen Wildtyp-Mäusen untersucht; das heißt, ob Schlafstörungen zu AD-ähnlichem Verhalten oder pathologischen Veränderungen bei jungen Wildtypmäusen führen. In unserer jüngsten Veröffentlichung berichteten wir, dass 2 Monate Schlaffragmentierung ein offensichtliches räumliches Gedächtnisdefizit und angstähnliches Verhalten induzierten, sowie eine erhöhte intrazelluläre Amyloid-β (A) Akkumulation sowohl im Kortex als auch im Hippocampus bei 2-3 Monate alten Wildtypmäusen21. Wir beobachteten auch veränderte Expressionsniveaus von Endosome-Autophagosome-Lysosom-Signalsignalen und Mikroglia-Aktivierung, die den pathologischen Veränderungen ähnelte, die bei APP/PS1-Mäusen21,22berichtet wurden.
Dieses vorgestellte Schlaffragmentierungsprotokoll (SF) wurde von Sinton et al.23 validiert und von Li et al.24modifiziert. Kurz gesagt, ein Orbitalrotor, der bei 110 Umdrehungen pro Minute vibriert, unterbricht den Schlaf für 10 s alle 2 min während der Light-ON-Phase (8:00 Uhr–20:00 Uhr). Die Veränderung der Schlafstruktur in diesem Modell wurde zuvor durch elektrophysiologische Schlafaufzeichnungen charakterisiert und von Li et al.24berichtet, was auf eine signifikante Zunahme der Wachzeit und eine Abnahme des schnellen Augenbewegungsschlafes (REM) während der Light-ON-Phase hindeutet, wobei die Gesamten schlaf- und Wachzeiten (in 24 Stunden) nach mehr als 4 Wochen Modellierung24unbeeinflusst blieben. Derzeit sind Gesamtschlaf oder teilweiseSchlafentzug die am häufigsten verwendeten Schlafmanipulationsmodelle. Der gesamte Schlafentzug wird in der Regel durch eine anhaltende schonende Handhabung oder die Exposition des Tieres gegenüber neuartigen Objekten durchgeführt, alternativ durch kontinuierliches Drehen eines Balkens oder eines laufenden Laufbandes25,26,27,28,29. Aus ethischen Gründen ist die Gesamtschlafentzug in der Regel kürzer als 24 h. Das am häufigsten angewandte Modell für partielle Schlafentzug ist die Wasserplattformmethode, die in erster Linie REM-Schlaf30,31,32abtut. Andere Ansätze, die entweder ein Laufband oder einen Balken verwenden, der entlang der Unterseite des Käfigs fegt, könnten Schlaffragmentierung auslösen, wenn sie in festen Intervallen eingestellt werden33,34,35,36,37,38. Es ist bemerkenswert, dass SF den Schlaf unterbricht und zeitweise für Erregung in allen Schlafstadien24führt. Einer der herausragenden Vorteile dieses CSF-Modells, das Orbitalrotor aufträgt, ist, dass es kontinuierlich für Monate durchgeführt werden kann, automatisch von Maschinen gesteuert, was häufige Verarbeitungsarbeiten täglich außer bei regelmäßiger Überwachung vermeidet. Darüber hinaus würde das Gerät erlauben, mehrere Käfige von Mäusen unter uniformierten Eingriffen gleichzeitig zu modellieren. Während der gesamten Modellierungssitzungen werden Mäuse in ihren Hauskäfigen mit üblichen Einstreu- und Nistmaterialien untergebracht, während einige andere Methoden eine Exposition gegenüber diversifizierten Umgebungen und unvermeidlichem Stress erfordern.
Die Schlaffragmentierung war zuvor durch die Schlafmanipulationsmethode gekennzeichnet, die häufige Erregungen während der Schlafphase und einen erheblichen Schlafrückpris während der Wachphase nachahmt. In einigen Literaturen wurde CSF als Tiermodell für OSA39,40angesehen. In dieser Studie basiert die Begründung der gewählten Häufigkeit der Erregung 30 Mal pro Stunde auf der Beobachtung von Erregungsindizes bei Patienten mit mittelschwerer bis schwerer Schlafapnoe. Es wurde beobachtet, dass 4 Wochen Schlaffragmentierung signifikant erhöhte hyperkapnische Erregung Latenz und die taktile ErregungSchwelle, die mindestens 2 Wochen nach der Genesung dauern könnte24. Dieser Phänotyp wurde durch die aufdeckende aktivierungsreduktion von c-fos bei noradrenergen, orexinergen, histaminergen und cholinergen Wake-aktiven Neuronen als Reaktion auf Hyperkapnien sowie reduzierte katecholaminerge und orexinerge Projektionen in den cingulat cortex24erklärt. Es ist jedoch notwendig zu beachten, dass das wichtigste Merkmal in OSA Hypoxie durch Atemwegsverstopfung verursacht ist, die zu Schlafstörungen41,42führt. Schlafstörungen und sich wiederholende Hypoxie interagieren bei OSA-Pathogenese wechselseitig miteinander. Daher ist die Schlaffragmentierung allein möglicherweise nicht in der Lage, alle wichtigen Funktionen von OSA bei Mäusen vollständig zu demonstrieren.
Hierin präsentieren wir ein standardisiertes Protokoll zur Modellierung der chronischen Schlaffragmentierung bei jungen Wildtypmäusen. Kognitives Defizit und Angst-ähnliche sowie depressionsähnliche Verhaltensweisen nach der CSF-Behandlung wurden von Morris Wasserlabyrinth, Neuartige Objekterkennung, Open Field Test und Erzwungener Schwimmtest bewertet. Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Modell als Ganzes genommen werden sollte, die Phänotypen von dysregulierten Schlafmuster erzeugt, kognitives Defizit, und Angst-ähnlicheverhalten. Das aktuelle Modell könnte möglicherweise angewendet werden, 2) Weitere Untersuchung der funktionellen oder molekularen Pathogenese-Mechanismen, die durch chronische Schlafstörungen bei jungen Mäusen ohne genetische Veranlagung induziert werden, 2) Ermittlung des direkten Weges, der zu neurodegeneration durch Schlafstörungen führt, 3) Erforschung der Therapeutika zur Verbesserung der durch chronische Schlafstörungen induzierten Phänotypen, 4) Untersuchung der intrinsischen Schutz-/Ausgleichsmechanismen bei Wildtyp-Mäusen bei chronischer Schlafstörung, 5)

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Any-maze behavior tracking system</td>
			<td>Stoelting,Inc,USA</td>
			<td>-</td>
			<td>A video-tracking system which was used to record the behavior track of mice.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C57BL/6J mice</td>
			<td>Hubei Research Center for Laboratory Animals, Hubei, China.</td>
			<td>-</td>
			<td>healthy male C57BL/6J mice aged 10-12 weeks were purchased from Hubei Research Center for Laboratory Animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphpad Prism 6.0 Software</td>
			<td>Graphpad Software,Inc.USA</td>
			<td>-</td>
			<td>Graphpad Prism 6.0 software was used to draw statistical graphs.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Morris water maze system</td>
			<td>Shanghai XinRuan Information Technology Co.,Ltd,China</td>
			<td>XR-XM101</td>
			<td>The system was used to perform Morris water maze test</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Orbial rotor</td>
			<td>Shanghai ShiPing Laboratory Equipment Co.,Ltd,China</td>
			<td>SPH-331</td>
			<td>The orbital rotor was used to establish the chronic sleep fragmentation model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solid state timer</td>
			<td>OMRON Corporation, Kyoto, Japan</td>
			<td>H3CR-F8-300</td>
			<td>The solid state time was used to control the frequency and time of the rotor running</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wooden Lusterless Tank</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>length 30 cm, width 28 cm, height 35 cm The tank was used to perform open field test and novel object recognition test</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a chronic sleep fragmentation model using vibrating orbital rotor to induce cognitive deficit and anxiety-like behavior in young wild-type mice

Schlafstörungen sind in der Regel in Derpopulationen als chronische Krankheit oder als beklagtes Ereignis weit verbreitet. Chronische Schlafstörungen sollen eng mit der Pathogenese von Krankheiten, insbesondere neurodegenerativen Erkrankungen, in Verbindung gebracht werden. Kürzlich fanden wir heraus, dass 2 Monate Schlaffragmentierung die Alzheimer-Krankheit (AD) -ähnliche verhaltens- und pathologische Veränderungen bei jungen Wildtyp-Mäusen einleitete. Hierbei stellen wir ein standardisiertes Protokoll zur Erreichung einer chronischen Schlaffragmentierung (CSF) vor. Kurz gesagt, CSF wurde durch einen Orbitalrotor induziert, der bei 110 Umdrehungen pro Minute vibrierte und mit einem sich wiederholenden Zyklus von 10 s-on, 110 s-off, während der Light-ON-Phase (8:00 AM–8:00 PM) kontinuierlich für bis zu 2 Monate arbeitet. Beeinträchtigungen des räumlichen Lernens und Gedächtnisses, angstartiges, aber nicht depressives Verhalten bei Mäusen als Folgen der CSF-Modellierung wurden mit Morris Wasserlabyrinth (MWM), Novel Object Recognition (NOR), Open field test (OFT) und Forced swimming test (FST) bewertet. Im Vergleich zu anderen Schlafmanipulationen minimiert dieses Protokoll die Handhabungsarbeiten und maximiert die Modellierungseffizienz. Es produziert stabile Phänotypen bei jungen Wildtyp-Mäusen und kann potenziell für eine Vielzahl von Forschungszwecken erzeugt werden.

Alle repräsentativen Ergebnisse und Zahlen wurden aus unserer aktuellen Publikation21wiedergegeben. Die Wiederverwendung der Zahlen wurde von der ursprünglichen Zeitschrift zugelassen.
Das gesamte experimentelle Design wird in der Reihenfolge der Zeit dargestellt, die das Timing der CSF-Modellierung, Verhaltenstests von MWM, NOR, OFT und FST angibt (Abbildung 1A). Wir erhielten jede Woche Gewichte von Mäusen aus dem CSF und den Kontrollg...

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A Chronic Sleep Fragmentation Model using Vibrating Orbital Rotor to Induce Cognitive Deficit and Anxiety-Like Behavior in Young Wild-Type Mice

Hier wird ein Protokoll für das Modell der chronischen Schlaffragmentierung (CSF) vorgestellt, das durch einen elektrisch gesteuerten Orbitalrotor erreicht wird, der bei jungen Wildtypmäusen bestätigtes kognitives Defizit und angstähnliches Verhalten auslösen könnte. Dieses Modell kann angewendet werden, um die Pathogenese chronischer Schlafstörungen und damit verbundener Störungen zu erforschen.

Ein chronisches Schlaffragmentierungsmodell mit vibrierendem Orbitalrotor, um kognitives Defizit und Angst-ähnliches Verhalten bei jungen Wild-Typ-Mäusen zu induzieren

Sleep disturbance is generally common in populations as a chronic disease or a complained event. Chronic sleep disturbance is proposed to be closely ...

Chronic sleep disturbance lead to neurodegenerative disease pathogenesis. We would like to provide a simple, stable, and long-term protocol to model frequent interruptions during human sleep to address this question. These mice minimizes handling labors and the artificial buyers.It can standardized interventions among mice within the same experimental group and between different experiments to produce repeatable behavioral and the pathological outcomes. This model can be applied to a variety of disease models such as depression and the Alzheimer's disease to study the impacts of chronic sleep disturbance in the presence of an underlying disease. Begin by randomly assigning three to five 20 to 28 gram 8 to 10-week-old adult wild-type male mice to CSF modeling and control cages to avoid social isolation stress.House both groups of cages in the same 21 to 23 degree Celsius and 35 to 60%humidity modeling room with a 12-hour light/dark cycle to maintain an identical surrounding environment. Then provide the mice with sufficient food and water using long nozzles with ball valve tips on the water bottles to prevent water leakage upon the platform movements and fastening the water bottles on top of each cage with a spring to avoid dislocation of the bottles during rotation. For chronic sleep fragmentation modeling, program an electrically controlled orbital rotor with a 67 by 110 centimeter platform to run during the 8:00 a.m.to 8:00 p.m. light phase and use a solid state timer to set the rotor speed to 110 revolutions per minute for a repetitive 10 seconds on, 110 seconds off cycle. Use thick springs to fasten the CSF cages on top of the rotor platform to prevent dislocation of the cages upon platform rotation and confirm that the food and water access are maintained during the orbital rotations.After setting up the model system, observe the cages for at least one hour to ensure that the orbital rotor is operating appropriately. During the modeling period, weigh the mice weekly at 8:00 a.m. when changing the bedding and remove any aggressors from the cages as necessary.At the end of the modeling period, continue to house and feed the mice in the modeling room. To perform a Morris Water Maze test, between 8:00 a.m. and 12:00 p.m.every day for five days, release one mouse at a time into a circular tank filled with 20 to 23 degree Celsius water in one of four quadrants for each trial. During the trial, use a video tracking system to record the escape latency of each mouse as it attempts to swim to the platform. If the mouse is unable to locate the platform within 60 seconds, guide the animal to the platform.Allow it to remain on the platform for 15 seconds before returning it to its cage. On the sixth day after training, remove the platform from the water tank and release the mouse from the northeast quadrant for one final 60-second swim period per animal. After CSF modeling, no differences in the weights of mice between the control and experimental groups are observed.The CSF group displays a reduced escapability in locating the platform over a period of five training days in the Morris Water Maze behavioral trial compared to the control animals. In the probe test, the CSF mice spent significantly less time proportionally in the targeted quadrant, crossing the previous platform location fewer times without an observable swimming speed difference. In the familiar phase of the novel object recognition test, there is no significant difference in the total exploration time between the CSF and control groups or in the exploration time between objects A1 and A2 in either group.In the test phase, the discrimination index of the CSF mice is significantly reduced compared to that of the control animals. In these representative open field test and forced swimming test evaluations, the CSF group spent less time in the central zone during the test than did the control group. CSF mice also exhibited a longer total distance of movement within the tank, suggesting increased spontaneous activity after modeling.Nevertheless, the CSF modeling did not induce depression-like behavior as verified by non-significant differences in the immobility time between the two groups subjected to forced swimming test. Selecting an appropriate vibrating cycle and modeling duration as well as a proper timeline for the CSF treatment and phenotype identification are important for the success of this experiment. Traditional sleep deprivation protocols require a great deal of work and the mostly for acute or short-term modeling.This protocol allows the study of a pathological mechanism of mild but long lasting sleep disturbance.

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