Un modelo crónico de fragmentación del sueño usando rotor orbital vibratorio para inducir déficit cognitivo y comportamiento similar a la ansiedad en ratones jóvenes de tipo salvaje

La alteración del sueño es cada vez más común tanto en pacientes con afecciones que alteran el sueño como en personas sanas con eventos que alteran el sueño. Se ha observado que los pacientes con enfermedades neurodegenerativas, dolor crónico, estrés emocional, enfermedades del sistema respiratorio, enfermedades del sistema urinario, etc., suelen quejarse de experiencias desagradables de sueño^1,2,3,4,5. Apnea obstructiva del sueño (AOS), movimientos periódicos de las extremidades en el sueño (PLMS), insomnio de mantenimiento del sueño entre otros trastornos del sueño son las causas más comunes, que inducen la fragmentación del sueño^6,7. En los países desarrollados, la AOS tiene una prevalencia superior al 5% al 9% en la población adulta y del 2% en la población infantil^8,9,10. Mientras tanto, hay una proporción cada vez mayor de la población sana que experimenta trastornos del sueño debido al uso excesivo de teléfonos inteligentes, hábitos de sueño irregulares, ruidos molestos y tareas de trabajo, como turnos de noche para cuidadores. Se reconoce que el sueño es importante para el aclaramiento de residuos cerebrales^11,12,consolidación de la memoria^13,14,equilibrio metabólico^15,16,entre muchos otros procesos fisiológicos. Sin embargo, todavía se desconoce en gran medida si la alteración del sueño a largo plazo da lugar a alteraciones irreversibles de la patogénesis en seres humanos sanos, y si es la etiología o un factor que contribuye al desarrollo de enfermedades del sistema nervioso central, como las enfermedades neurodegenerativas en un par de años en el camino. Nuestro objetivo es informar de un modelo experimental que genera un déficit cognitivo estable y evidente y un comportamiento similar a la ansiedad en ratones jóvenes de tipo salvaje después de un tratamiento de fragmentación del sueño de 2 meses. Este modelo se aplicaría para responder a las preguntas científicas mencionadas anteriormente.

La alteración del sueño se enumera como un factor de riesgo potencial para desarrollar la enfermedad de Alzheimer (AD) o demencia. Kang et al. encontró y describió por primera vez la exacerbación de la patología ad por 6 h privación aguda del sueño¹⁷. A partir de entonces, muchos otros estudios informaron que la privación o fragmentación del sueño podría agravar la patogénesis en ratones transgénicos AD^{modelos 18,19,20}. Sin embargo, muy pocos investigadores han estudiado la consecuencia de la alteración del sueño en ratones jóvenes de tipo salvaje; es decir, si la alteración del sueño da lugar a un comportamiento similar al AD o a cambios patológicos en ratones jóvenes de tipo salvaje. En nuestra reciente publicación, informamos que 2 meses de fragmentación del sueño indujeron un déficit evidente de memoria espacial y un comportamiento similar a la ansiedad, así como un aumento de la acumulación intracelular de Amiloide β (Aβ) tanto en corteza como en hipocampo en ratones de tipo salvaje de 2-3 meses de edad^21. También observamos niveles de expresión alterados de marcadores de vías endomas-autofagosoma-glisomasas y activación de microglia, que era similar a los cambios patológicos reportados en ratones APP/PS1^21,22.

Este protocolo de fragmentación del sueño presentado (SF) fue validado por Sinton et al.²³ y modificado por Li et al.²⁴. En resumen, un rotor orbital que vibra a 110 rpm interrumpe el sueño durante 10 s cada 2 minutos durante la fase de encendido ligero (8:00 AM–8:00 PM). La alteración de la estructura del sueño en este modelo se caracterizó previamente con grabaciones electrofisiológicas del sueño y fue reportada por Li et al.^24,lo que indica un aumento significativo en el tiempo de vigilia y disminución del sueño de movimiento ocular rápido (REM) durante la fase de encendido ligero, con el sueño total y los tiempos de vigilia (en 24 horas) no afectados después de más de 4 semanas de modelado^24. Actualmente, el sueño total o la privación parcial del sueño son los modelos de manipulación del sueño más utilizados. La privación total del sueño se realiza generalmente mediante un manejo suave sostenido o la exposición del animal a objetos novedosos, alternativamente girando continuamente una barra o una cinta de correr^{25,26,27,28,29}. Debido a razones éticas, la privación total del sueño suele ser inferior a 24 h. El modelo de privación parcial de sueño más comúnmente aplicado es el método de plataforma de agua, que principalmente ablating REM sueño^30,31,32. Otros enfoques usando una cinta de correr o una barra que barre a lo largo de la parte inferior de la jaula, podrían inducir la fragmentación del sueño cuando se enciende a intervalos fijos^{33,34,35,36,37,38}. Cabe destacar que SF interrumpe el sueño y provoca de forma intermitente excitaciones en todas las etapas del sueño^24. Una de las ventajas destacadas de este modelo CSF que aplica rotor orbital es que se puede realizar continuamente durante meses controlado automáticamente por máquinas, lo que evita la mano de obra de procesamiento frecuente diariamente, excepto para el monitoreo regular. Además, el aparato permitiría modelar simultáneamente múltiples jaulas de ratones bajo intervenciones uniformadas. Durante sesiones de modelado completas, los ratones se alojan en sus jaulas domésticas con materiales habituales de ropa de cama y anidación, mientras que algunos otros métodos requieren exposición a entornos diversificados y estrés inevitable.

La fragmentación del sueño se caracterizó previamente por el método de manipulación del sueño, que imita las excitaciones frecuentes durante la fase de sueño y el rebote sustancial del sueño durante la fase de vigilia. En algunas literaturas, CSF fue considerado como el modelo animal para OSA^39,40. En este estudio, la razón de la frecuencia elegida de excitación para ser 30 veces por hora se basa en la observación de índices de excitación en pacientes con apnea del sueño de moderada a grave. Se observó que la fragmentación del sueño de 4 semanas aumentó significativamente la latencia de excitación hipercácnica y el umbral de excitación táctil, que podría al menos durar 2 semanas después de la recuperación^24. Este fenotipo se explica revelando la reducción de activación de c-fos en neuronas noradrenérgicas, orexinérgicas, histaminérgicas y colinérgicas activas en respuesta a la hipercapnia, así como proyecciones catecolaminérgicas y orexinérgicas reducidas en la corteza cingulada^24. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que la característica más importante en la AOS es la hipoxia causada por la obstrucción de las vías respiratorias, lo que resulta en la interrupción del sueño^41,42. La alteración del sueño y la hipoxia repetitiva interactúan recíprocamente entre sí en la patogénesis de la AOS. Por lo tanto, la fragmentación del sueño por sí sola podría no ser capaz de demostrar completamente todas las características clave de la AOS en ratones.

En este documento, presentamos un protocolo estandarizado para modelar la fragmentación crónica del sueño en ratones jóvenes de tipo salvaje. El déficit cognitivo y la ansiedad, así como los comportamientos similares a la depresión después del tratamiento con CSF fueron evaluados por morris laberinto de agua, reconocimiento de objetos novedoso, prueba de campo abierto, y prueba de natación forzada. Es importante tener en cuenta que este modelo debe tomarse en su conjunto que genera fenotipos de patrón de sueño regulado, déficit cognitivo, y comportamiento similar a la ansiedad. El modelo actual podría aplicarse potencialmente, pero no limitarse, a los siguientes propósitos: 1) Investigar más a fondo los mecanismos de patogénesis funcional o molecular inducidos por la alteración crónica del sueño en ratones jóvenes sin predisposición genética, 2) Identificación de la vía directa que conduce a la neurodegeneración iniciada por la alteración del sueño, 3) Explorando las terapias para mejorar los fenotipos inducidos por la alteración crónica del sueño, 4) Estudiar los mecanismos protectores/compensatorios intrínsecos en ratones de tipo salvaje sobre la alteración crónica del sueño, 5) Para ser aplicado para estudiar la regulación del sueño-vigilia y los mecanismos de transición estatal.