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

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 klagen^1,2,3,4,5. Obstruktive Schlafapnoe (OSA), periodische Gliedmaßenbewegungen im Schlaf (PLMS), SchlaferhaltungSchlaflosigkeit unter anderen Schlafstörungen sind die häufigsten Ursachen, die Schlaffragmentierung induzieren^6,7. In den Industrieländern hat OSA eine Prävalenz von über 5% bis 9% bei der erwachsenen Bevölkerung und 2% in der Kinderbevölkerung^8,9,10. 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 Hirnabfallclearance^11,12, Speicherkonsolidierung^13,14, metabolisches Gleichgewicht^15,16, 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-Mäusemodellen^18,19,20verschlimmern 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-Mäusen^21,22berichtet 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 Laufbandes^{25,26,27,28,29}. 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-Schlaf^30,31,32abtut. 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 werden^{33,34,35,36,37,38}. 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 OSA^39,40angesehen. 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 Schlafstörungen^41,42führt. 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)