The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
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1Department of Biological Sciences, Florida Atlantic University, 2Department of Chemistry & Biochemistry, Florida Atlantic University
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Mejia, M., Heghinian, M. D., Busch, A., Marí, F., Godenschwege, T. A. Paired Nanoinjection and Electrophysiology Assay to Screen for Bioactivity of Compounds using the Drosophila melanogaster Giant Fiber System. J. Vis. Exp. (62), e3597, doi:10.3791/3597 (2012).
Screening von Verbindungen für die in vivo-Aktivität kann in einem ersten Schritt die Kandidaten, die in pharmakologischen Mitteln 1,2 entwickelt werden kann, zu identifizieren verwendet werden. Wir haben ein neues nanoinjection / Elektrophysiologie Assay, der die Detektion der bioaktiven modulatorische Wirkungen von Verbindungen auf die Funktion eines neuronalen Schaltung, vermittelt die Fluchtreaktion in Drosophila melanogaster 3,4 ermöglicht. Unsere in vivo Assay, der die Drosophila Riesenfaser System (GFS, Abbildung 1) können Screening von verschiedenen Arten von Verbindungen, wie kleine Moleküle oder Peptide verwendet, und erfordert nur sehr geringe Mengen, um eine Wirkung hervorrufen. Darüber hinaus bietet das Drosophila GFS eine große Vielfalt an mögliche molekulare Zielstrukturen auf Neuronen oder Muskeln. Die Riesen-Fibers (GF) elektrisch Synapse (Gap Junctions) sowie chemisch (cholinergen) auf eine periphere Synapsing Interneuron (PSI) und der Tergo Trochanteral Muscle Neuron (TTMn) 5 6. Schließlich sind die neuromuskulären Endplatten (NMJ) des TTMn und der DLMn mit dem Sprung (TTM) und Flugmuskeln (DLM) glutamatergen 12.07. Hier zeigen wir, wie man Nanolitermengen einer Verbindung zu injizieren, die trotzdem eine elektrophysiologische intrazelluläre Ableitungen aus dem Riesen-Fiber System 13 und wie man die Wirkungen der Verbindung auf die Funktion dieser Schaltung zu überwachen. Wir zeigen Spezifität des Tests mit Methyllycaconitine Citrat (MLA), ein nAChR-Antagonist, der die Verbindung zum PSI DLMn aber nicht die Verbindung zu GF oder die Funktion des NMJ am Sprung oder Flug Muskeln TTMn stört.
Vor Beginn dieses Video ist es wichtig, dass Sie genau beobachten und sich mit dem JoVE Video mit dem Titel "elektrophysiologischen Ableitungen aus dem Riesen-Fiber Pathway von D. Melanogaster "von Augustin et al 7, da das Video hier vorgestellt wird als Erweiterung dieser herkömmlichen Technik bestimmt. Hier haben wir die elektrophysiologischen Verfahren und Fokus verwenden im Detail nur für die Aufnahme eines der gepaarten nanoinjections und Überwachungstechnik.
1. Elektrophysiologie Rig Set-up
2. Nanoinjection Set-up
3. Drosophila melanogaster Vorbereitung
4. Gepaart Nanoinjection / Elektrophysiologie
Hinweis: Die Elektrophysiologie Spuren in dem Video gezeigt werden, sind nicht auf die Wirkungen von reinem Farbstoffinjektion entsprechen.
5. Repräsentative Ergebnisse
Wirkung eines Antagonisten am PSI zur Synapse des Riesen Fiber System DLM
Methyllycaconitine Citrat (MLA) ist ein nAChR-Antagonisten, die spezifisch für α7 nAChR-Subtypen ist. Die PSI zu Synapse in der GF-DLM Weg DLMn ist abhängig von der Dα7 nAChR-Subtyp für die ordnungsgemäße Funktion, während die genetische Entfernung von Dα7 nAChR-Subtyp hat keine Auswirkung auf die GF-Weg TTM 5,6. Um die Spezifität und Sensitivität unserer Test zeigen wir, injiziert MLA in unterschiedlichen Konzentrationen (0, 0,02, 0,04, 0.08, injiziert 0,12 ng / mg, 46 nl) in den Kopf des Tieres (n = 10 pro Verbindung Behandlung, n = 15 für Kochsalzlösung Behandlung). Nur männlichen Fliegen (des Wildtyp-Genotyp Wildtyp 10E) verwendet wurden, und die Wirkung der Verbindung wurde für insgesamt 15 Minuten nach der Injektion überwacht.
Abbildung 5 zeigt den Unterschied zwischen Baseline-Aufnahmen vor der Injektion erhalten und diese nach der Injektion in Reaktion auf MLA und Kochsalzlösung Control-Lösung erhalten. Wir fanden, dass die Injektion von MLA resultierte in der Unfähigkeit der GF-DLM Weg zum Eins-zu-eins bei 100 Hz folgen durch Reize der GfS im Gehirn während der GF-TTM Weg unbeeinflusst blieb. (Abbildung 5, Top-und mittleren Spur, t-Test zwischen Kochsalzlösung bei den Kontrollen [0 ng / mg] und den verschiedenen Konzentrationen von MLA zu jedem Zeitpunkt durchgeführt werden, es sei denn die Daten sind nicht-parametrische [Normalität und gleiche Varianzen getestet], da wir sonst verwenden ein Mann-Whitney-Rangsummentest. * p <0,001). Jedoch eine Eins-zu-Eins-response des DLM wurde beobachtet, wenn die motorischen Neurone wurden direkt (Abbildung 5, untere Kurve) stimuliert, die belegen, dass die NMJ Funktion des DLM und TTM nicht durch MLA betroffen. MLA erschien auf seine maximale Wirkung 1 Minute nach der Injektion zu erreichen für 0,04, 0,08 und 0,12 ng / mg MLA injiziert, da keine weiteren signifikanten Veränderungen während der folgenden 15 Minuten der Testphase festgestellt wurden. Darüber hinaus erreicht die Verbindung eine maximale Wirkung bei 0,08 ng / mg seit stärkere Reaktionen wurden nicht mit der höheren Dosierung von 0,12 ng / mg beobachtet.

Abbildung 1. Der Riese Fiber System Diagram of the Giant Fiber System (GFS). The Giant Fibers (GFS, in rot dargestellt) elektrisch Synapse (Gap Junctions) sowie chemisch (cholinergen) auf eine periphere Synapsing Interneuron (PSI, in grün dargestellt) und die Tergo Trochanteral Muscle Neuron (TTMn, gelb dargestellt) 5. Die PSIch DLMn (Dorsal Längsmuskulatur Neuron, in blau dargestellt) Verbindung ist abhängig von Dα7 nAChR-Subtyp 6. Schließlich wird der neuromuskulären Synapse (NMJ) des TTMn und der DLMn auf dem Sprung (TTM, dargestellt in lila) und Flugmuskeln (DLM, dargestellt in lila) ist Glutamat.
Hinweis: Die GF zu PSI-Verbindung ist sowohl elektrische und chemische. In shakB Mutanten (die Gap Junctions fehlt), kann keine Antwort von der DLM bei der Stimulation des GF im Gehirn aufgenommen werden, zeigt, daß die chemische Komponente in Abwesenheit von elektrischen Verbindungen nicht ausreicht, um ein Aktionspotential in der hervorzurufen PSI 5,16-18. Weil der GF zu PSI-Verbindung ist abhängig von Gap Junction zeigt diese Figur nur den Gap Junction an der Synapse der Einfachheit halber.

Abbildung 2.
Mikromanipulatoren set-up.

Abbildung 3. Abgeschrägte Injektion Mikropipette. Ein Diagramm eines ordnungsgemäß abgeschrägt Mikropipette wird hier gezeigt. Die Elektrode Öffnung sollte in einem 45 Grad-Winkel abgeschrägt sein und eine Öffnung zwischen 11 und 17 um. Ein richtiges abgeschrägte Injektion Mikropipette ist von entscheidender Bedeutung für einen reibungslosen Injektion mit minimalem dAmage zur Fliege.

Abbildung 4. Allgemeine Systematik des nanoinjection / Elektrophysiologie-Protokoll. Eine repräsentative Darstellung des Gesamtkonzepts für die nanoinjection / Elektrophysiologie-Protokoll. Beginnen Sie mit dem Erhalt einer Grundlinie Aufnahme durch die Stimulierung der Riesen-Fibers (GF) bei 100 Hz mit 10 von 10 Zügen je Reize (nur ein Zug hier abgebildet). Vor der Injektion beginnen die 1-Hz-Stimulation eine Sekunde auseinander. Während der Injektion (während Injektor angeschlossen wird beim Control Box), werden Sie feststellen, erhebliche Geräuschkulisse, jedoch nicht beenden die Aufnahmen. Nach der Injektion (und Injektor wird vom Steuergerät unplugged), weiterhin die 1-Hz-Stimulation für etwa 1 Minute. Schließlich gehen Sie auf das GVS mit 10 Züge von 10 Stimuli Spannung bei 100 Hz und weiterhin die Funktion der GF Wege mit diesem Paradigma alle 5 Minuten bis zu 15 Minuten zu testen. Hinweis: Aufnahmen were manipuliert werden, um die allgemeine Systematik zu schaffen und repräsentieren nicht ein bestimmtes Ergebnis zu erhalten. Nicht maßstabsgetreu sind nicht alle Spuren gezeigt. Klicken Sie hier für ein größeres Bild .

Abbildung 5. Die Auswirkungen der MLA in der GFS.
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Die nanoinjection / Elektrophysiologie Bioassay hier vorgestellten ermöglicht eine schnelle Screening von Verbindungen im Nervensystem der Fruchtfliege. Dies ist ein neues in vivo-Technik, die kleine Mengen einer Verbindung benötigt, um einen Effekt auf einer Vielzahl von molekularen Zielstrukturen in einer gut charakterisierten neuronalen Schaltung auszulösen. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um die Bioaktivität von verschiedenen Verbindungen zu testen, von unbekannten Toxine im Handel erhältlich pharmakologische Mittel.
Hier haben wir gezeigt, die Funktion unseres Assay mit MLA, die einen Einfluss auf die Riesen-Fiber System (GFS) der Fruchtfliege (Abbildung 5) hatten. Wir fanden, dass es selektiv gestört GF zu den DLM-Weg, aber nicht die GF zu TTM Weg. Aktivierung der motorischen Neuronen direkt über Brust-Stimulation gezeigt, dass der Defekt in der GF zu DLM-Weg war nicht wegen einer Funktionsstörung an der neuromuskulären Synapse (NMJ), aber es war konsistent mit dem antagonistischen effektivt von MLA an den Dα7 nAChR-Subtypen präsentieren auf der PSI-DLMn Synapse (Abbildung 1). Obwohl die GF TTMn Verbindung wurde gezeigt, dass cholinerge, ist unbekannt, ob Dα7 nAChR-Untereinheiten, die an dieser Synapsen sind. Ferner, die genetische Abwesenheit des Cholinacetyltransferase (Cha)-Gens oder des Dα7 nAChR-Subtyp (Dα7)-Gen stört die Funktion des GF-TTMn Verbindung aufgrund der gleichzeitigen Gegenwart eines elektrischen Verbindung 5,6,17,19, 20, mit dem sich der Weg kaum von MLA beeinflusst werden.
Nach Verbindung der Injektion sollte die Lösung sofort Tauchen Sie das gesamte Nervensystem des Tieres aufgrund seiner offenen Kreislaufsystem 21. Wenn sie richtig injiziert, die Verbindung in der Regel erreicht die Thorax und Abdomen innerhalb von Sekunden, sondern eine homogene Dispersion kann bis zu einer Minute. Wenn jedoch die Verbindung nicht richtig in der Hämolymphe injiziert (dh Einspritzen des Mikropipette zu deEP geht in das Gehirngewebe), dann langsamer Dispersion während des Tieres beobachtet wird. Während Farbstoff kann verwendet werden, um eine korrekte Injektionstechnik üben wie im Video gezeigt wird, ist es nicht empfehlenswert, um gemeinsam zu injizieren die blaue Lebensmittelfarbe mit einer zu testenden Verbindung, da sie die Eigenschaften der Verbindung verändern können und damit ihre Bioaktivität werden. Zusätzlich kann, da die meisten Lösungen als Lösungsmittel verwendet klar in der Farbe (Kochsalzlösung, DMSO, etc.) sind, ist es schwierig, festzustellen, ob die Verbindung aus der Injektionsnadel ausgestoßen wurde. Wenn daher das Auflösen eines spezifischen Verbindung ist es wichtig, sicherzustellen, dass es vollständig in Lösung geht, andernfalls ungelöster Partikel rasch verstopfen Injektionsspitze, verhindert einen Ausstoß von Fluid. Ferner, obwohl Verbindung Dispersion kann in der Hämolymphe sofortige, das Erreichen der Ziele in der zentralen Nervensystems, sowie Erreichen der maximalen Dosierung, kann größer sein bezogen auf die Verbindung der chemischen Eigenschaften, wie Größe und Polarity, und seine Fähigkeit, die Fliege Blut-Hirn-Schranke. 22 So durchdringen können, ist es wichtig, auf die möglichen Auswirkungen der unbekannten Verbindungen mehrere Minuten nach der Injektion zu überwachen, da verschiedene Verbindungen können Variationen in Zeiten des Auftretens Effekte, die im Laufe der Zeit kann in einigen Fällen zu erhöhen haben . Starke und unmittelbare Wirkungen der Verbindung, die vollständig blockieren die Funktion der Neuronen kann bereits mit den ausgelösten Reaktionen bei 1 Hz zu sehen, während die Stimulation des GFS bei höheren Frequenzen (100 Hz) wird verwendet, um subtilere Effekte aufgrund niedrigerer Dosierung oder zu erkennen Wirksamkeit einer Verbindung. Wenn keine Wirkungen nach Verbindung Injektion beobachtet werden es sein kann, entweder aufgrund von geringen Medikamentendosis oder die Tatsache, dass die Verbindung die spezifische molekulare Zielstruktur nicht vorhanden ist, in der GFS.
Wenn darüber hinaus mittels des Bioassay hier als ein Screening-Werkzeug für neue Verbindungen (wie Conotoxine) dargestellt, ist es wichtig zu beachten, dass der Test auf die molekulare Zielstrukturen in der vor eingeschränktGFS der Fliege. Obwohl der Test selbst nicht zulässt Lokalisierung der tatsächlichen molekularen Ziele der Verbindung injiziert wird, bedeutet es für die Eingrenzung der möglichen Ziele innerhalb der GFS ermöglichen. Weitere Tests, wie zB Patch-Clamp auf Neuronen oder Muskeln oder genetische Studien zu Wechselwirkungen mit Drosophila melanogaster Mutanten, kann getan werden, um das genaue Ziel dieser Verbindungen zu bestimmen. Schließlich wurde die Aufnahme präsentiert Protokoll entwickelt, um antagonistische Wirkungen auf die Funktion der GFS zu erkennen. Jedoch kann die Aufnahme-Protokoll leicht eingestellt werden, um agonistischer Wirkungen passiv Überwachen für Antworten durch die Verbindung nicht überprüft, ob die GFS ist nicht in der Lage, zuverlässig zu reagieren, wenn die Verbindung durch den Experimentator stimuliert wird induziert überwachen.
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Keine Interessenskonflikte erklärt.
Wir möchten die Mitglieder des Mari-Labor und das Labor Godenschwege, insbesondere Aline Yonezawa anerkennen, für Kommentare und helfen mit diesem Protokoll. Diese Arbeit wurde vom National Institute for Neurological Disorders and Stroke Zuschuss R21NS06637 von UKW-und TAG finanziert werden; AB wurde von der National Science Foundation Award Nummer 082925, URM finanziert: Integrative Biologie für zukünftige Forscher.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Recording glass electrodes: borosilicate glass capillaries | World Precision Instruments, Inc. | 1B100F-4 | 1.0mm OD, 0.58mm ID |
| Stimulator | Grass Technologies | Model S48 | |
| Amplifier | Getting Instruments, Inc. | Model 5A | |
| Data acquisition Software: Digidata | Molecular Devices | Model 1440A | |
| Data collection software: pCLAMP | Molecular Devices | Version 10 | |
| Stereomicroscope with fiber optic microscope ring illuminator | AmScope | SM-4T Model HL250-AR | |
| Dissecting scope for mounting | AmScope | SM-2TZ | |
| Kite Manual Micromanipulator & Tilting Base | World Precision Instruments, Inc. | Model # M3301 Kite: Model # KITE-M3-L | |
| Drosophila melanogaster Wild 10E genotype (wild type strain) | Bloomington Stock center | Stock # 3892 | |
| Vertical pipette puller | David Kopf Instruments | Model 700c | |
| Injection glass micropipettes: Borosilicate glass capillaries | World Precision Instruments, Inc. | Catalogue # 4878 | 1.14mm OD, 0.5mm ID |
| Silicon oil | Fisher Scientific | Catalogue # S159-500 | |
| Beveler | Sutter Instrument Co. | K.T. Brown Type Model # BV-10 | |
| Nanoliter2000 | World Precision Instruments, Inc. | Catalogue # B203XVY | |
| Blue food coloring | McCormick & Co. | N/A | Ingredients: Water, Propylene Glycol, FD&C Blue 1, and 0.1% Propylparaben (preservative). |
| Methyllycaconitine citrate (MLA) | Tocris Bioscience | Catalogue # 1029 | |
| Plastic wax sticks | Hygenic Corporation (Akron Ohio USA) |