本文中,我们展示了用于研究热痛觉的研究方法 果蝇 幼虫。一种检测方法涉及对空间局限(局部)的热伤害感受器进行刺激1,2 而第二种情况则涉及对大部分或全部此类神经元的全面(全局)激活3这些技术共同实现了对行为功能的可视化与定量分析 黑腹果蝇 伤害性感觉神经元
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本文中,我们展示了用于研究热痛觉的研究方法 果蝇 幼虫。一种检测方法涉及对空间局限(局部)的热伤害感受器进行刺激1,2 而第二种情况则涉及对大部分或全部此类神经元的全面(全局)激活3这些技术共同实现了对行为功能的可视化与定量分析 黑腹果蝇 伤害性感觉神经元
本文中,我们展示了用于研究热痛觉的研究方法 果蝇 幼虫。一种检测方法涉及对热伤害感受器进行空间限制性(局部)刺激1,2 而第二种情况涉及大多数或全部此类神经元的全面(全局)激活3这些技术共同实现了对行为功能的可视化与定量分析 果蝇 伤害性感觉神经元
Drosophila 幼虫是一个成熟的模型系统,用于研究热伤害感受(thermal nociception),即对潜在有害温度的感官反应,这种反应在进化上在不同物种间高度保守1,2。利用 Drosophila 进行此类研究的优势在于其神经系统的相对简单性,以及可用于解析潜在生物学分子基础的成熟遗传学技术4-6。在 Drosophila 中,如同在所有后生动物中一样,对有害热刺激的反应通常表现为一种“伤害回避性”的厌恶性撤退反应7。此类刺激通过游离神经末梢或伤害感受器(nociceptors)被感知,机体反应的强度取决于接收有害刺激的伤害感受器数量8。在 Drosophila 中,是IV类树突分支感觉神经元负责检测有害的热刺激和机械刺激9,此外,这些神经元还具有最近发现的感光功能10。这些神经元在发育层面已被广泛研究,其树突在屏障性的表皮层上广泛分支,并与几乎所有表皮细胞形成接触11,12。每个IV类神经元的单根轴突投射至中枢神经系统的腹神经索11,在那里可能与投射至脑部的二级神经元相连接。
在基础条件下,伤害性感觉神经元不会放电,直到达到相对较高的阈值。本文所述的检测方法可使研究者量化基础行为反应,或推测组织损伤后继发的敏感化过程。每种检测方法均可引发对有害热刺激产生不同但相关的运动行为反应,并允许研究者观察和量化黑腹果蝇(Drosophila)幼虫热伤害感受的各个方面。这些检测可用于具有特定基因型的幼虫,或在可能影响伤害感受的不同环境条件下培养的幼虫。由于热伤害感受在物种间具有保守性,通过黑腹果蝇(Drosophila)进行的遗传学解析所得发现,将有助于增进我们对其他物种(包括脊椎动物)热伤害感受的理解。
用于制备正常或UV致敏幼虫以进行两种热伤害感受实验的典型实验步骤流程如图1所示。
1. 幼虫的制备
2. 醚麻醉与紫外照射
注意:接下来的两个步骤应在通风橱中进行,因为乙醚是一种可能爆炸的化学物质,其蒸气不仅能使幼虫麻醉,也能使人类麻醉。
3. 局部热探针实验
我们使用 Pro-Dev Engineering 公司(见材料表)定制制造的热探针,向单个幼虫体节施加有害的热刺激。尽管该探针具有优化的设计特征(约 0.07 mm 的小型金属尖端)2 区域以及精确维持设定温度的能力 23 °C 到 65 °C原则上,任何具有小型尖端且可在最高20秒时间内加热至设定温度的工具均可使用。该探针尖端用于刺激早期3rd instar幼虫精确置于腹部第A4节背中线处(参见 图2)。作为对这种热刺激的反应,幼虫通常会表现出逃避性的回撤行为,即侧向滚动360度或更大角度。该行为不同于幼虫对无害室温金属探针轻触刺激的反应,后者通常仅表现为运动活动的短暂暂停。13.
热探针实验方案:
4. 全身性热板实验
热板实验旨在测量整个动物暴露于有害热刺激时黑腹果蝇(Drosophila)幼虫的热伤害感受。将单个中期3龄幼虫置于直径60 × 15 mm培养皿中80 μl的水滴内——实验装置的示意图和照片见图3。随后将培养皿放置于一个固体加热块(称为“热板”)上。随着水滴温度升高,幼虫会表现出一系列五种刻板行为,我们将其命名为头部抽动、翻滚、鞭打、惊厥和麻痹。由于这些行为在一定程度上取决于热板的设定温度以及幼虫所处水滴的体积,本文提供了我们发现的最适条件(95 °C热板,80 μl水滴),在此条件下可观察到全部五种行为,且彼此之间的重叠最小。
热板实验方案:
5. 典型结果
局部热探针检测:
当幼虫接触到热探针时,通常会表现出抬起头部和尾部的初步行为。通常先观察到头部抬起,随后是尾部抬起。在这一初步行为出现数秒后,幼虫通常开始进行横向翻滚,我们称之为“厌恶性撤退行为”。出现初步行为或撤退行为的时间可能因温度或遗传背景而异。在我们的初步研究中,我们测量了在不同探针设定温度下表现出厌恶性撤退行为的幼虫百分比,发现48 °C是所有幼虫均快速响应(< 5 s)的最低温度。在此,我们报告幼虫的热伤害感受反应存在上限(图4A)。当探针温度达到52 °C时,仍可观察到100%的幼虫快速响应。然而,在54 °C及更高温度下,90%或更多的幼虫即使在接触20 s后仍无反应。这些幼虫在20 s截止时间后仍继续移动。
如前所述1,可在每个温度下对回避行为的类别进行绘图并进行统计学比较。由于这是一种行为检测实验,不同幼虫之间以及不同操作者之间存在一定的变异性。为减少这种变异的影响,我们通常在每种测试条件下检测3组,每组30条幼虫。除了我们此前报道过的对回避潜伏期的简单分类外,本文还报告了可同时测量反应幅度(翻滚次数或处于厌恶性回避行为的时间)(见图4)。令人意外的是,输入温度与反应强度之间似乎存在反向关系,因为较低的温度似乎会引发更多的翻滚次数(图4B)以及更长的厌恶性回避行为持续时间(数据未显示)。这可能表明,对有害温度的暴露持续时间可能是决定反应强度的主要因素。
热板实验:
将浸没在水中的幼虫转移至加热板后,可观察到五种刻板的运动行为。这些行为在视频中均有展示,并附有未加热幼虫在水中典型的运动行为作为对照。各行为出现的平均潜伏期如图5A所示,每个潜伏期对应的水滴温度平均值也在该图中呈现。在本文所述的最佳检测条件下,表现出每种特定行为的幼虫比例介于77%至100%之间(图5B),尽管偶尔会出现翻滚和抽打行为缺失、重叠或顺序颠倒的情况。按时间顺序观察到的行为描述如下,可在视频中标注的相应时间点观看:
这些数据表明,水滴的温度与幼虫/水滴整体加热后出现五种特征性行为的潜伏期之间存在高度相关性。

图1. 幼虫制备与检测实验步骤概览。在使用热探针或热板检测伤害感受之前,需从特定品系或遗传杂交中收集并清洗幼虫,去除食物残留。若需检测伤害感受致敏(而非基础伤害感受),则在收集幼虫后,依次进行乙醚麻醉(乙醚暴露)、固定、紫外线照射,并在果蝇食物上恢复一段时间。收集或恢复后的幼虫随后通过热探针(局部刺激)或热板(全身刺激)实验接受有害温度测试。图中数字对应方法部分中描述相应步骤的章节编号。

图 2. 局部热探针实验装置示意图。热探针由温控单元控制,用于设定并维持探针的温度。探针垂直于身体前后轴放置,并以与水平方向成45°的角度刺激幼虫。探针接触点位于腹部第A4节段,如图所示。操作者需以轻微压力保持接触,直至达到20秒的时间上限,或直至幼虫开始翻滚行为。若温度被感知为有害,幼虫将表现出回避性撤退反应,特征为至少完成一次360°翻滚。翻滚次数可为单次或多次(见图 4B)。

图 3. 热板实验的实验装置。(A)含有一个中龄3rd幼虫的60 × 15 mm培养皿的水平视图示意图,幼虫位于80 μl水滴中。(B)通过显微镜观察,幼虫位于水滴中央的俯视示意图。(C)本实验所用工作站的水平视图照片。(D)通过显微镜观察到的幼虫照片。

图4. 利用热探针实验定量分析行为反应。 (A)不同类别(快速反应者、慢速反应者和无反应者)的反应者百分比随温度变化的曲线图。(B)在逐渐增强的有害温度(42 °C、44 °C、46 °C、48 °C、50 °C 和 52 °C)下,幼虫表现出厌恶性撤退行为的潜伏期与其滚动次数的关系图。

图 5. 热板实验:潜伏期、温度与行为的关系。 (A)在最佳条件下(热板表面温度为 95 °C,水滴体积为 80 μl)每种行为反应的潜伏期及对应水滴平均温度(n = 150)。注意每种行为均出现在特定时间区间内。通过将热电偶插入水滴顶部或底部测量水滴温度(每个位置测量 10 滴),并取平均值。(B)在最佳实验条件下表现出每种行为反应的幼虫百分比。抽搐、强直和麻痹行为几乎在 100% 的情况下被观察到,而翻滚和抽打行为分别在 77% 和 80% 的情况下出现。在较低的表面温度设定点下,200 秒内未观察到强直和麻痹;而在较高的设定点下,翻滚和抽打行为可能被跳过或同时发生。n = 150。(C)在麻痹行为开始后仍能存活的幼虫百分比。将幼虫加热至出现麻痹初期即移出,并置于标准培养条件下恢复。对照组幼虫接受相同处理,但不进行热暴露。在第 7 至 13 天期间定量分析蛹的形成及可育成虫的出现。n = 120。

图6. 幼虫伤害感受性感觉神经元的失活延长行为反应潜伏期. 不同基因型小鼠各行为潜伏期的曲线图: w1118,Gal4109(2)80 = md-Gal4/+, UAS-Ork1.Δ-C/+, UAS-Ork1.Δ-NC/+, md-Gal4/UAS-Ork1.Δ-C 和 md-Gal4/UAS-Ork1.Δ-NC。md-Gal4 在四类多树突周围感觉神经元中驱动UAS调控的转基因表达; UAS-Ork1.Δ-C14 表达一种经过修饰的版本 果蝇 开放整流型 K+ 通道,为突触传递所必需,且 UAS-Ork1.Δ-NC14 表达同一通道的另一种进一步修饰的版本,该版本不会干扰突触传递。请注意,仅含有这两个遗传元件的幼虫 md-Gal4 驱动程序6 以及 UAS-Ork1.Δ-C 转基因动物在五种观察到的行为中的四种表现出更长的潜伏期(抽搐、翻滚、惊厥和麻痹)。还需注意,由于翻滚的潜伏期增加,这些动物在翻滚前会出现抽打样动作。星号表示 p < 通过学生t检验,p值为0.05。每种基因型使用30条幼虫。
补充视频 1. 点击此处观看视频。
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补充视频 5。 点击此处观看视频。
补充视频 6。 点击此处观看视频。
本文所述的实验可用于定性及定量评估不同基因型幼虫对有害热刺激的反应性。热探针实验的一个主要特点是,刺激仅作用于单一特定位置。这可能仅导致一小部分IV类神经元放电——即探针接触体节内的神经元,以及可能邻近体节中的神经元11。由于刺激具有局部性,热探针实验模拟了感知局限于身体某一特定区域的有害刺激这一常见感觉体验——例如手接触热炉灶。热探针实验的一个缺点是存在一定的操作者间变异,这可能归因于三个因素:i)操作者将探针施加于幼虫时的压力大小,ii)探针在幼虫体表的位置相对于下方伤害感受神经元的精确程度,以及iii)探针接触幼虫体表时的确切角度。
我们先前报道了一种定量策略,可根据幼虫对特定温度的回缩潜伏期,将其分类为无应答者、慢应答者和快应答者1。本文中,我们报道了幼虫对更高温度的应答性。有趣的是,我们发现幼虫的热伤害感受反应存在一个上限,该上限介于52至54 °C之间。这可能表明幼虫缺乏能够在高于52 °C的温度下激活的瞬时受体电位(TRP)通道。或者,这也可能提示,用于启动或执行运动反应的神经元或肌肉在产生厌恶性回缩反应之前即已受损。我们还报道了对回缩反应幅度的另一种分析方法——使用翻滚次数作为反应“强度”的指标。直观上,人们会预期这些参数随温度升高或刺激时间延长而增加。然而令人意外的是,我们发现事实并非如此。在有害温度范围的低端(42 °C)长时间受到刺激的幼虫,其翻滚次数和翻滚持续时间均多于在较高温度(48–52 °C)下受到刺激的幼虫。这表明,在有害温度范围内,决定反应幅度的主要因素是暴露持续时间。由于暴露于高度有害温度(48–52 °C)的幼虫平均反应非常迅速,因此它们表现出的翻滚次数少于在较低有害温度下长时间暴露的幼虫。本文所报道的反应幅度分析为不同基因型或环境干预之间的比较提供了另一个定量维度。
热板实验的一个主要特征是,它涉及对有害热刺激的全局暴露。因此,这种情形更类似于动物置身于一个加热的容器中,而不是触碰一个发热的炉灶。尽管尚不清楚幼虫在自然环境中何时会经历全局性的有害刺激,但在实验室中,这种全局暴露所引发的行为反应比局部刺激所观察到的更为复杂。热板实验的一个优势(其他研究者也已指出3)在于其操作者之间的变异性极小,因为该实验流程不包含对幼虫的触碰操作。唯一的显著变异似乎在于如何界定每种行为的起始时刻,而这一点可通过反复观察和熟悉来最小化。不同实验方法之间一个有趣的差异在于引发厌恶行为的温度阈值。在热板实验中,这些行为的起始温度明显低于热探针实验。使用热探针接触幼虫时所引发的初期行为(抬头和翘尾)可能与热板实验中约27 °C时观察到的头部摆动行为相对应。这种反应可能更多反映的是“不适感”而非“疼痛”。即使在较高温度(高达48 °C)下,我们在热探针实验中也未观察到与抽搐、惊厥和麻痹行为相对应的现象,这表明可能需要来自身体多个区域的感觉神经元同时达到一定的激活阈值,才能诱发这些行为。有趣的是,惊厥和麻痹行为在热板实验中出现的温度(约34–37 °C)低于热探针实验中观察到的伤害感受阈值的下限,这表明全局刺激可能整合了多个神经元的反应,而这些反应在局部热探针刺激下不足以引发行为。这些温度确实对幼虫具有伤害性,这一点得到了以下观察结果的支持:开始出现麻痹行为的幼虫若随后被转移至果蝇食物上恢复,大多数情况下无法存活(图5C)。进一步支持热板实验反映的是伤害感受反应的证据是:阻断已知伤害感受感觉神经元的突触传递会显著延长大多数观察到行为的潜伏期(图6)。值得注意的是,高温下的抽搐行为潜伏期并未延长,这表明该行为可能依赖于其他不表达md-Gal4的感觉神经元。
总之,两种实验均涉及将单个幼虫暴露于特定温度的有害热刺激下——局部实验中使用小型金属探针的加热尖端,整体实验中则将其浸入迅速升温的水滴中。对幼虫的行为反应进行观察 黑腹果蝇 具有不同遗传背景和/或暴露于不同环境条件(例如,有无组织损伤)的幼虫,均可通过这些检测方法进行研究和量化。最终,这些检测的结果将有助于我们更深入地理解控制伤害性感受的遗传网络 果蝇 及其他相关物种。
我们无任何披露事项。
感谢 Christian Landry 提供热探针设计,Daniel Babcock 开发了幼虫热探针实验,Sean Sweeney 建议使用热板实验,布卢明顿果蝇资源中心(Bloomington Drosophila Stock Center)提供果蝇品系,以及 Galko 实验室成员对稿件的审阅。本研究由美国国立卫生研究院(NIH)R01 NS069828 基金(授予 MJG)以及 NIH MARC U-STAR 培训项目(T34GM079088,授予休斯顿大学市中心学者学院,用于支持少数族裔进入科研职业,AVG)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 热探针 | Pro-Dev Engineering | 按需定制 | 可根据要求提供联系方式 |
| 干浴孵育器 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | 11-718 | 配备1个实心加热模块和1个带16 mm孔的加热模块 |
| Leica DFC290 12 V/400 mA 彩色相机 | 徕卡显微系统(Leica Microsystems) | 12730080 | 任何等效 相机均可使用。 |
| Leica MZ6 体视显微镜 | 徕卡显微系统(Leica Microsystems) | MZ6 变倍镜体(光学支架)的部件号为 10445614 | |
| Schott Ace Modulamp 灯具 | Schott AG | A20500 | |
| Schott 双蛇形管 23 英寸光纤导光臂 | Schott AG | Schott A08575 | |
| 温度控制单元 | TSCI 公司 | 定制设备 | 可根据要求提供详细信息 |
| 蔡司 Stemi 2000 体视显微镜 | 卡尔·蔡司公司(Carl Zeiss, Inc.) | NT55-605 | 任何等效 显微镜均可使用。 |
| 镊子 | 精细科学工具公司(Fine Science Tools) | FS-1670 | |
| 1 mm 网格筛网 | Genesee Scientific | 57-101 | |
| 画笔 | Blick 艺术材料公司 | 06762-1002 | |
| 紫外交联仪 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | 1199289 | |
| 柯普林瓶(Coplin 瓶) | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | 08-816 | |
| 10 ml 烧杯 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | 02-540C | |
| 乙醚 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | E138-500 | |
| 35 × 10 mm 聚苯乙烯培养皿 | BD Falcon | 351008 | 我们尚未测试 其他替代培养皿。 |
| 玻璃显微镜载玻片 | 康宁公司(Corning) | 26003 | |
| 热电偶 | 欧米茄工程公司(Omega Engineering, Inc.) | HH802U | |
| 一段乙烯基材料 | Office Depot | 480009 | |
| 微量离心管 | Denville Scientific | C-2170 |