方法文章

利用斑马鱼振动惊吓反应筛选系统评估化学品的毒性

DOI:

10.3791/66153

2024年1月12日

本文内容

摘要

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我们描述了一种基于斑马鱼胚胎振动惊吓反应的化学化合物毒性评估筛选系统的工作流程和数据分析方法。该系统记录斑马鱼胚胎在受到振动刺激时的运动反应,可对总体毒性/致死性以及神经肌肉毒性进行综合评估。

摘要

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们开发了一种用于评估斑马鱼胚胎神经肌肉毒性和一般毒性的简易筛选系统。该模块化系统由电磁驱动换能器组成,其上方可放置含有胚胎的组织培养皿。多个此类扬声器-组织培养皿组合可并联使用。电磁换能器产生的振动刺激可诱导胚胎产生特征性的惊吓和逃逸反应。通过皮带驱动的线性传动装置,摄像头被依次定位至每个扬声器上方,以记录胚胎的运动。通过该方法,可对因化合物致死性或神经肌肉毒性导致的惊吓反应改变进行可视化观察和定量分析。本文展示了利用该系统进行化合物筛选的工作流程示例,包括胚胎制备与处理溶液配制、记录系统的操作,以及数据分析以计算在该检测中具有活性的化合物的基准浓度值。该系统基于市售的简单组件进行模块化组装,既经济实惠,又可根据特定实验室配置和筛选需求灵活调整。

引言

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近年来,斑马鱼已成为评估化学化合物效应的热门模式生物,其应用范围涵盖从药物开发到环境毒理学等多个研究领域1。作为脊椎动物,斑马鱼在基因构成和整体生理特征方面与人类具有许多共同点2,3。因此,在该模型中获得的研究结果通常与人类健康直接相关。目前一些正处于临床试验阶段的候选药物,正是通过斑马鱼化合物筛选发现的4

毒性评估是斑马鱼胚胎阶段应用的主要领域之一。经济合作与发展组织(Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD)已制定多项使用斑马鱼进行环境毒性测试的指南5,6。斑马鱼胚胎体积小、发育迅速,非常适合用于中高通量规模的筛选方法1,3,4。此类筛选所关注的毒理学终点包括胚胎畸形和致死性7、内分泌干扰8、器官毒性9,以及反映神经毒性的行为学评估10,11。行为学检测之所以可行,是因为斑马鱼胚胎在不同发育阶段会对不同刺激产生多种运动反应。例如,受精后1天(dpf)的胚胎表现出自发的尾部卷曲12,并对一系列光脉冲刺激产生典型的运动序列,即所谓的光运动反应(photomotor response, PMR)10。孵化通常发生在受精后48–72小时(hpf)左右,自由游动的仔鱼(eleutheroembryos)13从约4 dpf开始逐渐发展出对振动刺激的惊跳反应和逃避反应14。这些反应的特征是身体向与刺激相反的方向发生明显弯曲(即所谓的C型弯或C-start),随后出现较小的反向弯曲并启动游泳行为14,15,16,17。值得注意的是,胚胎行为由多种神经递质系统参与的神经回路调控,因此可用于检测作用于这些系统的化学物质的影响。例如,PMR检测已揭示了干扰胆碱能、肾上腺素能和多巴胺能信号通路的化合物的作用10,而惊跳反应则涉及胆碱能、谷氨酸能和甘氨酸能神经元16,18。此外,损伤肌肉或神经-肌肉接头的化合物也会影响这些行为,对内耳/侧线毛细胞具有毒性的化合物同样会产生影响19,20。因此,观察斑马鱼在刺激下的运动行为不仅可用于评估神经毒性,也可用于评估耳毒性和肌毒性。运动行为评分还可作为一般毒性/致死性评估的替代指标,因为死亡胚胎不会产生运动。因此,胚胎运动行为代表了一种整合性的检测指标,可在同一实验体系中同时反映化合物的致死性和神经肌肉毒性效应。鉴于仔鱼已具备代谢化合物的能力,该方法还可能检测到代谢转化产物的作用7,21,22。重要的是,在某些动物保护法规中,斑马鱼胚胎在120 hpf之前尚未进入自由摄食阶段,因此不被视为受保护的生命阶段13。因此,斑马鱼胚胎被视为动物毒性测试的一种替代方法。

使用扬声器、相机、数据图表和波形捕捉进行振动分析的实验装置。
图1:振动惊吓反应系统装置示意图。A)系统的整体布局。含有暴露于测试化合物中胚胎的培养板放置在电动振动换能器阵列(“扬声器”)上。相机通过皮带驱动的线性传动装置依次移动至目标换能器上方的记录位置。(B)插入组织培养皿的换能器/扬声器的详细结构。培养板由下方LED光源以4000–5000 lux的光照强度从底部照明。当施加刺激时,扬声器旁的LED灯会亮起。(C)刺激胚胎后由相机记录的视频静止图像。(D)配置文件的截图。(E)记录软件界面的截图。请点击此处查看该图的放大版本。

本文介绍了一种利用自制的简易测试装置评估化合物对振动惊跳反应影响的实验方案,该装置基于电动激振器产生的振动刺激,并结合自动视频记录技术,可同时记录组织培养皿中多个自由活动胚胎的行为23。该系统具有模块化设计,支持多个组织培养皿并行进行顺序记录。在当前使用的装置中,五个电动激振器向其上方放置的含有20个胚胎的组织培养皿施加振动刺激(500 Hz,持续时间1 ms)(图1)。培养皿由下方LED光源以4000–5000 lux的照度进行透射照明。每个激振器旁设有LED指示灯,用于标记刺激施加时段,同时使用示波器监测所施加刺激的波形和频率(具体细节参见参考文献23)。胚胎行为由高速摄像机(材料表)以每秒1000帧(fps)的速度记录,摄像机通过皮带驱动的线性传动装置移动至目标扬声器上方。该记录速度对于可靠解析惊跳反应至关重要。该系统为现有商业系统提供了一种低成本且可个性化调整的替代方案。下文详述的精确操作流程目前在精准毒理学计划(Precision Toxicology initiative)24的框架内实施,旨在确定经一系列选定毒物处理的斑马鱼胚胎用于OMICS数据采集的适宜暴露条件。

方案

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所有斑马鱼的饲养和操作均遵循德国动物保护标准,并已获得德国巴登-符腾堡州卡尔斯鲁厄政府行政区(Regierungspräsidium Karlsruhe, Aktenzeichen 35-9185.64/BH KIT)的批准。

1. 准备待测化学品的储备溶液

  1. 用化合物名称/缩写、储备液浓度和配制日期标记玻璃小瓶(或化学试剂分装管)。例如,CdCl2_2.5 g·L-1_210813。
  2. 在室温(RT)下,将化学试剂分装管以 2000 x g 离心 1 分钟。
  3. 在通风橱内,使用精度为 0.001 g 的天平称取化合物(如需要),并转移至已标记的小瓶中。若化合物为液体,使用移液器和塑料吸头将其加入小瓶。
    注:例如,在 图2 所示结果示例中使用的三卡因甲磺酸盐储备液,需称取 400 mg 至标记小瓶中。
  4. 使用移液器和塑料吸头加入溶剂(例如,无菌纯水或二甲基亚砜(DMSO),根据化合物的理化性质选择)。如条件允许,优先选用水作为溶剂。
    注:例如,对于三卡因储备液,配制了 100 mL 水中含 15.3 mM 的溶液。
  5. 密封小瓶,轻轻振荡,并检查是否有沉淀产生。
  6. 如有需要,使用移液器和塑料吸头在玻璃小瓶中配制稀释的储备液。
    ​注:例如,三卡因储备液无需进一步稀释。
  7. 将储备液储存于 -20 °C,直至使用。
  8. 将剩余的化学试剂分装管按此前相同条件储存。
  9. 在实验记录本中记录储备液分装信息。

2. 收集和培育斑马鱼胚胎

  1. 从群体交配的自然产卵中,在10 cm组织培养皿中收集处于卵裂期(2-8细胞期)的胚胎。
  2. 挑选质量合格的一批胚胎:未受精或死亡的卵比例少于10%。
  3. 清洗培养皿(去除未受精卵、碎片、鳞片等杂质)。
  4. 每10 cm组织培养皿中放置60个胚胎,加入15 mL E3培养基(5 mM NaCl,0.17 mM KCl,0.33 mM CaCl2,0.33 mM MgSO425
  5. 将培养皿放入已铺好吸水纸(用水浸湿)的加湿培养盒中。
  6. 在28.5 °C的培养箱中培养胚胎至72小时后受精(hpf)。

3. 准备受试化学品的工作稀释液

  1. 从 -20 °C 冰箱中取出储备液,使其解冻。
  2. 若化合物溶解度足够高,可在玻璃瓶中用 E3 培养基配制系列稀释液,每种浓度每个重复 1 mL。确保稀释液浓度为所需暴露浓度的 10 倍,以避免在暴露开始时更换胚胎的全部培养基。若溶解度较低,则直接按所需暴露浓度配制系列稀释液,每种浓度每个重复 10 mL。
  3. 检查是否有沉淀产生(如有必要)。若出现沉淀,应记录,并进一步稀释以达到下一个较高浓度,再次检查沉淀情况。重复此步骤,直至无沉淀产生。
  4. 检测暴露溶液的 pH 值。若 pH 值不在 7.0–8.5 范围内,应记录,并使用含 5 mM HEPES/pH 7.4 的 E3 培养基重新配制溶液,用 HCl 或 NaOH 调节 pH 值。
  5. 根据当地法规处理未使用的暴露培养基。

4. 将胚胎暴露于待测化学品

  1. 检查培养皿中72 hpf(小时后受精)的胚胎,移除死亡或未孵化的胚胎。如果某批次胚胎中未孵化的卵超过5%,则弃用该批次。
  2. 在每个6 cm组织培养皿中放入10个胚胎,并加入9 mL E3培养基(暴露板)。
  3. 用化合物名称、暴露浓度和重复编号标记暴露板。例如,"CdCl2 1 mg·L-1 01"。根据需要设置足够的仅含E3培养基的对照板以及溶剂对照板(见第5节)。
  4. 从最低浓度开始,向每块板中加入1 mL暴露溶液,并轻轻摇晃培养皿。对于溶解度较低的化合物,需将培养皿中的全部10 mL液体更换为暴露溶液(见步骤3.2)。
  5. 记录化合物溶液添加到胚胎中的时间顺序。
  6. 将培养皿置于28.5 °C的加湿培养箱中孵育48小时,直至胚胎达到120 hpf。

5. 进行振动惊吓实验

注意:按照步骤 4.5 中记录的相同顺序分析平板。每次运行都应包括一个 E3 对照平板。

  1. 打开计算机和振动装置(蓝色LED灯应亮起)。
  2. 在电子表格中准备配置文件,如图1D所示,并作为补充文件1附上。记录每个孔位(化合物、浓度、重复次数)的暴露信息。
  3. 打开通用用户界面(GUI)程序(可从 https://git.scc.kit.edu/xk4962/vibration-startle-assay-kit 获取,项目ID 43215)。
  4. 在GUI程序中选择不同位置,观察摄像头移动情况,以检查摄像头运动是否正常。
  5. 从培养箱中取出待测样品板。将样品板放置在5个位置上(见图1A,"loudspeakers"),并让胚胎静置数分钟。
  6. 点击Record;将弹出窗口供选择配置文件。
  7. 选择在步骤5.2中为此运行准备的相应配置文件。
  8. 确认样品描述与各位置(1-5)上的样品相对应。
  9. 测量将自动进行(每位置10秒)。当程序施加声音脉冲时,LED灯会亮起。每位置记录10秒可获取足够的数据,用于估算刺激前后胚胎的游泳速度和移动距离,并防止对后续刺激产生习惯化。
  10. 当记录完成后,摄像头返回位置1,软件开始压缩文件。在此期间,更换为下一组待测样品。
  11. 返回步骤5.2,开始下一轮记录。
  12. 当所有样品板测量完毕后,收集暴露溶液。使用筛网保留胚胎。
  13. 通过在冰/异丙醇(5%)浴中快速冷却处死胚胎。
  14. 根据当地法规处理暴露溶液和死亡胚胎。

6. 数据分析

  1. 使用 VirtualDub (1.10.4) 打开视频数据。
  2. 通过视觉观察记录对声音脉冲有反应的胚胎数量(当控制 LED 灯亮起时)。
  3. 将数据输入电子表格。根据 补充文件 2 中提供的模板记录化合物名称、重复次数、化合物浓度以及静止胚胎的百分比,该模板包含 图 2C 所示的示例数据集。
    注意:该模板具有灵活的结构,原则上可用于其他生物体和终点的数据。它描述了每个浓度下的反应,并提供了终点描述以及后续浓度-反应建模中生成参数的定义。
  4. 使用 KNIME 工作流(KNIME Analytics 4.626)并结合嵌入式 R 脚本(R 版本 3.6,R 包 plotrix、drc 和 bmd27,28)进行基准浓度(BMC)分析。
    注意:原则上,评估也可直接在 R 中进行。但为了方便起见,并支持作为基于网络的服务进行评估,分析已整合为符合 KNIME 服务器规范的工作流。KNIME 工作流的输出结果见 补充文件 3。有关 KNIME 工作流生成的统计参数的详细信息,请参考该模板。用于评估拟合优度以及接受所确定 BMC 值阈值的统计参数见 表 1。该 KNIME 工作流本身可通过 GitHub 获取(https://github.com/precisiontox/range-finding-drc)。浓度-反应关系采用四参数对数逻辑模型进行拟合。其中两个曲线拟合参数可设为固定值。通常情况下,对于百分比数据,可将最大值固定为 100;若未观察到背景效应,可将最小值固定为 0%。

结果

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图2A显示了48窝未经处理的野生型胚胎(AB2O2品系)中不动胚胎所占的百分比。平均而言,有14.33%的未经处理的野生型胚胎对振动刺激无反应。在4窝胚胎中,不动幼虫的比例达到50%,但75%的窝别中不动幼虫的比例低于20%。

图2BC 展示了在 PrecisionTox 联盟当前实施的振动惊跳反应实验流程中,针对化合物对运动能力影响的基准浓度/剂量(BMC/BMD29,30)典型计算示例24。BMC10、BMC25 和 BMC50 值分别对应于有 10%、25% 和 50% 胚胎表现出高于背景水平的不动性时所对应的浓度。该计算仅包含完全不动的胚胎,而不包括仍存在部分反应的胚胎,例如仅出现 C 形弯折但无后续逃逸游泳行为,或仅有尾部运动的个体(图2B)。实验中胚胎暴露于 8 个不同浓度的钠通道抑制剂三卡因甲磺酸盐(tricaine methanesulfonate),后者常用于鱼类麻醉31。数据显示,对振动刺激的背景不动水平约为 25%。当三卡因浓度达到 1% 时,运动能力开始下降,并在超过 2.5% 时完全停止。KNIME 工作流计算得出的 BMC50 为 164.9 µM,相当于 1.07% 的三卡因浓度,此时不动水平为 75%(图2C)。曲线中较小的 95% 置信区间(由曲线中的灰色阴影表示)表明该实验中运动性数据具有良好的可重复性。

图2D展示了一次次优检测运行的示例,其数据不应用于BMC计算。图中显示了五个经E3处理的对照组,每组使用来自同一批次的不同胚胎(AB2O2[野生型品系]重复1-5)。仅第一组表现出接近正常的反应,其不动率为约25%,与文献报道值32以及本研究所述检测中获得的结果一致(如图2A所示),而其余各组均表现出减弱和/或不完整的行为反应(例如仅出现C型弯曲但未随之以游泳活动,或出现运动但起始时无明显C型弯曲)。此类反应可能发生在胚胎发育异常时,由于发育延迟导致胚胎处于未成熟状态,从而影响惊吓反应的稳健性14,33

三卡因的浓度-反应分析;显示胚胎不动百分比的数据图表和曲线图。
图 2:典型结果示例,包括基准剂量计算。A)48 窝未经处理的野生型幼鱼(每窝 n = 10)在声音脉冲后无反应胚胎的百分比。平均值(14.33%)和标准差(±16.19%)以红色标示。(B)在 E3 培养基中用指定浓度的三卡因处理或仅用 E3 作为对照处理的胚胎(每组条件 n=20)的惊跳反应行为评估。行为根据图右侧所示的颜色方案和示意图进行分类,每个胚胎仅归属于以下类别之一:“不动”:胚胎不表现出任何运动;“尾部运动”:胚胎表现出尾部运动,但无C形弯曲或游泳行为;“可动”:胚胎表现出游泳运动,但对振动刺激无C形弯曲反应;“仅C形弯曲”:胚胎表现出C形弯曲,但无逃避游泳;“C形弯曲+可动”:胚胎表现出典型的C形弯曲行为,随后出现逃避游泳(典型的完整惊跳反应)。不同行为以每种处理条件下胚胎总数的百分比形式展示。(C)由 KNIME 工作流生成的 BMC 计算图,显示每种处理浓度下“不动”胚胎的百分比。蓝色、红色和黑色线分别表示 BMC10、BMC25 和 BMC50 值,即在此浓度下,分别有 10%、25% 和 50% 的胚胎表现出高于背景水平的不动率。(D)一次被舍弃的实验运行示例。展示了来自同一窝的五个不同 AB2O2 野生型胚胎的 E3 处理对照运行(重复 1–5)。仅重复 1 显示出接近正常的反应,而其余运行中的胚胎未表现出典型的“C形弯曲+逃避游泳”反应。请点击此处查看该图的放大版本。

表1:用于评估拟合优度的统计参数及接受所测定BMC值的阈值。 请点击此处下载该表格。

表2:部分振动惊吓反应检测系统的特性。 请点击此处下载该表格。

补充文件1:配置文件的Excel模板 请点击此处下载该文件

补充文件 2:包含示例数据集的 KNIME 输入模板。 请点击此处下载该文件。

补充文件3:KNIME输出文件示例。 请点击此处下载该文件。

讨论

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我们介绍了使用自行构建的斑马鱼胚胎振动惊吓反应检测装置进行化学化合物评估的工作流程和数据分析方法。该工作流程可生成可靠的数据,用于计算表征化合物毒性的典型参数,例如基准浓度/剂量(BMC/BMD)。该装置具有模块化设计,可根据通量和空间需求进行灵活调整。由于系统采用低成本基础组件,并基于相对简单的构建方案,因此相较于现有的商业系统,提供了一种经济的替代方案。现有商业系统通常同时设计用于多种检测类型,依赖专有软件,且价格相对较高。

这些商用系统以及其他定制系统均支持对多孔板中的单个胚胎或幼体进行评估(例如,12孔34、16孔32,35、24孔20,33,36、48孔37、96孔38,39,40,41,42,甚至384孔[作为4×96孔]43),但孔内空间受限,使得对逃避反应某些参数(如移动距离)的分析更具挑战性。此外,在部分实验装置中,成像仅限于多孔板中的部分孔位,从而降低了通量36,39。在培养皿中进行成像可更准确地评估逃避反应参数,并能够同时记录多个胚胎的行为(例如,在6 cm培养皿中最多可记录30个胚胎)。通常情况下,基于培养皿的成像每次运行仅限一个培养皿44,45,46,47,48(少数例外可并行对6个培养皿中各一个幼体进行成像49,或在2个分隔的培养皿中对4个幼体进行成像50),这一局限性可通过并行设计(如本研究中的方案)加以解决。我们已在表2中总结了本研究所用系统以及其他商用和定制化解决方案的一些特征20,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,
51,52

该方法的一个优势在于其检测结果可同时捕获致死效应和行为变化,从而提高毒性评估的性能。例如,尽管斑马鱼胚胎急性毒性试验(FET)5 已被证明能够较好地预测成年鱼急性毒性试验53 的毒性,但若加入行为学检测指标,其预测准确性可进一步提升54。其原因在于神经活性化合物在鱼胚胎中引起的死亡率较低,这可能是由于胚胎缺乏导致幼鱼或成鱼毒性增强的呼吸衰竭综合征。然而,通过行为评估仍可识别出神经活性。此外,行为学检测还可捕捉到肌毒性与耳毒性效应,以及其他更细微的生理性毒性效应,这些效应虽未致死,但会影响生物体的行为表现。

进行实验时,必须确保化合物的正确操作,并使用发育均一的斑马鱼胚胎批次。因此,使用玻璃小瓶储存化合物可最大程度减少化学物质(尤其是疏水性化合物)因吸附到塑料材料而导致的浓度下降。对于具有高吸附潜力的化合物与"塑料"聚苯乙烯,孵育过程也可采用玻璃培养板。在用于收集胚胎和清除死亡胚胎的组织培养皿中对卵进行清洗,是确保胚胎正常发育的关键步骤。正常的发育速度至关重要,因为发育延迟可能影响被评估行为所依赖的神经网络的成熟度14,33。此外,为了能够比较化合物的作用效果,卵应来源于同一品系,因为已有报道指出不同品系的斑马鱼具有不同的行为特征38,55,56,57。在暴露过程中,应将胚胎置于加湿的培养环境中孵育,以避免E3培养基过度蒸发,从而改变所测试的化合物浓度。

每次实验均应纳入E3对照组,以确定本批次实验胚胎的基线反应水平。通常,每5次测量设置一组对照,即运行一板对照样本。如图2D所示,该方法还可用于检测因发育延迟或其他因素(如遗传背景影响)导致反应不佳的批次。若出现对刺激无预期反应的情况,还需注意是否存在换能器故障的可能。通常情况下,惊吓反应呈S形浓度-反应关系,可采用对数逻辑斯蒂模型进行曲线拟合。然而,在少数出现双相反应的情况下,可能需要采用其他模型,例如高斯模型或Cedergreen模型。这些模型可在R语言的drc和bdm27,28程序包中找到。

对振动刺激无反应可能仅表明胚胎死亡或因普遍的细胞毒性导致生命功能严重受损,但也可能反映更特异性的毒性作用,即针对刺激感知、整合及运动输出的神经回路。其他可能的化合物效应包括干扰神经肌肉接头或肌肉结构与功能。为了区分这些可能性,需要进行进一步的检测。例如,可通过双折射检测来评估肌肉的结构完整性58,59,也可利用转基因品系评估肌肉和神经功能的扰动情况60,61。然而,已记录的视频数据本身已可用于对胚胎形态和行为反应进行更详细的分析,从而提供初步的附加信息。是否仅有C形弯曲反应受损,还是所有运动能力均受影响?是否存在神经肌肉活动的残余表现,例如微弱或颤抖的尾部运动?此类行为改变是否伴随形态学变化,如水肿或体轴弯曲程度增加?此外,还可评估诸如C形弯曲反应的潜伏时间或逃避反应期间移动距离等参数(参见例如 Ref. 44)。

本文所述的筛选方案可实现快速且可靠的化合物毒性评估,并具有特异性检测非致死性神经毒性、耳毒性和肌毒性化合物的额外优势。所提供的分析流程易于实施,并可提供可靠的读数结果。已有研究通过修改振动惊跳实验中使用的刺激方案,进一步探究化合物对惊跳行为更复杂层面的影响,例如前脉冲抑制(PPI)39,44 和习惯化过程32,33,这些方案也可适配于本研究所采用的基于电动换能器的刺激装置。

基于惊吓反应的筛选系统的一个主要应用是在化学筛选中评估化合物的作用,这对于人类毒性评价和药物开发均具有重要意义1,4,62。同时,通过检测水生生物的早期生命阶段,所获得的结果对生态毒理学风险评估具有直接的相关性63,64。此外,惊吓反应系统还可用于遗传筛选中的行为表型分析65,66,67,68,69。我们提出的这一系统易于实施且具有良好的适应性,可为计划在上述多个应用领域开展特定筛选项目的中小型实验室提供经济可行的实验配置。

披露

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我们没有需要披露的内容。

致谢

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我们衷心感谢IBCS-BIP鱼类设施和筛选中心支持团队提供的出色技术支持。本工作获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划在资助协议编号965406(PrecisionTox)下的资助。本出版物仅反映作者的观点,欧盟对其中所含信息的任何使用不承担任何责任。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
细密试验筛,黄铜框架,孔径 250 μmSigma-AldrichZ289744-1EA或性能相当的材料
高速摄像机XIMEA MQ013MG-ON USB 3 
窄口带螺帽实验室瓶VWR215-326150 mL 规格的参考编号,最大可提供至 20 L。或性能相当的材料
移液器吸头,工作体积:10 µLSARSTEDT70.3010.210或性能相当的材料
移液器吸头,工作体积:1000 µLSARSTEDT70.3050.100或性能相当的材料
移液器吸头,工作体积:20 µLSARSTEDT70.3020.210或性能相当的材料
移液器吸头,工作体积:200 µLSARSTEDT70.3030.100或性能相当的材料
血清移液管,10 mLSARSTEDT86.1254.001或性能相当的材料
血清移液管,25 mLSARSTEDT86.1685.001或性能相当的材料
血清移液管,5 mLSARSTEDT86.1253.001或性能相当的材料
组织培养皿,60.0 mm/15.0 mm 透气(聚苯乙烯)Greiner bio-one628102或性能相当的材料
组织培养皿,100 mm,悬浮培养用(聚苯乙烯)SARSTEDT83.3902.500或性能相当的材料
转移移液管,6 mLSARSTEDT86.1175或性能相当的材料
15 mL 管,120 mm × 17 mm,聚丙烯(PP)SARSTEDT62.554.502或性能相当的材料
50 mL 管,114 mm × 28 mm,聚丙烯(PP)SARSTEDT62.5472.54或性能相当的材料

参考文献

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  1. MacRae, C. A., Peterson, R. T. Zebrafish as a mainstream model for in vivo systems pharmacology and toxicology. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 63, 43-64 (2023).
  2. Howe, K., et al. The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature. 496 (7446), 498-503 (2013).
  3. Choi, T. Y., Choi, T. I., Lee, Y. R., Choe, S. K., Kim, C. H. Zebrafish as an animal model for biomedical research. Exp Mol Med. 53 (3), 310-317 (2021).
  4. Patton, E. E., Zon, L. I., Langenau, D. M. Zebrafish disease models in drug discovery: from preclinical modelling to clinical trials. Nat Rev Drug Discov. 20 (8), 611-628 (2021).
  5. OECD. Test No. 236: Fish embryo acute toxicity (FET) Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. , OECD Publishing, Paris. (2013).
  6. OECD. Test No. 250: EASZY assay - Detection of endocrine active substances, acting through estrogen receptors, using transgenic tg(cyp19a1b:GFP) zebrafish embryos. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. , OECD Publishing, Paris. (2021).
  7. Braunbeck, T., et al. The fish embryo test (FET): origin, applications, and future. Environ Sci Pollut Res Int. 22 (21), 16247-16261 (2015).
  8. Weger, B. D., Weger, M., Nusser, M., Brenner-Weiss, G., Dickmeis, T. A Chemical screening system for glucocorticoid stress hormone signaling in an intact vertebrate. ACS Chem Biol. 7 (7), 1178-1183 (2012).
  9. Pandey, G., Westhoff, J. H., Schaefer, F., Gehrig, J. A Smart imaging workflow for organ-specific screening in a cystic kidney zebrafish disease model. International Journal of Molecular Sciences. 20 (6), 1290(2019).
  10. Kokel, D., et al. Rapid behavior-based identification of neuroactive small molecules in the zebrafish. Nat Chem Biol. 6 (3), 231-237 (2010).
  11. Zhang, K., Liang, J., Brun, N. R., Zhao, Y., Werdich, A. A. Rapid zebrafish behavioral profiling assay accelerates the identification of environmental neurodevelopmental toxicants. Environ Sci Technol. 55 (3), 1919-1929 (2021).
  12. Ogungbemi, A. O., Teixido, E., Massei, R., Scholz, S., Kuster, E. Optimization of the spontaneous tail coiling test for fast assessment of neurotoxic effects in the zebrafish embryo using an automated workflow in KNIME(R). Neurotoxicol Teratol. 81, 106918(2020).
  13. Strahle, U., et al. Zebrafish embryos as an alternative to animal experiments--a commentary on the definition of the onset of protected life stages in animal welfare regulations. Reprod Toxicol. 33 (2), 128-132 (2012).
  14. Kimmel, C. B., Patterson, J., Kimmel, R. O. The development and behavioral characteristics of the startle response in the zebra fish. Dev Psychobiol. 7 (1), 47-60 (1974).
  15. Eaton, R. C., Bombardieri, R. A., Meyer, D. L. The mauthner-initiated startle response in teleost fish. Journal of Experimental Biology. 66 (1), 65-81 (1977).
  16. Berg, E. M., Bjornfors, E. R., Pallucchi, I., Picton, L. D., El Manira, A. Principles governing locomotion in vertebrates: Lessons from zebrafish. Front Neural Circuits. 12, 73(2018).
  17. Lopez-Schier, H. Neuroplasticity in the acoustic startle reflex in larval zebrafish. Curr Opin Neurobiol. 54, 134-139 (2019).
  18. Hale, M. E., Katz, H. R., Peek, M. Y., Fremont, R. T. Neural circuits that drive startle behavior, with a focus on the Mauthner cells and spiral fiber neurons of fishes. J Neurogenet. 30 (2), 89-100 (2016).
  19. Behra, M., Etard, C., Cousin, X., Strahle, U. The use of zebrafish mutants to identify secondary target effects of acetylcholine esterase inhibitors. Toxicol Sci. 77 (2), 325-333 (2004).
  20. Buck, L. M., Winter, M. J., Redfern, W. S., Whitfield, T. T. Ototoxin-induced cellular damage in neuromasts disrupts lateral line function in larval zebrafish. Hear Res. 284 (1-2), 67-81 (2012).
  21. van Wijk, R. C., Krekels, E. H. J., Hankemeier, T., Spaink, H. P., vander Graaf, P. H. Systems pharmacology of hepatic metabolism in zebrafish larvae. Drug Discovery Today: Disease Models. 22, 27-34 (2016).
  22. Loerracher, A. K., Braunbeck, T. Cytochrome P450-dependent biotransformation capacities in embryonic, juvenile and adult stages of zebrafish (Danio rerio)-a state-of-the-art review. Arch Toxicol. 95 (7), 2299-2334 (2021).
  23. Marcato, D. Design and Development of Imaging Platforms for Phenotypic Characterization of Early Zebrafish. , Karlsruhe Institute of Technology. https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000085054 (2018).
  24. PrecisionTox Consortium. The precision toxicology initiative. Toxicol Lett. 383, 33-42 (2023).
  25. Nüsslein-Volhard, C. Zebrafish - A Practical Approach. , Oxford University Press, Oxford. (2002).
  26. Preisach, C. hristine, Burkhardt, H. ans, Schmidt-Thieme, L. ars, Decker, R. einhold Data Analysis, Machine Learning and Applications. , Springer Berlin, Heidelberg. (2008).
  27. Ritz, C., Baty, F., Streibig, J. C., Gerhard, D. Dose-response analysis using R. PLoS ONE. 10 (12), e0146021(2015).
  28. Jensen, S. M., Kluxen, F. M., Streibig, J. C., Cedergreen, N., Ritz, C. bmd: an R package for benchmark dose estimation. Peerj. 8, e10557(2020).
  29. Committee, E. S., et al. Guidance on the use of the benchmark dose approach in risk assessment. EFSA J. 20 (10), e07584(2022).
  30. Haber, L. T., et al. Benchmark dose (BMD) modeling: current practice, issues, and challenges. Crit Rev Toxicol. 48 (5), 387-415 (2018).
  31. Carter, K. M., Woodley, C. M., Brown, R. S. A review of tricaine methanesulfonate for anesthesia of fish. Reviews in Fish Biology and Fisheries. 21 (1), 51-59 (2011).
  32. Wolman, M. A., Jain, R. A., Liss, L., Granato, M. Chemical modulation of memory formation in larval zebrafish. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (37), 15468-15473 (2011).
  33. Roberts, A. C., et al. Habituation of the C-start response in larval zebrafish exhibits several distinct phases and sensitivity to NMDA receptor blockade. PLoS One. 6 (12), e29132(2011).
  34. Marquez-Legorreta, E., et al. Brain-wide visual habituation networks in wild type and fmr1 zebrafish. Nat Commun. 13 (1), 895(2022).
  35. Panlilio, J. M., Aluru, N., Hahn, M. E. Developmental neurotoxicity of the harmful algal bloom toxin domoic acid: Cellular and molecular mechanisms underlying altered behavior in the zebrafish model. Environ Health Perspect. 128 (11), 117002(2020).
  36. Zeddies, D. G., Fay, R. R. Development of the acoustically evoked behavioral response in zebrafish to pure tones. J Exp Biol. 208 (Pt 7), 1363-1372 (2005).
  37. Levitz, J., et al. Optical control of metabotropic glutamate receptors. Nat Neurosci. 16 (4), 507-516 (2013).
  38. Best, J. D., et al. Non-associative learning in larval zebrafish. Neuropsychopharmacology. 33 (5), 1206-1215 (2008).
  39. Bhandiwad, A. A., Zeddies, D. G., Raible, D. W., Rubel, E. W., Sisneros, J. A. Auditory sensitivity of larval zebrafish (Danio rerio) measured using a behavioral prepulse inhibition assay. J Exp Biol. 216 (Pt 18), 3504-3513 (2013).
  40. Liu, F., et al. Solute carrier family 26 member a2 (slc26a2) regulates otic development and hair cell survival in zebrafish. PLoS One. 10 (9), e0136832(2015).
  41. Singh, C., Oikonomou, G., Prober, D. A. Norepinephrine is required to promote wakefulness and for hypocretin-induced arousal in zebrafish. Elife. 4, e07000(2015).
  42. Joo, W., Vivian, M. D., Graham, B. J., Soucy, E. R., Thyme, S. B. A customizable low-cost system for massively parallel zebrafish behavioral phenotyping. Front Behav Neurosci. 14, 606900(2020).
  43. Tucker Edmister, S., et al. Novel use of FDA-approved drugs identified by cluster analysis of behavioral profiles. Sci Rep. 12 (1), 6120(2022).
  44. Burgess, H. A., Granato, M. Sensorimotor gating in larval zebrafish. J Neurosci. 27 (18), 4984-4994 (2007).
  45. Marsden, K. C., Granato, M. In Vivo Ca(2+) Imaging Reveals that Decreased Dendritic Excitability Drives Startle Habituation. Cell Rep. 13 (9), 1733-1740 (2015).
  46. Chatterjee, P., et al. Otoferlin deficiency in zebrafish results in defects in balance and hearing: rescue of the balance and hearing phenotype with full-length and truncated forms of mouse otoferlin. Mol Cell Biol. 35 (6), 1043-1054 (2015).
  47. Wang, C., et al. Evaluation of the hair cell regeneration in zebrafish larvae by measuring and quantifying the startle responses. Neural Plast. 2017, 8283075(2017).
  48. Xu, L., Guan, N. N., Huang, C. X., Hua, Y., Song, J. A neuronal circuit that generates the temporal motor sequence for the defensive response in zebrafish larvae. Curr Biol. 31 (15), 3343-3357.e4 (2021).
  49. Hecker, A., Schulze, W., Oster, J., Richter, D. O., Schuster, S. Removing a single neuron in a vertebrate brain forever abolishes an essential behavior. Proc Natl Acad Sci U S A. 117 (6), 3254-3260 (2020).
  50. Weber, D. N. Dose-dependent effects of developmental mercury exposure on C-start escape responses of larval zebrafish Danio rerio. Journal of Fish Biology. 69 (1), 75-94 (2006).
  51. Santistevan, N. J., et al. cacna2d3, a voltage-gated calcium channel subunit, functions in vertebrate habituation learning and the startle sensitivity threshold. PLoS One. 17 (7), e0270903(2022).
  52. Thyme, S. B., et al. Phenotypic landscape of schizophrenia-associated genes defines candidates and their shared functions. Cell. 177 (2), 478-491.e20 (2019).
  53. OECD. Test No. 203: Fish, Acute Toxicity Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. , OECD Publishing. Paris. (2019).
  54. Kluver, N., et al. Fish embryo toxicity test: identification of compounds with weak toxicity and analysis of behavioral effects to improve prediction of acute toxicity for neurotoxic compounds. Environ Sci Technol. 49 (11), 7002-7011 (2015).
  55. Monroe, J. D., et al. Hearing sensitivity differs between zebrafish lines used in auditory research. Hear Res. 341, 220-231 (2016).
  56. van den Bos, R., et al. Further characterisation of differences between TL and AB zebrafish (Danio rerio): Gene expression, physiology and behaviour at day 5 of the larval stage. PLoS One. 12 (4), e0175420(2017).
  57. van den Bos, R., et al. Early life exposure to cortisol in zebrafish (Danio rerio): similarities and differences in behaviour and physiology between larvae of the AB and TL strains. Behavl Pharmacol. 30 (2-3), 260-271 (2019).
  58. Felsenfeld, A. L., Walker, C., Westerfield, M., Kimmel, C., Streisinger, G. Mutations affecting skeletal-muscle myofibril structure in the zebrafish. Development. 108 (3), 443-459 (1990).
  59. Berger, J., Sztal, T., Currie, P. D. Quantification of birefringence readily measures the level of muscle damage in zebrafish. Biochem Biophys Res Commun. 423 (4), 785-788 (2012).
  60. Shahid, M., et al. Zebrafish biosensor for toxicant induced muscle hyperactivity. Sci Rep. 6, 23768(2016).
  61. Winter, M. J., et al. Functional brain imaging in larval zebrafish for characterising the effects of seizurogenic compounds acting via a range of pharmacological mechanisms. Br J Pharmacol. 178 (13), 2671-2689 (2021).
  62. Vorhees, C. V., Williams, M. T., Hawkey, A. B., Levin, E. D. Translating neurobehavioral toxicity across species from zebrafish to rats to humans: Implications for risk assessment. Front Toxicol. 3, 629229(2021).
  63. Scholz, S., et al. The zebrafish embryo model in environmental risk assessment--applications beyond acute toxicity testing. Environ Sci Pollut Res Int. 15 (5), 394-404 (2008).
  64. Dutra Costa, B. P., Aquino Moura, L., Gomes Pinto, S. A., Lima-Maximino, M., Maximino, C. Zebrafish models in neural and behavioral toxicology across the life stages. Fishes. 5 (3), 23(2020).
  65. Wolman, M. A., et al. A genome-wide screen identifies PAPP-AA-mediated IGFR signaling as a novel regulator of habituation learning. Neuron. 85 (6), 1200-1211 (2015).
  66. Marsden, K. C., et al. A Cyfip2-dependent excitatory interneuron pathway establishes the innate startle threshold. Cell Rep. 23 (3), 878-887 (2018).
  67. Jain, R. A., et al. A forward genetic screen in zebrafish identifies the g-protein-coupled receptor CaSR as a modulator of sensorimotor decision making. Curr Biol. 28 (9), 1357-1369.e5 (2018).
  68. Nelson, J. C., et al. Acute regulation of habituation learning via posttranslational palmitoylation. Curr Biol. 30 (14), 2729-2738.e4 (2020).
  69. Meserve, J. H., et al. A forward genetic screen identifies Dolk as a regulator of startle magnitude through the potassium channel subunit Kv1.1. PLoS Genet. 17 (6), e1008943(2021).

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