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。
方法文章
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。
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。
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。

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。
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
2. 收集和培育斑马鱼胚胎
3. 准备受试化学品的工作稀释液
4. 将胚胎暴露于待测化学品
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。
6. 数据分析
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2B、C 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。

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。
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。
我们没有需要披露的内容。
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。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细密试验筛,黄铜框架,孔径 250 μm | Sigma-Aldrich | Z289744-1EA | 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 | VWR | 215-3261 | 50 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 µL | SARSTEDT | 70.3010.210 | 或性能相当的材料 |
| 移液器吸头,工作体积:1000 µL | SARSTEDT | 70.3050.100 | 或性能相当的材料 |
| 移液器吸头,工作体积:20 µL | SARSTEDT | 70.3020.210 | 或性能相当的材料 |
| 移液器吸头,工作体积:200 µL | SARSTEDT | 70.3030.100 | 或性能相当的材料 |
| 血清移液管,10 mL | SARSTEDT | 86.1254.001 | 或性能相当的材料 |
| 血清移液管,25 mL | SARSTEDT | 86.1685.001 | 或性能相当的材料 |
| 血清移液管,5 mL | SARSTEDT | 86.1253.001 | 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-one | 628102 | 或性能相当的材料 |
| 组织培养皿,100 mm,悬浮培养用(聚苯乙烯) | SARSTEDT | 83.3902.500 | 或性能相当的材料 |
| 转移移液管,6 mL | SARSTEDT | 86.1175 | 或性能相当的材料 |
| 15 mL 管,120 mm × 17 mm,聚丙烯(PP) | SARSTEDT | 62.554.502 | 或性能相当的材料 |
| 50 mL 管,114 mm × 28 mm,聚丙烯(PP) | SARSTEDT | 62.5472.54 | 或性能相当的材料 |
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