Wir entwickelten kundenspezifische mechanische Sonden mit Nitinol-Filamenten (Abbildung 1A,N), um mechanisch evozierte Verhaltensweisen auszulösen und erzeugten eine vollständige Verhaltensdosis-Reaktionskurve mit harmlosen und schädlichen mechanischen Sonden unterschiedlicher Intensität (Abbildung 2D), die zeigen, dass diese Sonden verwendet werden können, um die Basislinie (in Ermangelung einer Verletzung) mechanische Nozieption zu untersuchen.
Unsere Verhaltenstestergebnisse ergaben, dass Sonden, die Drücke unter 200 kPa (ca. 1,57 mN) ausüben (Abbildung 1M), wenn sie auf Drosophila-Larven angewendet werden, keine aversive rollende Reaktion hervorrufen (Abbildung 2D und Video 3). Wie erwartet, lösten diese subschwelligen oder nicht schädlichen mechanischen Sonden (175 kPa oder 200 kPa) keine sichtbaren neuronalen Gewebeschäden aus (Abbildung 2E). Da sie keine Schäden verursachen, könnten solche Sonden nützlich sein, um mechanische Allodynie (Überempfindlichkeit gegenüber einem normalerweise nicht-schädlichen mechanischen Reiz) zu beurteilen. Umgekehrt lösten suprathreshold oder schädliche Sonden (von 462 kPa bis 5.116 kPa) eine erhöhte Verhaltensreaktion (Abbildung 2D) in dosisabhängiger Weise aus – wobei die höheren Drücke stärkere Verhaltensreaktionen hervorriefen. Wie erwartet, induzierte der suprathreshold mechanische Druck auch dosisabhängige Gewebeschäden an den peripheren sensorischen Neuronen selbst (Abbildung 2E). Der gemessene Bereich der Gewebeschäden (in m2 ± Standardabweichung), der von vier Larven pro Gruppe entnommen wurde, betrug: 2.051,03 ± 703,81 (462 kPa), 5.102,29 ± 1.004,67 (2.283 kPa) und 12.238,83 ± 3.724,11 (5.116 kPa). So könnten Drücke von mehr als oder gleich 462 kPa (ca. 63 mN), die eine aversive Rollenreaktion (in 25% oder mehr der Larven) evozieren und sichtbare neuronale Gewebeschäden verursachen (Abbildung 2E), geeignet sein, mechanische Hyperalgesie (Überempfindlichkeit gegen normalerweise schädliche mechanische Reize) zu untersuchen. Nozizeptive mechanische Sonden (≥462 kPa) verursachen immer Gewebeschäden (n = 10, qualitativ bewertet), provozieren aber nicht immer eine aversive Rollenreaktion.
Zur Beurteilung der mechanischen Überempfindlichkeit (Allodynie und Hyperalgesie) haben wir ein gut etabliertes Drosophila-Larvenmodell der nozizeptiven Sensibilisierung verwendet, das ultraviolettes Licht (UV) bestrahlung verwendet, um Gewebeschäden zu induzieren7,12. Dieser Assay hat dazu beigetragen, die genetischen und zellulären Mechanismen der thermischen nozizeptiven Überempfindlichkeit8,9,10,13,14,15zu sezieren. Um festzustellen, ob die UV-Behandlung mechanische Allodynie verursacht, wurden mitteldritte Instar-Kontrolle (w1118) Larven verspottet oder UV-bestrahlt (15–20 mJ/cm2) (Abbildung 3A). Anschließend wurden die Larven bei 2 h, 4 h, 8 h, 16 h und 24 h nach der Behandlung mit einer normalerweise unterschwelligen mechanischen Sonde (200 kPa, 1,57 mN) verhaltensauffällig getestet. Ungefähr 20 % der Larven reagierten bereits 2 h nach UV-Behandlung, während 50 % bei 4 h anreagierten, verglichen mit 6,6 % bzw. 8,3 % mit UV-bestrahlten Tieren(Abbildung 3B). Dies deutet darauf hin, dass UV-induzierte Gewebeschäden mechanische Allodynie bei 4 h nach der Bestrahlung verursachen. Zu späteren Zeitpunkten (8 h, 16 h, und 24 h) lag die Verhaltensreaktion der UV-behandelten Larven im Bereich von 16%-20% Respondern (durchschnittlicher Mittelwert von n = 3–6 Sätzen von je 10 Larven), leicht erhöht (aber statistisch signifikant) im Vergleich zur verspotteten Kontrollgruppe (im Bereich von 3%–6% der Responder, durchschnittlicher Mittelwert von n = 3–6 Sätzen von je 10 Larven) (3B).
Zur Untersuchung der mechanischen Hyperalgesie wurde ein suprathresholdr Druck (462 kPa, 3,63 mN) verwendet, der normalerweise bei 20 % der Larven(Abbildung 2D) eine aversive Rollenreaktion induziert und neuronale Gewebeschäden verursacht (Abbildung 2E). Wir haben die 462 kPa-Sonde auf die Dorsalseite von Larven mit oder ohne UV-induzierte Gewebeschädigung aufgetragen (Abbildung 3A). Wir fanden heraus, dass Larven, die nach der UV-Behandlung bei 4 h, 8 h und 16 h untersucht wurden, eine signifikante Zunahme der aversiven Rollenreaktion zeigten, wobei 4 h der Höhepunkt der Verhaltensüberempfindlichkeit war (ca. 60% ansprechbar); UV-bestrahlte Tiere zeigten eine aversive Reaktion von 27 % (Abbildung 3C). Ähnlich wie bei mechanischer Allodynie ist die Verhaltensreaktion bei 8 h, 16 h und 24 h von UV-behandelten Tieren (im Bereich von 36%–42%) statistisch nicht von den nicht behandelten Larven zu unterscheiden war (im Bereich von 20%–26%). Larven im späten drittelgroßen Instar-Stadium zeigten eine leichte Abnahme der Ausgangsverhaltensreaktion im Vergleich zum mittleren Drittel in der Star-Phase. Wir vermuten, dass dies entweder durch die erhöhte Größe der Larven (Abbildung 2A) oder die erhöhte Dicke der Nagelhaut, die den Körper bedeckt, sein könnte. Diese Tatsache könnte erklären, warum die UV-Behandlung in einem späteren Entwicklungsstadium keine größere mechanische Sensibilisierung induziert, wie 4 h nach der UV-Behandlung beobachtet.
Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass Drosophila-Larven sowohl mechanische Allodynie als auch mechanische Hyperalgesie nach UV-induzierten Gewebeschäden entwickeln. Die Spitzenzeit der mechanischen Allodynie und Hyperalgesie ist die gleiche, 4 h nach UV-Behandlung; jedoch hat die mechanische Hyperalgesie einen ausgeprägteren zeitlichen Schwanz, da sie langsamer zur Ausgangsbasis zurückkehrt als die mechanische Allodynie.

Abbildung 1: Entwicklung eines Von Frey-ähnlichen Werkzeugs zur Bewertung der mechanischen Nozieption bei Drosophila-Larven. (A) Bild einer mechanischen Sonde zur Untersuchung der mechanischen Nozieption bei Drosophila-Larven. (B) Nitinol-Filamente und ihre relativen Durchmesser werden relativ maßstabsgetreu dargestellt. (C) Bild des diagonalen Drahtschneiders, der zum Schneiden der Nitinolfilamente verwendet wird. (D) Glätten der scharfen Kanten des geschnittenen Nitinol-Filaments mit einem Schärfstein. (E) Hypodermische Nadel verwendet, um ein Loch in den hölzernen Popsicle Stick Griff der Sonde zu machen. Die Spitze der Nadel muss mindestens die Hälfte der Höhe des Griffstocks erreichen, um das Filament einzufügen. (F-G) Befestigung des Nitinol-Filaments durch Verkleben in einen hölzernen Popsicle-Stickgriff mit Einsteckloch. (H–L) Kalibrierung mechanischer Sonden durch Drücken gegen eine Waage. (M) Werte der Kraft (in mN) und des Drucks (in kPa), die von verschiedenen mechanischen Sonden erzeugt werden. Die Länge jedes Nitinol-Filaments, das zum Bau der Sonden verwendet wird (P1–P10; P: Sonde) ist in Zentimetern (cm) detailliert. (N) Ein Bild eines kompletten Satzes mechanischer Sonden von 174 kPa bis 5.116 kPa. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Mechanischer Nozieptionstest: Von Frey-ähnliche Filamente erzeugen eine Dosis-Wirkungs-Kurve aversiver Rollverhalten und verursachen Gewebeschäden an sensorischen Neuronen. (A) Bilder der verschiedenen Stadien (zweite und dritte Instar) von Drosophila Larven. Maßstabsleiste: 2 mm. (B) Karikatur der dorsalen Ansicht der dritten Instar Drosophila Larven. Der rote Punkt zeigt das Bauchsegment an, in dem die mechanische Sonde aufgebracht wird. T: Brustsegment; A: Bauchsegment. Andere anatomische Sehenswürdigkeiten sind beschriftet. (C) Karikatur des Assays: Eine mechanische Sonde wird auf die dorsale Seite der Larve aufgetragen, bis sie sich gegen die darunter liegenden Oberfläche biegt und dann für 2 s gehalten wird. Wenn der Druck ausreichend hoch ist, löst dies bei der Freisetzung eine aversive rollende Reaktion aus. (D) Verhaltensdosis-Reaktion; jeder blaue Punkt stellt den Prozentsatz der Larven dar, die mit aversivem Rollen auf die mechanische Stimulation innerhalb eines Satzes von 10 Tieren reagierten. Geigendiagramm des Prozentsatzes des aversiven Walzverhaltens, das durch verschiedene mechanische Sonden induziert wird. kPa: Kilopascal. Box-Plots stellen median (grün), Schnurrhaare (rot) das 10. und 90. Perzentil dar. (E) Gewebeschäden: Dritte Instarlarven (vom Genotyp ppk-Gal4>UAS-mCD8-GFP zur Kennzeichnung nozizeptiver sensorischer Neuronen) wurden im Dorsalsegment A8 mit den angegebenen Drücken untersucht. Fluoreszierend beschriftet gepaarte ddaC Klasse IV sensorische Neuronen (über die dorsale Mittellinie) wurden dann untersucht (siehe Abschnitte 4 und 5). Weiße Bereiche (rote Sternchen) stellen Lücken oder Gewebeschäden dar. Maßstabsleiste: 100 m. In Panel B wird die Larve in der dorsalen Ansicht dargestellt, während es in C die seitliche Ansicht ist. Mechanische Sonden, die gegen die dorsale Cuticle-Epidermis-Seite der Larve gedrückt werden, erzeugen eine sendenkende ähnliche Tasche an der Kontaktstelle der Spitze der Sonde und der umliegenden Bereiche. Die durchgezogene schwarze Linie, die zur ventralen Seite gekrümmt ist, ist die Oberseite der Tasche, während die gestrichelte graue Seitenlinie die seitliche Seite und die Unterseite der Tasche darstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Mechanische Überempfindlichkeit nach UV-Schäden. (A) Schematic des experimentellen Entwurfs, um die Sensibilisierung zu testen. In der Mitte des dritten Insterns wurden mockbehandelt (nicht UV) oder UV-bestrahlt. Der mechanische Nociception-Assay wurde dann zu verschiedenen Zeitpunkten (2 h, 4 h, 8 h, 16 h und 24 h) nach Scheinbehandlung oder Bestrahlung durchgeführt. (B) Mechanische Allodynie: Der Anteil der Larven, die nach der Sondierung mit einem normalerweise unterschwelligen oder nicht schädlichen mechanischen Stimulus (200 kPa, 1,57 mN) zu den angegebenen Zeitpunkten nach Dermockbehandlung oder UV-Bestrahlung aversives Walzen aufweisen. (C) Mechanische Hyperalgesie: Der Anteil der Larven, die nach der Sondierung mit einem normalerweise suprathresholdn oder schädlichen mechanischen Stimulus (462 kPa, 3,63 mN) zu den angegebenen Zeitpunkten nach Dermock-Behandlung oder UV-Bestrahlung aversives Walzen aufweisen. Fehlerbalken geben mittelwert +/- SEM an. Für die statistische Analyse wurde ein zweischwanzungepaarter t-Testverwendet: *p < 0,05, **p < 0,01; ns: nicht signifikant. Jeder rote Punkt in den Panels B und C stellt den mittleren Anteil von 10 Larven, n = 3–6 Sätze pro Zeitpunkt/Bedingung dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Video 1: Normale Fortbewegung von Drosophila Larven. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 2: Schädliche mechanische Stimulation der Drosophila-Larven. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 3: Subschwellige mechanische Stimulation von Drosophila-Larven. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.