Dieses Protokoll beleuchtet die Methoden zur Extraktion und Charakterisierung bioaktiver Verbindungen aus dem Seeigel Paracentrotus lividus (Stachelhäuter) sowie die Bestimmung von oxidativen Stressparametern nach Cadmiumexposition.
Ein Abonnement von JoVE ist erforderlich, um diesen Inhalt anzuzeigen. Melden Sie sich an oder beginnen Sie noch heute mit einer kostenlosen Testphase.
Methodenartikel
Dieses Protokoll beleuchtet die Methoden zur Extraktion und Charakterisierung bioaktiver Verbindungen aus dem Seeigel Paracentrotus lividus (Stachelhäuter) sowie die Bestimmung von oxidativen Stressparametern nach Cadmiumexposition.
Cadmium (Cd) ist eines der schädlichsten Schwermetalle für Wasserorganismen und ein weit verbreiteter Schadstoff in marinen Lebewesen. Aufgrund seiner hohen Bioverfügbarkeit, Persistenz und Fähigkeit zur Bioakkumulation ist Cadmium (Cd), ein giftiges Schwermetall, das durch Abwässer im Bergbau, industrielle Abwässer und landwirtschaftliche Betriebsmittel freigesetzt wird, einer der schädlichsten Schadstoffe für Wasserorganismen und ein häufiger Schadstoff in der marinen Fauna. In der vorliegenden Studie wurden die potenziell toxischen Wirkungen von Cadmium auf Biomarker und Metabolitenprofile von oxidativem Stress in Paracentrotuslividus-Gonaden untersucht, die über 96 h einer Reihe von Konzentrationen (0,0183, 0,183 und 1,83 mg/L) ausgesetzt waren. Die Ergebnisse zeigten, dass Cd oxidativen Stress induzierte, indem es die Spiegel von Malondialdehyd, Wasserstoffperoxid und Lipidhydroperoxid im Vergleich zur Kontrollgruppe erhöhte und die antioxidative Aktivität erhöhte (reduziertes Glutathion und Katalase). Darüber hinaus wurden auf der Grundlage der gaschromatographisch-massenspektrometrischen Analyse 74 Metaboliten in den Gonadenextrakten sowohl der behandelten Seeigel als auch der Kontrolle identifiziert. Die partielle Diskriminanzanalyse der kleinsten Quadrate ergab eine klare Klassentrennung und unterschied neun relevante Metaboliten anhand der VIP-Scores. Die durchgeführte Heatmap-Analyse zeigte eine Störung des Gehalts an Sterolen und Fettsäureverbindungen wie Cholest-5-en-3-ol(3.beta).-, Desmosterol und (23S)-ethylcholest-5-en-3.beta.-ol und Eicosapentaensäure (EPA) sowie die antioxidative Abwehr wie Retinsäure und die Steroidregulation wie Pregna-5-en-20-on, 3-Hydroxy-,(3β). Insgesamt zeigten unsere Daten eine hohe Empfindlichkeit der Gonaden gegenüber Cd, selbst bei relativ niedrigen Konzentrationen.
Die Meeresumwelt kann auch als wichtige Senke für verschiedene giftige Chemikalien, wie z. B. Schwermetalle, angesehen werden. Aufgrund ihrer Lipophilie neigen diese Elemente dazu, sich an Schwebstoffe zu binden und sich nach und nach in Meeressedimenten anzusammeln, wo sie eine verminderte Mobilität und Bioverfügbarkeit aufweisen. Infolgedessen dienen marine Sedimente als wichtige Schwermetallsenke1. Unter diesen Schadstoffen ist Cadmium (Cd) seit langem als großer globaler Wasserschadstoff anerkannt, der Ökosysteme und die damit verbundenen Lebewesen bedroht2. Ein Drittel der in aquatischen Ökosystemen vorhandenen Cd stammt aus der Herstellung und Verwendung von Phosphatdüngern2. Weitere Quellen für die Freisetzung von Cd in die Umwelt sind der Bergbausektor, Galvanikunternehmen und natürliche Prozesse der Erdkruste3. Dieser Schadstoff ist aufgrund seiner Fähigkeit, leicht durch wässrige Medien transportiert zu werden, und seiner im Gegensatz zu anderen Schwermetallen vergleichsweise großen Mobilitätweit verbreitet 2. Der Literatur zufolge schwanken die Cd-Konzentrationen zwischen 12 und 16 x 10−3 μg/L in der Ostsee4 und zwischen 13,4 x 10−3 und 1,49 μg/L an einem stark kontaminierten Standort entlang der galicischen Küste (Nordwesten der Iberischen Halbinsel)5. Deutlich höhere Cd-Werte wurden in einigen verschmutzten Gebieten des Mittelmeers gemessen, wo die Konzentrationen in der Nähe der Insel Sizilien (Italien) 80,4 x 10-3 μg/l erreichen können6 und im Golf von Gabès (Tunesien)7 48 μg/l. Dieses persistente, bioakkumulative und nicht essentielle Übergangsmetall ist für seine Fähigkeit bekannt, sowohl bei menschlichen als auch bei Wasserorganismen ernsthafte Gesundheitsprobleme zu verursachen8. Cd kann seine Toxizität direkt ausüben, indem es an Proteine bindet, die Enzymaktivitäten hemmt und die Kalziumhomöostase stört9. Es kann auch indirekt durch die Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) wirken, was zu oxidativen Schäden an Biomolekülen wie Lipiden, Proteinen und DNA führt10. Mehrere wissenschaftliche Studien haben berichtet, dass eine Cd-Kontamination strukturelle und funktionelle Störungen bei Wasserorganismen auslösen kann11.
Wie die anderen benthischen Wirbellosen im Meer sind auch Seeigel der Meeresverschmutzung besonders ausgesetzt. Trotz ihrer Fähigkeit, hohe Mengen an Schwermetallen zu akkumulieren, können Seeigel mit Metallverunreinigungen zurechtkommen und in verschmutzten Umgebungen überleben12. Daher sind sie allgemein als Wächterorganismen anerkannt und werden häufig als Modelle für ökotoxikologische und Umweltstudien verwendet13. Zahlreiche Studien haben die Auswirkungen der Cd-Exposition auf mehrere Seeigelarten in verschiedenen Lebensstadien untersucht, darunter adulte Organismen, Embryonen und Larven13. Es wurde festgestellt, dass die Cd-Exposition zu einer Vielzahl von Nebenwirkungen führen kann, die von einer Verringerung der Befruchtungsrate der Eizelle über Anomalien in der Embryo- und Larvenentwicklung, oxidativen Stress bis hin zu Apoptose und Autophagie reichen13. Der größte Teil der verfügbaren Literatur konzentriert sich auf die Wirkung von Cd auf Seeigel-entwickelnde Embryonen13,14; Es wurden jedoch nur wenige Studien15durchgeführt, um die Auswirkungen dieses Metalls auf das Stoffwechselprofil erwachsener Seeigel zu verstehen, und es liegen keine Informationen über den Fettstoffwechsel vor.
Die kontinuierliche Exposition von Paracentrotus lividus (Lamarck, 1816) Embryonen gegenüber subakuten/subletalen Cadmiumkonzentrationen führt zu einer abnormalen Entwicklung mit Defekten in der Skelettverlängerung und -musterung, gepaart mit einer allgemeinen Verringerung der Proteinsynthese und einer differentiellen Metallothionein-Expression16.
Die vorgeschlagene Methode verbessert die Bewertung der Toxizität und des oxidativen Stresses von Cadmium (Cd) in Meeresorganismen durch die Kombination biochemischer Assays mit gezielter und ungezielter metabolomischer Profilerstellung mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS). Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, die sich ausschließlich auf einzelne Biomarker wie Lipidperoxidation oder antioxidative Enzymaktivitäten (z. B. SOD, CAT) stützen, liefert die Hinzufügung eines GC-MS-basierten Metaboliten-Screenings einen umfassenden biochemischen Fingerabdruck des physiologischen Zustands des Organismus17. Diese Integration ermöglicht einen empfindlicheren und systemischeren Nachweis subletaler Effekte, selbst bei niedrigen Cd-Konzentrationen, und kann frühe Störungen des Energiestoffwechsels, des Aminosäureumsatzes und der oxidativen Wege erkennen, die vor beobachtbaren toxikologischen Schäden auftreten. Wichtig ist, dass diese Methode bestehende toxikologische Bewertungen ergänzt, indem sie Daten mit höherer Auflösung liefert und die Identifizierung neuartiger Biomarker ermöglicht, die bei herkömmlichen Assays möglicherweise übersehen werden18. Es fördert auch das mechanistische Verständnis durch Analysen auf Pfadebene, die prädiktive Ökotoxikologiemodelle verbessern19. Mit dieser Methode wird eine Cadmiumexposition im Bereich von 1-100 μg/L nachgewiesen, die für verschmutzte Küsten- und Ästuarsysteme relevant ist20. Der Ansatz eignet sich am besten für kontrollierte Laborexpositionen oder mäßig komplexe Feldstudien. Die Interpretation kann jedoch in stark kontaminierten Matrices schwierig sein, in denen mehrere Stressoren (z. B. Schwermetalle, PAKs, neu auftretende Kontaminanten) interagieren und möglicherweise die Biomarkerspezifität verwirren. Trotzdem bieten die Robustheit und Spezifität von GC-MS in Kombination mit multivariater Datenanalyse (z. B. PCA, PLS-DA) bei richtigem Design eine starke Unterscheidungskraft bei der Auflösung von überlappenden Effekten.
Diese integrierte biochemisch-metabolomische Plattform ist besonders nützlich für die Überwachung von Sentinel-Arten und die ökologische Risikobewertung im Rahmen von Rahmenwerken wie der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) und steht im Einklang mit den aktuellen Bemühungen, die Omics-basierte Umweltüberwachungvoranzutreiben 21.
In der aktuellen Studie haben wir den Purpur-Seeigel P. lividus, der eine der am stärksten genutzten und wirtschaftlich bedeutendsten Arten an der gesamten Atlantik- und Mittelmeerküste ist22, verwendet, um den Effekt der Cd-Kontamination auf den Redoxstatus und das metabolomische Profil der Gonaden zu bewerten.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
1. Proben und Versuchsaufbau
2. Vorbereitung des Gewebes
3. Reduzierter Glutathion-Assay
4. Katalase-Aktivität
5. Messung der Wasserstoffperoxid-Erzeugung
6. Malondialdehyd-Assay
7. Messung des Lipidhydroperoxids
8. Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Gonaden und analytisches Screening
9. Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Analyse von Gonadenextrakten
10. Statistische Auswertung
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Validität und Wirksamkeit unserer Methoden wurde durch die Verwendung biologischer und technischer Replikate sichergestellt, die konsistente und zuverlässige Messungen ermöglichten. Die Untersuchungsergebnisse zeigten eine geringe Variabilität mit Standardabweichungen von typischerweise weniger als 10 %, was auf eine hohe Wiederholbarkeit hinweist. Um eine genaue Quantifizierung der Metaboliten zu gewährleisten, umfassten die GC-MS-Analysen Kalibrierungskurven und interne Standards. A...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Diese Studie sollte die toxische Wirkung von Cd auf die Gonaden des Seeigels P. lividus durch die Analyse biochemischer Biomarker und aktiver Metaboliten untersuchen. Die Exposition von P. lividus gegenüber unterschiedlichen Cd-Konzentrationen führte zu einer oxidativen Stressreaktion. Diese Ergebnisse ähneln früheren Berichten und weisen auf enge Korrelationen zwischen den erhöhten Antioxidantienwerten im Seeigelboden und den Schadstoffwerten hin13
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Die Autoren danken dem Dekanat für Graduiertenstudien und wissenschaftliche Forschung an der Universität Bisha für die Unterstützung dieser Arbeit durch das Fast-Track Research Support Program.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Gefriertrockner | Biobase | BK-FD12PT Gefriertrockner | Lyophilisation |
| Gaschromatograph | Agilent Technologies | HP 6890 Gaschromatograph | Flammenionisationsdetektor (FID) |
| GC-Säule | Agilent Technologies | HP-5 (5%-Phenyl)-methylsiloxan Säule | Unpolar Kolumne das eine hervorragende Leistung in einer Vielzahl von Anwendungen bietet |
| Massenspektrometer | Agilent Technologies | HP 5973 Massenspektrometer | Quadrupol MS |
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Dieser Artikel wurde veröffentlicht
Video demnächst verfügbar