Bewertung der Toxizität von Chemikalien mit einem Zebrafisch-Vibrations-Startle-Response-Screening-System
12. Januar 2024
Wir beschreiben den Arbeitsablauf und die Datenanalyse eines Screening-Systems zur Bewertung der Toxizität chemischer Verbindungen basierend auf der Vibrationsschreckreaktion des Zebrafischembryos. Das System zeichnet die Bewegungen von Zebrafischembryonen bei Exposition gegenüber einem Vibrationsreiz auf und ermöglicht eine integrierte Bewertung der allgemeinen Toxizität/Letalität und der neuromuskulären Toxizität.
Beim Screening von Chemikalien auf Toxizität besteht eine aktuelle experimentelle Herausforderung darin, toxische Wirkungen in vivo unter Berücksichtigung der Komplexität eines ganzen Organismus zu bestimmen, und zwar in einem schnellen Hochdurchsatz. Durch die Verwendung einer Verhaltensanzeige, die die Fluchtreaktion von Zebrafischembryonen auf einen Vibrationsreiz überwacht, ermöglicht uns unser System, Verbindungen zu identifizieren, die die neuronale oder muskuläre Funktion beeinträchtigen. Da sich tote Embryonen nicht bewegen, fangen wir auch Verbindungen ein, die durch unspezifische Toxizität Letalität verursachen.
Das von uns vorgestellte System kann zu einem bescheidenen Preis gebaut werden und ist anpassbar. Es ist auch wartungsfreundlich und alle Teile können ausgetauscht werden. Wir setzen derzeit das Startle-Assay-System innerhalb des PrecisionTox-Konsortiums ein, um eine Dosis chemischer Verbindungen für die OMICS-Datenerfassung zu bestimmen.
Die Daten werden über fünf Modellorganismen und menschliche Zelllinien hinweg generiert. Sie werden verwendet, um Toxizitätspfade und Biomarker für die Vorhersage der Humantoxizität abzuleiten.
Übersicht
Diese Studie bewertet die Toxizität chemischer Verbindungen mithilfe der Vibrations-Antwortreaktion von Zebrafischembryonen. Durch die Überwachung der Embryobewegungen als Reaktion auf Vibrationsreize bewertet das System die neuro-muskuläre Toxizität sowie die allgemeine Letalität verschiedener Verbindungen.
Wesentliche Studienkomponenten
Forschungsbereich
- Toxizitätsscreening
- Neurotoxikologie
- Entwicklungsbiologie
Hintergrund
- Die In-vivo-Prüfung auf Toxizität ist aufgrund der Komplexität des Organismus schwierig.
- Zebrafischembryonen stellen ein geeignetes Modell zur Bewertung chemischer Wirkungen dar.
- Die Arbeit ist Teil der Bemühungen, Toxizitätspfade für die Vorhersage beim Menschen abzuleiten.
Verwendete Methoden
- Verhaltensassays zur Messung der Schreckreaktion von Zebrafischembryonen.
- Embryonen werden inkubiert und verschiedenen Konzentrationen von Testchemikalien ausgesetzt.
- Datenanalyse durch Visualisierung der Bewegungsreaktionen und Berechnung von Referenzkonzentrationen.
Hauptergebnisse
- Identifizierte Verbindungen, die die Beweglichkeit verringern und Letalität verursachen.
- Quantifizierte die Referenzkonzentration für spezifische Toxizitäten.
- Zeigte, dass das System anpassbar und kosteneffektiv ist.
Schlussfolgerungen
- Das System identifiziert toxische Verbindungen mithilfe eines einfachen und reproduzierbaren Assays effizient.
- Trägt zum Verständnis der chemischen Toxizitätspfade bei, die sowohl für Zebrafische als auch für Menschen relevant sind.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die Hochdurchsatz-Screening-Methoden für die Toxizitätsprüfung in vivo stellen nach wie vor eine entscheidende Engstelle in der frühen Arzneimittelentwicklung und chemischen Sicherheitsbewertung dar. Das Schreckreaktionssystem des Zebrafisches auf Vibrationen ermöglicht eine schnelle, quantitative Beurteilung der neuro-muskulären und allgemeinen Toxizität und unterstützt so die Vorhersagekraft in den Phasen der Zielvalidierung und der Auswahl von Leitverbindungen. Durch sein modulares und skalierbares Design erfüllt es die unternehmensrelevanten Anforderungen an Reproduzierbarkeit, Kosteneffizienz und translationale Aussagekraft über verschiedene Wirkstoffportfolios hinweg.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die funktionelle Untersuchung neuromuskulärer Toxizität und Letalität in einem ganzheitlichen Organismuskontext.
- Unterstützt die biologische Risikominimierung, indem spezifische neuroaktive Effekte von allgemeiner Zytotoxizität unterschieden werden.
- Erleichtert eine vorhersagbare Sicherheit bezüglich Targetbindung und unerwünschter Sicherheitsrisiken.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet einen standardisierten Verhaltensassay für quantitative, reproduzierbare Toxizitätsmessungen.
- Ermöglicht eine skalierbare Durchsatzleistung durch modulare Anordnung und automatisierte Videoaufnahme.
- Ermöglicht eine robuste Bewertung von Verbindungen hinsichtlich akuter und subletaler toxischer Wirkungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Ermöglicht die Einbindung in multispezifische OMICS-Arbeitsabläufe zur Aufklärung von Toxizitätswegen.
- Unterstützt die Entdeckung von Biomarkern und die translationsmedizinische Kontinuität über Arten hinweg.
- Leitet risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung ab, indem Toxizitätsdaten auf Organismusebene integriert werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieser auf Zebrafischen basierende Test verbindet frühe Entdeckungsphasen mit präklinischen Sicherheitsabläufen und liefert aussagekräftige Toxizitätsdaten vor Durchführung von Studien an Säugetieren.
- Entdeckungsbiochemie: Quantifiziert Verhaltensphänotypen, um mechanistische Toxizität und Signalwegbeteiligung zu klären.
- Screening: Bietet reproduzierbare, informationsreiche Ergebnisse für die Substanztriage und -priorisierung.
- Analytik: Erzeugt Referenzkonzentrationswerte und Immotilitätsraten für den vergleichenden Analysen.
- Translationale Forschung: Integriert sich in OMICS- und Multi-Organismus-Pipelines zur Vorhersage menschlicher Toxizität.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Das modulare Systemdesign ermöglicht die Anpassung an verschiedene Screening- und Sicherheitsplattformen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert die mechanistische Unschärfe bei der Toxizitätsbewertung.
- Operativer Wert: Bietet eine standardisierte, skalierbare und kosteneffiziente Untersuchungsmöglichkeit.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung hinsichtlich Fortführung oder Abbruch und reduziert späte Ausscheideraten aufgrund unvorhergesehener Toxizitäten.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung und eine effiziente Ressourcenallokation über alle Entdeckungsprogramme hinweg.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Zebrafischhaltung und der Verhaltensphänotypisierung.
- Benötigt eine grundlegende Bildgebungsausstattung und Werkzeuge zur Datenanalyse (z. B. VirtualDub, KNIME mit R-Skripten).
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg hinsichtlich Assay-Setup und Bewertungskriterien.
- Anpassbar an verschiedene Wirkstoffklassen und Expositionsparadigmen.
- Die Robustheit des Assays kann durch die Qualität der Embryonen und die Variabilität der Entwicklung beeinträchtigt werden.
