Análisis comparativo de métodos experimentales para cuantificar la actividad animal en modelos de enfermedad mitocondrial de Caenorhabditis elegans

Manuela Lavorato; Neal D. Mathew; Nina Shah; Eiko Nakamaru-Ogiso; Marni J. Falk

doi:10.3791/62244

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Artículo de método

Análisis comparativo de métodos experimentales para cuantificar la actividad animal en modelos de enfermedad mitocondrial de Caenorhabditis elegans

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DOI:

10.3791/62244

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4 de abril de 2021

Manuela Lavorato^*¹ , Neal D. Mathew^*¹ , Nina Shah¹ , Eiko Nakamaru-Ogiso¹^,² , Marni J. Falk¹^,²

¹Mitochondrial Medicine Frontier Program, Division of Human Genetics, Department of Pediatrics, The Children’s Hospital of Philadelphia, ²Department of Pediatrics, University of Pennsylvania Perelman School of Medicine

^* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

Este estudio presenta protocolos para dos enfoques semiautomatizado de análisis de actividad locomotora en gusanos gas-1(fc21)de la enfermedad de C. elegans complejo I, a saber, ZebraLab (un ensayo de rendimiento medio) y WormScan (un ensayo de alto rendimiento) y proporcionan un análisis comparativo entre una amplia gama de métodos de investigación para cuantificar el comportamiento de los nematodos y la función neuromuscular integrada.

Resumen

Caenorhabditis elegans es ampliamente reconocido por su utilidad central como modelo animal traslacional para interrogar eficientemente los mecanismos y terapias de diversas enfermedades humanas. Los gusanos son particularmente adecuados para pantallas genéticas y farmacológicas de alto rendimiento para obtener una visión más profunda de las dianas terapéuticas y las terapias al explotar su rápido ciclo de desarrollo, gran tamaño de cría, corta vida útil, transparencia microscópica, bajos costos de mantenimiento, conjunto robusto de herramientas genómicas, repositorios de mutantes y metodologías experimentales para interrogar la fisiología in vivo y ex vivo. La actividad locomotora del gusano representa un fenotipo particularmente relevante que con frecuencia se ve afectado en la enfermedad mitocondrial, que es altamente heterogénea en causas y manifestaciones, pero colectivamente comparte una capacidad deteriorada para producir energía celular. Si bien se puede usar un conjunto de metodologías diferentes para interrogar el comportamiento de los gusanos, estas varían mucho en costos experimentales, complejidad y utilidad para las pantallas genómicas o de alto rendimiento de medicamentos. Aquí, se compararon el rendimiento relativo, las ventajas y las limitaciones de 16 metodologías diferentes de análisis de actividad que cuantifican la locomoción de nematodos, la golpiza, el bombeo faríngeo y / o la quimiotaxis en gusanos individuales o poblaciones de gusanos de C. elegans en diferentes etapas, edades y duraciones experimentales. Se demostraron protocolos detallados para dos métodos semiautomatizados para cuantificar la actividad locomotora de los nematodos que representan nuevas aplicaciones de las herramientas de software disponibles, a saber, ZebraLab (un enfoque de rendimiento medio) y WormScan (un enfoque de alto rendimiento). Los datos de la aplicación de estos métodos demostraron grados similares de actividad animal reducida que ocurrieron en la etapa larvaria L4, y progresaron en adultos del día 1, en la enfermedad mitocondrial del complejo I (gas-1(fc21) )gusanos mutantes en relación con el tipo salvaje (N2 Bristol) C. elegans. Estos datos validan la utilidad para estas nuevas aplicaciones del uso de las herramientas de software ZebraLab o WormScan para cuantificar la actividad locomotora del gusano de manera eficiente y objetiva, con capacidad variable para apoyar la detección de fármacos de alto rendimiento en el comportamiento de los gusanos en modelos animales preclínicos de enfermedad mitocondrial.

Introducción

Caenorhabiditis elegans es ampliamente reconocido como un modelo sobresaliente en neurociencia basado en que tiene 302 neuronas que coordinan todos los comportamientos de los gusanos, incluido el apareamiento, la alimentación, la puesta de huevos, la defecación, la natación y la locomoción en medios sólidos¹. Estos nematodos hermafroditas también se utilizan ampliamente para comprender una amplia gama de mecanismos de enfermedades humanas, lo que es posible gracias a su genoma bien caracterizado y su alta homología de ~ 80% de genes entre C. elegans y humanos^2,^3,^<....