עצירות היא מאפיין פרודרומי שכיח של מחלת פרקינסון (PD), המתבטא לעתים קרובות שנים לפני האבחנה. מחקר זה אישר שיטה מוצעת למדידת עצירות ב-Drosophila melanogaster, ואושרו ליקויים במודלים שונים של זבובים של מחלת פרקינסון מונוגנית.
מאמר שיטה
עצירות היא מאפיין פרודרומי שכיח של מחלת פרקינסון (PD), המתבטא לעתים קרובות שנים לפני האבחנה. מחקר זה אישר שיטה מוצעת למדידת עצירות ב-Drosophila melanogaster, ואושרו ליקויים במודלים שונים של זבובים של מחלת פרקינסון מונוגנית.
מחלת פרקינסון (PD) היא הפרעה מוטורית ניוונית שכיחה ומלווה לעתים קרובות במספר תסמינים לא מוטוריים. בין האחרונים, בעיות במערכת העיכול, כולל עצירות, מופיעות לעתים קרובות שנים לפני הביטוי של קשיי תנועה ולפני קביעת אבחנה של מחלת פרקינסון. מחקר שנערך לאחרונה הציע שיטה למדידת עצירות במודל זבוב PD המבטא אלפא-סינוקלאין אנושי מסוג פראי. במחקר זה, בחנו את ההיתכנות של שיטה זו ובדקנו האם מודלים אחרים של פרקינסון של זבובים גנטיים גורמים באותה מידה לעצירות. קווי זבוב זמינים שימשו למדידת רמת העצירות במודלים אוטוזומליים דומיננטיים ורצסיביים של מחלת פרקינסון, כולל שלושה קווי דרוזופילה אנושיים מוטנטיים שונים המבטאים אלפא-סינוקלאין וזבובים חסרי ורוד 1 ופרקין. זבובים אלה והבקרות המתאימות להם הונחו על מזון בצבע כחול יום אחד לפני הניסוי כדי לגרום לכתמי צואה כחולים. ביום הניסוי, זבובים אלה הועברו לקמח תירס סטנדרטי. אחוז כתמי הצואה הכחולים לסך כל כתמי הצואה נרשם וחושב כל 90 דקות. המודלים השונים של PD של זבובים מראים גירוש איטי יותר או לא מלא של מזון בצבע כחול בהשוואה לזבובי הביקורת שלהם. לפיכך, שיטה שהוצעה בעבר למדידת עצירות אומתה ויושמה על מודלים שונים של זבובים של צורות שונות של מחלת פרקינסון גנטית.
מחלת פרקינסון (PD) היא הפרעה ניוונית המאופיינת בעיקר בתפקוד מוטורי, כולל סימני האבחון הקרדינליים של ברדיקינזיה, נוקשות ורעד. למרות שמחלת פרקינסון ידועה בעיקר בסימנים המוטוריים שלה, תסמינים לא מוטוריים נפוצים, כולל דיכאון, כאב, הפרעות שינה ועצירות 1,2. לעתים קרובות, תסמינים לא מוטוריים אלה מופיעים בשלב מוקדם של מהלך המחלה ועשויים להקדים את התסמינים המוטוריים במספר שנים3. זיהוי מאפיינים לא מוטוריים אלה בשלב הראשוני של המחלה עשוי להיות קריטי באבחון מוקדם של מחלת פרקינסון, מה שעשוי להקל על התערבות וניהול מחלה בזמן רב יותר.
עצירות ושינויים בתנועתיות המעיים מדווחים בדרך כלל על תסמינים לא מוטוריים במחלת פרקינסון, ולעתים קרובות הם מופיעים הרבה לפני הופעת התסמינים המוטוריים 3,4. יתר על כן, חומרתם ותדירותם עולים עם התקדמות מחלת פרקינסון5. עם זאת, ההבנה שלנו לגבי דפוסים ומנגנונים של עצירות נותרה מוגבלת. לפיכך, זיהוי מוקדם של עצירות הקשורה למחלת פרקינסון יכול לסייע באבחון מחלת פרקינסון בשלב שבו התערבויות טיפוליות עשויות להיות יעילות יותר בהאטת התקדמות המחלה. למרות חשיבותה, הבנת המנגנונים הבסיסיים המניעים עצירות במחלת פרקינסון נותרה מוגבלת, בין היתר בשל היעדר מודלים ניסיוניים ותכנון מתאימים. ההתקדמות האחרונה בחקר עצירות בדרוזופילה מלנוגסטר באמצעות ביטוי יתר של אלפא-סינוקלאין אנושי מסוג בר מספקת כלי רב ערך לחקירת המנגנונים העומדים בבסיס סימפטום לא מוטורי מוקדם זה6.
SNCA, המקודד אלפא-סינוקלאין, מייצג את הגורם הראשון שזוהה למחלת פרקינסון7. גם כפל גנים (שכפול וטריפליקציה) וגם מוטציות נקודתיות ב-SNCA מובילים לתורשה אוטוזומלית דומיננטית של PD8. יש לציין כי עצירות משפיעה על עד 90% מהחולים הנושאים מוטציות SNCA 5. בנוסף, מספר גנים אחרים זוהו כגורמים למחלת פרקינסון בעת מוטציה, כולל VPS35, הגורם גם לצורות אוטוזומליות דומיננטיות של מחלת פרקינסון8. גנים אחרים, כגון PINK1 ו-Parkin, גורמים למחלת פרקינסון אוטוזומלית רצסיבית כאשר הם עוברים מוטציה9. תסמינים לא מוטוריים מופיעים גם בצורות גנטיות אחרות של מחלת פרקינסון; עם זאת, הנתונים המדווחים הם דלילים ולכן מאתגרים להסיק או לחקור את המנגנונים הבסיסיים10,11.
מספר מודלים של בעלי חיים נוצרו עבור מחלת פרקינסון, כולל ב-Drosophila melanogaster12. למרות שדרוזופילה אינה מכילה את הגן SNCA , ביטוי יתר של צורות פראיות ומוטנטיות של הגן גורם לפנוטיפים פרקינסוניים, כולל תסמינים מוטוריים13. בנוסף, זבובי vps35, pink1 ופרקין מוטנטיים הקשורים למחלת פרקינסון הם מודלים מבוססים היטב לחקר ההשפעה של הגנים המוטנטיים ביחס ל-PD12. יתר על כן, היכולת למדוד עצירות במודלים שונים של דרוזופילה של מחלת פרקינסון, כולל צורות דומיננטיות ורצסיביות, מאפשרת ניתוח מעמיק יותר של תפקוד לקוי של מערכת העיכול, ומכאן, הבנה טובה יותר של המסלולים המעורבים בעצירות הקשורה למחלת פרקינסון.
כאן, ההיתכנות של השיטה שהוצעה לאחרונה למדידת עצירות הוערכה ותוקפה6 באמצעות מודלים גנטיים שונים של מחלת פרקינסון. על ידי הרחבת היישום של שיטה זו למודלים גנטיים אחרים של מחלת פרקינסון וביצוע התאמות, אנו מאשרים את היתכנותה של שיטה זו כבדיקה כללית למדידת עצירות או תנועתיות מעיים משתנה ומאשרים את האפשרות לבצע מסכי שינוי כדי לקבל תובנות לגבי המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס עצירות מחלת פרקינסון.
זבובים זכרים בני עשרה ימים שימשו בבדיקה זו. לביטוי יתר של SNCA, נעשה שימוש במנהל ההתקן הנפוץ DaughterlessGal4 .
זבובים המשמשים בבדיקה זו:
w1118;; SNCA p.A53T/DaGal4 והשליטה בו w1118;; SNCA p.A53T
w1118;; SNCA p.A30P/DaGal4 והשליטה בו w1118;; SNCA p.A30P
w1118;; SNCA p.V15A/DaGal4 והשליטה בו w1118;; SNCA p.V15A
w1118;; Vps35D650N/DaGal4 והשליטה בו w1118;; vps35D650N
w pink1B9;; והשליטה בהם w ורוד1RV;;
w1118;; פארקD1/D21 והשליטה שלהם w1118;; פארקקרוואנים
SNCA p.A53T, SNCA p.A30P, w*;; P(EP)פארק1, w*;; פארקΔ21, Vps35D650N ו-DaGal4 הושגו באופן מסחרי (ראה טבלת חומרים). w pink1B9 null mutants and controls (w pink1RV) סופקו באדיבות על ידי Jeehye Park ו-Jongkyeong Chung (המכון המתקדם של קוריאה למדע וטכנולוגיה)14. זבובי SNCA p.V15A נוצרו בעבר15. הריאגנטים והציוד המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.
1. הכנת האוכל הכחול
2. הכנת הבדיקה
3. ביצוע בדיקת עצירות
4. ניתוח
בוצעו התאמות קלות בשיטה שהוצגה בעבר למדידת עצירות בזבובים7 ולבדיקת תפקוד המעיים במודלים גנטיים שונים של זבובים הקשורים למחלת פרקינסון. הדגירה של הזבובים במהלך הלילה על התווך הכחול גרמה לבטן זבובים שנראתה כחולה (איור 2) ולחומר צואתי שהשאיר כתמים כחולים על בקבוקון המזון של הזבובים (איור 2). עם הזמן, הבטן הכחולה חזרה לבטן הרגילה בצבע צהבהב (איור 2). נוסף על כך, כתמי הצואה הכחולים הצטמצמו, ונצפו יותר ויותר כתמים צהובים ואטומים (איור 2). המעבר הזה מכתמים כחולים לצהובים נותן מושג על רמת תנועתיות המעיים או העצירות. המעבר הושלם בזבובי ביקורת אחרי 7 שעות ו-30 דקות, בעוד שבזבובים שקשורים למחלת פרקינסון, ההסרה הזו של המדיום הכחול התרחשה בקצב איטי יותר (איור 2).
בעבר, פינוי מושהה של תווך כחול תואר בזבובים בני 10 ימים המבטאים אלפא-סינוקלאין7 מסוג בר, מה שמרמז על רמה של עצירות או פינוי מושהה עקב שינויים בתנועתיות המעיים הקיימים בזבובים אלה בהשוואה לזבובי הביקורת. בנוסף לכפילויות או שילוש של SNCA, זוהו מספר גרסאות מיסנסנס פתוגניות ב-SNCA הקשורות למחלת פרקינסון, ובדקנו שלוש גרסאות שגויות פתוגניות נפוצות ב-SNCA. ביטוי של אלפא-סינוקלאין מוטנטי (p.A30P, p.A53T ו-p.V15A) הביא לפינוי לא שלם של תווך כחול תוך 7 שעות ו-30 דקות, מה שמרמז על נוכחות של עצירות בזבובים האלה בהשוואה לזבובי ביקורת (איור 3).
אלפא-סינוקלאין מקושר לצורות אוטוזומליות דומיננטיות של מחלת פרקינסון. מעניין שביטוי של אלפא-סינוקלאין מפחית את רמות החלבון VPS3517. VPS35 היא תת-יחידה של הרטרומר, וכאשר היא עוברת מוטציה, היא גורמת ל-PD 9,18,19. עצירות מוגברת נצפתה בזבובים המבטאים vps35 מוטנטיים בהשוואה לזבובי ביקורת (איור 4).
זבובים חסרים ב-Pink1 ו-Parkin מציגים פינוי מאוחר של המדיום הכחול; אולם אחרי 7 שעות ו-30 דקות, לא זוהו יותר כתמי צואה כחולים בזבובים המוטנטיים האלה (איור 5).

איור 1: ייצוג סכמטי של תהליך הספירה עם סמנים צבעוניים. לאחר 90 דקות, כתמי הצואה נספרו וסומנו בטוש צבעוני כדי למנוע את ספירתם מחדש בסיבוב הבא. צבע אחר שימש לציון כתמי הצואה הנוספים במהלך סבב הספירה הבא. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תווך כחול גורם לבטן כחולה ולכתמי צואה כחולים. (A) תמונות של הבטן של זבובי ביקורת (ורוד 1 RV) וזבובים מוטנטיים ורודים 1 בנקודות זמן 0 שעות, 4 שעות ו-30 דקות ו-7 שעות ו-30 דקות מראות דהייה של הצבע הכחול. (B) כתמי צואה כחולים וצהובים אטומים על בקבוקון המזון של הזבוב מסומנים בחיצים אדומים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: ביטוי של אלפא-סינוקלאין מוטנטי גורם לעצירות. אחוז כתמי צואה כחולים לאורך זמן בזבובים המבטאים יתר על המידה SNCA p.A30P (A), SNCA p.A53T (C) ו-SNCA p.V15A (E), והבקרות שלהם. האזור המשויך מתחת לעקומה (B,D,F) מוצג. הנתונים הם הממוצע וסטיית התקן. n ≥ 3 בקבוקונים עם 15-20 זבובים לבקבוקון. מבחן ה-T של וולש בוצע; *: עמ' < 0.05; **: עמ' < 0.01; עמ' < 0.001.: אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: ביטוי של vps35 מוטנטי גורם לעצירות. (A) אחוז כתמי צואה כחולים לאורך זמן בזבובים המבטאים יתר על המידה את המוטציה המקושרת ל-PD vps35D650N ואת השליטה בה. (ב) מוצג השטח שמתחת לעקומה. הנתונים הם הממוצע וסטיית התקן. n = 3 בקבוקונים עם 15-20 זבובים לבקבוקון. מבחן ה-T של וולש בוצע; עמ' < 0.001.: אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: מחסור ב-Pink1 ו-Parkin גורמים לפינוי צואה מאוחר.אחוז כתמי הצואה הכחולים לאורך זמן בוורוד 1- (A) וחסר פרקין (C) וזבובי הביקורת שלהם. האזור המשויך מתחת לעקומה (B,D) מוצג. נתונים הם הממוצע עם סטיית התקן. n ≥ 3 בקבוקונים עם 15-20 זבובים לבקבוקון. מבחן ה-T של וולש בוצע; *: עמ' < 0.05; עמ' < 0.0001.: אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
לאחרונה הוצעה שיטה למדידת עצירות בדרוזופילה מלנוגסטר . עם יישום שיטה זו, נצפתה עצירות או שינוי בתנועתיות המעיים בזבובים המבטאים אלפא-סינוקלאין7 מסוג בר. שיטה זו אומתה במספר שינויים, וזוהתה עצירות בכל המודלים הגנטיים של מחלת פרקינסון.
בהשוואה לתיאור המקורי של השיטה, שולבו מספר שינויים כדי להגדיל את ההיתכנות והחוסן. כדי למנוע שינויים ברוויה הבינונית הכחולה, הוכנה אצווה אחת של מדיום כחול וחולקה למספר הנדרש של בקבוקוני מזון. יתר על כן, לפני שהוסיפו את הזבובים לתווך הכחול, נמנע מהם לזמן קצר מזון, ורק סיפקו גישה למים. שלב זה נוסף כדי לעורר את ספיגת המדיום הכחול. ללא צעד נוסף זה, לא כל הזבובים הראו בטן כחולה שקופה, נקודת התחלה קריטית להשגת תוצאות מייצגות. לבסוף, מספר דגמי זבובי PD מראים רמת רגישות למפץ 13,14,20. לפיכך, הזבובים לא הועברו במהלך כל שלב ספירה כדי למנוע השפעה של רגישות זו על תפוקת הצואה. עם זאת, נעשה שימוש בטושים בצבעים שונים כדי לציין את הכתמים כדי למנוע ספירה כפולה.
בדומה לתיאור המקורי, נצפה גם שזבובים עושים את צרכיהם בתדירות נמוכה יותר בשעות אחר הצהריים. עם זאת, מכיוון שזה המקרה הן עבור זבובי ביקורת והן עבור זבובים מוטנטיים, זה לא הוביל לחריגות ברישום הכתמים. יתר על כן, מספיק כתמי צואה כדי לספור בכל נקודת זמן הוא המפתח להשגת תוצאות חזקות. לפיכך, מומלץ מינימום של חמישה עשר זבובים לבקבוקון7.
בכתב היד המקורי, עצירות נצפתה בזבובים בני 10 ימים, אך לא בזבובים בני יום אחד. לפיכך, בבדיקה זו, בדיקת העצירות בוצעה בזבובים בני עשרה ימים, ונצפתה עצירות או שינוי בתנועתיות המעיים בכל דגמי זבובי PD שנבדקו. מחקרי תנועה קודמים גילו כי עצירות קודמת לתפקוד מוטורי לקוי בזבובים המבטאים אלפא-סינוקלאין, כאשר ליקויי תעופה מתגלים רק בגיל שלושה שבועות16. רצף זמני זה של תסמינים משקף את ההתקדמות שנצפתה בחולי פרקינסון, שם בעיות במערכת העיכול מתבטאות לעתים קרובות לפני ליקויים מוטוריים. בניגוד למודלים של אלפא-סינוקלאין, זבובים ורודים-1 או פרקין-מוטנטיים מציגים ליקויים כבר ביום הראשון לאחר אקלוזיה21. לכן, חקירה אם פגמים במעבר המעיים באים לידי ביטוי בנקודת זמן מוקדמת זו תספק תובנות חשובות לגבי התקדמות התסמינים הלא מוטוריים במודלים גנטיים אלה. לפיכך, יש לבצע ניסויים מעמיקים יותר כדי להבין עוד יותר את הביולוגיה הבסיסית.
הבדיקה המתוארת כאן מאפשרת הערכה כמותית של תנועתיות מערכת העיכול ופנוטיפים של עצירות אך אינה יכולה להעריך פרמטרים כגון עקביות צואה, תוכן, צבע או מורפולוגיה. בעבר נמדדה תפוקת צואה, בה הוערכו צבע ומורפולוגיה באמצעות מתודולוגיות מבוססות במודלים של דרוזופילה 22,23,24. עם זאת, בדיקה זו דורשת ציוד מיוחד (למשל, סורקי שקיפות) ותוכנה אנליטית ייעודית, המציגה שיקולים טכניים ומשאבים מובהקים בהשוואה לפרוטוקול המתואר כאן. עם זאת, בדיקה זו מראה פגמים במערכת העיכול בזבובים חסרים בוורוד122,23.
הפרעות בתפקוד מערכת העיכול מוכרות כביטויים נלווים על פני הפרעות נוירולוגיות ונוירודגנרטיביות מרובות, כולל הפרעת הספקטרום האוטיסטי, מחלת אלצהיימר וטרשת נפוצה 25,26,27,28, שעבורם Drosophila melanogaster משמש כאורגניזם מודל ניתן לחקירת היסודות המכאניסטיים. ניתן להסיק את המסגרת המתודולוגית שנקבעה לחקר תנועתיות המעיים והעצירות בדרוזופילה למחלות אלו.
לסיכום, מחקר זה אישר שיטה ישימה וחזקה שהוצגה בעבר למדידת עצירות בזבובים. בדיקה זו מראה כי עצירות קיימת במספר מודלים גנטיים של מחלת פרקינסון של דרוזופילה המתאימים במיוחד לחקר עצירות, מכיוון שהם מציעים את ההזדמנות לחקור זבובים מוגדרים גנטית בסיכון לפני הופעת הביטוי של מאפיינים מוטוריים. יתר על כן, ניתן להעריך מודלים אחרים של מחלות בדרוזופילה המבטאים אי סדירות בתנועתיות המעיים באמצעות זה, כמו גם בדיקת תרופות.
C.K שימש כיועץ ל-Centogene, Takeda, Biogen וקרן לונדבק, קיבל כבוד של דוברים מביאל, ומימון מחקר מ-DFG, MJFF ו-ASAP.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| Bacto Agar | Becton, Dickinson and company | 214010 | |
| Ceapran Plugs | Greiner Bio-One | 330070 | |
| קמח תירס | Dr. Oetker GmbH | ||
| דקסטרוז | סיגמא-אולדריץ' | D9434-1KG | |
| מיכל דרוזופילה | גריינר ביו-וואן | 217101 | |
| אתנול (100%) | J.T. Baker | BAK8025 2500 | |
| פילטר נייר תאית, Whatman (כיתה 3) | Sigma-Aldrich | WHA1003185 | |
| GraphPad GraphPad | GraphPad | ||
| Methyl-4-hydroxybenzoat | Sigma-Aldrich | H5501-100G | |
| מולסה | Rapunzel Naturkost GmbH | ||
| permanenet טוש צבעוני | Stadtler | 11-348 | |
| חומצה פרופיונית | תרמו פישר סיינטיפיק בע"מ | ||
| כחול רויאל אזול צבע ציפוי אמיתי | Wilton Lebensmittelfarben | ||
| מיקרוסקופ סטריאו | Nikon | ||
| שמרים | אלגיסט Bruggeman | 1278 | |
| Drosophila stocks | |||
| DaGal4 | Bloomington Stock Center | 95282 | |
| park< sup>D1/D21 | פארק ג'יהי ופארק ג'ונגקיונג צ'ונג | ||
| RVפארק | ג'יהי וג'ונגקיונג צ'ונג | ||
| SNCA p.A53T | מרכז המניות בלומינגטון | 8148 | |
| SNCA p.A30P | מרכז המניות בלומינגטון | 8147 | |
| SNCA p.V15A | שנוצר בעבר במעבדה | ||
| Vps35D650N | מרכז המניות של בלומינגטון | 91646 | |
| w pink1B9 | פארק ג'יהי וג'ונגקיונג צ'ונג | ||
| w pink1RV | Jeehye Park ו-Jongkyeong Chung | ||
| w1118 | Bloomington Stock Center | 3605 |
מאמר זה פורסם
הסרטון יגיע בקרוב