Qui vi presentiamo un protocollo per quantificare la lesione cerebrale, deficit riabilitazione Locomotor e neuroinfiammazione dopo sanguinamento nel cervello nelle larve di pesce zebra, nel contesto dell'emorragia intracerebrale umana (Ich).
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Qui vi presentiamo un protocollo per quantificare la lesione cerebrale, deficit riabilitazione Locomotor e neuroinfiammazione dopo sanguinamento nel cervello nelle larve di pesce zebra, nel contesto dell'emorragia intracerebrale umana (Ich).
Nonostante sia il sottotipo più grave di ictus con elevata mortalità globale, non esiste un trattamento specifico per i pazienti con emorragia intracerebrale (ICH). Modellazione ICH pre-clinicamente ha dimostrato difficile, e modelli di roditori attuali scarsamente ricapitolare la natura spontanea del ICH umano. Pertanto, vi è un requisito urgente per le metodologie precliniche alternative per lo studio dei meccanismi di malattia in ICH e per la potenziale scoperta di farmaci.
L'uso di pesce zebra rappresenta un approccio sempre più diffuso per la ricerca traslazionale, principalmente a causa di una serie di vantaggi che possiedono sui modelli di malattia dei mammiferi, compresi i tassi di riproduzione prolifico e la trasparenza larvale che consente di vivere Imaging. Altri gruppi hanno stabilito che le larve di pesce zebra possono esibire un ICH spontaneo a seguito di rottura genetica o chimica dello sviluppo cerebrovascolare. L'obiettivo di questa metodologia è quello di utilizzare tali modelli per studiare le conseguenze patologiche dell'emorragia cerebrale, nel contesto della ricerca pre-clinica di ICH. Utilizzando analisi Live di imaging e motilità, danno cerebrale, neuroinfiammazione e funzione locomotore dopo ICH possono essere valutati e quantificati.
Questo studio mostra che le principali conseguenze patologiche dell'emorragia cerebrale negli esseri umani sono conservate nelle larve di zebra che evidenziano l'organismo modello come un prezioso sistema in vivo per le indagini pre-cliniche di ICH. L'obiettivo di questa metodologia è quello di consentire alla comunità di ictus preclinico di impiegare il modello larvale del pesce zebra come sistema alternativo complementare ai roditori.
Emorragia intracerebrale (ICH) è il Sub-tipo più grave di ictus associato con la rottura del vaso cerebrale spontaneo e sanguinamento nel parenchima che conduce a danni cerebrali, disabilità fisica e spesso la morte1. Nonostante l'alto tasso di mortalità e morbilità associato a ICH2, manca ancora la comprensione dell'eziologia alla base e della patologia post-emorragia. Come tale, non ci sono trattamenti specifici per prevenire ICH o migliorare i risultati dei pazienti. La maggior parte della nostra comprensione della biologia delle malattie è venuto da modelli di roditori pre-clinici di ich3, tuttavia gli studi finora in questi modelli non sono riusciti a tradurre qualsiasi terapeutico di successo per la clinica4,5. Questo fallimento può essere dovuto in parte, ad alcune limitazioni di questi modelli preclinici, tra cui l'incapacità di ricapitolare facilmente la natura spontanea della malattia umana e il requisito di chirurgia invasiva per generare i modelli nei mammiferi6. Inoltre, i roditori pongono problemi pratici per quanto riguarda l'osservazione della rapida insorgenza delle risposte cellulari all'ICH nel tessuto intatto. Data la mancanza di traduzione da modelli di roditori, lo sviluppo di modelli alternativi di ICH spontanea è imperativo se vogliamo superare questi problemi pratici e contribuire a identificare nuovi bersagli di droga.
I meccanismi molecolari dello sviluppo vascolare sono ben conservati tra i vertebrati tra cui il pesce zebra (Danio rerio)7. Come tale, l'adozione di questo organismo modello sta diventando una strategia meccanicistica sempre più utile per lo studio della malattia cerebrovascolare8. Sono stati generati diversi modelli di pesce zebra che ricapitolano i fenotipi associati alle condizioni relative al tratto9,10,11,12. L'uso di larve di pesce zebra per indagare sulla patogenesi delle malattie offre vantaggi pratici e scientifici rispetto ai modelli di mammiferi8. Questo include elevati tassi di riproduzione, rapido sviluppo e trasparenza larvale che consente l'imaging intravital senza i vincoli invasivi associati ai roditori. L'accoppiamento di questi vantaggi con l'ampia gamma di linee reporter transgeniche disponibili all'interno della comunità di ricerca del pesce zebra equivale a un potente approccio in vivo per lo studio della biologia delle malattie, non ancora utilizzato per lo studio della patologia patologica conseguenze di ICH.
La risposta di lesione al sangue nel cervello è bifasica13; l'insulto primario provoca la morte neuronale e la necrosi cellulare, che poi avvia un'ondata secondaria di danno che è indotta dall'attivazione immunitaria innata. La seconda fase della lesione cerebrale, in particolare la componente neuroinfiammatoria, è considerata un bersaglio realistico per il futuro trattamento farmacologico13. Le emorragie spontanee e specifiche cerebrali sono state descritte nelle larve di pesce zebra precedentemente14,15,16,17,18,19. Due di questi modelli sono l'uso di atorvastatina (ATV) a 24 h post-fecondazione (HPF) per inibire la via HMGCR e biosintesi del colesterolo14, e un mutante di incompetente (BBH) che esprimono una mutazione ipomorfico nel gene arhgef7 , βpix, e successivamente inibisce il rimodellamento dell'actina per giunzioni endovascolare strette18. Questi modelli presentano una rottura del vaso sanguigno cerebrale-specifica spontanea all'inizio della circolazione (~ 33 HPF). Recentemente, abbiamo caratterizzato questi modelli ulteriormente per rivelare che gli aspetti chiave della risposta al danno cerebrale è conservato tra gli esseri umani e larve di pesce zebra20. Questo studio illustra la metodologia necessaria per ottenere e visualizzare le emorragie cerebrali spontanee nelle larve di pesce zebra e come quantificare la lesione cerebrale, e i fenotipi riabilitazione Locomotor e NEUROINFIAMMATORI che si riferiscono alla condizione umana. Questi dati e tecniche sostengono l'uso di questa specie di modello come un prezioso sistema complementare per la ricerca pre-clinica di ICH.
I zebrafish sono stati allevati e mantenuti presso l'unità di servizi biologici dell'Università di Manchester in condizioni standard come descritto in precedenza21. L'allevamento di pesce zebra per adulti è stato approvato dall'Università di Manchester per il benessere degli animali e il Comitato di revisione etico. Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in conformità con le normative britanniche Home Office (PPL: P132EB6D7).
Nota: le linee transgeniche utilizzate in questo studio includono il lignaggio specifico per il macrofago MPEG1:mCherry (costruito internamente come descritto in precedenza22), MPOspecifico per i neutrofili: GFP23,GATA1 specifico eritroide: DsRed24 e Ubiq:secannexinv-mvenus, un reporter per la morte delle cellule (ri-derivato in casa25)su Wild-Type, Nacre (mitfaW2/W2) e Mutant (BBHm292) sfondi. Figura 1 Mostra la Timeline sperimentale.

Figura 1 : Grafico della timeline sperimentale per caratterizzare la lesione cerebrale, i risultati riabilitazione Locomotor e NEUROINFIAMMATORI. ICH, emorragia intracerebrale; BBH, Bubblehead. La figura è stata riprodotta da Crilly et al.20 con l'autorizzazione di una licenza Creative Commons. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
1. giorno 0: produzione e raccolta delle uova
2. giorno 1: trattamento con atorvastatina a 24 HPF
3. giorno 2: separare le popolazioni ICH-e ICH + a 50 HPF

Figura 2 : Ich + fenotipi di emorragia cerebrale. Esempi di fenotipi di larvale ich mantenuti su uno sfondo transgenico GATA1: DsRed reporter Nacre osservato con uno stereomicroscopio campo chiaro (pannelli superiori) e fluorescenza (pannello inferiore) a ~ 48 h post-fertilizzazione. Non sono state osservate emorragie nelle larve di ICH (pannelli di sinistra). Un distinto accumulo di globuli rossi nel proencefalo e nel cervello posteriore (frecce) sono stati osservati nelle larve ICH + (pannelli a destra). Le barre di scala rappresentano 250 μm. la figura è stata riprodotta da Crilly et al.20 con l'autorizzazione di una licenza Creative Commons. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
4. giorno 3: morte cellulare e analisi dei leucociti a 72 HPF
5. giorno 3: selezione delle larve per il saggio di motilità a 72 HPF
6. giorno 3-5: locomozione Assaying a 72, 96 e 120 HPF
Valutazione della morte delle cellule cerebrali utilizzando Ubiqtransgenico: secannexinv-mvenus risultati in chiari cluster definitivi di cellule morenti nelle larve ich + in entrambi i modelli ATV e BBH che sono assenti in tutte le larve ich-(Figura 3). I cluster si recedere prima di 96 HPF. Attraverso l'analisi delle immagini, il sanguinamento è associato ad un significativo aumento di due volte dell'intensità totale del segnale di fluorescenza nel cervello, indicando la morte cellulare marcata.
Una risposta neuroinfiammatoria è identificata nelle larve ICH + dal numero significativamente aumentato di cellule macrofage positive MPEG1 nel cervello. Il numero di cellule di neutrofili totali MPO positive anche aumentato tuttavia questo non ha raggiunto la significatività statistica (Figura 4). La morfologia dei macrofagi positivi MPEG1 può anche essere visto per cambiare nelle larve ich + come le cellule adottano una forma attiva, arrotondata, ameboide. Queste cellule arrotondate attivate possono anche essere monitorate nel tempo per mostrare una risposta fagocitica aumentata dell' Ubiq:secannexinv-mvenus che esprime le cellule morenti nelle larve ich + (Figura 5). i macrofagi positivi di MPEG1 che espongono processi ramificati sono stati classificati come inattivi.
L'emorragia cerebrale è associata ad una significativa diminuzione della motilità a 72 e 96 HPF rispetto ai controlli ich-fratello nei modelli BBH e ATV (Figura 6). Motilità a 120 HPF recupera a livelli di base vicino. Ci sono spesso differenze nella motilità basale tra le frizioni di uova e ceppi e quindi il confronto dovrebbe essere fatto a ICH-controlla ogni volta.

Figura 3 : L'emorragia intracerebrale (Ich) nelle larve di pesce zebra provoca una lesione cerebrale quantificabile. A) immagini rappresentative del fenotipo di lesione cerebrale nelle larve ich + (pannelli a destra), rispetto ai fratelli ich (pannelli di sinistra), a 72 HPF. Le immagini di campo chiaro (pannelli inferiori, barra di scala = 250 μm) dimostrano la presenza di sanguinamenti cerebrali (frecce) nelle larve ICH +. La microscopia fluorescente è stata eseguita per visualizzare la morte cellulare nella linea di reporter Ubiq:secannexinv-mvenus (pannelli superiori, barra di scala = 100 μm). I grappoli di cellule morenti sono stati osservati nelle regioni peri-ematiche. Le immagini sono state ritagliate in regioni solo cerebrali e analizzate per l'intensità totale della fluorescenza verde in particelle rotonde superiori a 30 pixel di diametro (linea bianca) utilizzando la macro nel file supplementare 1. B) quantificazione del segnale di fluorescenza nel cervello delle larve non trattate, ICH e ich + ottenute attraverso il modello ATV (n = 12 per gruppo; 3 repliche indipendenti) a 72 HPF. Differenze significative sono state osservate quando si confrontano ICH + con non trattati (* * p = 0,004) e con i fratelli ICH-(* p = 0,03). C) quantificazione del segnale di fluorescenza come lettura per l'annessione di un legame nel cervello delle larve ich-e ich + ottenute attraverso il modello incompetente (BBH) (n = 12 per gruppo; 2 repliche indipendenti) a 72 HPF. I grafici mostrano SD dalla media. Una differenza significativa nella fluorescenza di mVenus è stata osservata tra i fratelli ICH + e ICH-abbinati all'età (* * p = 0,002). La figura è stata riprodotta da Crilly et al.20 con l'autorizzazione di una licenza Creative Commons. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figura 4 : Emorragia intracerebrale (Ich) avvia una risposta immunitaria cellulare innata nel cervello larvale pesce zebra. Numero di leucociti quantificati all'interno delle regioni cerebrali precedentemente descritte per MPO: GFP; MPEG1: doppie larve transgeniche (n = 8 per gruppo; 2 replicati indipendenti) a 72 HPF rivela un aumento significativo dei macrofagi (* p = 0,01), ma non neutrofili (p = 0,5), in risposta a ICH. La figura è stata riprodotta da Crilly et al.20 con l'autorizzazione di una licenza Creative Commons. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figura 5 : Le cellule di macrofage attivate mostrano una risposta fagocitica alla lesione cerebrale. A) le alambicchi time-lapse rappresentative20 che mostrano un macrofago di pattugliamento ramificato che migra verso un'annessa cellula positiva (i-vi). Le stills sono ottenute da una serie di immagini scattate di tutto il cervello utilizzando un obiettivo 20x. La barra della scala rappresenta 50 μm. Il macrofeta ha acquisito una morfologia amoeboide (v) prima di fagocitoare la cellula annessa-positiva (vi, VII). Dopo la fagocitosi il macrofago riprende una morfologia ramificata e migra via e la cellula annessa-positiva non può più essere vista (VIII). Macrofage ramificato (#), annessa cellula positiva (freccia), macrofage amoeboide (*) sono indicati. B) immagini rappresentative di cellule positive MPEG1nel cervello larvale ich-e ich + che presentano morfologie di amoeboidi e ramificate. Le barre di scala rappresentano 50 μm. (C) una percentuale aumentata di amoeboide (fagocitica) e una diminuzione della proporzione di macrofagi ramificati (inattivi) sono state osservate nei cervelli ich + rispetto ai fratelli ich. La figura è stata riprodotta da Crilly et al.20 con l'autorizzazione di una licenza Creative Commons. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figura 6 : La lesione cerebrale indotta da ich provoca un deficit locomotore quantificabile nelle larve di pesce zebra. A) esempi rappresentativi delle piste da nuoto nelle larve ich-e ich + bbh a 72, 96 e 120 HPF. (B) ich + larve ha mostrato una diminuzione significativa del tempo cumulativo trascorso mobile durante il periodo di registrazione di 10 min sia a 72 e 96 HPF. La significatività è stata persa al 120 HPF Time Point potenzialmente alludendo al recupero da lesione cerebrale (n = 24 larve per gruppo; 3 repliche indipendenti; * * * * p = 0,00006; * * p = 0,003; NS: p = 0,08). C) quantificazione del tempo cumulativo impiegato per lo spostamento nelle larve di ich-e ich + trattate con ATV e trattati con quad a 120 HPF. Le larve ICH + hanno mostrato una significativa diminuzione del tempo cumulativo speso mobile durante il periodo di registrazione di 10 minuti. Sono stati utilizzati tre replicati tecnici (n = 24 larve per gruppo) per calcolare l'SD dalla media (* * * p = 0,00004, * * p = 0,0003). La figura è stata riprodotta da Crilly et al.20 con l'autorizzazione di una licenza Creative Commons. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
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Questo studio mostra che l'ich nelle larve di pesce zebra induce una risposta al trauma cerebrale che riassume gli aspetti chiave della condizione umana che possono essere sistematicamente analizzati e quantificati. Zebrafish offre un modello coerente e riproducibile di ICH spontaneo che aiuterà con futuri studi di intervento farmacologico focalizzati sul bersaglio di lesioni cerebrali indotta dal sangue, piuttosto che prevenire la rottura della nave17,28. Infatti, data la rapida natura dell'insorgenza della malattia simile alla situazione clinica, tale approccio offre interessanti prospettive per la traduzione di successo in futuro.
Alcune limitazioni sono associate all'uso di larve di pesce zebra, come l'uso di un sistema di sviluppo e di rango tassonomico, tuttavia i vantaggi pratici e scientifici di questo modello devono essere considerati per offrire nuove intuizioni in ich. Non è necessario alcun intervento chirurgico per avviare un'emorragia o per monitorare i processi cellulari per lunghi periodi di tempo dopo la lesione. Alta fecondità di abbinamenti pesce zebra generano dimensioni del campione facilmente accessibili e grandi, e a causa del rapido sviluppo delle larve la Timeline sperimentale è significativamente ridotta rispetto agli studi sui roditori29,30.
Attualmente questi modelli sono idonei all'uso per chiarire la risposta patologica e immunologica immediata all'ICH spontaneo nel cervello degli animali vivi intatti. Potenzialmente, questo modello può essere adattato per schermi di droga a medio-alta velocità per le terapie ICH, sia preventivo o recupero promozione. Come tale, le patologie post-ICH presentate in questo studio rappresentano una piattaforma alternativa, complementare per la ricerca pre-clinica di ICH.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Vorremmo ringraziare il dottor David Spiller e l'Università di Manchester sistemi microscopia Core Facility per l'uso delle attrezzature, il Prof. Richard Baines per l'uso di DanioVision e Dr. Jack Rivers-Auty per la consultazione statistica. La linea BBH è stata gentilmente condivisa da Nicole Munsie dal laboratorio del dottor Sarah Child presso l'Università di Calgary. Ringraziamo anche il Prof. Stephen Renshaw, il dottor Adam Hurlstone, il dottor Andrew Badrock e il dottor Helen Young per le linee e le attrezzature per il pesce.
Questo studio è stato supportato da NC3Rs (NC/N002598/1), Stroke Association (TSA LECT 2017/02), ERA-NET NEURON (MR/M501803/1) e British Heart Foundation (FS/15/67/32038). Siamo anche particolarmente grati alla Natalie Kate Moss Trust e alla facoltà di biologia, medicina e sanità dell'Università di Manchester per il loro continuo sostegno finanziario.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Piastre a 24 pozzetti | Sigma-Aldrich | CLS3527 | |
| 28 ° Incubatrice C | LMS | 210 | |
| Atorvastatina | Sigma-Aldrich | PZ0001-5mg | |
| Scatole di allevamento | Sistemi acquatici Thoren | 10011 | |
| Camera di osservazione Daniovision | Noldus | n/a | |
| E3 medium 1x | 4% Instant Ocean, 500 &; L blu di metilene in 1 L dH2O | ||
| Software EthoVision XT | Noldus | versione 11 | |
| Blocco termico | Grant-Bio | PHMT-PSC18 | |
| Instant ocean | Instant Ocean | SS15-10 | |
| Microscopio Lightsheet | Zeiss | Z.1 | |
| Capillare di montaggio per microscopio Lightsheet | Zeiss | 402100-9320-000 | |
| Microscopio a basso punto di fusione di agarosio | Promega | V2111 | |
| blu di metilene | Sigma-Aldrich | 319112-100ML | |
| Microscopio da dissezione | Leica | MZ95 | |
| Microscopio Microscopio | fluorescente | Leica | M165FC |
| MS222 | 4g di tricaina in polvere, 500 mL di dH2O, 10 mL di 1 M Tris (pH 9). Regolare il pH a ~7 | ||
| Pipetta P1000 Puntali | Gilson | F144059M | |
| P1000 | Pipette Starlab | S1122-1830 | |
| Pasteur | Starlab | E1414-0300 | |
| Piastre di Petri | Corning | 101VR20 | |
| Pipetboy | Integra Biosciences | PIPETBOY | |
| Stripette 25ml | Corning | CLS3527 | |
| Tricaina in polvere | Sigma-Aldrich | A5040-25G | |
| Tris Base | Fisher BioReagents | BP152-1 | |
| Pinza per dissezione ultra fine | Agar scientific | AGT502 | |
| Software Zen | Zeiss | versione 2.3 |
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