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方法論記事

線虫の表現型プロファイリングを自動化によって化学的毒性予測のための高スループット試金

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DOI:

10.3791/59082

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2019年3月14日

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1Beijing Key Laboratory of Diagnostic and Traceability Technologies for Food Poisoning, Beijing Center for Disease Prevention and Control/Beijing Center of Preventive Medicine Research, China, 2College of Computer Science and Technology, Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences), China, 3Key Laboratory of Computational Biology, CAS Center for Excellence in Molecular Cell Science, Collaborative Innovation Center for Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences-Max Planck Partner Institute for Computational Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, China, 4Beijing Key Laboratory of Environmental Toxicology, School of Public Health, Capital Medical University, China, 5School of Life Sciences, La Trobe University, Australia

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

定量法は識別し、線虫の表現型プロファイリングを自動的に分析することによって化学物質の急性毒性を予測しました。このプロトコルでは、384 ウェル プレートでの化学物質とワームを治療、ビデオをキャプチャおよび毒性関連表現型を定量化する方法について説明します。

要約

時間がかかり、高価で、その長い寿命とメンテナンスの問題のためは、マウスやラットなどの注文の高等生物で化学物質の毒性試験を適用します。それどころか、線虫線虫(C. elegans) 毒性試験のための理想的な選択にする利点があります: 短い寿命、簡単栽培、および効率的な複製。ここでは、自動表現型プロファイリング線虫 c. エレガンスの 384 ウェル プレートでのプロトコルについて述べる。線虫みみずが液体中で化学治療、384 ウェル プレートで培養し動画、各ウェルの 33 ワーム機能に関する化学物質の影響を定量化します。実験結果は、定量化された表現型特徴できます分類し異なる化学物質の急性毒性を予測し、齧歯動物モデルでさらに伝統的な化学的毒性評価テストの優先順位を確立することを示しています。

概要

工業生産や人々 の日常生活に適用される化合物の急激な発展、毒性化学物質のためのモデルのテストを検討することが重要です。多くの場合、げっ歯類の動物モデルを採用して、健康に異なる化学物質の潜在的な毒性を評価します。一般に、致死濃度 (すなわち、assayed 50% 致死量 [LD50] 異なる化学物質) の微量は、時間がかかり、非常に高価である齧歯動物 (ラット/マウス) モデルでは生体内で、従来のパラメーターとして使用されます。さらに、リデュースのため調整、または、動物の福祉と倫理の中心 (3 r) 原則、科学研究1,2,3に貴重な高等動物の交換のための新しいメソッドを置き換える.線虫は土壌から分離された線虫です。それは短い寿命、簡単栽培、および効率的な複製などの有益な特性のため、研究室で研究生物として広く使用でされています。また、線虫、基本的な生理学的なプロセスおよびストレス反応を含む多くの基本的な生物学的経路はより高い哺乳類4,5,6,7内に保存されます。,8します。 私たちと他の人が行った比較のカップルは、線虫の毒性と齧歯動物9において毒性との良い一致があります。これはすべて線虫体内化学物質毒性の効果をテストする良いモデル。

最近では、いくつかの研究では、線虫 c. エレガンスの表現型の特徴を定量化しました。化学物質2,3,10の毒性やワーム11の高齢化を分析する機能を使用できます。我々 はまたシステム、画像解析システム、ワームはさまざまな化学治療法12下 384 ウェル プレートで培養した培養液のワームを組み合わせた方法を開発しました。自動的に液体培地と 384 ウェル プレートの化学治療の 12-24 時間後、C. elegans の 33 のパラメーターを分析するこの量的な技術を開発しました。自動顕微鏡ステージは実験のビデオ獲得のため使用されます。ビデオは、カスタム設計のプログラムによって処理され、ワームの移動動作に関連 33 機能を定量化します。10 化合物の治療の下でワームの表現型を定量化するための方法です。異なる毒性が線虫 c. エレガンスの表現型を変えることができることを示した。識別し、異なる化学物質の急性毒性を予測するこれらの定量化された表現型を使用できます。このメソッドの全体的な目標は、観察と液体培養における線虫の実験の表現型の定量化を容易にするためにです。この方法は化学的毒性評価と異なる化合物の急性毒性を予測し、優先順位のリストに役立つ表現型数量にc. の elegansのアプリケーションの役に立つさらに伝統的なげっ歯類モデルにおける化学的毒性評価試験。さらに、このメソッドは、毒性スクリーニングと食品添加剤汚染、pharmacautical 化合物、環境の外因性化合物と新しい化学物質や化合物のテストに適用できます。

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プロトコル

プロトコル中国の病気予防および管理の北京センターの動物倫理委員会の動物のケアのガイドラインに従います。

1. 化学合成

  1. 化学物質 (表 1と表の材料) を取得します。
  2. 最小濃度 100% 致死 (LC100、24 h) とワームに 100 %nonlethality (LC0、24 h) の最大許容濃度の個々 の化学物質の最高と最低の量を決定します。最高濃度 (表 1) の少なくとも六つの希釈液を使用します。
    注: LC100 と新しい化学 LC0 投与量を決定するための予備的なワームの致死試験9を実施します。
  3. 必要な濃度 x 2 K 中 (材料表) の個々 の化学物質を希釈します。コントロールとして K 培地を使用すると、化学物質によって引き起こされる表現型変化を比較します。
    1. たとえば、塩化カドミウム (CdCl2) 濃度の 7 グラデーションを準備 (表 1)。2 x を準備するには、最高の濃縮水溶液 (4.64 mg/mL) は CdCl2固体粉末 K 中の 8 mL の 92.8 mg を溶解し、粉末が完全に溶解した後、10 mL を埋めます。K 培地で希釈して他の濃度レベルを準備します。
  4. 化学勾配のすべての濃度を 8 つ並列井戸を準備します。まあ、化学溶液 x 2 の 50 μ L が含まれています。コントロール (テーブル 2) として 8 並列井戸 K 中の少なくとも 3 つのグループを準備します。
    注: 簡単に言えば、作業ソリューション × 2 の 500 μ L のボリュームは個々 の化学物質の単回投与に必要です。

2. ワームの準備

  1. 野生型 N2 ワームおよびエシェリヒア属大腸菌OP50 系統線虫の遺伝学センター (CGC) から取得します。
  2. 同期の L4 ワームを取得します。
    1. ストリーク プレートからエシェリヒア属大腸菌OP50 のシングル コロニーをピックアップします。無菌流体培養基 LB の 100 mL のコロニーを接種して、37 ° C で一晩成長
      注:エシェリヒア属大腸菌OP50 ソリューションは線虫の成長媒体 (NGM、材料表) プレートに播種の準備ができました。
    2. 90 mm プラスチック ペトリ プレートに NGM を注ぐ。シードのエシェリヒア属大腸菌OP50 ソリューション 300 μ L、各プレートを注入後一日。20 ° C で OP50 で NGM プレートに N2 ワーム ワームのほとんどが大人の段階に達するまで約 2 〜 3 日間インキュベートします。
    3. 収穫妊娠ワームを 15 mL 滅菌円錐形遠心分離機管滅菌 H2o.ワームを少なくとも 2 分間落ち着く、H2O を吸引、漂白剤バッファー (材料表) の 5 mL を追加しなさい
    4. 渦 5 分チューブ スピン 30 用チューブ (1,300 x g) で卵をペレットし、上澄みを廃棄します。
    5. 5 ml の滅菌の H2O および渦の卵チューブ 5 s. 遠心チューブ 30 (1,300 x g) で s があり、削除、上清および洗浄のためのもう一度洗浄します。
    6. OP50 で新しい NGM プレート上に卵をピペットします。20 ° C でそれらを孵化させなさい次の朝孵化 L1 ワームを監視します。ワーム約 40 h で L4 段階に到達します。
  3. 50 mL の生殖不能の円錐管に K 培地で 90 mm ペトリ皿の L4 ワームを洗います。顕微鏡の下の K 中の 100 μ L あたり 40 ~ 動物にワームの濃度を調整します。384 ウェル プレートの各ウェルに 50 μ L (~ 20 ワーム) を追加します。これらの同期のワーム (L4 期) は化学薬品によって次の治療のため準備ができています。

3. 化学処理とビデオ キャプチャ

注: 384 ウェル プレート ワーム (各ウェルに 50 μ L)、個々 の化学物質 (表 1) の 7 つの用量を 6 に扱われます。(8 つの井戸は同じ化学と同じ濃度、表 2に満ちている) すべての用量の化学溶液 x 2 の 50 μ L を含む各 8 つ並列井戸を準備します。すべてのビデオは、倒立顕微鏡 (材料表) に接続されたデジタル カメラを使用して収集されます。化学治療実験は 24 時間続きます。24 h 化学治療実験中に、各ウェルに細菌食品を追加しないでください。

  1. 化学物質を追加する前に自動ステージ上同期ワームと 384 ウェル プレートを設定し、プログラムの取得手続きの各ウェルのビデオ (2 の 1 秒あたり 7 フレーム s; 各プレートをスキャンする 〜 25 分)。
  2. 各ウェル (表 2) のセクション 1 に従って調製化学株式 × 2 の 50 μ L を追加します。0 h ポイントとして設定します。
  3. 20 ° C で 384 ウェル プレートをインキュベートし、インキュベーター シェーカー 80 rpm で振る。
  4. インキュベーターからプレートを削除し、それを自動ステージに転送します。全体のプレートの各ウェルの動画 12 h、24 h を取る K 培地でそれぞれの固有の化学治療のためのワームの表現型を確認します。約 25 分が 1 つのプレート画面必要です。

4. 実験ビデオ処理

注: 実験的なビデオおよび画像処理のためのプログラムが書き込まれ、パッケージ化します。(材料の表を参照してください) 自由にダウンロードすることができます。実験的なビデオはイメージ フレーム シーケンスのフォームに格納され、各ビデオのフレーム シーケンスは特定のディレクトリに格納されます。プログラムは、ワームを認識し、自動的に表現型を定量化できます。

  1. グラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI、図 1)、フレーム シーケンスのディレクトリ、出力ディレクトリ、ワームのサイズ パラメーター移動しきい値パラメーターなどのパラメーターを追加します。実験画像を処理するには、分析をクリックします。
    1. ソース画像のディレクトリを選択して [選択] ボタンをクリックします。
    2. インターフェイスで中間結果ディレクトリを追加します。
      注: 中間結果には、分割された画像が含まれます。これらの中間結果は、処理した画像の目視観察に適しています。
    3. インターフェイスでは、最終的な結果ディレクトリを追加します。
    4. ワームのサイズ] ボックスに、インターフェイス平均ワームのサイズ パラメーターを追加します。
      注: 実験で使用するサイズ パラメーターは 2,000 です。
    5. インターフェイス内の移動率のしきい値を追加します。
      注: 実験で使用率は 0.93 です。
    6. イメージの処理を開始するには、分析をクリックします。追加のパラメーターをクリアするリセットボタンをクリックします。
      注: 33 機能定義し、ワームの定量化があります。すべての定義された表現型は、(表 3で示されている) カテゴリでソートされます。これらの機能は、実験的な映像から定量化することができます。これらの機能を比較することによって、異なる毒性を持つ別の化学物質の定量的な比較を行うことができます。

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結果

我々 は 10 以上の化学物質12の異なる濃度にさらされた線虫の表現型をテストしています。テストは、33 の特徴は各化合物 (0 h、12 h、24 h) の 3 つの時点での定量化されました。以前は、マニュアルと寿命アッセイの自動解析の比較は11,12に行われました。この分析では、化学物質と濃度がワームの表現型に影響を与えることがわかった。この方法の概要は図 2に示します。

(図 3および図 4c, d) 結果、ワームが増加化学物質濃度としてすぐに死亡しました。高濃度で, ワー...

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ディスカッション

線虫 c. エレガンスの利点は、毒物学9解明と高スループット スクリーニングのアプローチの両方の使用が増えたにつながっています。毒性研究の他のモデル システムを補完するのにc. の elegansの高められた役割は、近年、特に新規化学物質の急速な毒性評価で注目されています。この記事は、自動認識と化学的毒性の評価のためワームの高スループット、定量的スクリーニングの新しいアッセイ 384 ウェル プレートで表現型を提供します。この試金は 24 h 内の化学物質の急性毒性試験に最適な亜急性毒性データのより多くの時間ポイントを収集し、ワームの食料源 (OP50) を供給だけでなくテストに適用できます。

化学物質を希釈して使用される媒体は異なります。我々 はソフィーらを参照してアッセイの K-培地を選んだ13。 ワームがコントロールと化学の両方の試験治療グループで K 培地で培養しました。人工淡水ソリューションまたは低イオン強度と土壌溶液は、K...

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開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

著者は、CGC が親切に c. の elegans を送信することをありがちましょう。この仕事に支えられたキー研究と開発中国プログラムの (#2018YFC1603102, #2018YFC1602705);中国の助成金 (#31401025、#81273108 #81641184)、資本健康研究北京 (#2011-1013-03)、北京の環境毒物学 (# の主実験室の開口部基金の特別なプロジェクトの開発の国家自然科学基金2015HJDL03) と自然科学基金、中国山東省 (ZR2017BF041)。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
2-PropanolSigma-Aldrich59300
384-well platesThrome142761
AgarBacto214010
Atropine sulfateSigma-AldrichPHL80892
Bleach buffer0.5 mL 10 M NaOH、0.5 mL 5% NaClO、9 mL 超純水
カドミウムSigma-Aldrich
塩化カルシウムSigma-Aldrich21074
CCDカメラツァイAxioCam HRmツァイス顕微鏡 GmbH
コレステロールSigma-AldrichC8667
硫酸銅(II)Sigma-Aldrich451657
エタノールSigma-Aldrich24105
エチレングリコールSigma-Aldrich324558
グリセロールSigma-AldrichG5516
K-Medium1 L超純水LBブロスに3.04 gのNaClと2.39 gのKCl
nbsp;10 g/L トリプトン、 5 g/L 酵母 抜粋 5 g/L NaCl 
硫酸マグネシウム七水和物Sigma-Aldrich63140
NGM プレートNaCl 3 g、寒天 17 g、ペプトン 2.5 g を 1 L の超純水に 1 mL 添加し、オートクレーブ後、コレステロール 1 mL (エタノール中 5 mg/mL)、MgSO4 1 mL (1 M)、CaCl2 1 mL (1 M)、PPB バッファー 25 mL ペ
プトンバクト211677
塩化カリウムSigma-Aldrich60130
リン酸カリウム二塩基性Sigma-Aldrich795496
リン酸カリウム一塩基性Sigma-Aldrich795488
PPBgのK2HPO4、108.3 gのKH2PO4 1 L超純水
シェーカーZHICHENGZWY-200D
塩化ナトリウムSigma-Aldrich71382
ッ化ナトリウムSigma-Aldrichs7920
水酸化ナトリウムSigma-Aldrich71690
次亜塩素酸ナトリウム溶液Sigma-Aldrich239305
プログラムhttps://github.com/weiyangc/ImageProcessForWellPlate
Sigma-AldrichT7293
酵母抽出物Sigma-AldrichY1625
ツァイス自動顕微鏡 ZeissAXIO Observer.Z1Zeiss automatic microsco with peproprietary software Zen2012 and charge coupled device(CCD)カメラ
塩化202908ス を充填&バッファー35.6 フリンク

参考文献

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