October 31st, 2016
ゼブラフィッシュは、筋肉の機能と病気を研究するための優れたモデルです。初期胚形成期には、ゼブラフィッシュは規則的な筋肉収縮を開始し、リズミカルな遊泳行動を生み出し、筋肉が乱れると遊泳行動が変化します。ここでは、筋肉機能の尺度として水泳パフォーマンスを調べるための、タッチ誘発反応と運動アッセイについて説明します。
この手順の全体的な目標は、タッチ誘発反応と遊泳アッセイを使用して、ゼブラフィッシュの筋肉のパフォーマンスと機能を評価することです。この方法は、ゼブラフィッシュ疾患モデルにおける筋能力の低下や神経変性欠損の特定など、神経筋研究の分野における疑問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、ゼブラフィッシュの疾患モデルの筋肉パフォーマンスを評価するための自動化されたハイスループット法を提供することです。
アッセイを行うには、約25ミリリットルの胚培地を充填したシャーレを、摂氏約28度に設定された照明付きの温度制御ステージに置きます。ハイスピードカメラを皿の上に置きます。ビデオ録画ソフトウェアを起動し、キャプチャ速度を毎秒 1, 000 フレームに設定して、高速の水泳速度をキャプチャできるようにします。
視野にはっきりと見えるペトリ皿の中央に胚を配置します。録音を押してから、頭のてっぺんにある鈍い針で胚に優しく触れて、機械感覚刺激を送ります。胚が視野から泳いで出たり、休息に戻ったら、記録を停止します。
主に慣れるか、または触覚刺激に対する反応を低下させる一部の疾患モデルで筋力低下を促進するために、同じ幼虫の試験を繰り返すため、各胚は一度だけ試験する必要があります。遊泳行動を定量化するには、ソフトウェアを起動し、Background Subtraction Moduleで単一の幼虫の移動を選択してAVIビデオファイルを開きます。メニューバーからフリーハンドツールまたはポリゴンツールを選択し、魚の元の位置と魚が泳ぐ領域の両方を含むムービーの領域を選択します。ただし、機械感覚刺激を送達するために使用されるプローブは除外します。
メニューバーの「Experiment」をクリックし、「Execute」を選択します。プロンプトで、生データ分析ファイルをPHR形式で目的の場所に保存します。次に、[開始] をクリックして分析を開始します。
魚が視界から泳ぎ出したり、ビデオクリップが終了したりしたら、実験メニューの「停止」をクリックして解析を終了すると、結果を表示するウィンドウが表示されます。ウィンドウの右側にスクロールして、最大加速度値を取得します。データをエクスポートするには、[結果] ドロップダウン メニューの [瞬間的な結果のエクスポート] ボタンをクリックします。
適切な Raw Data Analysis ファイルを選択し、クリックして開きます。これにより、スプレッドシートプログラムで開くことができるテキストファイルが宛先フォルダーに保存されます。試験幼虫をウェルごとに1つずつ、48ウェルプレートに入れます。
次に、井戸の上部のすぐ下まで井戸に水を入れ、気泡が入らないようにします。プレートを摂氏28度で1時間保管します。プレートを、暗闇で幼虫を検出できる赤外線デジタルカメラを備えた記録チャンバーに入れます。
概日リズムや外部環境刺激は、ゼブラフィッシュの遊泳行動に大きな影響を与える可能性があります。時間帯や照明条件を標準化し、水温を厳しく調整する必要があります。ソフトウェアを起動し、トラッキングモジュールを選択します。
[File] で [Generate New Protocol] をクリックし、実験に使用するウェルの数 (この例では 48) を編集します。次に、「Parameters」をクリックし、「Protocol Parameters」を選択し、「Time」を選択して、実験期間と統合期間を10分に設定します。また、[Protocol Parameters] で [Options] をクリックし、[numeroscope] チェックボックスがオンになっていることを確認します。
記録領域を設定するには、グリッド全体を強調表示し、ウェルの1つをダブルクリックします。[Draw Areas] ボタンをクリックし、左上、右上、左下のウェルの周りに描画し、[Build] をクリックします。その後、ソフトウェアが各ウェルの位置を決定します。
この時点で、スケールバーも描画し、[グループに適用]をクリックします。完了したら、[エリアの描画]ボタンをクリックします。次に、魚の色(この場合は黒)を選択し、検出しきい値バーをスライドさせて、背景なしで魚の動きのみが強調表示されるレベルにします。
Movement Thresholdsは、非アクティブな動きや小さく拡大した動きを検出するためのものです。この例では、非アクティブしきい値が 6 ミリメートル/秒で、アクティビティ バーストしきい値が 30 ミリメートル/秒で使用されました。[パラメータメニュー]、[ライトドライビング設定]の順にクリックし、チャンバーの光強度を0%に設定し、記録チャンバーのドアを閉じてビデオ録画を開始します。
実験は、画面上のタイマーが示すように10分で完了します。完了したら、[Experiment] ドロップダウン メニューをクリックし、[Stop] を選択します。結果を示すダイアログボックスが表示されます。
Excelを使用して結果を調べるには、[含まれているフォルダを開く]をクリックして、結果のフォルダに表示されるファイルを開きます。最後に、ビデオを再生して、記録された移動値が魚の泳ぐ動きを正確に表しているかどうかを確認できます。これは、ビデオファイルで観察された動きと、ソフトウェアによって生成されたロコモーションプロファイルを比較することで実現できます。
タッチ誘発アッセイ中に撮影されたゼブラフィッシュ胚のスナップショット画像は、刺激の適用後最初の0.2秒間の個体の典型的な動きを示しています。ここで、図は、野生型とミオパチーの個体におけるバースト遊泳脱出応答の最初の0.2秒間の加速プロファイルを示しています。この時間ウィンドウでは、加速度は両方のひずみでピークに達することが見られ、ピークの最大加速度は骨格筋の力生成能力に比例します。
最大加速度値は、野生型およびミオパチー株について平均化した。ミオパシーの魚は、最大加速度の有意な減少を示し、筋肉機能の低下を示しました。胚の10分間のロコモーションアッセイにより、野生型とミオパチー胚の両方の運動パターンとタイプが記録され、水泳運動の図式表現が生成されました。
緑の線で表されるゆっくりとした動きの期間と赤い線で表される速い動きの期間、および黒い線で表される非アクティブな期間がマッピングされました。野生型の個体は、試験期間中に活動性が低かったミオパチーの個体とは対照的に、活動期間が比較的なく、高い活動レベルを示しました。これは、野生型とミオパシー魚の平均移動回数と移動距離の有意差に反映されていました。
習得すると、タッチ誘発反応アッセイは15匹の魚に対して15分で実行でき、移動アッセイは最大48匹の魚に対して約10分で完了できます。この手順を試みるときは、胚の活動に影響を与える可能性があるため、胚を慎重に取り扱うことが重要です。この手順に続いて、免疫標識や電子顕微鏡などの他の技術を実行して、筋肉の病理に関連する追加の質問に答えることができます。
このビデオを見れば、ゼブラフィッシュの発達初期における筋肉のパフォーマンスを測定する方法についてよく理解できるはずです。
この記事では、触覚刺激反応と遊泳アッセイを用いてゼブラフィッシュの筋肉性能と機能を評価する方法について説明しています。この技術により、研究者は病気のゼブラフィッシュモデルで筋肉機能を調査し、神経筋研究への洞察を得ることができます。
Zebrafish models provide a conserved, high-throughput platform for early-stage assessment of skeletal muscle function, enabling rapid identification of neuromuscular deficits in disease models. Automated quantification of touch-evoked escape responses and locomotor activity delivers quantitative, reproducible metrics that support mechanistic de-risking of therapeutic targets. This approach accelerates target validation and phenotypic screening by linking molecular perturbations to functional muscle outputs in a disease-relevant system.
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification to preclinical functional validation, delivering quantitative muscle performance data at each stage.