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방법 논문

꼬마 선 충 의 프로 파일링 Phenotypic 자동화 하 여 화학 독성의 예측에 대 한 높은 처리량 분석 결과

6.6K 조회수

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DOI:

10.3791/59082

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2019년 3월 14일

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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

이 논문에서

요약

양적 방법 확인 하 고 자동으로 꼬마 선 충의 phenotypic 프로 파일링 분석 하 여 화학 물질의 급성 독성 예측 개발 되었습니다. 이 프로토콜 384-잘 접시에 화학 물질과 웜 치료, 비디오, 캡처 및 독물학 관련된 고기를 계량 하는 방법을 설명 합니다.

초록

쥐 또는 쥐와 같은 더 높은 주문 유기 체에 화학 물질의 독성 시험 적용 시간과 비싼, 그들의 긴 수명 및 유지 보수 문제 때문입니다. 선 충 류 꼬마 선 충 (C. 선 충) 독성 시험을 위한 이상적인 선택 있도록 장점이 오히려: 짧은 수명, 쉽게 경작, 및 효율적인 복제. 여기, 우리는 자동 phenotypic 프로 파일링 C. 선 충 의 384-잘 접시에 대 한 프로토콜을 설명 합니다. 선 충 벌레 액체 매체 및 화학 치료, 384-잘 접시에 교양 있으며 동영상 33 웜 기능에 화학적 영향을 계량 하기 각 잘 찍힌다. 실험 결과 계량된 형 기능 분류 및 다른 화합물에 대 한 급성 독성을 예측 하 고 설정할 수 더 전통적인 화학 독성 평가 시험에 대 한 우선 순위 목록을 설치류 모델에서을 보여 줍니다.

서론

산업 생산 및 사람들의 일상 생활에 적용 하는 화합물의 급속 한 발전, 함께 그것은 독성 화학 물질에 대 한 모델을 테스트를 공부 하는 것이 중요. 대부분의 경우, 설치류 동물 모델 건강에 다른 화학 물질의 잠재적 독성을 평가 하기 위해 채택 된다. 일반적으로, 치명적인 농도 (즉, assayed 50% 치 사 량 [LD50] 다른 화학 물질의) 결정 시간이 소요 되 고 매우 비싼 vivo에서, 설치류 (쥐/마우스) 모델에서 전통적인 매개 변수로 사용 됩니다. 또한, 감소, 수정, 또는 교체는 동물 복지 및 윤리 중심 (3R) 원리, 더 높은 동물의 교체는 과학 연구1,2,3 가치를 허용 하는 새로운 방법 . C. 선 충 은 토양에서 격리 되어 자유 롭 살아있는 선 충 류 이다. 그것은 널리 사용 되었습니다 실험실에서 연구 유기 체로 짧은 수명, 쉽게 재배, 효율적인 복제 등의 유익한 특성 때문에. 또한, C. 선 충 에 기본적인 생리 적 프로세스 및 스트레스 응답을 포함 하 여 많은 기본적인 생물 학적 경로 높은 포유류4,5,,67 에 보존 됩니다. , 8. 우리와 다른 사람 만든 비교에, C. 선 충 독성 및 독성 설치류9관찰 사이 좋은 색인 이다. 이 모든 게 선 충 C. 화학 독성 vivo에서의 효과 테스트 하는 좋은 모델.

최근, 일부 연구 정량 C. 선 충의 phenotypic 특징. 화학2,,310 의 독성 벌레11의 노화를 분석 하는 기능을 사용할 수 있습니다. 우리는 또한 경작 시스템 및 이미지 분석 시스템, 벌레는 다른 화학 치료12에서 384-잘 접시에 교양 있는 액체 벌레를 결합 하는 방법을 개발. 이 양적 기술 액체 매체와 384-잘 접시에 화학 치료의 12-24 h 후 C. 선 충의 33 매개 변수를 자동으로 분석 개발 되었습니다. 자동화 된 현미경 단계 실험 비디오 수집에 사용 됩니다. 벌레의 이동 행동에 관련 된 33 기능 계량 및 동영상 사용자 정의 설계 프로그램에 의해 처리 됩니다. 메서드는 10 화합물의 치료에서 벌레 고기를 계량 하는 데 사용 됩니다. 결과 표시 다른 독성 C. 선 충의 고기를 변경할 수 있습니다. 이러한 계량된 고기를 식별 하 여 다른 화합물의 급성 독성 예측 사용할 수 있습니다. 이 방법의 전반적인 목표는 관찰과 실험 액체 문화에서 C. 선 충 의 phenotypic 정량화를 촉진. 이 메서드는 화학 독성 평가에 다른 화합물의 급성 독성을 예측 하 고 대 한 우선 순위 목록을 설정 형 quantifications C. 선 충 의 응용 프로그램에 대 한 더 전통적인 화학 독성 평가 설치류 모델에서 테스트합니다. 또한,이 방법은 독성 검사 및 식품 첨가제 에이전트 오염, pharmacautical 화합물, 환경 외 인 화합물, 그리고에 새로운 화학 물질 또는 화합물의 테스트에 적용할 수 있습니다.

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프로토콜

프로토콜 질병 예방 및 중국에 있는 컨트롤에 대 한 베이징 센터의 동물 윤리 위원회의 동물 보호 지침을 따릅니다.

1. 화학 준비

  1. 화학 물질을 (표 1 및 표의 재료)를 가져옵니다.
  2. 100% 치 (LC100, 24 h)의 최소 농도 웜 100 %nonlethality (LC0, 24 h)의 최대 농도 대 한 개별 화학 물질의 최고 및 최저 복용량을 결정 합니다. (표 1)의 높은 농도의 6 희석 사용 합니다.
    참고: LC100와 LC0는 새로운 화학 물질에 대 한 복용량을 결정 하기 위해 예비 웜 치 테스트9 실시 합니다.
  3. 필요한 농도 x 2 K-중간 (자료 테이블)과 각 화학 물질을 희석. 컨트롤 K-매체를 사용 하 여 화학 물질에 의해 발생 하는 표현 형 변경 비교.
    1. 예를 들어 카드뮴 염화 (CdCl2)의 7 그라데이션 농도 준비 (표 1). 2 배를 준비 하 높은 집중 된 수성 해결책 (4.64 mg/mL), K-중간의 8 ml에서 CdCl2 고체 분말의 92.8 mg를 녹이 고 가루는 완전히 해산 후 최대 10 mL를 채우기. K-매체와 희석 하 여 다른 농도 준비 합니다.
  4. 화학에서 모든 농도 대 한 8 개의 병렬 우물을 준비 합니다. 각 잘 화학 솔루션 x 2의 50 µ L를 포함합니다. (표 2) 컨트롤로 K-중간의 8 개의 병렬 우물의 적어도 3 개 그룹을 준비 합니다.
    참고: 간단 하 게, 작업 솔루션 x 2의 500 µ L의 볼륨은 각 화학의 단일 투여에 필요한.

2. 웜 준비

  1. 야생-타입 N2 웜 및 대장균 OP50 긴장 꼬마 유전학 센터 (CGC)에서 가져옵니다.
  2. 동기화 된 L4 벌레를 얻을.
    1. 조 흔 격판덮개에서 대장균 OP50의 단일 식민지를 선택 하십시오. Aseptically LB 국물의 100 mL에 식민지를 접종 하 고 하룻밤 37 ° c.에 그것을 성장합니다
      참고: 대장균 OP50 솔루션은 이제 선 충 성장 매체 (NGM, 테이블의 재료) 판 시드를 위한 준비.
    2. NGM 90 m m 플라스틱 페 트리 접시에 붓으십시오. 각 씨앗 플레이트 대장균 OP50 솔루션의 300 µ L를 붓는 후 하루. 약 2-3 일 벌레의 대부분에는 성인 무대에 도달 했습니다 때까지 20 ° C에서 OP50는 NGM 접시에 N2 벌레를 품 어.
    3. 살 균 H2o. 15 mL 원뿔 메 마른 분리기 관으로 수확 벗 웜 웜 2 분 이상에 대 한 진정, H2O, 발음 및 표 백제 버퍼 (자료 테이블)의 5 mL을 추가 하자.
    4. 소용돌이 관 5 분 동안 회전 30 튜브 (1300 x g)에 계란, 작은 하는 상쾌한 삭제.
    5. 워시 살 균 H2O와 소용돌이의 5 mL와 함께 계란 튜브 5 s. 원심 분리기 튜브 30 (에서 1300 x g) s, 상쾌한, 제거 하 고 세척에 대 한에 대 한 다시.
    6. OP50와 새로운 NGM 접시에 계란 플라스틱 20 ° c.에서 그들을 품 어 모니터 부 화 L1 벌레 다음 아침; 벌레 약 40 h에서 L4 단계를 도달할 것 이다.
  3. 워시 살 균 50 mL 원뿔 튜브로 K-매체와 90 mm 페 트리 접시에서 L4 벌레. 벌레는 stereomicroscope에서 K-매체의 100 µ L 당 40 동물의 농도 조정 합니다. 384-잘 접시의 각 음에 50 µ L (~ 20 벌레)를 추가 합니다. 이 동기화 된 벌레 (L4 단계) 화학 물질에 의해 다음 치료에 대 한 준비가 되었습니다.

3. 화학 처리 및 비디오 캡처

참고: 384-잘 접시에 웜 (각 잘에서 50 µ L) 6 7 복용량의 개별 화학 (표 1)에 처리 됩니다. 8 병렬 웰 스, 각 (8 우물 가득 같은 화학 및 동일한 농도, 표 2) 모든 복용량에 대 한 화학 솔루션 x 2의 50 µ L을 포함 준비. 모든 비디오는 거꾸로 한 현미경 (자료 테이블)에 연결 된 디지털 카메라를 사용 하 여 수집 됩니다. 화학 치료 실험 24 시간 동안 지속 된다. 24 h 화학 치료 실험 기간 동안 각 잘에 세균성 음식을 추가 하지 마십시오.

  1. 화학 물질을 추가 하기 전에 자동 무대에 동기화 된 웜 384-잘 접시를 설정 하 고 프로그램된 인수 절차와 각의 동영상 (2 초당 7 프레임 s 스캔 각 접시 ~ 25 분 소요).
  2. 섹션 1 각 음 (표 2)에 따라 준비 하는 화학 주식 x 2의 50 µ L를 추가 합니다. 시간 0 h 지점으로 설정 합니다.
  3. 20 ° C에서 384-잘 접시를 품 어 고 인큐베이터 셰이 커에 80 rpm에서 그것을 흔들어.
  4. 인큐베이터에서 접시를 제거 하 고 자동 단계에 그것을 전송. 걸릴 동영상의 전체 판의 각 잘과 24 h, 12 h K-중간에 각 특정 화학 치료에 대 한 벌레의 고기를 확인. 약 25 분이 한 접시 화면에 대 한 필요 합니다.

4. 실험 비디오 처리

참고: 실험 비디오 및 이미지 처리 프로그램 작성 되었고 포장. 그것은 ( 재료의 표참조) 자유롭게 다운로드 될 수 있다. 실험적인 비디오 이미지 프레임 시퀀스의 형태로 저장 되며 각 비디오의 프레임 시퀀스는 특정 디렉토리에 저장 됩니다. 프로그램 벌레를 인식 하 고 자동으로 고기를 계량 수 있습니다.

  1. 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI, 그림 1)에서 프레임 시퀀스 디렉터리, 출력 디렉터리, 웜 크기 매개 변수 움직임 임계값 매개 변수 등의 매개 변수를 추가 합니다. 실험적 이미지 처리 분석 버튼을 클릭 합니다.
    1. 소스 이미지 디렉터리를 선택 하려면 선택 단추를 클릭 합니다.
    2. 인터페이스에서 중간 결과 디렉터리를 추가 합니다.
      참고: 중간 결과 포함 된 이미지. 이러한 중간 결과 처리 된 이미지의 시각적 관찰에 대 한 유용 합니다.
    3. 인터페이스에서 최종 결과 디렉터리를 추가 합니다.
    4. 인터페이스에서 웜 크기 textbox에서 평균 웜 크기 매개 변수를 추가 합니다.
      참고: 실험에 사용 된 크기 매개 변수는 2000.
    5. 이동된 비율의 인터페이스에 추가 합니다.
      참고: 비율 실험에 사용 되는 0.93입니다.
    6. 이미지 처리를 시작 하려면 분석 버튼을 클릭 합니다. 추가 매개 변수를 재설정 버튼을 클릭 합니다.
      참고: 정의 및 벌레에 대 한 계량 33 기능이 있습니다. 모든 정의 된 고기 ( 표 3에 나열 된) 범주에 의해 정렬 됩니다. 이러한 기능 실험 이미지에서 측정할 수 있습니다. 이러한 기능을 비교 하 여 다른 독성 있는 다른 화학 물질 중 양적 비교를 수행할 수 있습니다.

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결과

10 개 이상의 화학 물질12의 다른 농도에 노출 하는 벌레의 고기 테스트 했습니다. 테스트에서 33 가지 기능 (0 h, 12 h, 그리고 24 h) 3 시간 시점에 각 화합물에 대 한 정량 했다. 이전에 매뉴얼 및 수명 분석 결과의 자동 분석 비교11,12이루어졌다. 이 분석 결과에서 우리는 화학 물질과 농도 영향을 미칠 수 웜 고기 발견. 이 방법의 개요는 그림 2에 표시 됩니다.

(그림 3 및 그림 4c, d) 결과 벌레 ...

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토론

C. 선 충 의 장점은 독극물9, 모두 기계 연구와 높은 처리량 검열 방법의 증가 사용에 이르렀다. 독물학 연구에서 다른 모델 시스템 보완에 C. 선 충 에 대 한 증가 역할은 최근 몇 년 동안, 특히 새로운 화학 물질의 급속 한 독성 평가 대 한 놀라운 되었습니다. 이 문서에는 자동 식별 및 화학 독성의 평가 대 한 384-잘 접시에 고기를 벌레의 높은 처리량, 양적 심사의 새로운 분석 결과 제공합니다. 이 분석 결과 24 시간 내 화학 물질의 급성 독성 시험 고 subacute 독성 테스트도 더 많은 시간 포인트 데이터 수집 및 벌레에 음식 소스 (OP50)을 제공 하는 경우에 적용할 수 있습니다.

화학 물질을 희석 사용 매체가 다를 수 있습니다; 우리는 소피외. 를 참조 하 여 분석 결과에 K-매체를 선택 13. 웜 제어 및 화학 치료 그룹 ...

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공개 사항

저자는 공개 없다.

감사의 글

저자는 친절 하 게 보내는 C. 선 충 CGC를 감사 합니다. 이 작품은 국가 주요 연구 및 개발 프로그램의 중국 (#2018YFC1603102, #2018YFC1602705);에 의해 지원 되었다 중국 그랜트 (#31401025, #81273108, #81641184), 자본 건강 연구와 베이징 (#2011-1013-03), 환경 독물학 (# 베이징 주요 연구실의 오프닝 기금에에서 특별 한 프로젝트의 개발의 국가 자연과학 기초 2015HJDL03), 산 동성, 중국 (ZR2017BF041)의 자연 과학 재단.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
2-프로판올시그마-알드리치59300
384웰 플레이트Throme142761
AgarBacto214010
아트로핀 황산염시그마-알드리치PHL80892
표백제 완충액0.5mL 10M NaOH 0.5mL, 5% NaClO 0.5mL, 초순수
카드뮴 클로라이드9mL Sigma-Aldrich
염화칼슘Sigma-Aldrich21074
CCD 카메라ZeissAxioCam HRmZeiss 현미경 검사 GmbH
콜레스테롤Sigma-AldrichC8667
구리(II) 황산염 Sigma-Aldrich451657
에탄올Sigma-Aldrich24105
에틸렌 글리콜Sigma-Aldrich324558
글리세롤Sigma-AldrichG5516
K-Medium1 L 초순수 LB 국물에 NaCl 3.04 g과 KCl 2.39 g;
10  g/L  트립톤,  5  g/L  누룩  추출물,  5  g/L  나클 
마그네슘 황산염 헵타하이드레이트시그마-알드리치63140
NGM 플레이트초순수 1L에 NaCl 3g, 17g, 펩톤 2.5g, 오토클레이브 후 콜레스테롤 1mL(에탄올 5mg/mL), MgSO4 1mL(1M), CaCl2 1mL(1M), PPB 완충액 25mL
펩톤박토211677
염화칼Sigma-Aldrich60130
인산칼륨 이염기성시그마-알드리치795496
인산칼륨 일염기시그마-알드리치795488
PPB 버퍼35.6g, K2HPO4 108.3g, 1L 초순수 셰이커에 KH2PO4 108.3g
ZHICHENGZWY-200D
염화나트륨시그마-알드리치71382
불화나트륨시그마 알드리치s7920
수산화 나트륨시그마 알드리치71690
차아 염소산 나트륨 용액시그마 알드리치239305
트립톤프로그램
Y1625
Zeiss 자동 현미경 ZeissAXIO Observer.Z1Zeiss 독점 소프트웨어 Zen2012 및 CCD(Charge Coupled Device) 카메라가 있는 Zeiss 자동 마이크로스코
202908륨 성 https://github.com/weiyangc/ImageProcessForWellPlate 링크 시그마 알드리치 T7293 효모 추출물 시그마 알드리치

참고문헌

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  11. Xian, B., et al. WormFarm: a quantitative control and measurement device toward automated Caenorhabditis elegans aging analysis. Aging Cell. 12 (3), 398-409 (2013).
  12. Gao, S., et al. Classification and prediction of toxicity of chemicals using an automated phenotypic profiling of Caenorhabditis elegans. BMC Pharmacology and Toxicology. 19 (1), 18(2018).
  13. Moyson, S., et al. Mixture effects of copper, cadmium, and zinc on mortality and behavior of Caenorhabditis elegans. Environmental Toxicology and Chemistry. 37 (1), 145-159 (2018).
  14. Wang, X., et al. Lifespan extension in Caenorhabditis elegans by DMSO is dependent on sir-2.1 and daf-16. Biochemical and Biophysical Research Communications. 400 (4), 613-618 (2010).
  15. Boyd, W. A., et al. Developmental Effect of the ToxCast Phase I and Phase II Chemicals in Caenorhabditis elegans and Corresponding Responses in Zebrafish, Rats, and Rabbits. Environmental Health Perspectives. 124 (5), 586-593 (2016).

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