Dit protocol beschrijft het gebruik van Drosophila-larven om unieke anti-epileptische verbindingen voor de behandeling van epilepsie te identificeren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Dit protocol beschrijft het gebruik van Drosophila-larven om unieke anti-epileptische verbindingen voor de behandeling van epilepsie te identificeren.
Epilepsie vormt een aanzienlijke gezondheidslast die wordt verergerd door een groot aantal personen die ongevoelig zijn voor geneesmiddelen. Hoewel sommige patiënten die ongevoelig zijn voor geneesmiddelen reageren op niet-medicamenteuze behandelingen (bijv. stimulatie van de nervus vagus, ketogeen dieet, enz.), is het laatste redmiddel voor velen een uitdagende en dure operatie om verlichting te bieden van epileptische aanvallen. Hoewel algemeen wordt erkend dat anti-epileptica met een breder scala aan doelen nodig zijn, is de hindernis om dit te bereiken de identificatie van nieuwe medicijndoelen. Genetisch handelbare modeldieren zijn in dit opzicht veelbelovend. De fruitvlieg, Drosophila melanogaster, is een krachtig model geworden voor het onderzoeken van de mechanistische basis van en betere behandelingen voor epileptische aanvallen. Veel geïdentificeerde vliegenmutaties leiden ertoe dat larven en volwassenen aanvalsachtige activiteit vertonen als reactie op sterke stimulatie (elektrisch, mechanisch en/of thermisch). Veel van deze mutaties bevinden zich in genen die homoloog zijn aan de genen die bijdragen aan menselijke genetische epilepsie (bijv. het spanningsafhankelijke Na+ -kanaal). Het is nu ook mogelijk om een vliegengen te vervangen door zijn menselijke equivalent dat bovendien een ziektegerelateerde mutatie draagt. Zo is de nederige vlieg een avatar geworden om menselijke ziekten te modelleren. Deze studie beschrijft een geschikte methode om Drosophila-larven te gebruiken voor drugsscreening met een lage tot gemiddelde doorvoer om unieke verbindingen en hun doelen te identificeren die anti-epileptisch potentieel hebben.
Epilepsie blijft een aanzienlijke gezondheidslast en treft ongeveer 1% van de bevolking wereldwijd. Hoewel er nu meer dan 30 anti-epileptica (ASM's) bestaan voor klinische behandeling, blijft ongeveer een derde van de mensen met epilepsie resistent voor geneesmiddelen, wat betekent dat ze niet goed reageren op medicamenteuze behandeling 1,2. Beschikbare medicijnen zijn ook alleen palliatief en voorkomen als zodanig geen epileptogenese, noch bieden ze genezing3. Er is dus een kritieke behoefte om betere epilepsiebehandelingen te identificeren. Een wegversperring voor de ontwikkeling van effectievere behandelingen is de identificatie van nieuwe doelwitten voor geneesmiddelen. Inderdaad, bijna alle huidige ASM's beïnvloeden vergelijkbare doelen: ionkanalen, waaronder het spanningsafhankelijke natriumkanaal (Nav), en remmende neurotransmissie gemedieerd door γ-aminoboterzuur (GABA)4,5. Het is algemeen aanvaard dat het onwaarschijnlijk is dat voortgezet gebruik van traditionele methoden voor de ontwikkeling van geneesmiddelen dit scenario radicaal zal veranderen.
Laboratoriummodeldieren, waaronder, maar niet beperkt tot, de fruitvlieg Drosophila melanogaster en de zebravis Danio rerio, zijn bruikbaar voor de identificatie van nieuwe ASM's 6,7,8. Inderdaad, een PubMed-zoekopdracht naar 'Drosophila + aanval' levert 342 resultaten op, terwijl dezelfde zoekopdracht naar zebravissen 578 resultaten oplevert (beide zoekopdrachten werden uitgevoerd op 29januari 2025). Hoewel het aantal vergelijkbare studies bij muizen in het niet valt (~15.000), blijft het aantal studies met modelsystemen groeien. Deze studies zijn mogelijk dankzij het mechanistische behoud van de CZS-functie over phyla. Bovendien worden geïnduceerde aanvallen bij vliegen en vissen effectief behandeld met klinisch gebruikte ASM's, wat aantoont dat hoewel de nuances van aanvalsgedrag uiterlijk anders kunnen lijken, de onderliggende mechanismen veel gemeen hebben 7,9,10.
De fruitvlieg, Drosophila, heeft veel baanbrekende bijdragen geleverd aan het begrijpen van de menselijke biologie. Met betrekking tot epilepsie biedt dit modelsysteem een ongeëvenaarde genetische gereedschapskist in combinatie met identificeerbare en experimenteel toegankelijke neuronen7. Bovendien zijn de connectomen voor zowel het larvale als het volwassen CZS nu gepubliceerd en zijn er tal van celspecifieke genetische driverlijnen geïdentificeerd11,12. Het is veelbetekenend dat bij toeval een klasse van mutaties werd geïdentificeerd waarbij volwassen vliegen reageren op sterke mechanische stimulatie door een verlies van houding en aanvalsachtige activiteit (bijv. zoemen van de vleugel, schudden van de benen, enz.). Deze klasse van mutaties wordt 'knalgevoelig' genoemd13,14,15,16. Sindsdien is een tweede klasse van epilepsiemutaties geïdentificeerd die reageert op verhoogde temperatuur, een weerspiegeling van menselijke koortsstuipen17,18. De experimentele handelbaarheid van volwassen vliegen is echter enigszins verminderd in vergelijking met het larvale stadium van hetzelfde insectenmodel. Het kan bijvoorbeeld moeilijk zijn om volwassen vliegen te voeden, en meer invasieve technieken zoals elektrofysiologie en optogenetica kunnen een grotere uitdaging zijn. Daarentegen eet de Drosophila-larve constant om zijn lichaamsvolume in slechts 5 dagen met ~100-voudig uit te breiden om verpopping mogelijk te maken. Daarom kunnen we erop vertrouwen dat we in de larvale stadia voldoende met medicijnen kunnen voeren. Embryogenese is goed gedocumenteerd en kan nauwkeurig worden geënsceneerd, en het heeft op zijn beurt belangrijke mijlpalen in de ontwikkeling van het CZS geïdentificeerd, waaronder de eerste verwerving van neuronale elektrische eigenschappen tot en met circuitvorming19. Eenmaal uitgekomen doorloopt een larve 3 vervellingen (of instars) totdat hij op dag 5 'zwerft', waarna hij het voedsel verlaat om een veilige plek te vinden om te verpoppen. Na ~100 uur verpopping komt er een volwassen vlieg tevoorschijn met een nieuw lichaam en CZS (Figuur 1).
Technieken om epileptische aanvallen bij volwassenen op te wekken zijn niet goed geschikt voor larvale stadia. Larven hebben geen sensorische haren, waarvan de gesynchroniseerde activering tijdens mechanische stimulatie tot een aanval kan leiden. Om deze moeilijkheden te overwinnen, werd dus een elektroshocktechniek ontwikkeld om epileptische aanvallen op te wekken in het zwervende larvale stadium. De daaropvolgende vergelijkende analyse van aanvalsinductietechnieken bij zowel larven als volwassenen laat zien dat elektroshocks van larven veel minder afhankelijk zijn van het mutatietype (bijv. knalgevoelig versus temperatuur). Daarom stellen we voor dat deze techniek de voorkeursmethode is voor het testen van nieuwe mutaties waarbij de optimale inductiemethode voor aanvallen onbekend is20. De elektroshocktechniek voor larven is eenvoudig, snel en vereist minimale apparatuur. Deze techniek biedt een efficiënt middel om nieuwe verbindingen, of genetische therapieën, te screenen op anti-epileptische werkzaamheid bij een reeks mutaties die de genetische diversiteit van menselijke epilepsie weerspiegelen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De fruitvlieg, Drosophila melanogaster, wordt in dit onderzoek gebruikt (zie sectie Resultaten voor details). Deze techniek is het meest geschikt voor zwervende larven van de derde instar (L3). Het experimentele protocol is relatief eenvoudig, maar vereist oefening om te perfectioneren. Onze ervaring is dat nieuwe studenten ongeveer 2 weken nodig hebben om de test onder de knie te krijgen en veel baat hebben bij het bekijken van andere, meer ervaren onderzoekers die de test in realtime uitvoeren met behulp van een camera-enabled dissectiemicroscoop of iets dergelijks. De reagentia en de apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.
1. Larvale selectie
2. Procedure voor elektroshocks
3. Constructie van elektroshocksonde
4. Kalibratie van de sonde
5. Uitvoering van experimenten
6. Screening van drugs
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Talrijke Drosophila-mutaties vertonen verbeterd aanvalsachtig gedrag 7,20. De genetische basis van deze mutaties is gevarieerd, wat de even gevarieerde genetische oorzaken van menselijke epilepsie gunstig nabootst. Drie van de meest bestudeerde Drosophila-mutaties zijn parabangsenseless (parabss), julius seizure (jus) en easy-shocked (eas
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De elektroshockmethode om epileptische aanvallen bij Drosophila-larven op te wekken, biedt een eenvoudige, maar efficiënte screening om nieuwe anti-epileptische verbindingen of genetische manipulaties te identificeren. Omdat dit echter een kwalitatieve test is, is de belangrijkste beperking dat de methode niet gemakkelijk kleine effectgroottes kan identificeren. Desalniettemin biedt de gemiddelde doorvoer die het mogelijk maakt, waardoor het zich leent om tot ~5 verbindingen per...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen tegenstrijdige belangen.
We danken de vele laboratoriummedewerkers van Baines die deze techniek gedurende vele jaren gezamenlijk hebben ontwikkeld, en in het bijzonder Richard Marley, die veel moeite heeft gedaan om deze techniek robuust en betrouwbaar te maken. We danken Anna Munro voor het tekenen van de larven, zoals te zien is in figuur 2. Het werk in het Baines-lab dat heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van deze techniek is genereus ondersteund door BBSRC, MRC en de Wellcome Trust. Dit werk wordt momenteel ondersteund door financiering van een Wellcome Trust investigator award aan R.A.B. (Grant 217099/Z/19/Z). De ontwikkeling van deze techniek profiteerde ook van de Manchester Fly Facility, die werd opgericht met fondsen van de universiteit en de Wellcome Trust (Grant 087742/Z/08/Z).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Elektrodehouder | World Precision Instruments | M3301 | |
| Glas capillairen | Harvard Instruments | GC100F-10 | |
| Wolfraamdraad (99,95%) | Goodfellow Cambridge, UK | 0,1 mm diameter | |
| Spanningsstimulator | Digitimer Ltd, UK | DS2A mkII | Constant Voltage Isolated Stimulator |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.