Monoamine-neurotransmitters, ook bekend als biogene aminen (BA's), staan erom bekend dat zij diverse belangrijke neurologische en gedragsmatige kenmerken reguleren over verschillende diertaxa heen, waaronder maar niet beperkt tot motivationele toestanden, slaap, leren, geheugen en stemmingsregulatie1,2,3,4. Ontregeling van BA's, zoals dopamine (DA) en serotonine (5-hydroxytryptamine; 5-HT), is een kritisch kenmerk van neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, evenals psychiatrische stoornissen zoals schizofrenie3,5. De relatie tussen ziekteprogressie en specifieke neurochemische veranderingen in verschillende hersengebieden en neuronale subtypen is echter nog niet volledig in kaart gebracht. Het beantwoorden van dergelijke vragen vereist een modelsysteem dat niet alleen genetisch hanteerbaar is, maar ook in staat is om ziekterelateerde fysiologische en gedragsmatige fenotypes te reproduceren. Drosophila melanogaster is voor dit doel naar voren gekomen als een krachtig modelsysteem6,7. De fruitvlieg beschikt over discrete, goed gekarakteriseerde populaties dopaminerge en serotonerge neuronen7,8, en de biosynthetische routes, transporteurs en receptorfamilies die deze systemen aansturen zijn functioneel geconserveerd ten opzichte van hun zoogdier-tegenhangers9. Deze conservering biedt een mechanistische basis voor het vertalen van neurochemische bevindingen in de vlieg naar de bredere context van menselijke ziekten.
Het nut van vliegen voor het modelleren van neurologische en psychiatrische aandoeningen reikt veel verder dan genetische homologie. Als genetisch hanteerbaar systeem maken instrumenten in vliegen cel-specifieke screening van genen en signaalpaden mogelijk, waardoor factoren aan het licht komen die ziekterelevante symptomen verergeren of omkeren, wat de ontdekking van nieuwe therapeutische doelwitten faciliteert10. Bovendien kunnen binaire expressiesystemen zich niet alleen richten op specifieke monoaminerge neuronale subtypen, maar ook op specifieke ontwikkelingsvensters11, waardoor een opmerkelijke ruimtelijke en temporele precisie wordt geboden. Het model-systeem van de fruitvlieg biedt tevens een repertoire aan kwantificeerbare gedragingen die kunnen worden gebruikt om de reproductie van ziekterelevante symptomen te beoordelen, alsok om interventiestrategieën voor herstel te testen7. Zo omvatten goed gevestigde genetische modellen van de ziekte van Parkinson in vliegen dieren met Pink1 en parkin loss-of-function-mutaties, evenals vliegen die wild-type of punt-gemuteerde versies van menselijk α-synucleïne (α-syn), SNCA, overexpresseren12,13,14. Al deze vliegenmodellen vertonen enkele van de belangrijkste kenmerken van de ziekte, waaronder locomotorische tekorten, degeneratie van dopaminerge neuronen, mitochondriële dysfunctie en α-syn-aggregatie in vliegen die de menselijke sequentie dragen15,16,17,18,19. Aan de andere kant worden verstoringen in de neuro-ontwikkeling en aberrante dopamine-signalering ook beschouwd als onderliggende oorzaken van aandoeningen zoals schizofrenie20. In overeenstemming hiermee is Drosophila gebruikt om schizofrenie-achtige symptomen te modelleren, waaronder hyperactiviteit, veranderde sensorische responsiviteit en verminderde arousal bij volwassen vliegen21,22,23,24,25. Samen tonen deze modellen aan dat Drosophila zowel de progressie van neurodegeneratieve aandoeningen als de ontwikkelingsherkomst van psychiatrische aandoeningen kan vatten.
Het koppelen van gedragsveranderingen in genetische modellen aan neurochemische veranderingen vereist nauwkeurige, reproduceerbare kwantitatieve metingen van BA's. Bovendien is monoamine-dysregulatie bij verschillende ziekten niet beperkt tot één enkel neurotransmittersysteem. In Pink1B9 mutante vliegen is de serotoninegehalte verlaagd en is de activiteit van de serotoninetransporteur aangetast voordat motorische dysfunctie optreedt26. Vroege farmacologische herstel van de serotonerge signalering voorkomt het daaropvolgende verlies van aangetaste dopaminerge neuronen in Pink1B9 mutante vliegen. Serotonerge veranderingen kunnen dus voorafgaan aan en causaal bijdragen aan dopaminerge pathologie, een relatie die onzichtbaar zou blijven voor gedragsmetingen of metingen van een enkele analyt. Evenzo worden veranderingen in het serotonerge systeem waargenomen in modellen voor schizofrenie22,27,28. Bovendien interageren de belangrijkste biogene amines in Drosophila op gedeeltelijk redundante en gedeeltelijk antagonistische wijze, waardoor de status van één systeem een slechte proxy is voor de andere29. Daarom is het kwantificeren van individuele BA's in deze modellen van essentieel belang.
Biogene aminen zijn elektrochemisch actieve monoaminen (bijv. catecholaminen, indoleaminen) die in lage nanomolaire tot femtomolaire concentraties in biologisch weefsel voorkomen, waardoor hun simultane detectie technisch uitdagend is30,31. Om vragen over de genetische en moleculaire basis van veranderingen in BA bij ziekten te beantwoorden, is een analytische methode nodig die in staat is om meerdere structureel vergelijkbare aminen te scheiden. Deze methode moet bovendien biologisch relevante concentraties kunnen detecteren in de kleine weefselvolumes die beschikbaar zijn uit preparaten van het centraal zenuwstelsel van Drosophila. Hoge-resolutie vloeistofchromatografie (HPLC) gekoppeld aan elektrochemische detectie (ECD) voldoet aan deze eisen. HPLC is een analytische techniek die de scheiding van verschillende moleculen binnen een monster mogelijk maakt op basis van hun fysisch-chemische kenmerken. Door het chromatografische systeem te koppelen aan een elektrochemische detector kan een snelle, hooggevoelige analyse van elektrochemisch actieve analyten, zoals biogene aminen, worden uitgevoerd. Elektrochemische detectoren werken door oxidatie te induceren zodra analyten uit de kolom komen, waarbij interacties aan het elektrode-oppervlak worden omgezet in een kwantificeerbaar elektrisch signaal. Andere technieken, zoals massaspectrometrie, kunnen een vergelijkbare selectiviteit en gevoeligheid bieden32,33. Echter, de lage kosten per monster en de betrouwbaarheid van HPLC-ECD maken het ideaal voor routineuze, toegankelijke detectie van biogene aminen in biologische onderzoekslaboratoria. Het combineren van deze techniek met de kracht van Drosophila-genetica maakt een snelle, eenvoudige analyse van de genetische en moleculaire basis van veranderingen in aminerge systemen mogelijk.
Deze studie maakt gebruik van een genetisch Parkinsonmodel gebaseerd op α-syn overexpressie om een protocol te presenteren voor het bepalen van verschillen in BA-gehalte in Drosophila hersenmonsters. Het artikel beschrijft daarnaast hoe deze benadering kan worden gebruikt om de moleculaire basis van hersenaandoeningen te bestuderen.