Evaluatie van de toxiciteit van chemicaliën met behulp van een Zebrafish Vibration Startle Response Screening System
12 januari 2024
We beschrijven de workflow en data-analyse van een screeningssysteem voor het evalueren van de toxiciteit van chemische verbindingen op basis van de schrikreactie van zebravisembryo's. Het systeem registreert de bewegingen van zebravisembryo's bij blootstelling aan een trillingsstimulus en maakt een geïntegreerde evaluatie van algemene toxiciteit/letaliteit en neuromusculaire toxiciteit mogelijk.
Bij het screenen van chemische stoffen op toxiciteit is een huidige experimentele uitdaging het bepalen van toxische effecten in vivo, rekening houdend met de complexiteit van een heel organisme, en dit op een snelle high-throughput manier. Door gebruik te maken van een gedragsuitlezing die de ontsnappingsreactie van zebravisembryo's op een trillingsstimulus volgt, stelt ons systeem ons in staat om verbindingen te identificeren die interfereren met de neurale of spierfunctie. Omdat dode embryo's niet bewegen, vangen we ook verbindingen op die dodelijkheid veroorzaken door niet-specifieke toxiciteit.
Het door ons gepresenteerde systeem kan voor een bescheiden prijs worden gebouwd en is aanpasbaar. Het is ook gemakkelijk te onderhouden en alle onderdelen kunnen worden vervangen. We gebruiken momenteel het schriktestsysteem binnen het PrecisionTox Consortium om een dosis chemische verbindingen te bepalen voor OMICS-gegevensverzameling.
De gegevens worden gegenereerd over vijf modelorganismen en menselijke cellijnen. Ze zullen worden gebruikt om toxiciteitsroutes en biomarkers af te leiden voor het voorspellen van menselijke toxiciteit.
Overzicht
Deze studie evalueert de toxiciteit van chemische verbindingen met behulp van de vibratie-schrikreactie van zebrafish-embryo's. Door de bewegingen van de embryo's als reactie op vibratiestimuli te monitoren, beoordeelt het systeem de neuromusculaire toxiciteit en de algemene letaalheid van diverse verbindingen.
Belangrijkste studiecomponenten
Onderzoeksgebied
- Toxiciteitsscreening
- Neurotoxicologie
- Ontwikkelingsbiologie
Achtergrond
- In vivo screening van toxiciteit is uitdagend vanwege de complexiteit van organismen.
- Zebravisembryo's bieden een geschikt model voor het evalueren van chemische effecten.
- Dit werk maakt deel uit van inspanningen om toxiciteitspaden af te leiden voor voorspellingen bij mensen.
Gebruikte methoden
- Gedragsassays om de schrikreactie van zebravissenembryo's te meten.
- Embryo's worden geïncubeerd en blootgesteld aan verschillende concentraties van testchemicaliën.
- Data-analyse via visualisatie van bewegingsreacties en berekeningen van benchmarkconcentraties.
Belangrijkste resultaten
- Verbindingen geïdentificeerd die de beweeglijkheid verminderen en lethaliteit veroorzaken.
- De referentieconcentratie voor specifieke toxiciteiten gekwantificeerd.
- Aangetoond dat het systeem aanpasbaar en kostenefficiënt is.
Conclusies
- Het systeem identificeert toxische verbindingen efficiënt via een eenvoudige en reproduceerbare assay.
- Draagt bij aan het begrip van chemische toxiciteitspaden die relevant zijn voor zowel zebravissen als mensen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
High-throughput in vivo toxiciteitsscreening blijft een kritiek knelpunt bij vroege geneesmiddelenontdekking en chemische veiligheidsbeoordelingen. Het systeem voor de trillingsschrikreactie bij zebravis maakt een snelle, kwantitatieve evaluatie van neuromusculaire en algemene toxiciteit mogelijk, wat het voorspellend vertrouwen ondersteunt tijdens de fasen van targetvalidatie en lead-triage. Het modulaire, schaalbare ontwerp sluit aan bij de behoeften van organisaties op het gebied van reproduceerbaarheid, kostenefficiëntie en translationele relevantie over diverse verbindingenportefeuilles.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt functionele analyse van neuromusculaire toxiciteit en letaliteit in een context van het gehele organisme mogelijk.
- Ondersteunt biologische risicoreductie door specifieke neuroactieve effecten te onderscheiden van algemene cytotoxiciteit.
- Vergemakkelijkt voorspellend vertrouwen in target engagement en veiligheidsrisico's door off-target effecten.
Screening & assayontwikkeling
- Biedt een gestandaardiseerde gedragstest voor kwantitatieve, reproduceerbare toxiciteitsmetingen.
- Zorgt voor schaalbare doorvoer via modulaire assemblage en geautomatiseerde videocapture.
- Maakt een robuuste evaluatie van verbindingen mogelijk voor zowel acute als subletale toxische effecten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Sluit aan bij multi-species OMICS-workflows voor de elucidatie van toxiciteitspaden.
- Ondersteunt de ontdekking van biomarkers en translationele continuïteit tussen verschillende soorten.
- Informeert risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling door het integreren van toxiciteitsgegevens op organisme-niveau.
Pipeline- & workflowintegratie
Deze op zebravis gebaseerde assay slaat een brug tussen vroege ontdekkingsfasen en preklinische veiligheidsworkflows, waardoor bruikbare toxiciteitsgegevens worden geleverd voorafgaand aan studies bij zoogdieren.
- Ontdekkingsbiologie: Kwantificeert gedragsfenotypes om mechanistische toxiciteit en betrokkenheid van signaalpaden te verduidelijken.
- Screening: Biedt reproduceerbare high-content output voor de triage en prioritering van verbindingen.
- Analytiek: Genereert benchmarkconcentratiewaarden en immobiliteitscijfers voor comparatieve analyse.
- Translationeel onderzoek: Integreert met OMICS- en multi-modelorganisme-pipelines voor de voorspelling van menselijke toxiciteit.
- Herbruikbaarheid op bedrijfsniveau: Het modulaire systeemontwerp ondersteunt adaptatie over diverse screening- en veiligheidsplatformen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij toxiciteitsbeoordelingen.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerde, schaalbare en kosteneffectieve screeningscapaciteit.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen en vermindert uitval in een laat stadium als gevolg van onvoorziene toxiciteit.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering en efficiënte toewijzing van middelen over ontdekkingsprogramma's mogelijk.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in de houderij en gedragsfenotypering van zebravissen.
- Basisbeeldvormingsinfrastructuur en data-analyse-instrumenten zijn nodig (bijv. VirtualDub, KNIME met R-scripts).
- Standaardisatie tussen teams is vereist voor de opzet van de assay en de scorecriteria.
- Aanpasbaar aan diverse verbindingsklassen en blootstellingsparadigma's.
- De robuustheid van de assay kan worden beïnvloed door de kwaliteit van de embryo's en ontwikkelingsvariabiliteit.
