1. Obsługa zwierząt
W teście ChIn należy wykorzystać 3-dniowe larwy (3 dpf) pochodzące z krzyżówek grupowych homozygotycznych ryb podwójnie transgenicznych cldnB::GFP/lysC::DsRED2 oraz ryb linii AB (typ dziki). Zarodki należy zebrać drogą naturalnego tarła i hodować w temperaturze 29 °C w medium E3 (5 mM NaCl, 0.17 mM KCl, 0.33 mM CaCl2, 0.33 mM MgSO4 oraz 0.1% błękitu metylenowego, z pH dostrojonym do 7.0) w szalkach Petriego. Niezbędne jest utrzymanie gęstości zarodków nieprzekraczającej 50-70 sztuk na szalkę.
2. Sortowanie larw
Wszystkie larwy należy sprawdzić pod stereomikroskopem fluorescencyjnym pod kątem ekspresji fluorescencyjnego reportera, spontanicznych stanów zapalnych oraz prawidłowego rozwoju związanego z wiekiem.
3. Przygotowanie pożywki przesiewowej (zawsze przygotowywać świeżą)
Przygotować pożywkę E3 bez błękitu metylenowego, uzupełnioną o DMSO (stężenie końcowe 1%) i MS222 (0,05 g/l).
4. Przygotowanie CuSO4 (zawsze przygotowywać świeże)
Najpierw odważ CuSO4 (Mr=159.6 g/mol) i przygotuj 20 mM roztwór stokowy w dH2O. Przygotuj 120 μM roztwór roboczy CuSO4 (z 20 mM roztworu stokowego) w E3/DMSO(1%)/MS-222. Roztwór CuSO4 należy chronić przed światłem.
5. Przygotowanie płytki 384-dołkowej (płytka mikrotitracyjna Greiner 384-dołkowa)
Za pomocą pipety automatycznej z funkcją odsysania (reverse pipette) nanieś 20 μl roztworu E3/DMSO(1%)/MS-222 do każdej studni. Aby ostrożnie manipulować embrionami bez powodowania obrażeń, konieczne jest poszerzenie otworu końcówki pipety, co osiąga się poprzez odcięcie końcówki do średnicy 2 mm. Przenieś pojedynczą larwę w 74 μl medium do każdej studni (84 μl dla kontroli nietraktowanej). W razie potrzeby ustaw larwy w pozycji bocznej w studni, używając elastycznej końcówki do mikroładowania Eppendorf Microloader Pipette Tip (Eppendorf; 5242 956.003).
Wszystkie poniższe etapy dozowania cieczy należy przeprowadzić przy użyciu robotycznej stacji do obsługi cieczy, aby zapewnić jednoczesne traktowanie wszystkich larw.
6. Leczenie farmakologiczne
Zmieszaj związki w płytce ze stokami leków, pipetując w górę i w dół 5 razy. Dodaj 16 μl 7,5X stoku leku z płytki do każdej studni i zmieszaj 5 razy. Dostosuj pozycję końcówki w studniach, aby zapobiec uszkodzeniu larw, i dozuj medium z prędkością 10 μl/s. Zmieszaj medium w studniach 4 razy, aby zapewnić jednorodne rozprzestrzenienie leku w studni.
7. Inkubacja
Inkubować płytkę przesiewową przez 1 h w temperaturze 29 °C, przykrywając ją folią aluminiową w celu ochrony związków oraz CuSO4 przed światłem.
8. Chemiczne wywołanie ran
Do każdego dołka, z wyjątkiem kontroli negatywnych, należy dodać 10 μl roztworu roboczego CuSO4 o stężeniu 120 μM, wymieszać 4 razy i ponownie inkubować przez 1 h w temperaturze 29 °C.
9. Płukanie
Odssać i wymienić 80 μl pożywki z każdej studni dwukrotnie (w krokach po 20 μl), aby usunąć związki oraz CuSO4.
10. Akwizycja obrazów
Rozpocznij akwizycję obrazów za pomocą odwróconego mikroskopu zautomatyzowanego (np.: Olympus scan^R) 90 minut po początkowej ekspozycji na miedź. Ustaw początkowy poziom z tak, aby neuromasty z prawej i lewej tylnej linii bocznej były widoczne. Wykonuj zdjęcia każdej studzienki raz na godzinę w kanałach brightfield, Cy3 i GFP w 4 płaszczyznach ogniskowych (odległość 50 μm), używając obiektywu 4x (N.A. = 0.13).
Dodatkowe informacje na temat przetwarzania obrazów i danych są dostępne na żądanie.
11. Przetwarzanie obrazów
1. Sortowanie danych
Surowe obrazy są przetwarzane za pomocą naszego autorskiego skryptu oprogramowania LabView. Pierwszą operacją w potoku przetwarzania obrazów jest sortowanie surowych obrazów z folderu danych wygenerowanych przez mikroskop według kanału, studzienki oraz punktu czasowego.
2. Rozszerzony zakres ostrości
Następnie oprogramowanie tworzy obrazy o rozszerzonym zakresie ostrości z 4 płaszczyzn ogniskowych dla każdego z kanałów.
3. Nakładka RGB
W ostatnim kroku obrazy z rozszerzonym zakresem ostrości z 3 kanałów są łączone, aby uzyskać końcowy obraz z nałożoną warstwą RGB.
4. Automatyczna detekcja neuromastów
Narzędzie do rozpoznawania wzorców (LabView Rapid IA prototyping tool) identyfikuje neuromasty w obrazach z nałożoną warstwą RGB i tworzy empirycznie zdefiniowany obszar zainteresowania wokół neuromastów.
5. Ilościowe oznaczenie
W ramach empirycznie zdefiniowanego obszaru zainteresowania wokół uszkodzonych neuromastów zliczane są czerwone fluorescencyjne leukocyty (reprezentowane przez czerwone piksele), co daje główny wynik w postaci procentu absolutnego obszaru leukocytów (Paol). Średnio 95,27 ± 2,11% (FDA1) i 95,12 ± 1,56% (FDA2) studzienek (larw) zostało wykrytych prawidłowo i następnie poddanych dalszemu przetwarzaniu danych. Surowe dane wyjściowe (Paol dla każdego wykrytego neuromastu) są przechowywane w pliku txt i stanowią dane wejściowe dla skryptów MATLAB, które przetwarzają surowe dane w dalszej kolejności.
12. Przetwarzanie danych
1. iMaps
Ocena sukcesu poszczególnych eksperymentów poprzez wizualizację graficzną surowych danych wyjściowych Paol w kodzie kolorystycznym może zostać zrealizowana za pomocą tzw. map zapalnych (iMaps) (Rysunek 2). Jasnozielony kolor odzwierciedla wysoki początkowy wskaźnik zapalny; kolor czarny oznacza brak stanu zapalnego. Ten szybki przegląd umożliwia błyskawiczną identyfikację nieudanych eksperymentów, które mogą następnie zostać wykluczone z dalszych analiz danych.
2. Wyznaczanie średniej dla kontroli
Każda płyta eksperymentalna zawiera 320 związków, reprezentujących pojedynczy punkt danych dla każdego związku i punktu czasowego, a także odpowiednio 32 kontrole pozytywne i negatywne. Wyciągnięto średnią z 32 powtórzeń kontrolnych i obliczono odchylenie standardowe. W przypadku kontroli uwzględniono jedynie punkty danych mieszczące się w zakresie 2 odchyleń standardowych.
3. Normalizacja
Normalizację przeprowadza się za pomocą analizy w arkuszu kalkulacyjnym. Średnią wartość dla DMSO, pełniacego rolę kontroli negatywnej, przyjmuje się za 0, natomiast najwyższą średnią wartość Paol dla kontroli miedzi przyjmuje się za 1, tak aby maksymalna różnica między kontrolą pozytywną a negatywną wynosiła 1. Wartość Paol dla każdego związku jest interpolowana lub ekstrapolowana liniowo względem odpowiednich kontroli na płytce eksperymentalnej.
4. Odczyt końcowy: Indeks zapalny
Po przeprowadzeniu odpowiedniej liczby powtórzeń eksperymentów (tzn. 15), uśrednia się znormalizowane surowe dane z powtórzeń, co pozwala uzyskać końcowy odczyt – indeks zapalny. Początkowy indeks zapalny dla kontroli miedzi wynosi 100% dla punktu czasowego zero i odpowiada momentowi rozpoczęcia akwizycji obrazu (90 minut po początkowej obróbce miedzią).
5. Dopasowanie monotonicznej regresji wykładniczej
Ze względu na ustępowanie stanu zapalnego w czasie, przeprowadzamy monotoniczną nieliniową regresję wykładniczą względem początkowego stanu zapalnego, stosując
- a0 jest miarą odpowiedzi początkowej w t=0, a a1 odnosi się do nachylenia amplitudy w czasie.
6. Wykres 2-wymiarowej przestrzeni cech (Rysunek 4)
W celu wygenerowania przestrzeni cech zastosowano regresję nieliniową, a analiza skupień podzieliła przestrzeń cech na regiony charakterystyczne, co pozwoliło na zautomatyzowaną identyfikację interesujących kandydatów z różnych kategorii immunomodulacyjnych (przeciwzapalnych, anty-rezolucyjnych, prozapalnych, pro-rezolucyjnych). Wszystkie związki zostały przedstawione na wykresie 2-D w oparciu o parametry a0 oraz a1.
13. Przetwarzanie i przechowywanie danych
Nasze procedury obsługi danych tworzą strony internetowe służące do wizualizacji i reprezentacji takich przesiewów leków, zapewniając szybki przegląd wyników etapów przetwarzania obrazów i danych, a także szczegółowy widok na żądanie użytkownika10. Zintegrowano również miękkie linki do innych odpowiednich, heterogenicznych baz danych biologicznych i chemicznych, aby zapewnić cenny zasób do badań porównawczych i nowatorskich11. Dzięki tym procedurom ustanowione zostają właściwe standardy danych i metainformacje niezbędne do długoterminowego przechowywania tych danych.
14. Reprezentatywne wyniki
W badaniu pilotażowym przeanalizowano bibliotekę składającą się z 640 zatwierdzonych przez FDA znanych związków bioaktywnych pod kątem ich wpływu na inicjację, progresję lub ustępowanie granulocytowej odpowiedzi zapalnej. Na podstawie zaobserwowanych efektów sklasyfikowano 4 typy fenotypów immunomodulujących, które mogą wskazywać na różne mechanizmy działania: przeciwzapalne (1), przeciwustępowe (2), prozapalne (3) oraz proustępowe (4), które można opisać parametrami a0 i a1 wynikającymi z monotonicznego dopasowania regresji nieliniowej (eao+alx-) do stanu początkowego zapalenia. A0 reprezentuje wielkość odpowiedzi zapalnej, natomiast a1 charakteryzuje nachylenie krzywej, a tym samym opisuje ustępowanie stanu zapalnego. Przedstawienie wszystkich związków na dwuwymiarowym wykresie cech (a1 vs. a0) pozwala na zautomatyzowaną identyfikację potencjalnych kandydatów z różnych kategorii immunomodulacyjnych (Rysunek 3).
45 z 640 związków wykazało istotny efekt przeciwzapalny, redukując początkowy indeks zapalny do 50% lub mniej. W tej kategorii zidentyfikowano 6 związków należących do farmakologicznej klasy niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ), co potwierdziło poprawność zastosowanego podejścia. Jednakże NLPZ nie znalazły się w grupie najsilniejszych leków przeciwzapalnych. Poza NLPZ zidentyfikowano kilka dodatkowych klas leków farmakologicznych, takich jak na przykład blokery receptora angiotensyny (ARB), antybiotyki oraz inhibitory pompy protonowej.
7 związków spełniło empirycznie określone kryteria progowe dla potencjalnych leków proresolutionowych.
18 leków wywołało efekt prozapalny, co skutkowało zwiększoną rekrutacją leukocytów do uszkodzonych neuromastów w porównaniu z kontrolami pozytywnymi.
Tylko 2 związki zapobiegły terminowemu ustąpieniu odpowiedzi zapalnej.
Przeciwzapalny efekt kilku kandydatów typu „hit” (reprezentatywnych związków z wyżej wymienionych klas leków farmakologicznych) z badania pilotażowego został potwierdzony w sposób zależny od dawki w kolejnych wtórnych testach ChIn (dane nie pokazano). Ponowne przetestowanie 4 potencjalnych leków pro-rozdzielczych nie potwierdziło wskazanego mechanizmu działania zaobserwowanego w badaniu pierwotnym. 2 z leków wykazały niewielki potencjał przeciwzapalny przy wyższych stężeniach (20 μM). Trzeci lek wykazał marginalny, niezależny od dawki efekt przeciwzapalny przy stężeniach leku w zakresie od 5 - 20 μM. Czwarty lek nie wywarł żadnego wpływu na odpowiedź zapalną przy przetestowanych stężeniach.

Rycina 1. Schemat procedury testu ChIn. Transgeniczne larwy cldnB::GFP/lysC::DsRED2 (3 dpf) są ręcznie rozmieszczane w 384-dołkowych płytkach mikrotitracyjnych z podziałem na poszczególne związki. Leki są dodawane jednocześnie do każdego dołka za pomocą stacji roboczej do dozowania cieczy Zephyr Compact Liquid Handling Workstation. Płytki testowe są następnie inkubowane przez 1 h w temperaturze 29 °C. Traktowanie roztworem CuSO4 (stężenie końcowe 10 μM) przez 1 h powoduje uszkodzenie tkanek i inicjuje ostrą odpowiedź zapalną. Na koniec roztwór miedzi oraz leki są wypłukiwane, a następnie rozpoczyna się zautomatyzowane pozyskiwanie obrazów (90 minut po początkowym traktowaniu miedzią).

Rysunek 2. Przegląd surowych obrazów. Rysunek przedstawia surowe obrazy z 4 płaszczyzn ogniskowych (Z=0 - 3) w odstępach 50 μm odpowiednio w kanałach Cy3 (lewo) i GFP (prawo). Strzałki (Z=1,2) wskazują przykładowe neuromasty, groty strzałek (Z=1,2) wskazują skupiska leukocytów wokół neuromastów.

Rysunek 3. Mapy stanu zapalnego (iMaps). Sukces poszczególnych eksperymentów można ocenić na podstawie iMaps odzwierciedlających odpowiedź zapalną (surowe dane) za pomocą kodu kolorystycznego: jasny zielony oznacza silną początkową odpowiedź zapalną; kolor czarny wskazuje brak stanu zapalnego. iMaps w punkcie czasowym 0 (lewo) oraz w punkcie czasowym 5 (prawo) wyraźnie pokazują, czy eksperyment powinien zostać uwzględniony w dalszej analizie danych. Kontrole miedziowe (wiersz 13 i 24) pojawiają się w różnych odcieniach zieleni, podczas gdy studzienki kontrolne DMSO (wiersz 1 i 12) mają kolor ciemnozielony lub czarny. W punkcie czasowym 5 stan zapalny w kontrolach miedziowych jest prawie całkowicie wygaszony, co objawia się ciemnymi odcieniami zieleni lub czernią. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.

Rycina 4. Dwuwymiarowy wykres przestrzeni cech dla 320 związków z biblioteki zatwierdzonej przez FDA oraz ich odpowiednich kontroli. Wszystkie studzienki ze związkami można przedstawić na dwuwymiarowym wykresie przestrzeni cech w oparciu o parametry a0 oraz a1, które wynikają z dopasowania regresją nieliniową (
) względem stanu zapalenia początkowego. Ten wykres przestrzeni cech umożliwia zautomatyzowaną identyfikację interesujących kandydatów należących do jednej z czterech następujących kategorii immunomodulacyjnych, które mogą wskazywać na mechanizm działania leków: przeciwzapalna (1), przeciwrozdzielcza (2), prozapallna (3) i prorozdzielcza (4). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną rycinię.