Celem tego protokołu jest zmierzenie czasu przejścia fluorescencyjnie znakowanego pokarmu przez jelita larw danio pręgowanego w sposób wysokoprzepustowy.
Artykuł metodologiczny
Celem tego protokołu jest zmierzenie czasu przejścia fluorescencyjnie znakowanego pokarmu przez jelita larw danio pręgowanego w sposób wysokoprzepustowy.
Danio pręgowany są używane jako alternatywne organizmy modelowe do testowania bezpieczeństwa leków. Przewód pokarmowy (GI) danio pręgowanego ma genetyczne, neuronalne i farmakologiczne podobieństwa do ssaków. Nietolerancja przewodu pokarmowego podczas badań klinicznych potencjalnych leków jest powszechna i może stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego. Testy toksyczności przewodu pokarmowego w przedklinicznych modelach ssaków mogą być kosztowne pod względem czasu, badanego związku i pracy. Przedstawiona tutaj metoda wysokoprzepustowa może być wykorzystana do przewidywania problemów związanych z bezpieczeństwem przewodu pokarmowego. W porównaniu z modelami ssaków, metoda ta pozwala na bardziej celową ocenę wpływu badanego związku na tranzyt przewodu pokarmowego przy użyciu niewielkich ilości związku. W tej metodzie larwy danio pręgowanego (7 dni po zapłodnieniu) są karmione pokarmem zawierającym fluorescencyjną etykietę. Po karmieniu każdą larwę ryby umieszcza się w studzience z 96-stożkową płytką denną i dozuje się jej badany związek (rozpuszczony w wodzie) lub nośnik. Gdy zachodzi pasaż jelitowy, kał gromadzi się na dnie studzienek, a szybkość, z jaką to się dzieje, jest monitorowana poprzez wielokrotny pomiar fluorescencji z dna studzienki w czasie za pomocą spektrofotometru płytkowego. Fluorescencja larw w danej grupie badanej jest uśredniana, a wartości te są przedstawiane na wykresie wraz z błędem standardowym, dla każdego czasu pomiaru, co daje krzywą reprezentującą średni tranzyt pokarmu w czasie. Wpływ na czas pasażu jelitowego określa się, porównując obszar pod krzywą dla każdej grupy leczonej z obszarem w grupie leczonej nośnikiem. W ramach tej metody wykryto zmiany w czasie pasażu przewodu pokarmowego danio pręgowanego wywołane przez leki o znanym klinicznym działaniu przewodu pokarmowego; może być stosowany do badania dziesiątek metod leczenia skutków przewodu pokarmowego dziennie. W związku z tym bezpieczniejsze związki mogą być szybko traktowane priorytetowo w testach na ssakach, co przyspiesza odkrycia i zapewnia postęp w zakresie 3R.
Danio rerio) są używane do modelowania biologii kręgowców i przewidywania toksyczności i/lub skuteczności leków; nowe zastosowania w tych dziedzinach pojawiają się każdego roku. Zalety danio pręgowanego w porównaniu z modelami ssaków obejmują ich płodność, niewielkie rozmiary i przezroczystość poprzez organogenezę. Danio pręgowany jest używany do przewidywania ostrej toksyczności kandydata na lek, a także do oceny wpływu związku na czynność narządów, np. sercowych, ocznych, żołądkowo-jelitowych (GI)1,2. Rozwój i fizjologia danio pręgowanego są pod wieloma względami podobne do tych u ssaków3 i 80% genów związanych z chorobami człowieka ma homolog danio pręgowanego4.
Przewód pokarmowy zebry ma podobną fizjologię do przewodu pokarmowego ssaków, ale ma prostszą architekturę5. Danio pręgowany nie ma żołądka; Opuszka jelita przedniego działa jak magazyn żywności. Ekspresja genów w jelicie danio pręgowanego ma wiele podobieństw do ekspresji ssaków5. Podobnie jak u ssaków, jelitowy układ nerwowy danio pręgowanego kontroluje ruchliwość jelit, a unerwienie jelit odzwierciedla unerwienie innych kręgowców6,7. Opierając się na tych podobieństwach, badano zaburzenia czynnościowe jelita ludzkiego u danio pręgowanego, przy użyciu metod pochodzących z modeli ssaków8.
Nietolerancja przewodu pokarmowego podczas testów klinicznych kandydatów na leki jest powszechna i może stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego. Przegląd programów w dużej firmie farmaceutycznej w latach 2005–2010 wykazał, że bezpieczeństwo przewodu pokarmowego jest główną przyczyną zakończenia 9% badań klinicznych9. Testy toksyczności przewodu pokarmowego w przedklinicznych modelach ssaków mogą być kosztowne pod względem czasu, związku i pracy. Predykcyjny, wysokoprzepustowy test tranzytu przewodu pokarmowego może zapewnić elastyczność w testowaniu toksyczności związków i zapewnić wpływ 3R. Nowatorska metoda oferująca taki test została przedstawiona w opisanym w niniejszym dokumencie protokole. Ten wysokoprzepustowy test może być stosowany na wczesnym etapie opracowywania leków w celu ustalenia priorytetów kandydatów i przyczynienia się do zmniejszenia liczby testów bezpieczeństwa przewodu pokarmowego u większych gatunków.
Wszystkie opisane tutaj metody zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) AbbVie.Abbvie działa na podstawie Przewodnika Narodowego Instytutu Zdrowia dotyczącego Opieki i Użytkowania Zwierząt Laboratoryjnych w obiekcie akredytowanym przez Stowarzyszenie Oceny i Akredytacji Opieki nad Zwierzętami Laboratoryjnymi (AAALAC). W badaniach tych nie zaobserwowano żadnych obaw związanych ze zdrowiem zwierząt.
1. Hoduj dorosłe danio pręgowane i zbieraj zarodki
2. Trenuj larwy, aby żywiły się za pomocą niebarwionego jedzenia
3. Przygotuj fluorescencyjne jedzenie na 6 dpf i nakarm larwy na 7 dpf
4. Przygotuj skoncentrowane roztwory dozujące badanych związków
5. Przenieś larwy na 96-dołkową płytkę i zastosuj zabiegi
6. Zmierz początkową i późniejszą fluorescencję z każdej studni
7. Analizuj dane
UWAGA: Tutaj obliczamy akumulację na studnię i średnie grupowe dla każdego punktu czasowego.
Ta metoda, wykorzystująca spektrofotometrię w płytkach do oceny pasażu w przewodzie pokarmowym (GI), może służyć jako wysokoprzepustowa alternatywa dla mikroskopii fluorescencyjnej, która jest metodą o niższej przepustowości służącą do oceny tej samej funkcji (Rysunek 1). Aby uzyskać dane przedstawione na Rysunku 1, u ryb traktowanych w identyczny sposób przeanalizowano pasaż w przewodzie pokarmowym za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej (pokazano reprezentatywne obrazy) lub spektrofotometrii w 4 punktach czasowych: 0, 4, 8 i 24 h po podaniu dawki; porównanie danych z tych eksperymentów dało silnie skorelowane wyniki (regresja liniowa danych r2 = 0,95). Regresja liniowa ma ujemny nachylenie, ponieważ mikroskopia mierzy zatrzymany sygnał fluorescencji, a spektrofotometria mierzy sygnał przesunięty.
Wpływ związków o odmiennych mechanizmach działania, o dobrze udokumentowanej aktywności w obrębie przewodu pokarmowego u ludzi, można wykryć u danio pręgowanych za pomocą testu spektrofotometrycznego (Rycina 2). W porównaniu z kontrolą traktowaną nośnikiem, atropina (4.2 µM) i amitryptylina (5 µM) spowolniły pasaż w przewodzie pokarmowym, podczas gdy tegaserod (3.3 µM) i metoklopramid (33 µM) przyspieszyły czas pasażu. Erytromycyna (14 µM), od której oczekiwano przyspieszenia czasu pasażu, nie wywołała żadnego efektu w pomiarach wykonanych tą metodą. Wielkość grup traktowanych wynosiła 24 przed usunięciem danych z larw z brakiem sygnału lub sygnałem bardzo niskim. Wartość AUC dla średniego sygnału w poszczególnych punktach czasowych była porównywana między grupami traktowanymi związkami a grupami traktowanymi nośnikiem przy użyciu testu Tukey's Honestly Significant Difference w celu kontroli błędu typu 1. Efekty uznano za istotne statystycznie tylko wtedy, gdy p ≤ 0.05. Stężenia zastosowane w powyższych badaniach stanowiły maksymalne dawki tolerowane, określone w poprzednim eksperymencie i zdefiniowane jako najwyższa dawka, przy której nie zaobserwowano niepożądanych efektów w badaniu makroskopowym.
Analiza spektrofotometryczna pozwala na pomiar efektów zależnych od dawki związków chemicznych. Rycina 3 przedstawia dane wykazujące, że atropina spowalnia pasaż żołądkowo-jelitowy u larw danio-ostroleśnych w sposób zależny od dawki. Najniższa przetestowana dawka atropiny, 0,042 µM, nie wywarła istotnego wpływu, podczas gdy dwie wyższe stężenia miały każda istotny wpływ, przy czym 0,42 µM oddziaływało słabiej niż 4,2 µM.
Nowy test można ocenić poprzez badanie kontroli pozytywnych i negatywnych, czyli związków znanych odpowiednio jako aktywne i nieaktywne w badanym układzie (w tym przypadku układem docelowym jest pasaż przewodu pokarmowego ssaków). W teście spektrofotometrycznym zbadzono 18 kontroli aktywnych (pozytywnych) i 6 kontroli nieaktywnych (negatywnych). Na podstawie tych eksperymentów wykazano, że test spektrofotometryczny ma wysoką wartość predykcyjną dodatnią (90,9%), ale niską czułość (55,6%) i wartość predykcyjną ujemną (38,5%). Wartości te wynikają z danych przedstawionych w Tabeli 1. W praktyce odzwierciedlają one fakt, że jeśli czas pasażu u rybek zebrafish jest pod wpływem zastosowanej terapii, prawdopodobny jest również wpływ na pasaż u ssaków. Jednak brak wpływu na czas pasażu u rybek zebrafish nie pozwala przewidzieć efektu u ssaków.

Rysunek 1: Transport fluorescencyjnego pokarmu jest wykrywany jako utrata sygnału w obrazowaniu mikroskopowym oraz odpowiadający jej przyrost sygnału w spektrofotometrii płytek wielodołkowych. (A) Reprezentatywne obrazy mikroskopowe z analizy wpływu atropiny (4.2 µM) na czas pasażu w przewodzie pokarmowym. (B) Średni sygnał wyznaczony z obrazów mikroskopowych wykazuje wysoką (ujemną) korelację z sygnałem z wydalonych odchodów (spektrofotometria) u ryb poddanych identycznemu traktowaniu. Dane z ryb traktowanych atropiną zaznaczono kolorem czerwonym. Rysunek przedrukowano za zgodą Cassar et al.11. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Analiza akumulacji sygnału fluorescencyjnego w czasie na płytce wielodołkowej pozwala zidentyfikować zabiegi zmieniające tempo pasażu przewodu pokarmowego. Gwiazdka (*) oznacza AUC istotnie różniące się od ryb traktowanych placebo. Słupki błędów reprezentują błąd standardowy średniego sygnału dla larw w grupie badawczej w każdym punkcie czasowym. Rycina ta została ponownie wykorzystana za zgodą Cassar et al.11. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rysunek 3: Atropina w sposób zależny od dawki spowalnia czas pasażu jelitowego u danio przebraniego, co odzwierciedla fluorescencyjna spektrofotometria akumulacji kałowej w czasie. Gwiazdka (*) oznacza AUC istotnie różną od wartości u ryb traktowanych placebo. Słupki błędów przedstawiają standardowy błąd średniej dla sygnału larw w grupie badawczej w poszczególnych punktach czasowych. Rysunek ten został powielony za zgodą Cassar et al.11. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Tabela 1: Aktywność GI 24 związków u ssaków i ryb. Tabela ta została powtórzona za zgodą Cassar et al.11.
Zaprezentowana tutaj nowatorska metoda spektrofotometrii do pomiaru czasu przejścia przewodu pokarmowego larw danio pręgowanego jest skutecznym testem, który może przewidywać wpływ leczenia na funkcję przewodu pokarmowego ssaków. Chociaż test ma niską czułość, ma wysoką dodatnią predykcję, co jest dopuszczalne w przypadku testów pierwszego poziomu stosowanych w celu zmniejszenia liczby potencjalnych terapii w oparciu o toksyczność12. Ta metoda jest łatwiejsza do wykonania, ma większą przepustowość i wykorzystuje mniej etapów obsługi zwierząt niż mikroskopia fluorescencyjna.
Metoda ta wiąże się z wyzwaniami technicznymi. Łapanie pojedynczych larw po podaniu fluorescencyjnego pokarmu i przeniesieniu ich do poszczególnych studzienek jest na początku trudne. Jednak przy odrobinie wprawy wykwalifikowany technik może napełnić 96-dołkową płytkę w mniej niż 15 minut. Jeśli w danym punkcie czasowym płytka zostanie przypadkowo wstrząśnięta, a kał oderwie się od dna studzienek przed odczytem, nagromadzenie będzie się wydawało zmniejszać. Można tego uniknąć, ostrożnie przesuwając płytkę(a), bez potrząsania. Z naszego doświadczenia wynika, że normalny ruch, w tym zmotoryzowana szuflada spektrofotometru płytkowego, nie zakłócił testu. Czytniki płytek wyposażone w grzałkę (tj. płytka nie musi być wkładana z powrotem do inkubatora między pomiarami) i umieszczone w pobliżu stanowiska laboratorium testowego mogły optymalizować pod kątem mniejszego prawdopodobieństwa zakłóceń, ale z naszego doświadczenia wynika, że nie było to konieczne.
Wczesne próby metody nie obejmowały karmienia w dniach poprzedzających test. Bez tych "praktycznych" żerów mniejsza liczba larw spożywała wystarczającą ilość fluorescencyjnego pokarmu w czasie dozwolonym przed zastosowaniem leku. W tych próbach różnice w obrębie grup leczonych były większe, a więcej danych nie nadawało się do użytku z powodu niskiej akumulacji sygnału lub jej braku w czasie. Nawet przy praktykowanym karmieniu niektóre larwy nie spożywają wystarczających ilości fluorescencyjnego pokarmu, wykluczenie danych z tych larw zmniejsza zmienność w obrębie grup i zwiększa zdolność do identyfikacji efektów leczenia. Rozpoczęcie od większych rozmiarów grup (tj. 24 w porównaniu z 12) pozwala na uzyskanie wystarczającej liczby larw wnoszących użyteczne dane do analizy.
Mikroskopia fluorescencyjna ujawnia, że tranzyt pokarmowy był prawie zakończony przez 24 godziny u larw leczonych atropiną (nie pokazano), jednak dane z mikropłytek z końcowego punktu czasowego odzwierciedlają niższy sygnał końcowy w grupie atropiny w porównaniu z grupą nośnika. I odwrotnie, wyższa końcowa fluorescencja mikropłytek była związana z zabiegami, które przyspieszyły czas przejścia, mimo że larwy leczone nośnikiem najwyraźniej opróżniły swój przewód pokarmowy przed ostatecznym punktem czasowym. Opierając się na losowym przypisaniu do leczenia larw karmionych pokarmem fluorescencyjnym, zakładamy równoważne spożycie pokarmu fluorescencyjnego, średnio, w różnych grupach badanych. Biorąc to pod uwagę i opierając się na wzorcach opisanych powyżej, fluorescencja z kału zmniejsza się wraz z czasem spędzonym w przewodzie pokarmowym larwy lub szybszym tranzytem w jakiś sposób dodaje fluorescencji kałowi. Rzeczywista przyczyna jest nieznana i nie została zbadana, jednak test nadal jest w stanie zmierzyć i porównać czas pasażu między grupami.
Jednym z zastosowań jest zastosowanie tej metody w wykrywaniu toksycznych skutków przewodu pokarmowego ze związków małocząsteczkowych. Inne możliwe zastosowania obejmują modelowanie chorób (np. zespołu jelita drażliwego) i odkrywanie nowych terapii dla takich chorób lub odkrywanie związków prokinetycznych. Ponadto, w połączeniu z modelami transgenicznymi, metoda ta może być wykorzystana do zbadania roli genów w prawidłowym tranzycie przewodu pokarmowego, a także w zaburzeniach tranzytu, w tym niedoborze neuronów jelitowych. Larwa danio pręgowanego oferuje platformę całego organizmu w skali zbliżonej do hodowli komórek, ale ponieważ w danio pręgowanym istnieje wiele tkanek i niezliczonych typów komórek funkcjonujących razem, za pomocą tego modelu można zadawać pytania dotyczące biologii systemowej i odpowiadać na nie.
Wraz z postępem technologicznym i nowymi zastosowaniami, skuteczność przeprowadzania testów toksyczności danio pręgowanego będzie się nadal poprawiać. Metody i testy postępowania z larwami danio pręgowanego są nadal ulepszane pod względem większej przepustowości13,14. Przedstawiona tutaj nowatorska metoda jest jednym z przykładów ulepszeń, które mogą sprawić, że badania nad danio pręgowanym będą bardziej wpływowe.
Projekt, przeprowadzenie badania i wsparcie finansowe dla tego badania zostało zapewnione przez firmę AbbVie. Firma AbbVie brała udział w interpretacji danych, recenzji i zatwierdzeniu manuskryptu. S. Cassar, X. Huang i T. Cole są pracownikami firmy AbbVie i nie mają żadnych dodatkowych konfliktów interesów, które mogliby ujawnić.
Simon Cassar z carpetbones.com zaprojektował i stworzył animowaną figurę używaną do zademonstrowania procedury testu tranzytu przewodu pokarmowego w życiu.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Para hodowlana danio pręgowanego typu dzikiego | Różne źródła - na przykład ZIRC (Międzynarodowe Centrum Zasobów Zebrafish) | ZL-1 | Dorosły danio pręgowany typu dzikiego linii AB |
| 1,7 L Zbiornik hodowlany - Beach Style Design | Tecniplast | 1.7L SLOPED | Zbiornik hodowlany |
| Instant Ocean sól morska | Intant Ocean | SS15-10 | Dehydratyzowana sól |
| morska First Bites pokarm dla ryb larwalnych | Hikari | 20095 | Sproszkowany pokarm dla larw |
| ryb Żółto-zielony (505/515) Fluosfery | Invitrogen | F8827 | Etykieta fluorescencyjna |
| 96-dołkowe mikropłytki polistyrenowe z dnem V | Thermo Fisher Scientific | 249570 | Mikropłytka wielodołkowa z dnem w kształcie litery V w każdym dołku |
| Atropina | Sigma Aldrich | A0132 | |
| Amitryptylina | Sigma Aldrich | A8404 | |
| Tegaserod | Sigma Aldrich | SML1504 | |
| Metoklopramid | Sigma Aldrich | M0763 | |
| Erytromycyna | Sigma Aldrich | E5389 | |
| Czytnik mikropłytek Spectramax M2e | Urządzenia molekularne | Spectramax M2e | Spektrofotometr wielodołkowy zdolny do wzbudzenia fluorescencyjnego i wykrywania emisji. |
| Urządzenia molekularne | SoftMax Pro | Oprogramowanie SoftMax Pro | do akwizycji danych ze spektrofotometru |