W ciągu ostatnich lat uwaga publiczna skupiała się na kannabinoidach ze względu na ich potencjał terapeutyczny, w tym leczenie padaczki1, choroba Parkinsona2, stwardnienie rozsiane3, oraz różne formy raka4,5,6 z kannabidiolem (CBD). Ponieważ konopie indyjskie zostały zalegalizowane jako towar rolny w ustawie o ulepszaniu rolnictwa z 2018 r., Prawo publiczne 115-334 (ustawa rolna z 2018 r.), Konopie indyjskie i ich pochodne kannabinoidowe w przemyśle spożywczym, kosmetycznym i farmaceutycznym gwałtownie wzrosły. Dodatkowo, kliniczne izolaty pojedynczych kannabinoidów i mieszanin kannabinoidów zostały z powodzeniem przetestowane na ludziach7, linie komórkowe5,8 i różne systemy modeli zwierzęcych9,10.
Badanie kliniczne byłoby idealne do walidacji skuteczności i niekorzystnego wpływu kannabinoidów na konkretną chorobę. Istnieje jednak wiele wyzwań związanych z badaniami klinicznymi, w tym zatwierdzenie etyczne/IRB, rekrutacja i utrzymanie badanych11. Aby pokonać te przeszkody, wykorzystano różne ludzkie linie komórkowe, ponieważ linie komórkowe pochodzenia ludzkiego są opłacalne, łatwe w obsłudze, mogą ominąć problemy etyczne i zapewniają spójne i powtarzalne wyniki, ponieważ linie komórkowe są "czystą populacją komórek, które nie mają zanieczyszczenia krzyżowego innych komórek i chemikaliów"12.
Alves et al. (2021)13 przetestowali CBD w sposób zależny od dawki w trofoblastach łożyska, które są wyspecjalizowanymi komórkami łożyska, które odgrywają istotną rolę w implantacji zarodka i interakcji z dziesiętną macicą matki14. Ich wyniki wykazały, że CBD spowodowało utratę żywotności komórek, zakłócenie progresji cyklu komórkowego i indukcję apoptozy. Obserwacje te pokazują potencjalne negatywne skutki używania konopi indyjskich przez kobiety w ciąży13. Podobnie, szereg linii komórkowych wykorzystano również do zbadania farmakologicznego wpływu CBD na choroby ludzkie, w szczególności różne formy raka. Badania in vitro z powodzeniem wykazały działanie przeciwnowotworowe w trzustce15, breast8 i komórkach raka jelita grubego16. Jednakże, chociaż są powszechnie dostępne i łatwe w obsłudze, określone linie komórkowe, takie jak HeLa, HEK293, są podatne na zmiany genetyczne i fenotypowe spowodowane zmianami w ich warunkach wzrostu lub handle17.
W badaniach nad konopiami, różne systemy modeli zwierzęcych, począwszy od małych zwierząt, takich jak mouse18, świnka morska19 i rabbit19 do dużych zwierząt, takich jak canine20, prosięc21, monkey22, horse23, były wykorzystywane do badania nieznanych efektów terapeutycznych. Myszy są najbardziej preferowanym systemem modeli zwierzęcych do badań nad kannabinoidami ze względu na ich anatomiczne, fizjologiczne i genetyczne podobieństwo do ludzi24. Co najważniejsze, myszy mają receptory CB1/2 w układzie nerwowym, które są obecne u ludzi. Mają również krótszy cykl życia niż ludzie, z łatwiejszą konserwacją i obfitymi zasobami genetycznymi, co znacznie ułatwia monitorowanie działania kannabinoidów przez cały cykl życia. System ssaków jest szeroko stosowany i z powodzeniem wykazano, że CBD łagodzi zaburzenia napadowe1, zespół stresu pourazowego9, owrzodzenia jamy ustnej25 i objawy podobne do demencji10. Model mysi umożliwił również badanie interakcji społecznych osobników w społeczności, co jest niezwykle trudne w przypadku dużych zwierząt i ludzi26.
Pomimo wszystkich zalet systemu modeli zwierzęcych, jest on nadal kosztowny i wymaga intensywnej opieki podczas podawania leków i zbierania danych. Dodatkowo, istnieje analiza wykorzystania myszy w badaniach ze względu na nieodtwarzalność i słabą rekapitulację ludzkich warunków z powodu ograniczeń w projekcie eksperymentalnym i rygoru27.
Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na medyczne/przedkliniczne badania kannabinoidów, potrzebny jest system modelowy nie-ssaków. Modele bezkręgowców tradycyjnie dawały wyraźne korzyści w porównaniu z modelami kręgowców. Do istotnych korzyści należy łatwość i niski koszt hodowli wielu osobników oraz umożliwienie naukowcom monitorowania wielu pokoleń genetycznie jednorodnych populacji28. Niedawne badania dowiodły, że muszka owocowa, Drosophila melanogaster, jest skutecznym systemem modelowym owadów do badania funkcji farmakologicznych kannabinoidów w modulowaniu zachowań żywieniowych29. Wśród systemów modelowania owadów autorzy skupili się na rogówce tytoniowej, Manduca sexta, znanej również jako sfinksa karolińskiego lub jastrzębia, jako nowatorski system modelowania owadów do badań nad kannabinoidami.
Manduca sexta należy do rodziny Sphingidae. Owad jest najczęstszym szkodnikiem roślin w południowych Stanach Zjednoczonych, gdzie żywi się roślinami psiankowatymi. Model owadów ma długą historię w badaniach nad fizjologią owadów, biochemią, neurobiologią i badaniami nad interakcjami leków. Portfolio badawcze Manduca sexta obejmuje szkic sekwencji genomu, pozwalający na zrozumienie podstawowych procesów komórkowych na poziomie molekularnym30. Kolejną istotną zaletą tego modelu jest jego duży rozmiar, osiągający ponad 100 mm długości i 10 g wagi w ciągu 18-25 dni rozwoju larw. Duży rozmiar umożliwia naukowcom łatwe monitorowanie zmian morfologicznych i behawioralnych w czasie rzeczywistym w odpowiedzi na leczenie CBD. Ponadto, ze względu na wielkość, badano reakcje elektrofizjologiczne za pomocą brzusznego układu nerwowego, w tym zwoje wycięte z larw bez ustawień mikroskopu o wysokiej rozdzielczości. Unikalna funkcja pozwala naukowcom łatwo badać ostre i długoterminowe reakcje na podawany kannabinoid.
Pomimo takiej wszechstronności, M. sexta dopiero niedawno został zbadany pod kątem jego przydatności jako eksperymentalnego modelu do badań nad konopiami indyjskimi i kannabinoidami. W 2019 roku autorzy po raz pierwszy wykorzystali system modeli owadów, aby odnieść się do hipotezy, że konopie wyewoluowały, aby wytwarzać kannabidiol w celu ochrony przed owadami roślinożercami30,31. Wynik wyraźnie pokazał, że rośliny wykorzystywały CBD jako środek odstraszający od żerowania i hamowały wzrost szkodnika M. sexta caterpillar, a także powodowały zwiększoną śmiertelność31. Badanie wykazało również zbawienne działanie CBD na odurzone larwy etanolu, identyfikując potencjalny efekt nośnika etanolu jako nośnika CBD. Jak wykazano, system modelowania owadów skutecznie badał efekty terapeutyczne kannabinoidów w ciągu 3-4 tygodni przy mniejszym nakładzie pracy i kosztów niż w przypadku innych systemów zwierzęcych. Chociaż model owadów nie ma receptorów kannabinoidowych (tj. nie ma receptorów CB1/2), system modelowy stanowi cenne narzędzie do zrozumienia farmakologicznych ról kannabinoidów w sposób niezależny od receptorów kannabinoidowych.
Autorzy tego badania wcześniej pracowali z rogówką tytoniową jako modelowym systemem do badań nad kannabinoidami31. Po dokładnym rozważeniu korzyści i zagrożeń związanych ze stosowaniem M. sexta, opracowaliśmy metodę polegającą na właściwej pielęgnacji i przygotowaniu diety do badań przedklinicznych, które pozwalają na przyszłe przedkliniczne wykorzystanie w laboratoriach.