Prezentowany jest protokół wysokoprzepustowych badań przesiewowych leków w celu poprawy snu poprzez monitorowanie zachowania podczas snu muszek owocowych w starszym modelu Drosophila.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Prezentowany jest protokół wysokoprzepustowych badań przesiewowych leków w celu poprawy snu poprzez monitorowanie zachowania podczas snu muszek owocowych w starszym modelu Drosophila.
Sen, niezbędny składnik zdrowia i ogólnego samopoczucia, często stanowi wyzwanie dla osób starszych, które często doświadczają zaburzeń snu charakteryzujących się skróconym czasem snu i fragmentarycznymi wzorcami. Te zakłócenia snu korelują również ze zwiększonym ryzykiem różnych chorób u osób starszych, w tym cukrzycy, chorób sercowo-naczyniowych i zaburzeń psychicznych. Niestety, istniejące leki na zaburzenia snu wiążą się ze znacznymi skutkami ubocznymi, takimi jak upośledzenie funkcji poznawczych i uzależnienie. W związku z tym pilnie potrzebne jest opracowanie nowych, bezpieczniejszych i skuteczniejszych leków na zaburzenia snu. Jednak wysokie koszty i długi czas trwania eksperymentów związanych z obecnymi metodami badań przesiewowych leków pozostają czynnikami ograniczającymi.
Ten protokół opisuje opłacalną i wysokoprzepustową metodę badań przesiewowych, która wykorzystuje Drosophila melanogaster, gatunek o wysoce konserwatywnym mechanizmie regulacji snu w porównaniu ze ssakami, co czyni go idealnym modelem do badania zaburzeń snu u osób starszych. Podając różne małe związki starzejącym się muszkom, możemy ocenić ich wpływ na zaburzenia snu. Zachowania podczas snu tych much są rejestrowane za pomocą urządzenia monitorującego w podczerwieni i analizowane za pomocą pakietu danych typu open source Sleep and Circadian Analysis MATLAB Program 2020 (SCAMP2020). Protokół ten oferuje tanie, powtarzalne i skuteczne podejście do badań przesiewowych w celu regulacji snu. Muszki owocowe, ze względu na krótki cykl życia, niskie koszty hodowli i łatwość obsługi, są doskonałymi obiektami tej metody. Na przykład Rezerpina, jeden z testowanych leków, wykazała zdolność do wydłużania czasu snu u starszych muszek, podkreślając skuteczność tego protokołu.
Sen, jedno z podstawowych zachowań niezbędnych do przetrwania człowieka, charakteryzuje się dwoma głównymi stanami: sen z szybkimi ruchami gałek ocznych (REM) i sen bez szybkich ruchów gałek ocznych (NREM)1. Sen NREM składa się z trzech etapów: N1 (przejście między czuwaniem a snem), N2 (lekki sen) i N3 (głęboki sen, sen wolnofalowy), reprezentujący postęp od stanu czuwania do głębokiego snu1. Sen odgrywa kluczową rolę zarówno w zdrowiu fizycznym, jak i psychicznym2. Jednak starzenie się skraca całkowity czas trwania snu, wydajność snu, procent snu wolnofalowego i procent snu REM u dorosłych3. Osoby starsze mają tendencję do spędzania więcej czasu w lekkim śnie w porównaniu ze snem wolnofalowym, co czyni je bardziej wrażliwymi na nocne przebudzenia. Wraz ze wzrostem liczby przebudzeń średni czas snu skraca się, co skutkuje fragmentarycznym wzorcem snu u osób starszych, co może być związane z nadmiernym pobudzeniem neuronów Hcrt u myszy4. Dodatkowo, związane z wiekiem spadki mechanizmów okołodobowych przyczyniają się do wcześniejszego przesunięcia czasu trwania snu5,6. W połączeniu z chorobami fizycznymi, stresem psychicznym, czynnikami środowiskowymi i stosowaniem leków, czynniki te sprawiają, że osoby starsze są bardziej podatne na zaburzenia snu, takie jak bezsenność, zaburzenia zachowania podczas snu REM, narkolepsja, okresowe ruchy nóg, zespół niespokojnych nóg i zaburzenia oddychania podczas snu7,8.
Badania epidemiologiczne wykazały, że zaburzenia snu są ściśle powiązane z chorobami przewlekłymi u osób starszych9, w tym depresja10, choroby układu krążenia11, oraz demencja12. Przeciwdziałanie zaburzeniom snu odgrywa kluczową rolę w poprawie i leczeniu chorób przewlekłych oraz poprawie jakości życia osób starszych. Obecnie pacjenci polegają głównie na lekach, takich jak benzodiazepiny, nie-benzodiazepiny i agoniści receptora melatoniny, aby poprawić jakość snu13. Jednak benzodiazepiny mogą prowadzić do obniżenia poziomu receptorów i uzależnienia po długotrwałym stosowaniu, powodując poważne objawy odstawienia po odstawieniu14,15. Leki niebędące benzodiazepinami również niosą ze sobą ryzyko, w tym demencję16, złamania17 i raka18. Powszechnie stosowany agonista receptora melatoniny, ramelteon, zmniejsza opóźnienie snu, ale nie wydłuża czasu snu i powoduje problemy związane z funkcjonowaniem wątroby z powodu rozległej eliminacji pierwszego przejścia19. Agomelatyna, agonista receptora melatoniny i antagonista receptora serotoninowego, łagodzi bezsenność związaną z depresją, ale także stwarza ryzyko uszkodzenia wątroby20. W związku z tym istnieje pilne zapotrzebowanie na bezpieczniejsze leki do leczenia lub łagodzenia zaburzeń snu. Jednak obecne strategie badań przesiewowych leków, oparte na eksperymentach molekularnych i komórkowych w połączeniu ze zautomatyzowanymi systemami i analizą komputerową, są kosztowne i czasochłonne21. Strategie projektowania leków oparte na strukturze, opierające się na strukturze i właściwościach receptora, wymagają jasnego zrozumienia trójwymiarowej struktury receptora i nie mają możliwości przewidywania skutków działania leku22.
W 2000 roku, na podstawie kryteriów snu zaproponowanych przez Campbella i Toblera w 1984 roku23, naukowcy stworzyli proste modele zwierzęce do badania snu24, w tym Drosophila melanogaster, który wykazywał stany podobne do snu25,26. Pomimo różnic anatomicznych między Drosophila a ludźmi, wiele składników neurochemicznych i szlaków sygnałowych regulujących sen u Drosophila jest zachowanych we śnie ssaków, co ułatwia badanie chorób neurologicznych u ludzi27,28. Drosophila jest również szeroko stosowana w badaniach rytmu okołodobowego, pomimo różnic w podstawowych oscylatorach między muchami a ssakami29,30,31. Dlatego Drosophila służy jako cenny organizm modelowy do badania zachowań związanych ze snem i przeprowadzania badań przesiewowych leków związanych ze snem.
To badanie proponuje opłacalne i proste podejście oparte na fenotypie do badania przesiewowego leków małocząsteczkowych do leczenia zaburzeń snu przy użyciu starych muszek. Regulacja snu u Drosophila jest wysoce konserwatywna25, a spadek snu obserwowany wraz z wiekiem może być odwracalny poprzez podawanie leków. Tak więc ta metoda badań przesiewowych oparta na fenotypie snu może intuicyjnie odzwierciedlać skuteczność leku. Karmimy muszki mieszanką badanego leku i pożywienia, monitorujemy i rejestrujemy zachowanie podczas snu za pomocą Drosophila Activity Monitor (DAM)32 i analizujemy uzyskane dane za pomocą pakietu danych SCAMP2020 o otwartym kodzie źródłowym w MATLAB (ryc. 1). Analiza statystyczna jest wykonywana za pomocą oprogramowania statystycznego i graficznego (patrz tabela materiałów). Jako przykład pokazujemy skuteczność tego protokołu, przedstawiając dane eksperymentalne dotyczące rezerpiny, małocząsteczkowego inhibitora pęcherzykowego transportera monoamin, o którym mówi się, że zwiększa sen33. Protokół ten stanowi cenne podejście do identyfikacji leków stosowanych w leczeniu problemów ze snem związanych z wiekiem.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ten protokół wykorzystuje 30-dniowe muchy w1118 z Bloomington Drosophila Stock Center (BDSC_3605, zobacz Tabelę Materiałów).
1. Przygotowanie dojrzałych muszek owocowych
2. Przygotowanie żywności leczniczej i szklanych probówek do monitorowania
UWAGA: Procedura przygotowania szklanej rurki jest zgodna z pracami Jin et al. z modyfikacjami34.
3. Projekt eksperymentalny i leczenie muchy
4. Montaż Drosophila i monitorowanie snu
UWAGA: Procedura składania Drosophila jest zgodna z pracami Jin et al.34 z modyfikacjami.
5. Przetwarzanie danych
UWAGA: Przetwarzanie danych za pomocą systemu DAM, DAMFileScan107 i SCAMP zostało przeprowadzone zgodnie z instrukcjami na ich oficjalnych stronach internetowych (patrz Tabela materiałów).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rezerpina jest małocząsteczkowym inhibitorem transporterów monoamin pęcherzykowych (VMAT), który hamuje wychwyt monoamin do pęcherzyków presynaptycznych, co prowadzi do wydłużenia snu33. Wpływ rezerpiny na promowanie snu badano u 30-dniowych much, przy czym grupa kontrolna była karmiona wyłącznie rozpuszczalnikiem w postaci dimetylosulfotlenku (DMSO). W grupie otrzymującej rezerpinę starsze muchy wykazywały znacznie zwiększoną ilość snu zarówno w dzień, jak i w nocy w porównaniu z grupą DMSO.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisana metoda nadaje się do szybkiego badania przesiewowego małych i średnich leków nasennych. Obecnie większość popularnych metod wysokoprzepustowych badań przesiewowych leków opiera się na poziomach biochemicznych i komórkowych. Na przykład bada się strukturę i właściwości receptora w celu znalezienia określonych ligandów, które mogą się z nim wiązać22. Inne podejście polega na analizie trybu wiązania i siły fragmentów molekularnych wybranych leków za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego (N...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.
Dziękujemy członkom laboratorium prof. Junhai Hana za dyskusję i komentarze. Prace te były wspierane przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin 32170970 do Y.T oraz "Cyanine Blue Project" z prowincji Jiangsu do Z.C.Z.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Ager | BIOFROXX | 8211KG001 | |
| Skrzynka na sztuczny klimat | PRANDT | PRX-1000A | oficjalna strona internetowa:https://www.nbplt17.com/PLTXBS-Products-20643427/ |
| DAM2 Monitor aktywności Drosophila | TriKineics | Oficjalna strona internetowa:https://www.trikinetics.com/ | |
| DAM2system | Wersja TriKineics | :v3.03 | oficjalna strona:https:// www.trikinetics.com/ |
| DAMFileScan | TriKineics | wersja:1.0.7.0 | oficjalna strona internetowa:https://www.trikinetics.com/ |
| Dimethyl Sulfoxide | SIGMA | 276855 | |
| Inkubator Monitorowania Aktywności Drosophila Tritech | Research | DT2-CIRC-TK | oficjalna strona internetowa:https://www.tritechresearch.com/DT2-CIRC-TK.html |
| Butelki Drosophila | Biologix | 51-17720 | oficjalna strona internetowa:http://biologixgroup.com/goods.php?id=48 |
| Drosophila: w1118 | Bloomington Drosophila Stock Center | ||
| Excel | Microsoft | :Oficjalna strona programu Excel 2016 | :https://www.microsoftstore.com.cn/software/office/excel |
| Rurki szklane | TriKinetics | PPT5x65 | oficjalna strona:https://www.trikinetics.com/ |
| MATLABR2022b | Wersja MathWorks | :9.13.0.2049777 | oficjalna strona:https://ww2.mathworks.cn/products/matlab.html |
| Prism | GraphPad | Wersja: Prism 8.0.1 | oficjalna strona internetowa: https://www.graphpad.com/features |
| Reserpine | MACKLIN | R817202-1g | |
| Sacharoza | SIGMA | 1245GR500 | |
| SCAMP | Vecsey Lab | N/A | oficjalna strona internetowa:https://academics.skidmore.edu/blogs/cvecsey/ |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.