Protokół ten szczegółowo opisuje zastosowanie larw Drosophila do identyfikacji unikalnych związków przeciwpadaczkowych w leczeniu padaczki.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Protokół ten szczegółowo opisuje zastosowanie larw Drosophila do identyfikacji unikalnych związków przeciwpadaczkowych w leczeniu padaczki.
Padaczka stanowi znaczne obciążenie zdrowotne, które nasila się z powodu dużej liczby osób opornych na działanie leków. Podczas gdy niektórzy pacjenci oporni na leczenie farmakologiczne reagują na leczenie niefarmakologiczne (np. stymulacja nerwu błędnego, dieta ketogeniczna itp.), ostatnią deską ratunku dla wielu jest trudna i kosztowna operacja mająca na celu złagodzenie napadów. Chociaż powszechnie uznaje się, że wymagane są leki przeciwpadaczkowe o szerszym zakresie celów, przeszkodą w osiągnięciu tego celu jest identyfikacja nowych celów terapeutycznych. Genetycznie podatne zwierzęta modelowe są obiecujące pod tym względem. Muszka owocowa, Drosophila melanogaster, stała się potężnym modelem do badania mechanistycznych podstaw i lepszych metod leczenia napadów. Wiele zidentyfikowanych mutacji much powoduje, że larwy i dorosłe osobniki wykazują aktywność podobną do napadów w odpowiedzi na silną stymulację (elektryczną, mechaniczną i/lub termiczną). Wiele z tych mutacji dotyczy genów homologicznych do tych, które przyczyniają się do padaczki genetycznej u ludzi (np. kanał Na+ bramkowany napięciem). Obecnie możliwe jest również zastąpienie genu muchy jego ludzkim odpowiednikiem, który dodatkowo niesie ze sobą mutację związaną z chorobą. W ten sposób skromna mucha stała się awatarem modelującym ludzką chorobę. W badaniu tym opisano odpowiednią metodę wykorzystania larw Drosophila do nisko- i średnioprzepustowych badań przesiewowych leków w celu identyfikacji unikalnych związków i ich celów, które mają potencjał przeciwpadaczkowy.
Padaczka pozostaje poważnym obciążeniem zdrowotnym, dotykającym około 1% populacji na całym świecie. Mimo że obecnie istnieje ponad 30 leków przeciwpadaczkowych (ASM) stosowanych w leczeniu klinicznym, około jedna trzecia osób z padaczką nadal reaguje na leki, co oznacza, że nie reagują dobrze na leczenie farmakologiczne 1,2. Dostępne leki są również wyłącznie paliatywne i jako takie nie zapobiegają epileptogenezie ani nie zapewniają wyleczenia3. W związku z tym istnieje pilna potrzeba zidentyfikowania lepszych metod leczenia padaczki. Przeszkodą na drodze do opracowania skuteczniejszych metod leczenia jest identyfikacja nowych celów terapeutycznych. Rzeczywiście, prawie wszystkie obecne ASM wpływają na podobne cele: kanały jonowe, w tym kanał sodowy bramkowany napięciem (Nav) i hamujące neuroprzekaźnictwo, w którym pośredniczy kwas γ-aminomasłowy (GABA)4,5. Powszechnie przyjmuje się, że dalsze stosowanie tradycyjnych metod opracowywania leków prawdopodobnie nie zmieni radykalnie tego scenariusza.
Modele laboratoryjne, w tym między innymi muszka owocowa Drosophila melanogaster i danio pręgowany Danio rerio, mają użyteczność w identyfikacji nowych ASM 6,7,8. Rzeczywiście, wyszukiwanie w PubMed "Drosophila + seizure" zwraca 342 wyniki, podczas gdy to samo wyszukiwanie danio pręgowanego zwraca 578 wyników (oba wyszukiwania przeprowadzono 29 stycznia 2025r.). Chociaż liczba podobnych badań na myszach jest mniejsza niż liczba podobnych badań na myszach (~15 000), liczba badań z wykorzystaniem systemów modelowych nadal rośnie. Badania te są możliwe dzięki mechanistycznemu zachowaniu funkcji OUN w całej gromadzie. Co więcej, indukowane napady padaczkowe u much i ryb są skutecznie leczone klinicznie stosowanymi ASM, co pokazuje, że chociaż niuanse zachowania napadowego mogą wydawać się pozornie różne, mechanizmy leżące u ich podstaw mają wiele wspólnego 7,9,10.
Muszka owocowa, Drosophila, wniosła wiele znaczącego wkładu w zrozumienie biologii człowieka. Jeśli chodzi o padaczkę, ten model systemu zapewnia niezrównany zestaw narzędzi genetycznych w połączeniu z identyfikowalnymi i eksperymentalnie dostępnymi neuronami7. Co więcej, opublikowano konektomy zarówno dla larwalnego, jak i dorosłego OUN, a także zidentyfikowano liczne specyficzne dla komórek genetyczne linie napędowe11,12. Co istotne, przypadkowo zidentyfikowano klasę mutacji, w wyniku której dorosłe muchy reagują na silną stymulację mechaniczną utratą postawy i aktywnością podobną do napadów (np. brzęczenie skrzydeł, drżenie nóg itp.). Ta klasa mutacji została określona jako "wrażliwa na huk"13,14,15,16. Od tego czasu zidentyfikowano drugą klasę mutacji napadowych, która reaguje na podwyższoną temperaturę, odzwierciedlając drgawki gorączkoweu ludzi 17,18. Jednak doświadczalna podatność dorosłych much jest nieco zmniejszona w porównaniu ze stadium larwalnym tego samego modelu owada. Na przykład karmienie dorosłych much może być trudne, a bardziej inwazyjne techniki, takie jak elektrofizjologia i optogenetyka, mogą być trudniejsze. W przeciwieństwie do tego, larwa Drosophila je stale, aby zwiększyć objętość swojego ciała o ~100-krotnie w ciągu zaledwie 5 dni, aby umożliwić przepoczwarzenie. Dlatego możemy być pewni odpowiedniego żywienia lekami w stadiach larwalnych. Embriogeneza jest dobrze udokumentowana i może być dokładnie określona w etapach, a to z kolei pozwoliło zidentyfikować kluczowe kamienie milowe w rozwoju OUN, w tym pierwsze nabycie właściwości elektrycznych neuronów aż do powstania obwodu19. Po wykluciu larwa przechodzi przez 3 linienia (lub stadium rozwojowe), aż w 5 dniu zaczyna "wędrować", po czym opuszcza pokarm, aby znaleźć bezpieczne miejsce do przepoczwarzenia. Po ~100 h przepoczwarzenia wyłania się dorosła mucha z nowym ciałem i OUN (ryc. 1).
Techniki wywoływania napadów padaczkowych u dorosłych nie są dobrze dostosowane do stadiów larwalnych. Larwy nie mają włosków czuciowych, których zsynchronizowana aktywacja podczas stymulacji mechanicznej może prowadzić do napadu. Tak więc, aby przezwyciężyć te trudności, opracowano technikę elektrowstrząsów w celu wywołania napadów w stadium wędrujących larw. Późniejsza analiza porównawcza technik indukcji napadów zarówno u larw, jak i dorosłych ujawnia, że elektrowstrząsy larwalne są znacznie mniej zależne od typu mutacji (np. wrażliwej na huk w porównaniu z temperaturą). W związku z tym sugerujemy, że technika ta powinna być preferowaną metodą testowania nowych mutacji, w przypadku gdy optymalna metoda indukcji napadów jest nieznana20. Technika elektrowstrząsów larwalnych jest prosta, szybka i wymaga minimalnego sprzętu. Technika ta zapewnia skuteczny sposób badania przesiewowego nowych związków lub terapii genetycznych pod kątem skuteczności przeciwpadaczkowej w zakresie mutacji, które odzwierciedlają różnorodność genetyczną padaczki u ludzi.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Muszka owocowa, Drosophila melanogaster, jest używana w tym badaniu (szczegółowe informacje można znaleźć w sekcji Wyniki). Ta technika najlepiej nadaje się do wędrownych larw w trzecim stadium rozwojowym (L3). Protokół eksperymentalny jest stosunkowo prosty, ale wymaga praktyki, aby go udoskonalić. Z naszego doświadczenia wynika, że nowi studenci potrzebują około 2 tygodni, aby opanować test i czerpią ogromne korzyści z oglądania innych, bardziej doświadczonych badaczy wykonujących test w czasie rzeczywistym za pomocą mikroskopu preparacyjnego z kamerą lub podobnego. Odczynniki i sprzęt używany w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.
1. Selekcja larw
2. Procedura elektrowstrząsów
3. Konstrukcja sondy elektrowstrząsowej
4. Kalibracja sondy
5. Przeprowadzanie eksperymentów
6. Badania przesiewowe na obecność narkotyków
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Liczne mutacje u Drosophila wykazują nasilone zachowania przypominające napady drgawek7,20. Podłoże genetyczne tych mutacji jest zróżnicowane, co w korzystny sposób naśladuje równie różnorodne przyczyny genetyczne epilepsji u ludzi. Trzema z najintensywniej badanych mutacji u Drosophila są parabangsenseless (parabss), julius seizure (jus) oraz easily-shocked (eas). Mutac...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Metoda elektrowstrząsów w celu wywołania napadu padaczkowego u larw Drosophila zapewnia proste, ale skuteczne badanie przesiewowe do identyfikacji nowych związków przeciwpadaczkowych lub manipulacji genetycznych. Ponieważ jednak jest to test jakościowy, jego głównym ograniczeniem jest to, że metoda nie może łatwo zidentyfikować małych rozmiarów efektu. Niemniej jednak, średnia przepustowość, na którą pozwala, nadająca się do badania przesiewowego do ~ 5 związków tygodniowo na badacza, zapewnia bardzo potężny tes...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.
Dziękujemy wielu pracownikom laboratorium Baines, którzy wspólnie rozwijali tę technikę przez wiele lat, a w szczególności Richardowi Marleyowi, który włożył wiele wysiłku, aby ta technika była solidna i niezawodna. Dziękujemy Annie Munro za narysowanie larw, które pokazano na rysunku 2. Prace w laboratorium Bainesa, które przyczyniły się do opracowania tej techniki, były hojnie wspierane przez BBSRC, MRC i Wellcome Trust. Prace te są obecnie wspierane przez fundusze z nagrody Wellcome Trust dla badaczy dla R.A.B. (Grant 217099/Z/19/Z). Do rozwoju tej techniki przyczynił się również Manchester Fly Facility, który powstał dzięki funduszom Uniwersytetu i Wellcome Trust (Grant 087742/Z/08/Z).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Uchwyt elektrody | Światowe instrumenty precyzyjne | Zobacz materiał M3301 | |
| Kapilary szklane | Instrumenty Harvarda | GC100F-10 | |
| Drut wolframowy (99,95%) | Goodfellow Cambridge, Wielka Brytania | Średnica 0,1 mm | |
| Stymulator napięcia | Digitimer Ltd, Wielka Brytania | DS2A mkII | Stymulator izolowany o stałym napięciu |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.