Neuroprzekaźniki monoaminergiczne, znane również jako aminy biogenne (BA), regulują szereg kluczowych cech neurologicznych i behawioralnych u różnych taksonów zwierząt, w tym m.in. stany motywacyjne, sen, uczenie się, pamięć oraz regulację nastroju1,2,3,4. Rozregulowanie poziomu BA, takich jak dopamina (DA) i serotonina (5-hydroksytryptamina; 5-HT), jest kluczową cechą schorzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona, a także zaburzeń psychiatrycznych, np. schizofrenii3,5. Niemniej jednak zależność między progresją choroby a konkretnymi zmianami neurochemicznymi w poszczególnych obszarach mózgu i podtypach neuronów nie została jeszcze w pełni opisana. Odpowiedź na takie pytania wymaga systemu modelowego, który jest nie tylko podatny na manipulacje genetyczne, ale także zdolny do odtworzenia fenotypów fizjologicznych i behawioralnych istotnych dla przebiegu choroby. Drosophila melanogaster stała się potężnym systemem modelowym do tego celu6,7. Muszka owocówka posiada wyraźne, dobrze scharakteryzowane populacje neuronów dopaminergicznych i serotonergicznych7,8, a szlaki biosyntetyczne, transportery i rodziny receptorów sterujące tymi układami są funkcjonalnie konserwatywne w stosunku do ich ssaczych odpowiedników9. Taka konserwatywność stanowi podstawę mechanistyczną dla przenoszenia odkryć neurochemicznych uzyskanych u muchy na szerszy kontekst chorób ludzkich.
Użyteczność muszek w modelowaniu zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych wykracza daleko poza homologię genetyczną. Jako system podatny na manipulacje genetyczne, narzędzia dostępne w modelach much umożliwiają specyficzne dla komórek badania przesiewowe genów i szlaków, co pozwala ujawnić czynniki nasilające lub cofające objawy związane z chorobą, ułatwiając tym samym odkrywanie nowych celów terapeutycznych10. Co więcej, binarne systemy ekspresji mogą być skierowane nie tylko na konkretne podtypy neuronów monoaminergicznych, ale także na określone okna rozwojowe11, zapewniając tym samym niezwykłą precyzję przestrzenną i czasową. Model z muszką owocową zapewnia również zestaw mierzalnych zachowań, które mogą być wykorzystane do oceny odtworzenia objawów związanych z chorobą, a także do testowania strategii interwencyjnych w celu ich niwelowania7. Na przykład ugruntowane modele genetyczne choroby Parkinsona u much obejmują zwierzęta z mutacjami utraty funkcji Pink1 i parkin, a także muchy nadekspresujące wersje typu dzikiego lub wersje z mutacjami punktowymi ludzkiej α-synukleiny (α-syn), SNCA12,13,14. Wszystkie te modele much wykazują niektóre z najważniejszych cech charakterystycznych tej choroby, w tym deficyty ruchowe, degenerację neuronów dopaminergicznych, dysfunkcję mitochondriów oraz agregację α-syn u much niosących ludzką sekwencję15,16,17,18,19. Z drugiej strony, zaburzenia neurorozwojowe i aberracyjna sygnalizacja dopaminergiczna są również uważane za jedne z przyczyn schorzeń takich jak schizofrenia20. Zgodnie z tym, Drosophila była wykorzystywana do modelowania objawów przypominających schizofrenię, w tym nadaktywności, zmienionej reaktywności sensorycznej i obniżonego poziomu pobudzenia u dorosłych much21,22,23,24,25. Wspólnie modele te demonstrują, że Drosophila potrafi odzwierciedlić zarówno postęp zaburzeń neurodegeneracyjnych, jak i rozwojowe uwarunkowania zaburzeń psychiatrycznych.
Powiązanie zmian behawioralnych w modelach genetycznych ze zmianami neurochemicznymi wymaga dokładnych i powtarzalnych pomiarów ilościowych amin biogennych (AB). Ponadto w wielu chorobach dysregulacja monoamin nie ogranicza się do jednego systemu neurotransmiterów. U mutantów much Pink1B9 zawartość serotoniny jest obniżona, a aktywność transportera serotoniny jest upośledzona jeszcze przed pojawieniem się dysfunkcji motorycznych26. Wczesna farmakologiczna pomoc w sygnalizacji serotonergicznej zapobiega późniejszej utracie dotkniętych neuronów dopaminergicznych u mutantów much Pink1B9. Zmiany serotonergiczne mogą zatem wyprzedzać i przyczyniać się przyczynowo do patologii dopaminergicznej, co jest relacją niewidoczną w odczytach behawioralnych lub pomiarach pojedynczego analityku. Podobnie zmiany w systemie serotoninergicznym obserwuje się w modelach schizofrenii22,27,28. Ponadto główne aminy biogenne u Drosophila oddziałują na siebie w sposób częściowo redundantny i częściowo antagonistyczny, tak że stan jednego systemu jest słabym wskaźnikiem stanu pozostałych29. Dlatego ilościowe oznaczenie poszczególnych AB w tych modelach jest kwestią kluczową.
Aminy biogenne są elektrochemicznie aktywnymi monoaminami (np. katecholaminami, indolaminami), które występują w tkankach biologicznych w niskich stężeniach od nanomolarnych do femtomolarnych, co sprawia, że ich jednoczesne wykrywanie jest wymagające technicznie30,31. Rozwiązanie kwestii dotyczących genetycznych i molekularnych podstaw zmian poziomu BA w przebiegu chorób wymaga zatem zastosowania metody analitycznej zdolnej do rozdzielenia wielu strukturalnie podobnych amin. Metoda ta musi również pozwalać na wykrywanie stężeń istotnych biologicznie w niewielkich objętościach tkanek dostępnych w preparatach ośrodkowego układu nerwowego Drosophila. Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC) sprzężona z detekcją elektrochemiczną (ECD) spełnia te wymagania. HPLC jest techniką analityczną, która umożliwia rozdzielenie różnych cząsteczek w próbce na podstawie ich właściwości fizykochemicznych. Połączenie systemu chromatograficznego z detektorem elektrochemicznym pozwala na szybką i wysokoczułą analizę analitów aktywnych elektrochemicznie, takich jak aminy biogenne. Detektory elektrochemiczne działają poprzez indukowanie utleniania w momencie wypływu analitów z kolumny, przekształcając oddziaływania na powierzchni elektrody w mierzalny sygnał elektryczny. Inne techniki, takie jak spektrometria mas, mogą oferować porównywalną selektywność i czułość32,33. Jednak niski koszt analizy pojedynczej próbki oraz niezawodność HPLC-ECD sprawiają, że metoda ta jest idealna do rutynowego i dostępnego wykrywania amin biogennych w laboratoriach badawczych biologii. Połączenie tej techniki z potencjałem genetyki Drosophila umożliwia szybką i prostą analizę genetycznych i molekularnych podstaw zmian w układach aminergicznych.
W niniejszym badaniu wykorzystano genetyczny model choroby Parkinsona oparty na nadekspresji α-syn, aby przedstawić protokół służący do określania różnic w zawartości BA w próbkach mózgu Drosophila. Artykuł opisuje również, w jaki sposób podejście to może być wykorzystane do badania podstaw molekularnych zaburzeń mózgu.