Представлен протокол высокопроизводительного скрининга лекарственных препаратов для улучшения сна путем мониторинга поведения плодовых мушек во сне на пожилой модели дрозофилы .
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Представлен протокол высокопроизводительного скрининга лекарственных препаратов для улучшения сна путем мониторинга поведения плодовых мушек во сне на пожилой модели дрозофилы .
Сон, важнейший компонент здоровья и общего благополучия, часто представляет проблемы для пожилых людей, которые часто сталкиваются с нарушениями сна, характеризующимися сокращением продолжительности сна и фрагментированными паттернами. Эти нарушения сна также коррелируют с повышенным риском различных заболеваний у пожилых людей, включая диабет, сердечно-сосудистые заболевания и психологические расстройства. К сожалению, существующие препараты для лечения расстройств сна связаны со значительными побочными эффектами, такими как когнитивные нарушения и зависимость. Следовательно, срочно необходима разработка новых, более безопасных и эффективных препаратов для лечения расстройств сна. Тем не менее, высокая стоимость и длительная продолжительность экспериментов существующих методов скрининга лекарственных средств остаются ограничивающими факторами.
Этот протокол описывает экономически эффективный и высокопроизводительный метод скрининга, в котором используется Drosophila melanogaster, вид с высококонсервативным механизмом регуляции сна по сравнению с млекопитающими, что делает его идеальной моделью для изучения нарушений сна у пожилых людей. Вводя различные мелкие соединения старым мухам, мы можем оценить их влияние на нарушения сна. Поведение этих мух во время сна записывается с помощью инфракрасного устройства мониторинга и анализируется с помощью пакета данных с открытым исходным кодом Sleep and Circadian Analysis MATLAB Program 2020 (SCAMP2020). Этот протокол предлагает недорогой, воспроизводимый и эффективный подход к скринингу для регуляции сна. Плодовые мушки, благодаря своему короткому жизненному циклу, низкой стоимости содержания и простоте в обращении, служат отличными объектами для этого метода. В качестве иллюстрации можно привести Резерпин, один из протестированных препаратов, продемонстрировавший способность увеличивать продолжительность сна у пожилых мух, подчеркнув эффективность этого протокола.
Сон, одно из основных форм поведения, необходимых для выживания человека, характеризуется двумя основными состояниями: сон с быстрыми движениями глаз (БДГ)и сон с небыстрыми движениями глаз (NREM). Фазы быстрого сна включают в себя три стадии: N1 (переход между бодрствованием и сном), N2 (легкий сон) и N3 (глубокий сон, медленный сон), представляющие собой прогрессию от бодрствования к глубокому сну1. Сон играет важнейшую роль как в физическом, так и в психическом здоровье2. Тем не менее, старение снижает общую продолжительность сна, эффективность сна, процент медленного сна и процент быстрого сна у взрослых3. Пожилые люди, как правило, проводят больше времени в легком сне по сравнению с медленным сном, что делает их более чувствительными к ночным пробуждениям. По мере увеличения числа пробуждений среднее время сна уменьшается, что приводит к фрагментированному режиму сна у пожилых людей, что может быть связано с чрезмерным возбуждением нейронов Hcrt у мышей4. Кроме того, возрастное снижение циркадных механизмов способствует более раннему сдвигу продолжительности сна 5,6. В сочетании с физическими заболеваниями, психологическим стрессом, факторами окружающей среды и приемом лекарств эти факторы делают пожилых людей более восприимчивыми к нарушениям сна, таким как бессонница, расстройство поведения во время быстрого сна, нарколепсия, периодические движения ног, синдром беспокойных ног и нарушение дыхания во сне 7,8.
Эпидемиологические исследования показали, что нарушения сна тесно связаны с хроническимизаболеваниями у пожилых людей9, включая депрессию 10, сердечно-сосудистые заболевания11 и деменцию12. Борьба с нарушениями сна играет решающую роль в улучшении и лечении хронических заболеваний и повышении качества жизни пожилых людей. В настоящее время пациенты в основном полагаются на такие препараты, как бензодиазепины, небензодиазепины и агонисты рецепторов мелатонина для улучшения качества сна13. Тем не менее, бензодиазепины могут приводить к подавлению регуляции рецепторов и зависимости после длительного использования, вызывая тяжелые симптомы отмены при прекращении приема14,15. Небензодиазепиновые препараты также несут риски, включая деменцию16, переломы17 и рак18. Широко используемый агонист рецепторов мелатонина, рамелтеон, уменьшает латентность сна, но не увеличивает продолжительность сна и вызывает проблемы, связанные с функцией печени, из-за обширной элиминации при первом прохождении19. Агомелатин, агонист рецепторов мелатонина и антагонист серотониновых рецепторов, улучшает бессонницу, связанную с депрессией, но также представляет риск повреждения печени20. Следовательно, существует острая потребность в более безопасных препаратах для лечения или облегчения нарушений сна. Однако современные стратегии скрининга лекарственных средств, основанные на молекулярных и клеточных экспериментах в сочетании с автоматизированными системами и компьютерным анализом, являются дорогостоящими и трудоемкими. Структурно-ориентированные стратегии разработки лекарственных средств, основанные на структуре и свойствах рецепторов, требуют четкого понимания трехмерной структуры рецептора и не имеют прогностических возможностей для эффектов лекарств22.
В 2000 году, основываясь на критериях сна, предложенных Кэмпбеллом и Тоблером в 1984 году, исследователи создали простые животные модели дляизучения сна, включая Drosophila melanogaster, которая демонстрировала состояния, похожие на сон25,26. Несмотря на анатомические различия между дрозофилой и человеком, многие нейрохимические компоненты и сигнальные пути, регулирующие сон у дрозофилы, сохраняются во сне млекопитающих, что облегчает изучение неврологических заболеваний человека 27,28. Дрозофила также широко используется в исследованиях циркадных ритмов, несмотря на различия в основных осцилляторах у мух и млекопитающих 29,30,31. Таким образом, дрозофила служит ценным модельным организмом для изучения поведения во сне и проведения скрининга лекарств, связанных со сном.
В этом исследовании предлагается экономически эффективный и простой фенотипический подход к скринингу низкомолекулярных препаратов для лечения нарушений сна с использованием старых мух. Регуляция сна у дрозофилы являетсявысококонсервативной, и снижение сна, наблюдаемое с возрастом, может быть обратимым при приеме лекарств. Таким образом, этот метод скрининга, основанный на фенотипе сна, может интуитивно отражать эффективность препарата. Мы кормим мух смесью исследуемого препарата и корма, отслеживаем и записываем поведение во сне с помощью монитора активности дрозофилы (DAM)32 и анализируем полученные данные с помощью пакета данных SCAMP2020 с открытым исходным кодом в MATLAB (рис. 1). Статистический анализ выполняется с помощью программ для статистики и построения графиков (см. Таблицу материалов). В качестве примера мы демонстрируем эффективность этого протокола, представляя экспериментальные данные по резерпину, низкомолекулярному ингибитору везикулярного переносчика моноаминов, который, как сообщается, увеличивает сон33. Этот протокол обеспечивает ценный подход к определению препаратов для лечения возрастных проблем со сном.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В этом протоколе используются 30-дневные мухи w1118 из Bloomington Drosophila Stock Center (BDSC_3605, см. Таблицу материалов).
1. Приготовление выдержанных плодовых мушек
2. Подготовка лекарственных продуктов питания и стеклянных пробирок к мониторингу
ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура подготовки стеклянных пробирок повторяет работу Jin et al. с изменениями34.
3. Экспериментальный дизайн и лечение мух
4. Сборка дрозофилы и мониторинг сна
ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура сборки дрозофилы повторяет работу Jin et al.34 с изменениями.
5. Обработка данных
ПРИМЕЧАНИЕ: Обработка данных с помощью системы DAM, DAMFileScan107 и SCAMP проводилась в соответствии с инструкциями на их официальных сайтах (см. Таблицу материалов).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Резерпин является низкомолекулярным ингибитором везикулярного транспортера моноаминов (VMAT), который ингибирует обратный захват моноаминов в пресинаптические везикулы, что приводит к увеличению продолжительности сна33. Снотворное действие Резерпина было изучено на 30-дневных мухах, при этом контрольную группу кормили исключительно растворителем диметилсульфоксидом (ДМСО). В группе, принимавшей резерпин, пожилые мухи демонстрировали значительно более высокий уровень сна как днем, так и ночью по ср...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Описанный метод подходит для быстрого скрининга снотворных препаратов малого и среднего размера. В настоящее время большинство основных высокопроизводительных методов скрининга лекарственных средств основаны на биохимическом и клеточном уровнях. Например, исследуется структура и свойства рецептора для поиска специфических лигандов, способных связываться с ним22. Другой подход заключается в анализе режима связывания и прочности молекулярных фрагментов выбранных лекарств с помощью ядерного магнитног...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Мы благодарим сотрудников лаборатории профессора Джунхай Хана за их обсуждение и комментарии. Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая 32170970 Y.T и «Cyanine Blue Project» провинции Цзянсу для Z.C.Z.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Ager | BIOFROXX | 8211KG001 | |
| Искусственный климатический бокс | PRANDT | PRX-1000A | официальный сайт:https://www.nbplt17.com/PLTXBS-Products-20643427/ |
| DAM2 Монитор активности дрозофил | TriKineics | DAM2 | официальный сайт:https://www.trikinetics.com/ |
| DAM2system | TriKineics | версия:v3.03 | официальный сайт:https:// www.trikinetics.com/ |
| DAMFileScan | TriKineics | версия:1.0.7.0 | официальный сайт:https://www.trikinetics.com/ |
| Dimethylsulfoxide | SIGMA | 276855 | |
| Инкубатор мониторинга активности дрозофилы | Tritech Research | DT2-CIRC-TK | официальный сайт:https://www.tritechresearch.com/DT2-CIRC-TK.html |
| Бутылки дрозофилы | Biologix | 51-17720 | официальный сайт:http://biologixgroup.com/goods.php?id=48 |
| Дрозофила: w1118 | Bloomington Drosophila Stock Center | ||
| Версия | Excel для Microsoft | :Excel 2016 | официальный сайт:https://www.microsoftstore.com.cn/software/office/excel |
| Стеклянные трубки | TriKinetics | PPT5x65 | официальный сайт:https://www.trikinetics.com/ |
| MATLABR2022b | MathWorks | версия:9.13.0.2049777 | официальный сайт:https://ww2.mathworks.cn/products/matlab.html |
| Версия Prism | GraphPad | :Prism 8.0.1 | официальный сайт:https://www.graphpad.com/features |
| Reserpine | MACKLIN | R817202-1g | |
| Saccharose | SIGMA | 1245GR500 | |
| SCAMP | Vecsey Lab | N/A | официальный сайт:https://academics.skidmore.edu/blogs/cvecsey/ |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.