Создание экосистемы осьминога для биомедицинских и биоинженерных исследований
22 сентября 2021 г.
Понимание уникальных физиологических и анатомических структур осьминогов может оказать большое влияние на биомедицинские исследования. Это руководство демонстрирует, как настроить и поддерживать морскую среду для размещения этого вида, и включает в себя современные методы визуализации и аналитические подходы для визуализации анатомии и функции нервной системы осьминога.
Наш протокол важен тем, что он направляет исследователей на поддержание среды осьминога, объясняет, как настроить аквариум, ежедневный уход за осьминогами. Этот метод направляет новых исследователей без опыта ухода за осьминогами, создавая аквариумную среду для осьминогов в лаборатории и поддерживая здоровых осьминогов для исследований. Для новых исследователей с осьминогами важно понять, что эти животные требуют сильной приверженности.
Они требуют ежедневного ухода, а качество воды должно постоянно контролироваться в стабильном состоянии, прежде чем животные прибудут. Через неделю после того, как резервуары для осьминогов созреют, создайте отдельный резервуар для креветок, перенеся восемь галлонов созревшей соленой воды в резервуар, а затем добавьте 15 килограммов измельченных кораллов на дно резервуара. Также добавьте несколько живых камней, чтобы обеспечить укрытия для линьки.
Затем прикрепите канистровый фильтр к краю резервуара и установите его в соответствии с указаниями производителя. Добавьте воздушный насос рядом с резервуаром, соединенным с трубкой с прикрепленным воздушным камнем, помещенным в резервуар. Как только измельченный коралловый осадок рассеет креветку, ее можно добавить в резервуар, чтобы добавить креветку по прибытии, сначала переместите креветку из судоходной воды в небольшой промежуточный резервуар для морской воды в течение пяти минут, чтобы удалить биоотходы, затем креветка может быть добавлена непосредственно в резервуар.
Рыба-комар по прибытии может быть добавлена непосредственно в резервуар для креветок. Кормите креветок и рыб рыб рыбными хлопьями, мертвой растительностью или водорослями. Каждую неделю чистите фильтр, меняйте фильтрующие прокладки и меняйте 25% воды.
Используя наборы для тестирования воды, ежедневно проверяйте азот, рН и температурные параметры в пищевых резервуарах. Если параметры азота воды остаются высокими, чаще меняйте воду и добавляйте мешок для поглощения азота. Если проблемы сохраняются дольше месяца, переместите креветок в больший резервуар.
Для крабового резервуара сложите 10 килограммов гальки с одной стороны, чтобы создать сушу, и заполните другую сторону одним галлоном соленой воды. Затем добавьте крабов-скрипачей прямо в аквариум. Крабы будут проводить большую часть своей жизни на суше, но могут находиться под водой в течение нескольких дней за раз, что делает частично подводный резервуар критически важным для их долгосрочного выживания.
Кормите крабов-скрипачей один раз в день, добавляя рыбные хлопья в блюдо на участке аквариума. Очищайте резервуары еженедельно, сначала удаляя крабов, а затем меняя 100% соленой воды и очищая гальку. Поместите морских двустворчатых моллюсков, таких как моллюски и мидии, в резервуар с морской водой осьминога.
Эти моллюски откроются, обеспечив еще один механизм фильтрации воды. Прежде чем вводить осьминога в резервуар, убедитесь, что уровни аммиака, нитритов и нитратов ниже 5, 25 и 10 частей на миллион соответственно. Имейте водяной ручной насос для удаления чернил осьминога из резервуара.
Для этой процедуры требуется два человека. По прибытии положите сумку на весы и запишите вес сумки с осьминогом. Добавьте воздушный камень в мешок, чтобы увеличить оксигенацию воды при переносе животного в свой резервуар.
Измерьте температуру и соленость судоходной воды и зафиксируйте случаи длительного заболевания после отгрузки. Не перекладывая воду из мешка в бак, повесьте транспортную сумку над углом цистерны, при этом мешок частично погружен в воду резервуара, чтобы начать изменять температуру транспортного мешка. Извлеките 10% воды из пакета и сбросьте ее в раковину, затем добавьте такое же количество воды из бака в мешок.
Повторять каждые 10 минут до тех пор, пока температура воды в пакете не будет отличаться не более чем на один градус от температуры воды в баке. Затем наденьте перчатки и поместите обе руки под осьминога, чтобы обеспечить поддержку во время передачи. Второму человеку нужно будет осторожно вытянуть всасываемые руки со стороны сумки.
Как только осьминог выйдет из сумки, быстро переместите его в воду его новой среды обитания, перенеся как можно меньше воды из транспортного мешка. Используйте ручной насос, чтобы удалить все чернила, которые выпускает осьминог, находясь в резервуаре. Теперь взвесьте мешок с водой, чтобы получить приблизительный вес животного.
В течение первых двух недель после прибытия следите за ежедневным потреблением осьминога, которое должно составлять от 4 до 8% от его веса. Осьминога следует проверять четыре раза в день. Это может быть уменьшено до двух раз в день через две недели.
Взвешивайте животное каждые две недели и корректируйте потребление пищи по мере необходимости. Используйте коммерчески доступный набор для тестирования соленой воды для уровней pH, аммиака, нитритов и нитратов. Добавьте количество воды из резервуара, направленное на комплект, в четыре пробирки, поставляемые с комплектом.
Как указано на испытательном комплекте, добавьте количество калориметрического реагента в соответствующую трубку. Если уровни аммиака, нитритов и нитратов выше 5, 25 и 10 частей на миллион соответственно, вымойте биомассу из носкового фильтра или перейдите на новый носковый фильтр. Кроме того, очистите биомассу от верхней части скиммера с помощью щетки и добавьте дополнительные денитрифицирующие бактерии в резервуар.
Если проблемы сохраняются, то замените 25% воды пресной соленой водой. Используя ручной насос, удалите все мертвые туши крабов и креветок из резервуара, а также любые фекалии осьминога. Извлеките всех оставшихся живых крабов из резервуара и переместите их обратно в резервуар для хранения.
Затем переставьте большие объекты внутри резервуара. Затем введите в аквариум половину количества крабов, которых осьминог съедал бы ежедневно. Кормите размороженных креветок или мелких самцов крабов-скрипачей молодым осьминогам.
В зависимости от эксперимента, крабы и креветки могут быть введены в любом месте аквариума или непосредственно осьминогу. Предложите пять креветок-призраков ежедневно. Чтобы обеспечить разнообразную пищу осьминогу, давайте одного живого моллюска или мидии один раз в неделю и всегда держите трех комаров внутри аквариума.
Для еженедельной санитарии выключите огни скиммера, насоса и бункера для водорослей перед очисткой насосной системы, затем выключите автоматический клапан системы перед удалением воды. Наконец, удалите скиммер и всю воду только из системы отстойников. Слегка очистите бункер для водорослей, чтобы удалить большую часть биомассы с его стенок и очистить остальную часть отстойника щеткой, затем снимите фильтр носков, очистите его уксусом и дайте ему высохнуть.
Каждую неделю чередуйте с помощью другого носкового фильтра, заменяя его новым каждые три месяца. После очистки биомассы от верхней части скиммера поместите скиммер обратно в систему и начните заправку соленой водой. Когда область насоса начнет заполняться, снова включите все системы.
Прекратите добавление воды, когда автоматическая верхняя часть поплавкового клапана находится в выключенном положении. Отвинчивание пробирок является ценным тестом для понимания сенсомоторной функции, а также изучения возможностей памяти осьминогов. Этот тест проводился ежедневно на трех осьминогах, и осьминогам требовалось в среднем четыре дня, чтобы научиться открывать пробирку.
Здесь показаны МРТ-изображения мозга и рук осьминога со сверхвысоким пространственным разрешением, которые вместе образуют нервную систему, содержащую более 500 миллионов нейронов. Это корональный вид головы, показывающий мозг и зрительные доли. В корональном виде рук осевой канатик виден в каждом из семи рукавов, а сагиттальный вид присосок демонстрирует сложную периферическую нервную структуру.
Криофлуоресцентная томография, которая генерирует трехмерное морфологическое изображение всего животного, позволила визуализировать мозг и присоски, расположенные вдоль руки на 470-нанометровой длине волны. Пищеварительная система визуализируется в 555- и 640-нанометровых длинах волн. После того, как эта техника была разработана, стало возможным использовать инструменты машинного обучения для отслеживания и классификации движений осьминога.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном руководстве представлена основная информация для исследователей о том, как организовать и поддерживать условия содержания осьминогов в аквариуме. Особое внимание уделяется важности ежедневного ухода и мониторинга качества воды для обеспечения здоровья этих уникальных животных.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Морская биология
- Уход за животными
- Нейробиология
Теоретическая часть
- Осьминоги обладают уникальными физиологическими и анатомическими особенностями.
- Понимание принципов ухода за ними имеет решающее значение для биомедицинских исследований.
- Для обеспечения их благополучия необходима правильная организация аквариума.
- Ежедневный мониторинг качества воды является обязательным.
Цель исследования
- Помочь исследователям в поддержании подходящих условий среды для содержания осьминогов.
- Предложить методики для новых исследователей, не имеющих предварительного опыта.
- Обеспечить здоровье и стабильность популяций осьминогов в исследовательских условиях.
Используемые методы
- Обустройство аквариума для осьминогов.
- Ежедневные процедуры по уходу за осьминогами.
- Постоянный мониторинг качества воды.
- Обустройство резервуара с креветками для кормления и создания среды обитания.
Основные результаты
- Успешное обустройство среды обитания для осьминога в аквариуме.
- Руководство по ежедневному уходу и контролю качества воды.
- Рекомендации по созданию среды обитания для креветок.
- Углубленное понимание требований к содержанию осьминогов.
Выводы
- Работа с осьминогами требует от исследователей полной самоотдачи.
- Надлежащий уход и подходящие условия окружающей среды имеют решающее значение для успеха исследования.
- Начинающим исследователям будут полезны структурированные рекомендации.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Создание стабильной экосистемы для содержания осьминогов позволяет проводить передовые биомедицинские и биоинженерные исследования, обеспечивая доступ к уникальным нейробиологическим и регенеративным моделям. Высококачественный уход за животными и контроль условий окружающей среды являются основой для получения воспроизводимых данных визуализации, поведенческих и физиологических показателей. Данная возможность способствует развитию трансляционных исследований в области нейробиологии, робототехники и регенеративной медицины, позиционируя системы на базе осьминогов как ценные ресурсы для этапов первичных открытий.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишеней
- Поддерживает исследование сложных архитектур нервной системы, имеющих значение для нейробиологии и сенсомоторных функций.
- Позволяет проводить функциональные исследования регенерации и пластичности на немлекопитающей модели.
- Предоставляет платформу для механистического снижения рисков при проверке новых терапевтических гипотез.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает проведение поведенческих анализов и визуализационных исследований с использованием МРТ и автофлуоресценции для количественного фенотипирования.
- Позволяет стандартизировать условия окружающей среды и параметры кормления для получения воспроизводимых результатов экспериментов.
- Поддерживает разработку рабочих процессов по отслеживанию и классификации движений на основе машинного обучения.
Трансляционные и доклинические исследования
- Предлагает систему, имеющую значение для изучения заболевания, для исследования регенерации нейронов и адаптивного поведения.
- Соответствует задачам поиска трансляционных биомаркеров с помощью передовых методов визуализации и анализа поведенческих конечных точек.
- Обеспечивает преемственность от базовых нейробиологических данных до разработки доклинических моделей.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Экосистема «octopus» расположена на стыке ранних открытий и трансляционных исследований, что позволяет проводить исследования на основе гипотез и расширенный фенотипический анализ.
- Открывающая биология: позволяет проверять гипотезы о сложности нейронных сетей, регенерации и поведении.
- Скрининг: обеспечивает стандартизированные условия для подготовки поведенческих тестов и методов визуализации.
- Аналитика: предоставляет количественные данные МРТ, автофлуоресценции и поведенческих тестов для сравнения различных условий.
- Трансляционные исследования: связывают фундаментальные исследования с разработкой доклинических моделей в нейробиологии и регенеративной медицине.
- Корпоративное повторное использование: создает устойчивую, многократно используемую инфраструктуру для текущих и будущих исследовательских программ.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность в нейробиологических и регенеративных исследовательских моделях.
- Операционная ценность: Стандартизирует уход за животными, контроль условий окружающей среды и воспроизводимость анализов.
- Стратегическая ценность: Снижает неопределенность механизмов и способствует принятию обоснованных решений о продолжении или прекращении разработки на ранних этапах НИОКР.
- Влияние на портфель: Позволяет осуществлять приоритизацию новых мишеней и направлений исследований с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуются специализированные знания в области содержания головоногих моллюсков и управления акватическими системами.
- Необходим постоянный мониторинг качества воды и параметров окружающей среды.
- Требуется межкомандная стандартизация методов обращения с животными и протоколов анализа.
- Необходимо адаптировать процедуры содержания под различные экспериментальные нужды и потребности животных.
- Сложность инфраструктуры и высокая ресурсоемкость могут ограничить масштабируемость между различными площадками.
