يصف هذا البروتوكول جيل ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر التي تعبر عن eNpHR2.0 أو ReaChR opsins في القلب لتصوير OCT وسرعة القلب البصرية الوراثية. تم الإبلاغ عن تعليمات مفصلة لتصوير ذبابة الفاكهة OCT وتعديل ضربات القلب ، بما في ذلك محاكاة السكتة القلبية القابلة للاستعادة ، وبطء القلب ، وعدم انتظام دقات القلب في الحيوانات الحية في مراحل النمو المختلفة.
وقد ضمن استخدام ذبابة الفاكهة الميلانوغاست r (ذبابة الفاكهة) ككائن حي نموذجي تقدما كبيرا في العديد من مجالات العلوم البيولوجية ، من التنظيم الخلوي والتحقيقات الجينومية إلى الدراسات السلوكية. بسبب المعرفة العلمية المتراكمة ، في السنوات الأخيرة ، تم جلب ذبابة الفاكهة إلى مجال نمذجة الأمراض البشرية ، بما في ذلك اضطرابات القلب. يصف العمل المقدم النظام التجريبي لمراقبة وظيفة القلب والتلاعب بها في سياق كائن حي كامل باستخدام الضوء الأحمر (617 نانومتر) وبدون إجراءات غازية. تم تحقيق السيطرة على القلب باستخدام أدوات البصريات الوراثية. يجمع علم البصريات الوراثي بين التعبير عن الأوبسينات المعدلة وراثيا الحساسة للضوء وتنشيطها البصري لتنظيم الأنسجة البيولوجية ذات الاهتمام. في هذا العمل ، تم استخدام نظام التصوير المقطعي المتكامل للتماسك البصري (OCT) المخصص ونظام التحفيز البصري الوراثي لتصور وتعديل قلب D. melanogaster الوظيفي في 3rd instar larval ومراحل نمو العذراء المبكرة. تم استخدام النظام الوراثي المزدوج UAS/GAL4 للتعبير عن الهالورودوبسين (eNpHR2.0) وقناة رودوبسين ذات الانزياح الأحمر (ReaChR)، وتحديدا في قلب الذبابة. يتم توفير تفاصيل حول إعداد D. melanogaster للتصوير المباشر OCT والسرعة البصرية الوراثية. قام برنامج تكامل تم تطويره في المختبر بمعالجة بيانات التصوير لإنشاء عروض مرئية وخصائص كمية لوظيفة القلب ذبابة الفاكهة . تظهر النتائج جدوى بدء السكتة القلبية وبطء القلب الناجم عن تنشيط eNpHR2.0 وأداء سرعة القلب عند تنشيط ReaChR.
في نهاية عام 2010 ، اختارت مجلة Nature Methods علم البصريات الوراثي كطريقة للعام1. إن استخدام الأدوات الجينية (العمليات المعدلة وراثيا) التي ينظمها الضوء للتحكم في الأنسجة البيولوجية ذات الأهمية بدقة وسرعة غير مسبوقة فتح بوابة فيضان للتطبيقات الجديدة. حتى الآن ، تنتمي غالبية الإنجازات إلى علم الأعصاب. تم تقديم التكنولوجيا كطريقة جديدة للتحكم الدقيق في الخلايا العصبية المفردة2 وتقدمت إلى اكتشافات في مجال الوظائف المعرفية للكائنات الحية3. منذ البداية ، أظهر علماء الأعصاب القدرة على تعديل سلوك الكائن الحي بأكمله. تسبب التعبير والتنشيط الضوئي ل ChR2 opsin في الخلايا العصبية الدوبامينية للفئران في تنشيطها وكانت كافية لدفع التكييف السلوكي4. أدى التثبيط البصري الوراثي لمجموعة فرعية من الخلايا العصبية التي تحتوي على هالورهودوبسين NpHR2.0 الذي تم تسليمه إلى التركيز الصرعي لدماغ القوارض إلى تخفيف النوبات الكهربية الدماغية5.
تتطور التطبيقات البصرية الجينية في أمراض القلب بوتيرة ثابتة6. تم التعبير عن ChR2 بنجاح في زراعة خلايا الخلايا العضلية القلبية وفي الفئران. تم إجراء وتيرة القلب عن طريق ومضات من الضوء الأزرق (أجريت باستخدام ألياف مزروعة في الحيوانات الحية)7. في أسماك الزرد ، تم التعبير عن ChR2 واستخدامه لتحديد منطقة القلب التي تصنع السرعة. تنشيط NpHR الناجم عن السكتة القلبية8. تتمتع سرعة القلب البصرية الجينية بإمكانات فريدة لتطوير علاجات جديدة للسرعة وإعادة المزامنة9. تم الإبلاغ مؤخرا عن محاولات لإنشاء نظام إنهاء عدم انتظام ضربات القلب الذاتي وكذلك10.
تتطلب الأبحاث المكثفة وتطوير علاجات علاجية جديدة تطبيق أنظمة نموذجية مختلفة ، من زراعة الخلايا إلى الثدييات. قلب الفقاريات هو عضو معقد للغاية. تشكل الخلايا العضلية القلبية (CM) ثلث جميع خلايا القلب. وتشمل الخلايا الأخرى الخلايا العصبية، وخلايا العضلات الملساء الوعائية، والخلايا غير القابلة للإثارة (أي الخلايا البطانية، والخلايا الليفية، والخلايا المناعية). البحث في زراعة خلايا CM يحد من ترجمة النتائج التي تم الحصول عليها إلى التطبيقات الطبية البشرية. إن التلاعب الجيني لكائنات النماذج الثديية محدود ويستغرق وقتا طويلا. نماذج اللافقاريات الأصغر لها العديد من المزايا. نظام القلب والأوعية الدموية يحمل جميع العناصر النسيجية الأساسية. ذبابة الفاكهة الميلانوغاستر (ذبابة الفاكهة) هو نظام نموذج وراثي بسيط وقوي للتحقيق في دور الجينات المرتبطة بالأمراض البشرية ، بما في ذلك أمراض القلب11،12،13. كحيوانات قصيرة العمر ، يمثل ذباب الفاكهة فرصة ممتازة لنمذجة تغيرات وظائف القلب التي تعتمد على العمر أو المرض والتي يمكن تتبعها طوال الحياة14،15،16،17. يقع أنبوب قلب ذبابة الفاكهة على الجانب الظهري من جسمها على بعد 200 ميكرومتر من سطح البشرة ، مما يسمح للضوء المرئي للأشعة تحت الحمراء القريبة بالوصول إلى أنبوب القلب. تتيح هذه الميزة التشريحية الوتيرة البصرية غير الغازية لقلب ذبابة الفاكهة باستخدام الأدوات البصرية الوراثية الموجودة.
لمراقبة قلب ذبابة الفاكهة ، تم تطوير نظام تصوير مقطعي بصري مخصص للتماسك البصري (SD-OCT) مع وحدة إثارة LED مدمجة للضوء الأحمر18. يمكن تحليل التغيرات المورفولوجية والإيقاعية في قلب ذبابة الفاكهة البسيط نسبيا بسهولة باستخدام تقنية التصوير الطبي الحيوي غير الغازية هذه12،19،20،21. مع تحسين أداء التقسيم البصري والدقة المكانية على نطاق ميكرون ، تم استخدام OCT بنجاح للتحقيق في بنية ومراقبة وظيفة قلب ذبابة الفاكهة في مراحل النمو المختلفة ، بما في ذلك اليرقة 3rd instar والخادرة المبكرة18. يتيح هذا النظام أيضا المراقبة والتحفيز المتزامنين لحالة ذبابة الفاكهة القلبية في الحيوان السليم. يظهر الشكل 1 عرضا تخطيطيا لنظام OCT. يستخدم نظام SD-OCT الصمام الثنائي فائق الإضاءة (SLD) كمصدر للضوء (الطول الموجي للمركز: 850 نانومتر ± 10 نانومتر، FWHM: 165 نانومتر، انظر جدول المواد). باستخدام عدسة موضوعية 10x ، يمكن لنظام التصوير OCT تحقيق دقة محورية تبلغ ~ 4.4 ميكرومتر في الهواء و ~ 3.3 ميكرومتر في الأنسجة ودقة جانبية تبلغ ~ 2.8 ميكرومتر ، وهي كافية لحل التفاصيل الدقيقة لهياكل قلب الذبابة18,22. يتم الكشف عن إشارات التداخل للضوء المنعكس من الذراع المرجعي وذراع العينة باستخدام مقياس الطيف المزود بكاميرا مسح خطي بدقة 2048 بكسل (الحد الأقصى لمعدل الخط: 80 كيلو هرتز، انظر جدول المواد). حساسية النظام المقاسة هي ~ 95.1 ديسيبل. يقوم كل مسح ضوئي OCT في الوضع B بإنشاء صورة مقطعية عرضية في مستوى الصورة xz. يتم الحصول على صور B-mode المتكررة في نفس الموقع لإنشاء صور في الوضع M تلتقط القلب النابض لأكثر من 30 ثانيةتقريبا 18،22،23. يبلغ معدل الإطارات للتصوير في وضع M حوالي 125 إطارا / ثانية ، وهو ما يكفي لالتقاط ديناميكيات نبض قلب ذبابة الفاكهة.
من أجل التنظيم البصري الوراثي لوظيفة قلب ذبابة الفاكهة ، يتم دمج وحدة إضاءة مع مصدر ضوء LED 617 نانومتر مع ذراع العينة لنظام SD-CT. يركز ضوء التحفيز على بقعة قطرها ~ 2.2 مم على سطح العينة ، في نفس موضع بقعة تركيز التصوير. يتم استخدام برنامج مكتوب خصيصا للتحكم في وضع الإضاءة (شدة الضوء وعرض النبضة ودورة العمل) ، وضبط تردد تحفيز نبضة الضوء ، ومزامنة إضاءة وحدة LED واكتساب التصوير OCT في وضع M22.
وصفت المنشورات الحديثة نظام ذبابة الفاكهة المعدل وراثيا الذي يتكون من عمليات ChR2 و ReaChR و eNpHR2.0 المنظمة زمنيا والمكانية باستخدام النظام الوراثي UAS / GAL4. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها القدرة على بدء السكتة القلبية وبطء القلب الناجم عن تنشيط الضوء الأحمر ل eNpHR2.0 وسرعة القلب ذات التردد العالي الناجم عن تنشيط الضوء الأزرق ل ChR2. تم إجراء تجارب وتيرة مماثلة مع قناة أخرى ، ReaChR ، يمكن تحريضها بواسطة إضاءة الضوء الأحمر22،23،24. كان تعبير opsin في جميع التجارب الموصوفة مدفوعا ب 24B-GAL4 ، حيث لوحظ تعبير opsin في مجموعة واسعة من الأنسجة ، بما في ذلك الخلايا العضلية القلبية وخلايا العضلات المحيطة. في الدراسة الحالية ، تم استبدال 24B-GAL4 ببرنامج تشغيل Hand-GAL4 لتحقيق تعبير eNpHR2.0 و ReaChR opsins الخاص بالقلب.
بشكل عام ، تظهر النتائج التجريبية المقدمة سكتة قلبية قابلة للإصلاح وبطء القلب المستحث وأمراض القلب وعدم انتظام دقات القلب. يتم توفير بروتوكول مفصل مع تعليمات خطوة بخطوة حول إنشاء نماذج ذبابة الفاكهة المعدلة وراثيا وإجراء التصوير OCT المتزامن وتجارب السرعة البصرية الجينية في الحيوانات الحية.
بالمقارنة مع تقاريرنا السابقة حيث كان التعبير عن opsins مدفوعا ليس فقط في القلب ولكن أيضا في الأنسجة العضلية المحيطة ، فإن تقارير العمل الحالية تستخدم سائقا خاصا بالقلب ، Hand-GAL4. يؤكد هذا التكوين الجيني الجديد ل Hand> opsin المستخدم في تنظيم القلب البصري الوراثي النتائج التي تم الإبلاغ عنها سابقا ويؤسس نموذجا أفضل لأبحاث ذبابة الفاكهة القلبية الوعائية.
يعد إعداد وسائل الإعلام ضروريا لنجاح التجارب. تتطلب بروتينات Opsin شبكة شبكية متحولة بالكامل (ATR) لتعمل28. الذباب لا ينتج ما يكفي من ATR ، لذلك يجب استكمال ATR إلى وسائط الطيران. في هذه الدراسة ، تم استبدال الطعام الفوري الذي تم الإبلاغ عنه سابقا بوسائط شبه محددة29. تم تقديم الوصفة الجديدة للوسائط التي تحتوي على ATR لضمان توزيع موحد ل ATR. ATR غير قابل للذوبان في الماء. عندما يضاف مخزون ATR القائم على الإيثانول 100 mM إلى الوسائط المائية ، يتم تشتيته عن طريق دوامة القوارير التي تحتوي على وسائط دافئة شبه محددة. أيضا ، تم تخفيض تركيز ATR المبلغ عنه سابقا من 10 mM ل eNpHR2.0 و 3 mM ل ReaChR22 إلى تركيز نهائي 1 mM لكليهما. هذا التركيز كاف لضمان وظيفة eNpHR2.0 و ReaChR المناسبة.
أحد المكونات الحيوية للنجاح التجريبي هو تحسين معالجة البيانات باستخدام FlyNet 2.027. واصل المختبر تطوير هذا البرنامج لتحسين كل من الكفاءة الحسابية ودقة خوارزمية تجزئة قلب الذبابة الآلية. تستخدم أقنعة المقطع العرضي التي ينتجها هذا البرنامج لاشتقاق البيانات الفسيولوجية ذبابة الفاكهة مثل التقصير الجزئي وسرعة جدار القلب. وقد مكن هذا النهج من تحليل البيانات بكفاءة مع الحد الأدنى من الإشراف البشري، مما يجعل من الأسرع والأكثر موثوقية توصيف وظائف القلب لمجموعات بيانات تصوير القلب الذبابة الكبيرة.
لا يزال احتشاء عضلة القلب هو السبب الرئيسي للوفاة، ويساهم نقص تروية عضلة القلب في ثلثي جميع حالات قصور القلب، الذي يظهر بسرعة بين الأسباب الرئيسية للوفيات والمراضة في الولايات المتحدة30. يتطلب تطوير علاجات وأجهزة طبية جديدة معرفة عميقة بآليات اضطرابات القلب على المستويين الفسيولوجي والكيميائي الحيوي. يمكن تحقيق هذه الأهداف بمساعدة الكائنات الحية النموذجية. D. melanogaster أثبتت نفسها باعتبارها واحدة من النماذج الأكثر موثوقية وكفاءة 31،32،33،34،35. وقد ولد هذا العمل نماذج محاكاة اضطرابات القلب ذبابة الفاكهة الناجمة عن نهج البصريات الوراثية غير الغازية. يوفر تطوير تقنيات سرعة القلب البصرية غير الغازية أساسا لتطوير بديل لأجهزة سرعة القلب الكهربائية التقليدية. يسمح استخدام OCT لمراقبة وظيفة القلب في الوقت الفعلي للدراسات بتوصيف فسيولوجيا القلب ذات الصلة بدقة في نماذج ذبابة الفاكهة للتحقيقات المتقدمة ، بما في ذلك فحص مرشح الدواء. يحتوي تصوير OCT على عمق اختراق يبلغ ~ 1 مم ، والذي يعمل بشكل جيد لدراسات القلب ذبابة الفاكهة ولكنه يحد من استخدامه لتوصيف وظيفة القلب في النماذج الحيوانية الأكبر. وعلاوة على ذلك، فإن ترجمة أبحاث ذبابة الفاكهة مباشرة إلى نماذج الثدييات يمثل تحديا. هناك حاجة إلى تطوير أدوات بصرية وراثية جديدة لتحسين حساسية الأوبسينات وترجمتها إلى أنظمة نموذجية مختلفة ، بما في ذلك أسماك الزرد والفئران والجرذان والمواد العضوية في القلب البشري ، لأبحاث القلب والأوعية الدموية.
The authors have nothing to disclose.
يشكر المؤلفون أندريه كوماروف ويوشوان وانغ وجيانتاو تشو على مساعدتهم في تحليل البيانات ويشكرون أعضاء مختبر تشو على مناقشاتهم القيمة. تم دعم العمل في مختبر الدكتور تشو من قبل صندوق بدء التشغيل من جامعة واشنطن في سانت لويس ، ومنح المعاهد الوطنية للصحة (NIH) R01-EB025209 و R01-HL156265 ، وجائزة مؤسسة كلايكو للبحوث المبتكرة.
All-trans retinal | Cayman Chemicals | 18449 | |
Bacto Peptone | Gibco | 02-10-2025 | |
BioLED Light Source Control Module, 4-channel | Migtex Systems | BLS-SA04-US | Part of the optogenetic stimulation module |
Broadband Light Source Module | Superlum | cBLMD-T-850-HP | Part of the SD-OCT imaging system |
Cobra-S 800 OCT Spectrometers | Wasatch Photonics | CS800-840/180-80-OC2K-U3 | Part of the SD-OCT imaging system |
Delicate Task Wipers | Kimberly-Clark Professtional | 34155 | tissues |
Drosophila agar | Genesee Scientific | 66-103 | |
Drosophila culture bottles | Genesee Scientific | 32-131 | |
FlyNet 2.0 Software | Z-Lab | Custom software for fly heart segmentation and heart function analysis developed in the Zhou lab | |
High-Power LED Collimator Sources | Migtex Systems | BLS-LCS-0617-03-22 | Part of the optogenetic stimulation module |
Inactive dry yeast | Genesee Scientific | 62-106 | |
Microscope slides | AmScope | BS-72P | |
Narrow plugs for Drosophila culture | Genesee Scientific | 59-200 | |
Narrow vials for Drosophila culture | Genesee Scientific | 32-116SB | |
Permanent double-sided tape | Scotch | ||
Plugs for Drosophila bottles | Genesee Scientific | 59-194 | |
Propionic Acid | Sigma | P1386-1L | |
SD-OCT control software | Z-Lab | Custom software for image acquisition and pacing control developed in the Zhou lab | |
SD-OCT imaging and optogenetic pacing system | Z-Lab | Imaging and optogenetic pacing system developed in the Zhou lab (~$50k BOM) | |
Sucrose | Carolina | 89-2871 | |
w[*]; P{y[+t7.7] w[+mC]=UAS-eNpHR-YFP}attP2 | Bloomington Drosophila Stock Center (BDSC) | stock # 41752 | eNpHR2.0 transgenic line |
w[*]; P{y[+t7.7] w[+mC]=UAS-ReaChR}su(Hw)attP5/CyO | Bloomington Drosophila Stock Center (BDSC) | stock # 53748 | ReaChR transgenic line |
w[1118]; P{y[+t7.7] w[+mC]=GMR88D05-GAL4}attP2/TM3 Sb[1] | Bloomington Drosophila Stock Center (BDSC) | stock # 48396 | Heart specific GAL4 driver containing Hand gene regulatory fragment |
y[*] w[*]; P{w[+mC]=UAS-2xEGFP}AH3 | Bloomington Drosophila Stock Center (BDSC) | stock #6658 | GFP reporter line |
Yeast extract | Lab Scientific bioKEMIX | 978-907-4243 |