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Cancer Research

ゼブラフィッシュの幼生を潜在的な放射線増感剤またはプロテクターを評価するためのモデルとして

Published: August 25, 2022 doi: 10.3791/64233
* These authors contributed equally

Summary

ゼブラフィッシュは最近、潜在的な放射線修飾因子を検証するためのモデルとして利用されています。本プロトコルでは、ゼブラフィッシュの胚を放射線ベースのスクリーニング実験に使用する詳細な手順と、さまざまな治療と放射線の効果を評価するためのいくつかの観察アプローチについて説明します。

Abstract

ゼブラフィッシュは、脊椎動物のモデルとしては維持が容易であり、ユニークで便利なモデルシステムの特徴を示すため、さまざまな研究に広く利用されています。増殖性の高い細胞は放射線によるDNA損傷を受けやすいため、ゼブラフィッシュの胚は放射線研究の最前線の in vivo モデルです。さらに、このモデルは、主要な生物学的事象と関連する応答とともに、放射線とさまざまな薬物の影響を短時間で予測します。いくつかのがん研究でゼブラフィッシュが使用されており、このプロトコルは、放射線療法とがんの文脈での放射線修飾剤の使用に基づいています。この方法は、放射線照射された胚と対照胚(非照射)に対するさまざまな薬物の効果を検証するために容易に使用でき、したがって、薬物を放射線増感薬または保護薬として識別します。この手法は、ほとんどの薬物スクリーニング実験で用いられていますが、実験の詳細やX線被曝を背景とした毒性評価は、限定的であるか、短時間しか取り上げられていないため、実施が困難でした。このプロトコルでは、この問題に対処し、手順と毒性評価について詳細な図で説明します。この手順では、ゼブラフィッシュの胚を放射線研究や放射線ベースの薬物スクリーニングに使用し、高い信頼性と再現性を実現するための簡単なアプローチを説明しています。

Introduction

ゼブラフィッシュ(Danio rerio)は、過去30年間にわたって研究で広く使用されてきた有名な動物モデルです。実験室の条件下で飼育や繁殖が簡単な小型の淡水魚です。ゼブラフィッシュは、さまざまな発生および毒物学的研究に広く使用されています1,2,3,4,5,6,7,8。ゼブラフィッシュは繁殖力が高く、胚発生が短いです。胚は、さまざまな発生段階の追跡に適しており、視覚的に透明であり、さまざまな遺伝子操作およびハイスループットスクリーニングプラットフォーム9,10,11,12,13,14に適しています。さらに、ゼブラフィッシュは、その発生過程とさまざまな有毒物質または因子の存在下でのさまざまな奇形を実体顕微鏡または蛍光顕微鏡法を使用して簡単に研究できるトおよびライブイメージングを提供します7,15,16。

放射線療法は、がんの治療に使用される主要な治療法の1つです17181920、21、222324しかし、がん放射線治療では、悪性細胞を殺しながら正常な健康な細胞を死滅から守ったり、高エネルギー放射線を含む治療中に人間の健康を保護したりするための潜在的な放射線防護剤が必要です25,26,27,28,29。逆に、強力な放射線増感剤は、特に標的療法や精密治療において、悪性細胞を殺すための放射線の効率を高めるために研究されています30,31,32,33。したがって、強力な放射線防護剤と増感剤を検証するために、セミハイスループットの薬物スクリーニングに適しており、放射線効果を測定可能に示すモデルが強く求められています。いくつかの利用可能なモデルは、放射線研究で使用され、薬物スクリーニング実験に関与しています。しかし、高等脊椎動物や、最も一般的に使用されているin vivoモデルであるマウスでさえ、これらのモデルを用いたスクリーニング実験の設計には時間とコストがかかり、困難であるため、大規模な薬物スクリーニングには適していません。同様に、細胞培養モデルは、さまざまなハイスループット薬物スクリーニング実験に理想的です34,35。しかし、細胞培養を含む実験は、培養中の細胞が増殖条件や動態に応じて挙動を著しく変化させる可能性があるため、必ずしも実用的、再現性が高く、信頼性が高いとは限りません。また、さまざまな種類の細胞が差動放射線感作を示します。特に、2Dおよび3D細胞培養システムは生物全体のシナリオを表していないため、得られた結果は実際の放射毒性のレベルを再現していない可能性があります36,37。この点で、ゼブラフィッシュは、新規の放射線増感剤および放射線防護剤のスクリーニングにおいていくつかの利点を提供します。取り扱いの容易さ、大きなクラッチサイズ、短い寿命、急速な胚発生、胚の透明性、および小さな体サイズにより、ゼブラフィッシュは大規模な薬物スクリーニングに適したモデルになっています。以上の利点により、実験を短時間で容易に繰り返すことができ、マルチウェルプレートの解剖顕微鏡下で容易に効果を観察することができる。したがって、ゼブラフィッシュは放射線研究を含む薬物スクリーニング研究で人気を集めています38,39

放射線修飾剤をスクリーニングするための正真正銘のモデルとしてのゼブラフィッシュの可能性は、さまざまな研究で実証されています40,41,42,43,44,45。ゼブラフィッシュモデルでは、ナノ粒子DF1、アミフォスチン(WR-2721)、DNA修復タンパク質KU80、ATM、移植造血幹細胞などの潜在的な放射線修飾剤の放射線防護効果、およびフラボピリドールやAG1478などの放射線増感剤の効果が報告されています19,41,42,43,44,45,46.同じシステムを用いて、DF-1(フラーレンナノ粒子)の放射線防護効果を全身レベルと臓器特異的レベルの両方で評価し、放射線防護体スクリーニングのためのゼブラフィッシュ胚の使用もさらに調査された47。最近、ケルルート蜂蜜はゼブラフィッシュの胚の放射線防護剤として報告され、胚の生存率を高め、臓器特異的な損傷、細胞DNAの損傷、およびアポトーシスを防ぐことがわかった48

同様に、ハンチの反応によって生成されたポリマーの放射線防護効果は、ゼブラフィッシュの胚でハイスループットスクリーニングでチェックされ、その保護は主に細胞をDNA損傷から保護することによって与えられた49。以前の研究の1つでは、親油性スタチンフルバスタチンが、このアプローチでゼブラフィッシュモデルを使用して潜在的な放射線増感剤として発見されました50。同様に、金ナノ粒子は理想的な放射線増感剤であると考えられており、多くの研究で使用されています51,52

ゼブラフィッシュの胚発生は、単細胞の受精卵が分裂して2細胞、4細胞、8細胞、16細胞、32細胞、64細胞を形成する最初の3時間での切断を伴い、実体顕微鏡で容易に識別できます。その後、128個の細胞(受精後2.25時間、hpf)で胞胚期に達し、細胞は15分ごとに倍増し、256細胞(2.5hpf)、512細胞(2.75hpf)、わずか3時間で1,000+細胞に達します(図1)。4時間で、卵は球の段階に達し、続いて胚の塊7,53,54にドーム形状が形成されます。ゼブラフィッシュの原腸形成は5.25 hpf54から始まり、そこでシールド段階に達します。シールドは、生殖輪の片側への細胞の急速な収束移動を明確に示しており(図1)、容易に識別できるガスtrulate胚の顕著で明確な段階です53,54。胚への放射線被曝は発生のどの段階でも起こりうるが、原腸形成中の放射線被曝は、より明瞭な形態学的変化を有し、放射線誘発毒性のより良い読み出しを容易にする可能性がある55。同様に、胚への薬物投与は、早ければ2HPF54から開始することができる。

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Protocol

本研究は、ブバネシュワールの生命科学研究所の動物倫理委員会のガイドラインに従って事前承認を得て実施されました。ゼブラフィッシュの維持と繁殖はすべて28.5°Cの常温魚養殖施設で行い、胚は28.5°Cの生物学的酸素要求量(BOD)インキュベーターで維持しました。 ここでは、ゼブラフィッシュAB株を用い、病期分類はKimmel et al.54に従って行った。X線照射は6 hpf(遮蔽期)で行われ、120 hpfまで異なる表現型が観察された。

1. 繁殖のセットアップと胚の採取

  1. 飼育タンク(ポリカーボネート製、容量1L、 材料表参照)をセットします。システム水(pH、6.8-7.5、導電率、500μS、温度、28.5°C)を、その体積の約40%をカバーする飼育タンクに注ぎます。仕切りをタンクに入れて、女性用と男性用の2つのチャンバーを作成します。
  2. 親水槽から、網の助けを借りて健康な雌2匹と健康な雄1匹を慎重に集め、それぞれ半分に分け、28.5°Cで一晩(最低10時間)暗所に保管します。
  3. 翌朝、仕切りを取り外し、繁殖水槽を乱さずに魚を交配させます。
    注:女性は産卵を開始し、魚が56,57,58交尾を許可された後、10〜15分以内に卵が水槽の底に横たわっているのが見られます。
  4. 産卵後、魚を水槽に戻し、ストレーナーを使用して繁殖水槽から胚を回収し、システム水で適切に洗浄し、収集した卵をE-3培地(4.94 mMのNaCl、0.17 mMのKCl、0.43 mM CaCl 2、0.85 mMのMgCl2塩、1%w/vのメチレンブルー、 材料表を参照)。
  5. 卵子を解剖顕微鏡で観察し、パスツールピペットを使用して未受精胚または死死胚を取り除き、受精卵を含むペトリプレートをE-3培地中の28.5°Cのインキュベーターで適切に増殖および維持するために保管します。
    注:未受精卵は、凝固した絨毛膜または絨毛膜内の破裂した細胞を伴う乳白色の外観で識別できます。未受精卵とともに、卵割を受けていない卵子や、卵割中の不規則性、例えば非対称性、小胞の形成、絨毛膜の損傷などの奇形のある卵子、または活発に発育していない卵は、採取された胚を健康に保ち、培地を清潔に保つために廃棄する必要があります7,56

2. 放射線実験のための胚のモニタリングと選抜

  1. 解剖顕微鏡で成長する胚を監視し、適切なステージ7,54を特定し、死んだ胚や不健康な胚を取り除きます。放射線と薬物の投与量は特定の原腸形成段階で投与されるため、適切な胚の病期分類を確保します。
    注:培養皿の培地のレベルと品質を毎日確認してください。死んだ胚を取り除くとともに、24時間ごとに培地を交換します。パスツールピペットは、胚の摘出や培地の交換に好まれます。
  2. 実験を開始する前に、パスツールピペットの助けを借りて、実験プレートに健康な胚を慎重に分配します。実験グループごとに、15〜20個の胚を採取します。
    注:望ましい発生段階の健康な胚のみを実験プレートに入れます。薬物治療を6 hpfの胚で行わなければならないと仮定し、少なくとも30〜60分前に実験プレートに播種を開始します。

3.薬物治療

  1. ゼブラフィッシュの胚に所望の濃度の薬剤を加えます。薬物含有E-3培地は、事前に十分に準備してください。ゼブラフィッシュの胚を治療するための作業培地を調製する前に、薬剤の原液に未溶解の薬剤が含まれていないことを確認してください。
  2. 放射線スクリーニングのために培地に薬物を添加する前に、薬物の濃度のグレードで薬物の細胞毒性効果を確認してください。OECDガイドラインに従って、評価中の医薬品のLC50を評価します596061
    注意: 照射時間中や観察時間中にプレートや皿を動かすときは注意してください。この処理中にプレートが乱れ、培地がウェルから漏れたり、胚がそれぞれのウェルからこぼれたりして、近くのウェルを汚染して実験を台無しにする可能性があります。

4. X線照射

  1. 放射線実験を設定する際には、対照群/非照射群と放射線のみのグループを含めます。同様に、薬物スクリーニングを実施する際に、スクリーニング実験で投与されたものと同じ濃度の薬物を放射線とともに投与する別のグループを含めます。
    注意: ウェルプレートまたは培養皿の蓋と底の両方にラベルを付けて、蓋の位置を間違えないようにします。
  2. 放射線遮蔽体が余分なウェルを覆い、放射線から保護できる場合、他のウェルが特定の放射線量に曝露されている場合は、ウェルプレートに胚を分配します。それ以外の場合は、個々のプレートまたはディスクを使用して、放射線量ごとに胚を播種します。
  3. X線照射装置( 材料表参照)の電源を入れ、装置の初期化とウォームアップを開始します。
    注意: ソースから被写体までの距離(SSD)の値は50cmである必要があります。異なるSSDを再び使用することができるため、標準化が必要です。
  4. 実験プレートを装置内部の照射器の下に中央に置き、プレートがX線源の真下にあることを確認してから、線量(例:5GY)を設定してX線を開始します。
    注:プレートをパラフィンフィルムで密封して、インキュベーターから照射器へ、および照射器から照射器に戻るプレートの輸送中に不要なこぼれや汚染を防ぎます。
  5. 照射終了後、プレートを取り出し、マシンプログラムをシャットダウンし、マシンの電源を切り、照射直後に顕微鏡でプレートを確認してください。死んだ胚を取り除き、プレートを28.5°Cのインキュベーターに戻します。 解剖顕微鏡で評価した後、死んだ胚の数を記録します。
    (注)発育段階の違いにより放射線の影響が大きく影響する可能性があるため、個々のグループ間で指定線量を照射する。
    注意: X線装置を操作するときは、適切な保護対策を講じてください。

5. データ収集、イメージング、分析

  1. 放射線照射後24時間ごとなど、所定の時間間隔でデータを収集します。生存率、孵化効率、発達段階、心拍数、体と尾の湾曲、心膜浮腫、卵黄嚢の伸展、小頭症、水泳膀胱の発達、一般的な運動性または活動など、考えられるすべての観察を記録します62,63,64。
  2. 画像をキャプチャするには、きれいなスライドで代表的な胚を選択し、顕微鏡で胚を確認し、特定の方向に向け、 画像をクリックします。グループと時間に応じて画像ファイルの名前を変更します。
    注意: 異なる時間間隔で写真をキャプチャする場合は、同じ倍率と照明を使用する必要があります。

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Representative Results

プロトコルの全体的なレイアウトを図 2示します。放射線の影響と線量依存的な特性評価は、以下の分析で評価されました。

X線誘発毒性評価
実体顕微鏡を用いて、薬物治療および/または放射線照射後の以下の異常を評価し、特徴付けた。OECDガイドライン61によると、魚類の毒性評価では、胚の凝固、体節形成の奇形、卵黄嚢からの尾の非剥離、心拍の減少または欠如を含む4つの主要な頂端評価項目を含め、全体的な毒性を分析した61。急性毒性は、上記の異常のいずれかで陽性の結果に基づいて決定されました。これら4つの主要評価項目に加え、脊椎・尾尾の屈曲、頭部奇形、小頭症、発達障害、心膜浮腫、卵黄嚢変形、水泳膀胱変形、眼構造変化の形態観察も行いました(図3C図4)。放射線毒性のスコアリングは、生存率および/またはさまざまな形態学的異常のスコアリングに基づいている可能性があります。

生存率と生存曲線
生存率は、生胚の総数をグループで最初に採取された胚の総数で割り、その結果に100 38,50,65を掛けることによって計算されました。次に、異なる時点と異なる実験グループに対応する値をプロットして、生存曲線を求めました。この研究は、6 hpfで照射された胚の生存曲線を提供します(図3A)。

放射線毒性に関連する主な異常(図3図4)
胴体の湾曲と尾の曲がり
これは、ゼブラフィッシュの胚50,65,66の毒性誘発奇形を評価するための最も一般的なパラメータの1つです。体の湾曲変形は、肝臓後の尾部領域または本体軸の曲がり、または完全な半円形の脊椎、または体軸と尾部の複数の曲がりを伴う、低度から中等度、重度までのさまざまなパターンで見られます。低線量では、曲がりはすべての胚に現れるわけではありませんが、ほとんどの胚で発生する可能性があります。用量の増加に伴い、屈曲の重症度も増加し、すべての個人に影響を及ぼします。この研究では、これらの奇形は、10GY線量の放射線で処理された胚で観察されました。

心膜および心臓浮腫
放射線や薬物などの毒性曝露で治療された胚は、許容範囲を超えて、または毒性のある用量で治療され、心膜浮腫を発症します65,66。X線を浴びた胚は、心嚢腔や心臓に体液が溜まり、心膜や心臓が腫れる心膜浮腫や心浮腫を呈します。

卵黄嚢浮腫、卵黄の肥厚、および卵黄嚢の収縮
X線被曝後、一部の魚類では卵黄嚢が肥厚または保持されているのが見られ、X線放射の毒性を示唆しています。場合によっては、卵黄の伸長が短い卵黄嚢全体の収縮、または卵黄領域の浮腫の発生も見られます。

頭部の縮小(小頭症)
高放射線の予想される結果の1つは、頭のサイズの縮小、または小頭症であり、これは、治療された胚を対照群の胚と比較することで特定できます。

水泳膀胱の奇形
放射線照射後、水泳膀胱は少数の胚で減少または損なわれることが見られ、水泳膀胱の変形は、より高い放射線量にさらされた胚の場合に大きくなり、高線量に曝露された胚の低歩行または遊泳能力の低下に寄与する可能性があります。

目の構造の変化
放射線は甚大なDNA損傷やタンパク質の変化を引き起こし、最終的には細胞死や細胞数の減少、あるいは特定の細胞型の死を引き起こす可能性がある65。眼は強い放射線量の影響を受けることがあり、眼球の大きさが小さく、細胞層が減少することが観察されている55

毎分ハートビート (bpm)
1分あたりの心拍数は、実体顕微鏡で胚を観察してカウントしました。放射線量が増加すると、bpmは減少する傾向にあります(図3B)。5匹の幼虫は、グループごとに各時点でbpmを計算するために考慮されました。心拍数の減少は心機能障害を示している可能性がある66

このプロトコルを用いて、10GYのX線照射線量は、6hpfで照射されたゼブラフィッシュ胚において目に見えて毒性が認められた。対照群と2GYおよび5GYに曝露された胚では、胚に有意な死亡はありませんでした(図3A)。同様に、1分あたりの心拍数も、X線照射量の増加に伴って心拍数が大幅に減少することを示唆した。対照群では、24時間間隔ごとに心拍数が増加するのが見られました(図3B)。しかし、各時点で、心拍数は放射線量の増加とともに減少しました。しかし、5GYと10GYに曝露された胚は、受精後5日目まで有意差を示さなかった。15GYおよび20GYの放射線に被曝した胚では、心拍が大幅に低下するため、重度の心血管変形が疑われます(図3B)。前述したように、異なる時点でさまざまな線量の放射線に曝露された胚について、さまざまな表現型および発生上の欠陥が描かれ、評価されます(図3C および 図4)。

Figure 1
図1:ゼブラフィッシュの胚発生の段階。 ゼブラフィッシュの初期発生のさまざまな段階の代表的な画像。最大75%のエピボリー(8 hpf)のステージがカバーされています。シールド段階の胚;6 HPF(緑色)は放射線の標準化に使用されます。スケールバー = 276.4 μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:プロトコルの一般化された概要 。 (A)育種、胚の採取、および病期分類。(B)実験セットアップ:ウェルプレートへの胚の播種と薬物処理。(C)放射線に曝露された必要な段階の胚および放射線後に観察された表現型の変化。(D)X線装置の概要とセットアップ。(E)観察、データ収集、およびイメージング。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:6hpfのゼブラフィッシュ胚に対する異なる線量のX線照射の影響 。 (A)2GYから20GYまでの個々の放射線量に被曝したゼブラフィッシュ胚の総生存率を示す生存曲線。(B)ゼブラフィッシュの胚を受精後数日間に6hpfの異なる線量のX線に曝露した毎分心拍数。(C)6hpfで照射された様々な線量(2GYから20GY)に曝露されたゼブラフィッシュ胚の代表的な画像。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:放射線誘発毒性によるさまざまな形態学的異常の表現。 (A)72 hpfの対照ゼブラフィッシュ胚および(B)72 hpfの放射胚;上の胚は中程度の奇形を示し、下の胚は重度の奇形を示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

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Discussion

ゼブラフィッシュは、数種類のがん研究を含む多くの研究で貴重なモデルとして使用されています。このモデルは、大規模な薬物スクリーニングのための有用なプラットフォームを提供する67,68。他の毒性評価法と同様に、放射線および/または薬物治療時の主要な生物学的変化の定量的評価は、このプロトコルの最も重要な部分です。この種の研究では、生存が毒性を観察するための唯一の基準であってはなりません。それは、適切なスコアリングシステムによる身体的または発達的欠陥の評価でサポートされる必要があります。この場合も、72 hpfまでは、胚が5 GY、10 GY、および20 GYのX線被曝線量に曝露されたグループ間で胚の生存率に大きな違いはありません。しかし、これらの特定の線量で胚の全体的な形態と表現型をチェックすると、X線毒性は生存グラフで表示されるよりも深刻であることは明らかです。これらの用量での胚の形態学的奇形の重症度は、全体的な体のサイズの変化、発達の欠陥、重要な臓器の奇形、および全体的な活動の変化を反映して非常に高くなっています。.15 GYと20 GYのグループでも、胚は絨毛膜から孵化することさえできず、用量依存的に十分な奇形を示します。したがって、致死性の高いX線を含む有毒物質の影響を評価するには、形態学的、発生的、生理学的欠陥のスコアリングをあらゆる可能な方法で含める必要があり、それを使用して、ゼブラフィッシュの胚または実験の過程で投与されたさまざまな薬物の全体的な反応を評価する必要があります。

ゼブラフィッシュ胚モデルにおける放射性毒性を具体的に評価するための決定的なスコアリングシステムはないが、体の曲がり、心膜浮腫、卵黄嚢の変化、小頭症、水泳膀胱と眼の変化、心拍の変化、運動の欠陥などの全生存率および/または形態学的変化がさまざまな研究で考慮されている6263,64。胚の生存は、OECDガイドラインに記載されているように、心拍または頂端エンドポイントの評価に基づいて評価できます。同時に、そのような実験で観察された形態学的異常は、個別に採点することができます。例えば、尾曲がりのスコアリングは、複数の研究者によって採用されている61

ゼブラフィッシュを扱い、このプロトコルを実施する際には、いくつかの考慮事項に注意する必要があります。これらには、常に同じ系統の魚に属していなければならない繁殖グループが含まれます。すべての実験には、ゼブラフィッシュの胚の1つの事前定義された系統が含まれている必要があります。もう一つの重要な要素は胚の段階です。胚に放射線を照射する発生段階は、タイミングや段階を少し変えるだけで異なる結果になるため、細心の注意を払う必要があります。一部の薬は、2 hpfのように、発生の初期段階で投与すると、発育に影響を与えたり、胚に深刻な損傷を与えたりする可能性があります。その場合、薬物の適切な亜致死量を決定し、スクリーニングを実施する必要があります。

X線照射パラメータは、実施するすべての実験で均一でなければなりません。標準的なX線照射器の3つの重要な側面は、フィルターの種類、照射量と照射パターン、およびX線源と物体の間の距離です。X線ビームの生成に使用されるフィルターには、主にアルミニウムフィルターと銅フィルターの2種類があります。しかし、銅とアルミニウムまたは他の金属のさまざまな組み合わせのフィルターは、他の場合にもX線を生成するために使用されます69。ゼブラフィッシュの胚の場合、ここではカッパーフィルターを使用してX線を生成します。X線源から実験対象までの距離は、線源から被写体までの距離(SSD)と呼ばれます。この研究では、SSDは50cmに設定されました。X線照射は、0.3mmCuフィルターを用いて行った。所望の用量の単回露光は、波長範囲0.01〜10nm内で140.32cGY/minの線量率で与えられた。放射線実験を行う前に、実験と目的に適した放射線量を標準化する必要があります。研究の目的、照射のタイミング、放射線量は、放射線量標準化の3つの主要な基準です。放射線のタイミングには、胚発生のどの段階で放射線を照射すべきか、および胚が一定量の放射線に曝露される期間の両方が含まれます。発達の初期段階では、放射線の効果が最大限に発揮されることはよく知られています。このプロトコルでは、胚を6hpfの発達段階で異なる線量(2GY、5GY、10GY、15GY、および20GY)で照射し、受精後5日間観察しました。通常のプロトコルからの逸脱は、明確に定義し、標準化する必要があります。

このモデルには、個々の繁殖から複数の胚を得る能力、単一の親水槽から毎週繁殖する能力、実験グループにかなりの数の胚を配置する能力、治療後数日で表現型の影響を観察する能力など、ほぼ縦断的研究における放射線増感剤またはプロテクターの効果を研究するためのいくつかの利点があります。 そして、治療後の表現型変数のスペクトルを見ること。このモデルは、胚のほぼすべてのシステムに対する放射線の影響を反映することができ、ウェルプレート形式で一度に複数の薬物を検査することができます。ただし、このアプローチには特定の制限もあります。例えば、このモデルでは、高等動物やヒトの放射線によって示されるすべての奇形を再現することはできません。さらに、これらの魚類におけるタンパク質ベースの研究や機構研究の多くは、抗体などの試薬の入手可能性の問題により制限されています。しかし、これらの制限にもかかわらず、ゼブラフィッシュは放射線学的研究の優れたモデルであることが証明されています。

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Disclosures

著者らは、競合する利害関係はないと宣言しています。

Acknowledgments

SSの研究室とRKSの研究室は、インドのDBTとSERBからの助成金によって資金提供されています。APMは、インド政府のICMRフェローシップの受賞者です。DPは、インド政府のCSIRフェローシップの受賞者です。国連は、インド政府であるDST-Inspireフェローシップの受賞者です。 図 2 は Biorender (https://biorender.com) を使用して生成しました。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
6 Well plates Corning CLS3335 Polystyrene
B.O.D Incubator Oswald JRIC-10
Calcium Chloride Fisher Scientific 10101-41-4
Dissecting Microscope Zeiss Stemi 2000
External Tank for the 1.0 L Breeding Tank Tecniplast ZB10BTE Polycarbonate
Glass petriplates Borosil 3165A75 Glass
GraphpadPrism GraphPad Software, Inc. Version 5.01
Kline concavity slides Himedia GW092-1PK Glass
Magnesium Chloride Sigma-Aldrich M8266
Methylene blue hydrate Sigma-Aldrich 66720-100G
Parafilm Tarsons 380020 Paraffin film
Pasteur pipettes Himedia PW1212-1X500NO Polyethylene plastic
Perforated Internal Tank for the 1.0 L Breeding Tank Tecniplast ZB10BTI Polycarbonate
Polycarbonate Divider for the 1.0 L Breeding Tank Tecniplast ZB10BTD Polycarbonate
Polycarbonate Lid for the 1.0 L Breeding Tank Tecniplast ZB10BTL Polycarbonate
Potassium Chloride Sigma-Aldrich P5655
Sodium Chloride Sigma-Aldrich S7653-5KG
Sodium hydroxide pellet SRL 1949181
Stereo Microscope Leica M205FA Leica Model/PN MDG35/10 450 125
X-Rad 225 Precision X-Ray Precision X-Ray X-RAD 225XL

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Teame, T., et al. The use of zebrafish (Danio rerio) as biomedical models. Animal Frontiers. 9 (3), 68-77 (2019).
  2. Ye, M., Chen, Y. Zebrafish as an emerging model to study gonad development. Computational and Structural Biotechnology Journal. 18, 2373-2380 (2020).
  3. Bambino, K., Chu, J. Zebrafish in Toxicology and Environmental Health. Current Topics in Developmental Biology. 124, 331-367 (2017).
  4. Zhang, C., Willett, C., Fremgen, T. Zebrafish: An animal model for toxicological studies. Current Protocols in Toxicology. , Chapter 1, Unit 1.7 (2003).
  5. Dai, Y. J., et al. Zebrafish as a model system to study toxicology. Environmental Toxicology and Chemistry. 33 (1), 11-17 (2014).
  6. Gamse, J. T., Gorelick, D. A. Mixtures, metabolites, and mechanisms: Understanding toxicology using zebrafish. Zebrafish. 13 (5), 377-378 (2016).
  7. Yesudhason, B. V., et al. Developmental stages of zebrafish (Danio rerio) embryos and toxicological studies using foldscope microscope. Cell Biology International. 44 (10), 1968-1980 (2020).
  8. Cassar, S., et al. Use of zebrafish in drug discovery toxicology. Chemical Research in Toxicology. 33 (1), 95-118 (2020).
  9. Hill, A. J., Teraoka, H., Heideman, W., Peterson, R. E. Zebrafish as a model vertebrate for investigating chemical toxicity. Toxicological Sciences. 86 (1), 6-19 (2005).
  10. McGrath, P., Li, C. Q. Zebrafish: A predictive model for assessing drug-induced toxicity. Drug Discovery Today. 13 (9-10), 394-401 (2008).
  11. Haque, E., Ward, A. C. Zebrafish as a model to evaluate nanoparticle toxicity. Nanomaterials. 8 (7), 561 (2018).
  12. Xia, Q., et al. Psoralen induces developmental toxicity in zebrafish embryos/larvae through oxidative stress, apoptosis, and energy metabolism disorder. Frontiers in Pharmacology. 9, 1457 (2018).
  13. Al-Samadi, A., et al. PCR-based zebrafish model for personalised medicine in head and neck cancer. Journal of Translational Medicine. 17 (1), 235 (2019).
  14. Van Sebille, Y. Z., Gibson, R. J., Wardill, H. R., Carney, T. J., Bowen, J. M. Use of zebrafish to model chemotherapy and targeted therapy gastrointestinal toxicity. Experimental Biology and Medicine. 244 (14), 1178-1185 (2019).
  15. Heideman, W., Antkiewicz, D. S., Carney, S. A., Peterson, R. E. Zebrafish and cardiac toxicology. Cardiovascular Toxicology. 5 (2), 203-214 (2005).
  16. Sieber, S., et al. Zebrafish as a preclinical in vivo screening model for nanomedicines. Advanced Drug Delivery Reviews. 151-152, 152-168 (2019).
  17. Farrelly, J., McEntee, M. C. Principles and applications of radiation therapy. Clinical Techniques in Small Animal Practice. 18 (2), 82-87 (2003).
  18. Seegenschmiedt, M., Micke, O., Muecke, R. German Cooperative Group on Radiotherapy for Non-malignant Diseases (GCG-BD). Radiotherapy for non-malignant disorders: State of the art and update of the evidence-based practice guidelines. The British Journal of Radiology. 88 (1051), (2015).
  19. Mohan, G., et al. Recent advances in radiotherapy and its associated side effects in cancer-A review. The Journal of Basic and Applied Zoology. 80 (1), 14 (2019).
  20. Jarosz-Biej, M., Smolarczyk, R., Cichoń, T., Kułach, N. Tumor microenvironment as a "game changer" in cancer radiotherapy. International Journal of Molecular Sciences. 20 (13), 3212 (2019).
  21. Chen, H. H. W., Kuo, M. T. Improving radiotherapy in cancer treatment: Promises and challenges. Oncotarget. 8 (37), 62742-62758 (2017).
  22. Garibaldi, C., et al. Recent advances in radiation oncology. Ecancermedicalscience. 11, 785 (2017).
  23. Koka, K., Verma, A., Dwarakanath, B. S., Papineni, R. V. L. Technological advancements in external beam radiation therapy (EBRT): An indispensable tool for cancer treatment. Cancer Management and Research. 14, 1421-1429 (2022).
  24. Citrin, D. E. Recent developments in radiotherapy. The New England Journal of Medicine. 377 (11), 1065-1075 (2017).
  25. Ghani, S., et al. Recent developments in antibody derivatives against colorectal cancer; A review. Life Sciences. 265, 118791 (2021).
  26. Lu, L., Shan, F., Li, W., Lu, H. Short-term side effects after radioiodine treatment in patients with differentiated thyroid cancer. BioMed Research International. 2016, 4376720 (2016).
  27. Szejk, M., Kołodziejczyk-Czepas, J., Żbikowska, H. M. Radioprotectors in radiotherapy - Advances in the potential application of phytochemicals. Postepy Higieny i Medycyny Doswiadczalnej. 70 (0), 722-734 (2016).
  28. Citrin, D., et al. Radioprotectors and mitigators of radiation-induced normal tissue injury. The Oncologist. 15 (4), 360-371 (2010).
  29. Jairam, V., et al. Treatment-related complications of systemic therapy and radiotherapy. JAMA Oncology. 5 (7), 1028-1035 (2019).
  30. Gong, L., Zhang, Y., Liu, C., Zhang, M., Han, S. Application of radiosensitizers in cancer radiotherapy. International Journal of Nanomedicine. 16, 1083-1102 (2021).
  31. Wardman, P. Chemical radiosensitizers for use in radiotherapy. Clinical Oncology. 19 (6), 397-417 (2007).
  32. Citrin, D. E. Radiation modifiers. Hematology/Oncology Clinics of North America. 33 (6), 1041-1055 (2019).
  33. Citrin, D. E., Mitchell, J. B. Altering the response to radiation: sensitizers and protectors. Seminars in Oncology. 41 (6), 848-859 (2014).
  34. Caragher, S., Chalmers, A. J., Gomez-Roman, N. Glioblastoma's next top model: Novel culture systems for brain cancer radiotherapy research. Cancers. 11 (1), 44 (2019).
  35. Wang, J. S., Wang, H. J., Qian, H. L. Biological effects of radiation on cancer cells. Military Medical Research. 5 (1), 20 (2018).
  36. Serrano Martinez, P., et al. Mouse parotid salivary gland organoids for the in vitro study of stem cell radiation response. Oral Diseases. 27 (1), 52-63 (2021).
  37. Martin, M. L., et al. Organoids reveal that inherent radiosensitivity of small and large intestinal stem cells determines organ sensitivity. Cancer Research. 80 (5), 1219-1227 (2020).
  38. Szabó, E. R., et al. Radiobiological effects and proton RBE determined by wildtype zebrafish embryos. PLoS One. 13 (11), 0206879 (2018).
  39. Hurem, S., et al. Dose-dependent effects of gamma radiation on the early zebrafish development and gene expression. PLoS One. 12 (6), 0179259 (2017).
  40. Lu, B., Hwang, M., Yong, C., Moretti, L. Zebrafish as a model system to screen radiation modifiers. Current Genomics. 8 (6), 360-369 (2007).
  41. Curran, W. Seminars in radiation oncology. 12 (1), 2-4 (2002).
  42. McAleer, M. F., et al. Novel use of zebrafish as a vertebrate model to screen radiation protectors and sensitizers. International Journal of Radiation Oncology - Biology - Physics. 61 (1), 10-13 (2005).
  43. Bladen, C. L., Lam, W. K., Dynan, W. S., Kozlowski, D. J. DNA damage response and Ku80 function in the vertebrate embryo. Nucleic Acids Research. 33 (9), 3002-3010 (2005).
  44. Geiger, G. A., et al. Zebrafish as a "biosensor"? Effects of ionizing radiation and amifostine on embryonic viability and development. Cancer Research. 66 (16), 8172-8181 (2006).
  45. Kelland, L. R. Flavopiridol, the first cyclin-dependent kinase inhibitor to enter the clinic: Current status. Expert Opinion on Investigational Drugs. 9 (12), 2903-2911 (2000).
  46. Prasanna, P. G., et al. Radioprotectors and radiomitigators for improving radiation therapy: The Small Business Innovation Research (SBIR) gateway for accelerating clinical translation. Radiation Research. 184 (3), 235-248 (2015).
  47. Daroczi, B., et al. In vivo radioprotection by the fullerene nanoparticle DF-1as assessed in a zebrafish model. Clinical Cancer Research. 12 (23), 7086-7091 (2006).
  48. Adenan, M. N. H., et al. Radioprotective effects of Kelulut honey in zebrafish model. Molecules. 26 (6), 1557 (2021).
  49. Liu, G., et al. High-throughput preparation of radioprotective polymers via Hantzsch's reaction for in vivo X-ray damage determination. Nature Communications. 11 (1), 1-11 (2020).
  50. Mohapatra, D., et al. Fluvastatin sensitizes pancreatic cancer cells toward radiation therapy and suppresses radiation- and/or TGF-β-induced tumor-associated fibrosis. Laboratory Investigation. 102 (3), 298-311 (2022).
  51. Chen, Y., Yang, J., Fu, S., Wu, J. Gold nanoparticles as radiosensitizers in cancer radiotherapy. International Journal of Nanomedicine. 15, 9407-9430 (2020).
  52. Ma, N., et al. Enhanced radiosensitization of gold nanospikes via hyperthermia in combined cancer radiation and photothermal therapy. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (42), 28480-28494 (2016).
  53. Hosen, M. J., et al. Zebrafish models for ectopic mineralization disorders: Practical issues from morpholino design to post-injection observations. Frontiers in Genetics. 4, 74 (2013).
  54. Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. Stages of embryonic development of the zebrafish. Developmental Dynamics. 203 (3), 253-310 (1995).
  55. Zhou, R., et al. The effects of x-ray radiation on the eye development of zebrafish. Human & Experimental Toxicology. 33 (10), 1040-1050 (2014).
  56. Avdesh, A., et al. Regular care and maintenance of a zebrafish (Danio rerio) laboratory: An introduction. Journal of Visualized Experiments. (69), e4196 (2012).
  57. Braunbeck, T., et al. Towards an alternative for the acute fish LC(50) test in chemical assessment: The fish embryo toxicity test goes multi-species -- An update. ALTEX. 22 (2), 87-102 (2005).
  58. Nagel, R. DarT: The embryo test with the zebrafish Danio rerio--A general model in ecotoxicology and toxicology. ALTEX. 19, Suppl 1 38-48 (2002).
  59. Aspatwar, A., Hammaren, M. M., Parikka, M., Parkkila, S. Rapid evaluation of toxicity of chemical compounds using zebrafish embryos. Journal of Visualized Experiments. (150), e59315 (2019).
  60. Gence, L., et al. Hypericum lanceolatum Lam. Medicinal plant: Potential toxicity and therapeutic effects based on a zebrafish model. Frontiers in Pharmacology. 13, 832928 (2022).
  61. OECD. Test No. 203: Fish, Acute Toxicity Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals., Section 2. , OECD Publishing. Paris, France. (2019).
  62. Li, X., et al. Toxic effects and foundation of proton radiation on the early-life stage of zebrafish development. Chemosphere. 200, 302-312 (2018).
  63. Si, J., et al. Effects of ionizing radiation and HLY78 on the zebrafish embryonic developmental toxicity. Toxicology. 411, 143-153 (2019).
  64. Si, J., et al. Toxic effects of (56)Fe ion radiation on the zebrafish (Danio rerio) embryonic development. Aquatic Toxicology. 186, 87-95 (2017).
  65. Pucci, G., Forte, G. I., Cavalieri, V. Evaluation of epigenetic and radiomodifying effects during radiotherapy treatments in zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 22 (16), 9053 (2021).
  66. Song, Z., et al. Isoliquiritigenin triggers developmental toxicity and oxidative stress-mediated apoptosis in zebrafish embryos/larvae via Nrf2-HO1/JNK-ERK/mitochondrion pathway. Chemosphere. 246, 125727 (2020).
  67. Patton, E. E., Zon, L. I., Langenau, D. M. Zebrafish disease models in drug discovery: From preclinical modelling to clinical trials. Nature Reviews Drug Discovery. 20 (8), 611-628 (2021).
  68. Rosa, J. G. S., Lima, C., Lopes-Ferreira, M. Zebrafish larvae behavior models as a tool for drug screenings and pre-clinical trials: A review. International Journal of Molecular Sciences. 23 (12), 6647 (2022).
  69. Kong, E. Y., Cheng, S. H., Yu, K. N. Biphasic and triphasic dose responses in zebrafish embryos to low-dose 150 kV X-rays with different levels of hardness. Journal of Radiation Research. 57 (4), 363-369 (2016).

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ゼブラフィッシュの幼生を潜在的な放射線増感剤またはプロテクターを評価するためのモデルとして
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Mohapatra, A. P., Parida, D.,More

Mohapatra, A. P., Parida, D., Mohapatra, D., Nayak, U., Swain, R. K., Senapati, S. Zebrafish Larvae as a Model to Evaluate Potential Radiosensitizers or Protectors. J. Vis. Exp. (186), e64233, doi:10.3791/64233 (2022).

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