Paraquat'ın fareler19, sıçanlar20 ve meyve sinekleri22 gibi çok sayıda hayvan modelinde, Parkinson benzeri patoloji ile uyumlu nörolojik dejenerasyonu tetiklediği gösterilmiştir. Daha önce, antiinflamatuar bir antibiyotik olan minosiklinin paraquat ile birlikte verilmesinin, sağkalım süresini uzattığını, reaktif oksijen türlerinin üretimini azalttığını ve dopaminerjik nöron kaybını önlediğini rapor etmiştik25. Minosiklin inflamasyonu baskılayıcı etki gösterdiğinden, inflamatuar yanıtın aktivasyonunda temel bir protein olan NOS'u ve paraquat toksisitesini modüle etmedeki rolünü incelemeye başladık.
Etkili bir öldürücü doz ve toksik işlem aralığı belirlemek amacıyla, 1,25 ile 10 mM arasındaki paraquat konsantrasyonları kullanılarak bir paraquat toksisite eğrisi oluşturulmuştur (Şekil 2A). Ayrıca 20 mM ve 40 mM paraquat konsantrasyonlarının etkilerini de inceledik; ancak bu yüksek konsantrasyonlarda toksisitenin, hücrelerin bu oksidatif stresöre verdiği yanıtları doğru şekilde değerlendirmek için çok şiddetli olduğunu gördük ve bu nedenle bu konsantrasyonlara ait sonuçları bu rapora dahil etmedik. Rekabetçi bir NOS inhibitörü olan L-NAME ve NAME'nin inaktif izomeri olan D-NAME kullanarak, yetişkin erkek sinekleri paraquat ve NAME izomerlerinden biri ile birlikte işleme tabi tuttuk. Sineklerin paraquat ve L-NAME ile birlikte işlenmesi, paraquat alımının neden olduğu yaşam süresi kısalmasında anlamlı bir iyileşme sağlarken, paraquat ve D-NAME ile birlikte işlenen sineklerin sağkalımında herhangi bir iyileşme görülmemiştir (Şekil 2B); bu durum, NOS inhibisyonu yoluyla inflamasyonun baskılanmasının paraquat uygulanmış sineklerin sağkalımını artırdığı hipotezini desteklemektedir.
NOS aracılı paraquat yanıtının daha fazla doğrulanması amacıyla, paraquat maruziyetinin hemen ardından NOS protein seviyelerindeki değişiklikleri tespit ettik. NOS protein seviyeleri, paraquat konsantrasyonuna bağlı olarak artış gösterdi (Şekil 3A). Sineklerin 6-30 sa arasındaki maruziyet süreleri boyunca 10 mM paraquat ile tedavi edilmesi durumunda, maruziyet süresi arttıkça önce bir artış, ardından bir azalma gözlemledik (Şekil 3B); bu durum, Griess deneyi varyantımızda gözlemlenen nitrit seviyesi paternleri ile uyumludur (Şekil 5B). Bu sonuçlar, paraquat tedavisinin NOS indüksiyonuna yol açtığı ve NOS inhibisyonunun veya L-NAME ya da minosiklin ile tedavinin kısmi koruma sağladığı yönündeki raporlarımızla tutarlıdır17,25.
Şekil 4A, paraquat konsantrasyonundaki artış ile NO salınımı ve tespitiyle tanımlanan inflamatuar yanıtın büyüklüğü arasındaki doğrusal ilişkiyi göstermektedir. Bazal seviyelerde, heterozigot Punch mutantları, önceki tespit yöntemleri kullanılarak belirlenemeyecek kadar belirsiz bir varyasyonla biraz daha düşük NO seviyeleri salgılamıştır. Paraquatla beslendiklerinde, Punch mutantında NO seviyelerinde belirgin bir artış gözlemlenmiş, ancak bu artış yabanıl tip işlem görmüş sineklerden önemli ölçüde daha düşük kalmıştır (Şekil 4B). İşlem görmemiş seviyelerdeki varyasyon olağanüstü derecede düşük olmasına rağmen, yabanıl tip ve Punch sineklerinin göreceli değerleri doğru ve tekrarlanabilir şekilde nicelendirilebilir.
Toksinler veya kimyasallarla çalışırken, hem bir maruziyet süresi eğrisinin hem de konsantrasyon tabanlı bir toksisite eğrisinin oluşturulması hayati önem taşır; çünkü bu koşullar analizin duyarlılığını önemli ölçüde değiştirebilir. Örneğin, 5 mM paraquat ile tedavi, 24 saatlik maruziyetten sonra maksimum NO tespitine yol açarken (Şekil 5A), 10 mM paraquat maruziyeti daha hızlı bir indüksiyona (maksimum seviyeler 12. saatte) ancak uzatılmış maruziyetler sırasında aktivitenin daha hızlı azalmasına neden olmuştur (Şekil 5B). Hızlı indüksiyon sağlayan daha yüksek bir konsantrasyon tercih edilebilir görünse de, maksimize edilmiş bir yanıt, hem nöronların hem de muhtemelen hemositlerin ölümünü, tekrarlanabilirliğin zorlaşabileceği bir noktaya kadar hızlandırır.
NO molekülleri kararsızdır ve yüksek derecede reaktiftir. Bu nedenle, başarılı bir analiz, NOS'un sürekli indüksiyonu ile NO'nun hızlı döngüsü arasında optimal bir denge sağlayan inkübasyon koşullarını içermelidir. Optimal inkübasyon koşullarını belirlemek amacıyla, diseke edilen beyinlerin Griess reaktifi eklenmeden önce kültür ortamında inkübe edildiği sürenin etkisini değerlendirdik. Oda sıcaklığında 6 hr inkübasyonun, sonraki Griess reaksiyonunda maksimum nitrit seviyelerini ürettiğini saptadık (Şekil 5C). Çeşitli inflamasyon modelleri için deteksiyonu optimize etmek adına inkübasyon süresinde değişiklikler yapılması gerekebileceğini öngörüyoruz. Süreç oldukça dinamik olduğundan, analiz edilen belirli organizma, genotip ve doku için tüm optimal parametrelerin dikkatle belirlenmesi, güvenilir ve doğru sonuçlar elde etmek için esastır. Özellikle, genetik varyantların ve transgen ekspresyon modellerinin, özellikle gelişim evresi veya yetişkin yaşıyla ilgili olarak önemli ölçüde optimizasyon gerektirmesi beklenmektedir.

Şekil 1. Drosophila ergin beyni. Çıkıştan 2-3 gün sonraki diseke edilmiş ergin erkek beyninin ışık mikroskopisi görüntüsü. MB = orta beyin (merkezi korteks), OL = optik lob.

Şekil 2. Paraquat, nitrik oksit sentaz aracılığıyla yaşam süresinde doza bağımlı bir azalmaya neden olur. %5 sükroz (kontrol) ile beslenen (A) ve %5 sükroz içinde 1.25-10 mM konsantrasyon aralığında paraquat seri dilüyonu ile beslenen veya (B) 10 gün boyunca ardışık olarak paraquat ile birlikte L-NAME veya D-NAME ile beslenen yabani tip erkek sinekler. N = 10'arlı 3 grup. Hata çubukları = SEM.

Şekil 3. Nitrik oksit sentaz protein seviyeleri, paraquat konsantrasyonu ve maruz kalma süresi ile birlikte artış göstermektedir. Farklı (A) paraquat konsantrasyonları (12 sa maruz kalma) ve (B) farklı maruz kalma süreleri ile 10 mM paraquat uygulanan sineklerin nitrik oksit sentaz seviyelerinin immünoblot ile tespiti. Protein seviyeleri, nitroselüloz membranlar üzerinde kemilüminesans ve X-ray film pozlama kullanılarak tespit edilmiştir.

Şekil 4. Paraquat maruziyeti sonrası nitrik oksit tespit seviyeleri. Çıkıştan 2-3 gün sonraki erkek vahşi tip (WT) sinekler, 12 saatlik beslemenin ardından analiz edildi. (A) Paraquat konsantrasyonlarının konsantrasyon eğrisi. (B) Sükroz kontrolü ve 10mM paraquat ile beslenen erkek Punch heterozigot mutantlar. N = grup başına 20 beyin. Sonuçlar grup başına 3 tekrarı temsil etmektedir. Hata çubukları = SEM. İstatistiksel analizler, Dunnett'in Çoklu Karşılaştırma post-testi ile tek yönlü ANOVA kullanılarak gerçekleştirilmiştir (*, p < 0.05, **, p < 0.01, ***, p < 0.001).

Şekil 5. Paraquat maruz kalma süresi ve doku inkübasyon süresi değiştirilerek nitrik oksit üretim tespitinin optimize edilmesi. (A) 5 mM paraquat ve (B) 10 mM paraquat ile 12 saatlik tedavinin ardından, çıkımdan 2-3 gün sonraki erkek beyinlerdeki bağıl nitrik oksit seviyeleri. (C) 12 saatlik, 10 mM paraquat beslemesini takiben farklı doku inkübasyon süreleri kullanılarak elde edilen NO eğrisi. Anlamlılık değerleri şunlara göre hesaplanmıştır: (A, B) her maruz kalma süresi için %5 sükroz kontrolleri (grafikte gösterilmemiştir), (C) her inkübasyon süresi için %5 sükroz kontrolleri (grafikte gösterilmemiştir). N = 20 beyin/grup. Sonuçlar, grup başına 3 replikasyonu temsil etmektedir. Hata çubukları = SEM. İstatistiksel analizler, Dunnett Çoklu Karşılaştırma post-testi ile tek yönlü ANOVA kullanılarak gerçekleştirilmiştir (*, p<0.05, **, p<0.01, ***, p<0.001).