High-Throughput Small Molecule Drug Screening voor leeftijdsgebonden slaapstoornissen met behulp van Drosophila melanogaster

Slaap, een van de essentiële gedragingen die nodig zijn voor het overleven van de mens, wordt gekenmerkt door twee hoofdtoestanden: REM-slaap (Rapid Eye Movement) en niet-Rapid Eye Movement (NREM)-^slaap1. NREM-slaap bestaat uit drie fasen: N1 (de overgang tussen waken en slapen), N2 (lichte slaap) en N3 (diepe slaap, langzame golfslaap), die de progressie van waakzaamheid naar diepe slaap¹ vertegenwoordigen. Slaap speelt een cruciale rol in zowel de lichamelijke als de geestelijke gezondheid². Veroudering vermindert echter de totale slaapduur, de slaapefficiëntie, het slow-wave slaappercentage en het REM-slaappercentage bij^volwassenen3. Oudere mensen hebben de neiging om meer tijd in lichte slaap door te brengen in vergelijking met langzame slaap, waardoor ze gevoeliger zijn voor nachtelijk ontwaken. Naarmate het aantal ontwaken toeneemt, neemt de gemiddelde slaaptijd af, wat resulteert in een gefragmenteerd slaappatroon bij ouderen, wat in verband kan worden gebracht met overmatige excitatie van Hprt-neuronen bij muizen⁴. Bovendien dragen leeftijdsgerelateerde dalingen van circadiane mechanismen bij aan een eerdere verschuiving in slaapduur ^5,6. In combinatie met lichamelijke ziekte, psychologische stress, omgevingsfactoren en medicijngebruik maken deze factoren oudere volwassenen vatbaarder voor slaapstoornissen, zoals slapeloosheid, REM-slaapgedragsstoornis, narcolepsie, periodieke beenbewegingen, rustelozebenensyndroom en slaapstoornissen in de ademhaling ^7,8.

Epidemiologische studies hebben aangetoond dat slaapstoornissen nauw verband houden met chronische ziekten bij ouderen⁹, waaronder depressie¹⁰, hart- en vaatziekten¹¹ en dementie¹². Het aanpakken van slaapstoornissen speelt een cruciale rol bij het verbeteren en behandelen van chronische ziekten en het verbeteren van de kwaliteit van leven van oudere volwassenen. Momenteel vertrouwen patiënten voornamelijk op geneesmiddelen zoals benzodiazepinen, niet-benzodiazepinen en melatoninereceptoragonisten om de slaapkwaliteit te^verbeteren13. Benzodiazepinen kunnen echter leiden tot neerwaartse regulatie van receptoren en afhankelijkheid na langdurig gebruik, waardoor ernstige ontwenningsverschijnselen ontstaan bij stopzetting^14,15. Niet-benzodiazepinen brengen ook risico’s met zich mee, waaronder dementie 16, fracturen¹⁷ en kanker¹⁸. De veelgebruikte melatoninereceptoragonist, ramelteon, vermindert de slaaplatentie, maar verlengt de slaapduur niet en heeft problemen met de leverfunctie als gevolg van uitgebreide first-pass-eliminatie¹⁹. Agomelatine, een melatoninereceptoragonist en serotoninereceptorantagonist, verbetert depressiegerelateerde slapeloosheid, maar vormt ook een risico op leverbeschadiging²⁰. Daarom is er dringend behoefte aan veiligere medicijnen om slaapstoornissen te behandelen of te verlichten. De huidige strategieën voor het screenen van geneesmiddelen, gebaseerd op moleculaire en cellulaire experimenten in combinatie met geautomatiseerde systemen en computeranalyse, zijn echter duur en tijdrovend²¹. Op structuur gebaseerde strategieën voor het ontwerpen van geneesmiddelen, die gebaseerd zijn op de structuur en eigenschappen van receptoren, vereisen een duidelijk begrip van de driedimensionale structuur van receptoren en missen voorspellende mogelijkheden voor geneesmiddeleffecten²².

In 2000 stelden onderzoekers, op basis van de slaapcriteria voorgesteld door Campbell en Tobler in 1984 23, eenvoudige diermodellen op om slaap²⁴ te bestuderen, waaronder Drosophila melanogaster, die slaapachtige toestanden vertoonde^25,26. Ondanks anatomische verschillen tussen Drosophila en mensen, zijn veel neurochemische componenten en signaalroutes die de slaap bij Drosophila reguleren bewaard gebleven in de slaap van zoogdieren, wat de studie van neurologische aandoeningen bij de mens vergemakkelijkt^27,28. Drosophila wordt ook op grote schaal gebruikt in circadiane ritmestudies, ondanks verschillen in kernoscillatoren tussen vliegen en zoogdieren 29,30,31. Daarom dient Drosophila als een waardevol modelorganisme voor het bestuderen van slaapgedrag en het uitvoeren van slaapgerelateerde drugsscreening.

Deze studie stelt een kosteneffectieve en eenvoudige op fenotype gebaseerde benadering voor voor het screenen van geneesmiddelen met kleine moleculen om slaapstoornissen te behandelen met behulp van verouderde vliegen. Slaapregulatie bij Drosophila is sterk geconserveerd²⁵, en de afname van de slaap die met de leeftijd wordt waargenomen, kan omkeerbaar zijn door toediening van medicijnen. Deze op slaapfenotype gebaseerde screeningsmethode kan dus intuïtief de werkzaamheid van geneesmiddelen weerspiegelen. We voeden de vliegen met een mengsel van het onderzochte medicijn en voedsel, monitoren en registreren het slaapgedrag met behulp van de Drosophila Activity Monitor (DAM)³² en analyseren de verkregen gegevens met behulp van het open-source SCAMP2020 datapakket in MATLAB (Figuur 1). Statistische analyse wordt uitgevoerd met behulp van statistische en grafische software (zie Tabel met materialen). Als voorbeeld demonstreren we de effectiviteit van dit protocol door experimentele gegevens te presenteren over Reserpine, een remmer van kleine moleculen van de vesiculaire monoaminetransporter waarvan wordt gemeld dat deze de slaap^verhoogt33. Dit protocol biedt een waardevolle benadering om geneesmiddelen te identificeren voor de behandeling van leeftijdsgebonden slaapproblemen.