دراسة الآثار السلوكية العصبية للملوثات البيئية على يرقات حمار وحشي
Summary
يتم تقديم بروتوكول تجريبي مفصل في هذه الورقة لتقييم السمية السلوكية العصبية للملوثات البيئية باستخدام نموذج يرقات حمار وحشي ، بما في ذلك عملية التعرض واختبارات المؤشرات السلوكية العصبية.
Abstract
وقد ثبت في السنوات الأخيرة أن الملوثات البيئية أكثر فأكثر هي سامة للأعصاب، ولا سيما في المراحل المبكرة من تطور الكائنات الحية. يرقات حمار وحشي هي نموذج بارز للدراسة السلوكية العصبية للملوثات البيئية. هنا ، يتم توفير بروتوكول تجريبي مفصل لتقييم السمية العصبية للملوثات البيئية باستخدام يرقات حمار وحشي ، بما في ذلك جمع الأجنة ، وعملية التعرض ، والمؤشرات السلوكية العصبية ، وعملية الاختبار ، و تحليل البيانات. أيضا ، تتم مناقشة البيئة الثقافية ، وعملية التعرض ، والظروف التجريبية لضمان نجاح الاختبار. وقد استخدم البروتوكول في تطوير الأدوية النفسية، والبحوث على الملوثات السمية العصبية البيئية، ويمكن تحسينها لإجراء دراسات المقابلة أو أن تكون مفيدة للدراسات الميكانيكية. يوضح البروتوكول عملية عملية واضحة لدراسة الآثار السلوكية العصبية على يرقات سمك الحمار الوحشي ويمكن أن يكشف عن آثار مختلف المواد السامة للأعصاب أو الملوثات.
Introduction
في السنوات الأخيرة وقد ثبت المزيد والمزيد من الملوثات البيئية العصبية السامة1،2،3،4. ومع ذلك، فإن تقييم السمية العصبية في الجسم الحي بعد التعرض للملوثات البيئية ليس سهلاً مثل تقييم اضطراب الغدد الصماء أو السمية النمائية. بالإضافة إلى ذلك ، اجتذب التعرض المبكر للملوثات ، وخاصة في الجرعات ذات الصلة بالبيئة ، اهتمامًا متزايدًا في دراسات السمية5و6و7و8.
ويجري إنشاء سمك الحمار الوحشي كنموذج لالحيوان يصلح لدراسات السمية العصبية أثناء التطور المبكر بعد التعرض للملوثات البيئية. سمك الحمار الوحشي هي الفقاريات التي تتطور بشكل أسرع من الأنواع الأخرى بعد الإخصاب. لا تحتاج اليرقات إلى التغذية لأن العناصر الغذائية في chorion كافية للحفاظ عليها لمدة 7 أيام بعد الإخصاب (dpf)9. تخرج اليرقات من التشوين عند 2 دبف وتتطور سلوكيات مثل السباحة والدوران التي يمكن ملاحظتها وتتبعها وقياسها كمياً وتحليلها آلياً باستخدام أدوات السلوك10،11،12،13 بدءاً من 3-4 dpf14،15،16،17،18. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تحقيق اختبارات الإنتاجية العالية بواسطة أدوات السلوك. وهكذا ، فإن يرقات حمار وحشي هي نموذج متميز للدراسة السلوكية العصبية للملوثات البيئية19. هنا ، يتم تقديم بروتوكول باستخدام المراقبة عالية الإنتاجية لدراسة السمية السلوكية العصبية للملوثات البيئية على يرقات سمك الحمار الوحشي تحت المحفزات الخفيفة.
وقد درس مختبرنا السمية السلوكية العصبية من 2,2′,4,4′-tetrabromodiphenyl الأثير (BDE-47)20,21, 6′-هيدروكسي / ميثوكسي-2,2′,4’4’4′-tetrabromodiphenyl الأثير (6-OH/MeO-BDE-47)22, عشاري-برومينتيد ثنائي الفينيل الأثير (BDE-209), الرصاص, والبارافينات المكلورة التجارية23 باستخدام البروتوكول المقدم. كما تستخدم العديد من المختبرات البروتوكول لدراسة الآثار السلوكية العصبية للملوثات الأخرى على اليرقات أو الأسماك البالغة24،25،26،27. وقد استخدم هذا البروتوكول العصبي السلوكي للمساعدة في توفير الدعم الآلي تبين أن التعرض لجرعة منخفضة من البيسفينول A واستبدال البيسفينول S الناجم عن تكوين الأعصاب تحت المهاد المبكر في حمار وحشي الجنينية27. وبالإضافة إلى ذلك، قام بعض الباحثين بتحسين البروتوكول لإجراء دراسات مناظرة. قضت دراسة حديثة على سمية بيتا الأميلويد (Aβ) في نموذج حمار وحشي سهل وعالي الإنتاجية باستخدام جسيمات نانوية ذهبية مغلفة بالكازين (αCas AuNPs). وأظهرت أن αCas AuNPs في الدورة الدموية النظامية انتقلت عبر حاجز الدم في الدماغ من يرقات حمار وحشي وعزل Aβ42 داخل المخ، مما أدى إلى سمية بطريقة غير محددة، مثل المرافق، والتي كانت مدعومة من الأمراض السلوكية28.
الحركة وزاوية المسار والنشاط الاجتماعي هي ثلاثة مؤشرات سلوكية عصبية تستخدم لدراسة آثار السمية العصبية ليرقات سمك الحمار الوحشي بعد التعرض للملوثات في البروتوكول المقدم. يتم قياس الحركة من خلال مسافة السباحة لليرقات ويمكن أن تتلف بعد التعرض للملوثات. ترتبط زاوية المسار والنشاط الاجتماعي بشكل وثيق مع وظيفة الدماغ والجهاز العصبي المركزي29. تشير زاوية المسار إلى زاوية مسار حركة الحيوان نسبة إلى اتجاه السباحة30. يتم تعيين ثماني فئات زاوية من ~ -180 درجة – ~ + 180 درجة في النظام. لتبسيط المقارنة، يتم تعريف ست فئات في النتيجة النهائية على أنها منعطفات روتينية (-10 درجة ~ 0 درجة، 0° ~ +10 درجة)، متوسط المنعطفات (-10° ~ -90 درجة، +10 درجة ~ +90 درجة)، ومنعطفات مستجيبة (-180 درجة ~ -90 درجة، +90 درجة ~ +180 درجة) وفقًا لدراساتنا السابقة21،22. النشاط الاجتماعي اثنين من الأسماك هو أساسي للسلوك الضحوة المجموعة; هنا يتم تعريف مسافة 0.5 سم بين يرقين صالحين على أنه اتصال اجتماعي.
يوضح البروتوكول المعروض هنا عملية واضحة لدراسة الآثار السلوكية العصبية على يرقات سمك الحمار الوحشي ويوفر طريقة للكشف عن آثار السمية العصبية لمختلف المواد أو الملوثات. وسيستفيد من البروتوكول الباحثون المهتمون بدراسة السمية العصبية للملوثات البيئية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر هذا العمل بروتوكولًا تجريبيًا مفصلًا لتقييم السمية العصبية للملوثات البيئية باستخدام يرقات سمك الحمار الوحشي. يمر سمك الحمار الوحشي بالعملية من الأجنة إلى اليرقات خلال فترة التعرض ، مما يعني أن الرعاية الجيدة للأجنة واليرقات أمر ضروري. أي شيء يؤثر على تطور الأجنة واليرقات يمكن أن ي?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم للدعم المالي المقدم من المؤسسة الوطنية الصينية للعلوم الطبيعية (21876135 و21876136)، وهو المشروع الوطني الرئيسي للعلوم والتكنولوجيا في الصين (2017ZX07502003-03، 2018ZX07701001-22)، مؤسسة وزارة التعليم- شنغهاي المختبر الرئيسي للصحة البيئية للأطفال (CEH201807-5)، ومجلس البحوث السويدي (رقم 639-2013-6913).
Materials
| 48-well-microplate | Corning | 3548 | Embyros housing |
| 6-well-microplate | Corning | 3471 | Embyros housing |
| BDE-47 | AccuStandard | 5436-43-1 | Pollutant |
| DMSO | Sigma | 67-68-5 | Cosolvent |
| Microscope | Olympus | SZX 16 | Observation instrument |
| Pipette | Eppendorf | 3120000267 | Transfer solution |
| Zebrabox | Viewpoint | ZebraBox | Behavior instrument |
| Zebrafish | Shanghai FishBio Co., Ltd. | Tubingen | Zebrafish supplier |
| ZebraLab | Viewpoint | ZebraLab | Behavior software |
References
- Sun, L., et al. Developmental neurotoxicity of organophosphate flame retardants in early life stages of Japanese medaka (Oryzias latipes). Environmental Toxicology and Chemistry. 35 (12), 2931-2940 (2016).
- Tian, L., et al. Neurotoxicity induced by zinc oxide nanoparticles: age-related differences and interaction. Scientific Reports. 5, 16117 (2015).
- Rauh, V. A., Margolis, A. E. Research review: environmental exposures, neurodevelopment, and child mental health-new paradigms for the study of brain and behavioral effects. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 57 (7), 775-793 (2016).
- Ye, B. S., Leung, A. O. W., Wong, M. H. The association of environmental toxicants and autism spectrum disorders in children. Environmental Pollution. 227, 234-242 (2017).
- Schwarzenbach, R. P., Gschwend, P. M., Imboden, D. M. . Environmental Organic Chemistry. , (2016).
- Akortia, E., et al. A review of sources, levels, and toxicity of polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) and their transformation and transport in various environmental compartments. Environmental Reviews. 24 (3), 253-273 (2016).
- Shaw, B. J., Liddle, C. C., Windeatt, K. M., Handy, R. D. A critical evaluation of the fish early-life stage toxicity test for engineered nanomaterials: experimental modifications and recommendations. Archives of Toxicology. 90 (9), 2077-2107 (2016).
- Landrigan, P. J., et al. Early environmental origins of neurodegenerative disease in later life. Environmental Health Perspectives. 113 (9), 1230-1233 (2005).
- Xu, T., Yin, D. The unlocking neurobehavioral effects of environmental endocrine disrupting chemicals. Current Opinion in Endocrine and Metabolic Research. 7, 9-13 (2019).
- Panula, P., et al. Modulatory neurotransmitter systems and behavior: towards zebrafish models of neurodegenerative diseases. Zebrafish. 3 (2), 235-247 (2006).
- Félix, L. M., Antunes, L. M., Coimbra, A. M., Valentim, A. M. Behavioral alterations of zebrafish larvae after early embryonic exposure to ketamine. Psychopharmacology. 234 (4), 549-558 (2017).
- Bailey, J. M., et al. Persistent behavioral effects following early life exposure to retinoic acid or valproic acid in zebrafish. Neurotoxicology. 52, 23-33 (2016).
- Richendrfer, H., Créton, R. Automated High-throughput Behavioral Analyses in Zebrafish Larvae. Journal of Visualized Experiments. (77), e50622 (2013).
- Best, J. D., Alderton, W. K. Zebrafish: An in vivo model for the study of neurological diseases. Neuropsychiatric Disease & Treatment. 4 (3), 567-576 (2008).
- Yuhei, N., et al. Zebrafish as a systems toxicology model for developmental neurotoxicity testing. Congenital Anomalies. 55 (1), 1-16 (2015).
- Wu, S., et al. TBBPA induces developmental toxicity, oxidative stress, and apoptosis in embryos and zebrafish larvae (Danio rerio). Environmental Toxicology. 31 (10), 1241-1249 (2016).
- Chakraborty, C., Sharma, A. R., Sharma, G., Lee, S. S. Zebrafish: A complete animal model to enumerate the nanoparticle toxicity. Journal of Nanobiotechnology. 14 (1), 65 (2016).
- Wehmas, L. C., et al. Comparative metal oxide nanoparticle toxicity using embryonic zebrafish. Toxicology Reports. 2, 702-715 (2015).
- Cavalieri, V., Spinelli, G. Environmental epigenetics in zebrafish. Epigenetics & Chromatin. 10 (1), 46 (2017).
- Zhang, B., et al. Effects of three different embryonic exposure modes of 2, 2?, 4, 4?-tetrabromodiphenyl ether on the path angle and social activity of zebrafish larvae. Chemosphere. 169, 542-549 (2017).
- Zhao, J., Xu, T., Yin, D. Q. Locomotor activity changes on zebrafish larvae with different 2, 2?, 4, 4?-tetrabromodiphenyl ether (PBDE-47) embryonic exposure modes. Chemosphere. 94, 53-61 (2014).
- Zhang, B., et al. Neurobehavioral effects of two metabolites of BDE-47 (6-OH-BDE-47 and 6-MeO-BDE-47) on zebrafish larvae. Chemosphere. 200, 30-35 (2018).
- Yang, X., et al. The chlorine contents and chain lengths influence the neurobehavioral effects of commercial chlorinated paraffins on zebrafish larvae. Journal of Hazardous Materials. 377, 172-178 (2019).
- Schmitt, C., McManus, M., Kumar, N., Awoyemi, O., Crago, J. Comparative analyses of the neurobehavioral, molecular, and enzymatic effects of organophosphates on embryo-larval zebrafish (Danio rerio). Neurotoxicology and Teratology. 73, 67-75 (2019).
- Li, X., Kong, H., Ji, X., Gao, Y., Jin, M. Zebrafish behavioral phenomics applied for phenotyping aquatic neurotoxicity induced by lead contaminants of environmentally relevant level. Chemosphere. 224, 445-454 (2019).
- Leuthold, D., Klüver, N., Altenburger, R., Busch, W. Can environmentally relevant neuroactive chemicals specifically be detected with the locomotor response test in zebrafish embryos?. Environmental Science & Technology. 53 (1), 482-493 (2018).
- Kinch, C. D., Ibhazehiebo, K., Jeong, J. H., Habibi, H. R., Kurrasch, D. M. Low-dose exposure to bisphenol A and replacement bisphenol S induces precocious hypothalamic neurogenesis in embryonic zebrafish. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (5), 1475-1480 (2015).
- Javed, I., et al. Inhibition of amyloid beta toxicity in zebrafish with a chaperone-gold nanoparticle dual strategy. Nature Communications. 10 (1), 1-14 (2019).
- Green, J., et al. Automated high-throughput neurophenotyping of zebrafish social behavior. Journal of Neuroscience Methods. 210 (2), 266-271 (2012).
- Tytell, E. D. The hydrodynamics of eel swimming II. Effect of swimming speed. Journal of Experimental Biology. 207 (19), 3265-3279 (2004).
- Westerfield, M. A guide for the laboratory use of zebrafish (Danio rerio). The Zebrafish Book. 4, (2000).
- Ying, L., Jiang, L., Bo, P., Yong, L. Teratogenic effects of embryonic exposure to pretilachlor on the larvae of zebrafish. Journal of Agro-Environment Science. 36 (3), 481-486 (2017).
- Macphail, R. C., et al. Locomotion in larval zebrafish: Influence of time of day, lighting and ethanol. Neurotoxicology. 30 (1), 52-58 (2009).
- Kais, B., et al. DMSO modifies the permeability of the zebrafish (Danio rerio) chorion-implications for the fish embryo test (FET). Aquatic Toxicology. 140, 229-238 (2013).
- Truong, L., Harper, S. L., Tanguay, R. L. . Drug Safety Evaluation. , 271-279 (2011).
- Peeters, B. W., Moeskops, M., Veenvliet, A. R. Color preference in Danio rerio: effects of age and anxiolytic treatments. Zebrafish. 13 (4), 330-334 (2016).
- Barba-Escobedo, P. A., Gould, G. G. Visual social preferences of lone zebrafish in a novel environment: strain and anxiolytic effects. Genes, Brain and Behavior. 11 (3), 366-373 (2012).
- Blaser, R., Penalosa, Y. Stimuli affecting zebrafish (Danio rerio) behavior in the light/dark preference test. Physiology & Behavior. 104 (5), 831-837 (2011).
- Blaser, R. E., Rosemberg, D. B. Measures of anxiety in zebrafish (Danio rerio): dissociation of black/white preference and novel tank test. PloS One. 7 (5), e36931 (2012).
- Weichert, F. G., Floeter, C., Artmann, A. S. M., Kammann, U. Assessing the ecotoxicity of potentially neurotoxic substances-Evaluation of a behavioural parameter in the embryogenesis of Danio rerio. Chemosphere. 186, 43-50 (2017).
