Summary

Um ensaio planário de motilidade para medir as propriedades biomodulantes de produtos naturais

Published: May 30, 2020
doi:

Summary

A motilidade planária é usada para medir as propriedades estimulantes e de retirada de produtos naturais quando comparadas com o movimento dos animais apenas na água da nascente.

Abstract

Um meio simples e controlável de usar o planário não parasitário, Dugesia tigrina, um verme aquático de vida livre, para estudar as propriedades estimulantes e de retirada de produtos naturais é descrito. Ensaios experimentais que se beneficiam de aspectos únicos da fisiologia planária têm sido aplicados a estudos sobre cicatrização de feridas, regeneração e tumorigênese. Além disso, como os planários apresentam sensibilidade a uma variedade de estímulos ambientais e são capazes de aprender e desenvolver respostas condicionadas, eles podem ser usados em estudos comportamentais que examinam a aprendizagem e a memória. Os planários possuem uma simetria bilateral básica e um sistema nervoso central que usa sistemas neurotransmissores favoráveis a estudos que examinam os efeitos dos biomoduladores neuromusculares. Consequentemente, sistemas experimentais que monitoram o movimento planário e a motilidade foram desenvolvidos para examinar o vício e a retirada de substâncias. Como a motilidade planária oferece o potencial de um sistema de ensaio de motilidade sensível e facilmente padronizado para monitorar o efeito dos estímulos, o teste de velocidade locomotor (pLmV) planário foi adaptado para monitorar tanto comportamentos de estimulação quanto de retirada por planários através da determinação do número de linhas de grade cruzadas pelos animais com o tempo. Aqui, a técnica e sua aplicação são demonstradas e explicadas.

Introduction

O protocolo descrito utiliza motilidade planária para fornecer um meio de avaliar os efeitos biomoduladores das substâncias naturais. Foi especificamente adaptado para determinar se essas substâncias funcionam como estimulantes, e se elas foram então associadas a um comportamento de retirada mensurável1. Este ensaio, conhecido como teste de velocidade locomotor planária (pLmV), foi usado pela primeira vez para testar os conhecidos agentes farmacológicos2,3. A aplicação deste ensaio planário baseado em motilidade tem crescido desde então em popularidade e tem sido adotada por diferentes laboratórios interessados em outras substâncias além dos produtos naturais4,,5. Para este ensaio, um planário é colocado em uma placa de Petri contendo água de nascente ou água de nascente contendo um biomodulador dissolvido. Como o prato em si é colocado em papel gráfico, o número de linhas de grade cruzadas pelo animal com o tempo à medida que se move sobre o recipiente pode ser usado para determinar a taxa de movimento em cada condição. O teste claro/escuro, também chamado de teste de preferência de local condicionado (CPP), é outra variação sobre o tema do monitoramento da motilidade planária, e avalia a rapidez com que os animais respondem e migram para um ambiente escurecido6,7. O rastreamento de vídeo dos movimentos planários também pode ser analisado usando programas de computador e rastreamento do Centro de Massa (COM)8,,9,,10,,11.

Usar o planário como modelo animal para tais estudos oferece várias vantagens sobre outros animais, pois o experimentador pode facilmente controlar o ambiente de ensaio. Especificamente, passar fome aos planários antes da experimentação pode impedir sua exposição a outros agentes nutricionais ou farmacológicos que poderiam confundir os resultados, e o biomodulador específico sob investigação pode ser introduzido aos planários simplesmente adicionando-o diretamente à água da cultura, padronizando assim a exposição. Como os planários possuem um sistema nervoso e neurotransmissores que lembram animais de “alta ordem”, a fisiologia e as respostas experimentais desses animais a estímulos neuromusculares são consideradas biologicamente relevantes para outros organismos12,,13,,14,,15,16. Além disso, como os planários são relativamente baratos e diretos de manter em laboratório, eles oferecem um modelo biológico acessível para muitos pesquisadores.

Como um animal experimental, os planários são adequados para uma ampla gama de estudos. Por exemplo, nosso grupo, assim como outros pesquisadores usam planários para estudar tumorigênese17,,18,,19. Os planários também exibem uma série de comportamentos de resposta a estímulos químicos, térmicos, gravitacionais, elétricos, fotográficos e magnéticos que formaram a base de outros sistemas de ensaio. Alguns desses efeitos têm sido utilizados para estudar a aprendizagem e a memória nesses animais20,21,22,23,24,25,26,27. O uso primário do modelo planário na literatura atualmente enfoque na atividade de células-tronco pluripotentes planárias, chamadas neoblastos, e seu papel na regeneração28,,29,30. Assim, a adoção do modelo aqui descrito permite um estudo mais aprofundado usando outros ensaios baseados em planários para fornecer uma compreensão mais ampla de como produtos naturais e outros biomoduladores afetam o organismo.

Protocol

1. Criação planária Use planários comprados de uma empresa de suprimentos biológicos ou capturados, se necessário. Os planários usados neste protocolo são Dugesia tigrina,conforme listado na lista de suprimentos. Esta espécie também é referida como Girardia tigrina31. Outras espécies planárias aquáticas também são aceitáveis2,3.NOTA: O protocolo descrito é voltado para animais comprados de …

Representative Results

O laboratório configurado e a preparação do espaço de trabalho para execução do ensaio pLmV devem ser concluídos antes do início da experimentação. Isso inclui a preparação do recipiente de habitação, o recipiente de lavagem, se necessário (para experimentos de retirada), placa de Petri sobre papel de grade laminada e câmera devidamente colocada(Figura 1). Uma vez que todos os vídeos são feitos, é aconselhável usar uma folha de dados comum para padronizar a coleta e apres…

Discussion

Um ensaio de motilidade planária simples e acessível é descrito para determinar os efeitos estimulantes e de retirada de produtos naturais. Como modelo comportamental é necessário ter protocolos rigorosos para marcar movimento e definições claras de quaisquer comportamentos para padronizar observações entre diferentes experimentadores. As ideias apresentadas oferecem uma demonstração de como isso pode ser alcançado. Cada laboratório que utilizar este protocolo deve adaptar as informações apresentadas para …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores desejam reconhecer o escritório de Avanço Institucional, e a Morrisville College Foundation por uma bolsa de publicação para apoiar este trabalho, bem como o SUNY Morrisville Collegiate Science and Technology Entry Program (CSTEP) por sua assistência contínua e apoio à pesquisa de graduação na SUNY Morrisville. Também gostaríamos de agradecer sophia Hutchens por comentários úteis sobre a técnica descrita.

Materials

Bottled Water – 1 Gal. Poland Spring N/A Spring water for planarian culture and to prepare solutions
Brown Planaria (Dugesia tigrina) Carolina Biological Supply Company 132954 Brown planaria living (other species are acceptable)
Flat Paintbrush Royal Crafter's Choice 9159 Flat watercolor paintbrushes for cleaning planarian culture containers
Glass Petri Dish – 10 cm Kimax N/A 10 cm diameter (glass) Petri dishes for pLmV assay
Glass Petri Dish – 5 cm Kimax N/A 5 cm and Petri dishes for rinsing planarians during withdrawal experiments and for stimulant habituation
Grid Paper Any N/A Standard 0.5 cm grid paper for pLmV assay
iPEVO Visualizer (software) iPEVO https://www.ipevo.com/software/visualizer Document camera software for video capture and recording
Metalware Set with Support Stand and Retort Ring Any N/A Standard chemistry lab ring stand to hold a cell phone camera if used
Organic Egg Any N/A Organic egg or beef liver for feeding planarains
Polycarbonate Bottle w/ Screw-on Cap – 10 mL Beckman N/A Plastic vials to hold 5 to 10 mL volumes for stimulant habituation
Round Storage Container – 10 cm Ziploc N/A 10 cm Round food storage containers for approximately 90 planarians or fewer
Round Water Paint Brush LOEW-Cornell N/A Small round watercolor paint brushes (numbers 3 to 6) – soft
Transfer Pipette Any N/A Wide bore (5 mL) plastic transfer pipettes to move planarians
USB Document Camera iPEVO CDVU-06IP Document camera (or other camera or cell phone camera)

References

  1. Moustakas, D. Guarana provides additional stimulation over caffeine alone in the planarian model. PloS One. 10 (4), 0123310 (2015).
  2. Raffa, R. B., Valdez, J. M. Cocaine withdrawal in Planaria. European Journal of Pharmacology. 430 (1), 143-145 (2001).
  3. Raffa, R. B., Holland, L. J., Schulingkamp, R. J. Quantitative assessment of dopamine D2 antagonist activity using invertebrate (Planaria) locomotion as a functional endpoint. Journal of Pharmacology and Toxicological Methods. 45 (3), 223-226 (2001).
  4. Thumé, I. S., Frizzo, M. E. Sertraline induces toxicity and behavioral alternations in planarians. Biomedical Research International. 2017, 5792621 (2017).
  5. Aggarwal, S., et al. Identification of a novel allosteric modulator of the human dopamine transporter. ACS Chemical Neuroscience. 10 (8), 3718-3730 (2019).
  6. Zhang, C., Tallarida, C. S., Raffa, R. B., Rawls, S. M. Sucrose produces withdrawal and dompamine-sensitive reinforcing effects in planarians. Physiology & Behavior. , 8-13 (2013).
  7. Zewde, A. M., et al. PLDT (planarian light/dark test): an invertebrate assay to quantify defensive responding and study anxiety-like effects. Journal of Neuroscience Methods. 293, 284-288 (2018).
  8. Risse, B., Otto, N., Berh, D., Jiang, X., Klämbt, C. FIM Imaging and FIMtrack: two new tools allowing high-throughput and cost effective locomotion analysis. Journal of Visualized Experiments. (94), e52207 (2014).
  9. Inoue, T., Hoshino, H., Yamashita, T., Shimoyama, S., Agata, K. Planarian shows decision-making behavior in response to multiple stimuli by integrative brain function. Zoological Letters. 1, 7 (2015).
  10. Hastrom, D., Cochet-Escartin, O., Zhang, S., Khuu, C., Collins, E. M. S. Freshwater planarians as an alternative animal model for neurotoxicology. Toxicological Sciences. 147 (1), 270-285 (2015).
  11. Risse, B., Berh, D., Otto, N., Klämbt, C., Jiang, X. FIMtrack: an open source tracking and locomotion analysis software for small animals. PLoS One Computational Biology. 13 (5), 100553 (2017).
  12. Pagán, O. R. Planaria: an animal model that integrates development, regeneration and pharmacology. International Journal of Developmental Biology. 61, 519-529 (2017).
  13. Palladini, G. A pharmacological study of cocaine activity in planaria. Comparative Biochemistry and Physiology. 115 (1), 41-45 (1996).
  14. Buttarelli, F. R., Pellicano, C., Pontieri, F. E. Neuropharmacology and behavior in planarians: translation to mammals. Comparative Biochemistry and Physiology Part C. Toxicology & Pharmacology. 147 (4), 399-408 (2008).
  15. Nishimura, K., et al. Identification of glutamic acid decarboxylase gene and distribution of GABAergeric nervous system in the planarian Dugesia japonica. Neurosciences. 153 (4), 1103-1114 (2008).
  16. Raffa, R. B., Rawls, S. M. . A model for drug action and abuse. , (2008).
  17. Hall, F., Morita, M., Best, J. B. neoplastic transformation in the planarian: I cocarcinogenesis and histopathology. The Journal of Experimental Zoology. 240 (2), 211-227 (1986).
  18. Voura, E. B., et al. Planarians as models of cadmium-induced neoplasia provide measurable benchmarks for mechanistic studies. Ecotoxicology and Environmental Safety. 142, 544-554 (2017).
  19. Van Roten, A., et al. A carcinogenic trigger to study the function of tumor suppressor genes in Schmedtea mediterranea. Disease Models and Mechanisms. 11 (9), 032573 (2018).
  20. Mason, P. R. Chemo-klino-kinesis in planarian food location. Animal Behaviour. 23 (2), 460-469 (1975).
  21. Van Huizen, A. V., et al. Weak magnetic fields alter stem cell-mediated growth. Science Advances. 5 (1), 7201 (2019).
  22. Brown, H. M., Ogden, T. E. The electrical response of the planarian ocellus. Journal of General Physiology. 51 (2), 255-260 (1968).
  23. Inoue, T., Yamashita, T., Agata, K. Thermosensory signaling by TRPM is processed by brain serotonergic neurons to produce planarian thermotaxis. The Journal of Neuroscience. 34 (47), 15701-15714 (2014).
  24. Byrne, T. Effects of ethanol on negative phototaxis and motility in brown planarians (Dugesia tigrina). Neuroscience Letters. 685, 102-108 (2018).
  25. de Sousa, N., et al. Transcriptomic analysis of planarians under simulated microgravity or 8g demonstrates that alteration of gravity induces genomic and cellular alterations that could facilitate tumoral transformation. International Journal of Molecular Sciences. 20 (3), 720 (2019).
  26. Best, J. B., Rubinstein, I. Maze learning and associated behavior in planaria. Journal of Comparative and Physiological Psychology. 55, 560-566 (1962).
  27. Shomrat, T., Levin, M. An automated training paradigm reveals long-term memory in planarians and its persistence through head regeneration. The Journal Experimental Biology. 216, 3799-3810 (2013).
  28. Robarts-Galbraith, R. H., Newmark, P. A. On the organ trail: insights into organ regeneration in the planarian. Current Opinion in Genetics & Development. 32, 37-46 (2015).
  29. Ivancovic, M., et al. Model systems for regeneration: planarians. Development. 146 (17), 167684 (2019).
  30. Herath, S., Lobo, D. Cross-inhibition of Turing patterns explains the self-organized regulatory mechanism of planarian fission. Journal of Theoretical Biology. 485, 110042 (2019).
  31. Itoh, M. T., Shinozawa, T., Sumi, Y. Circadian rhythms of melatonin-synthesizing enzyme activities and melatonin levels in planarians. Brain Research. 830 (1), 165-173 (1999).
  32. Itoh, M. T., Igarashi, J. Circadian rhythm of serotonin levels in planarians. Neuroreports. 11 (3), 473-476 (2000).
  33. Hinrichsen, R. D., et al. Photosensitivity and motility in planarian Schmedtea mediterranea vary diurnally. Chronobiology International. 36 (12), 1789-1793 (2019).
  34. Raffa, R. B., Desai, P. Description and quantification of cocaine withdrawal signs in planaria. Brain Research. 1032 (1-2), 200-202 (2005).
  35. Pagán, O. R., et al. A cembranoid from tobacco prevents the expression of induced withdrawal behavior in planarian worms. European Journal of Pharmacology. 615 (1-3), 118-124 (2009).
  36. Rawls, S. M., Patil, T., Yuvasheva, E., Raffa, R. B. First evidence that drugs of abuse produce behavioral sensitization and cross-sensitization in planarians. Behavioural Pharmacology. 21 (4), 301-313 (2010).
  37. Venturini, G., et al. A pharmacological study of dopaminergic receptors in planaria. Neuropharmacology. 28 (12), 1377-1382 (1989).
  38. Ouyang, K., et al. Behavioral effects of Spenda, Equal and sucrose: Clues from planarians on sweeteners. Neuroscience Letters. 636, 213-217 (2017).
  39. Pagán, O. R., Montgomery, E., Deats, S., Bach, D., Baker, D. Evidence of nicotine-induced, curare-sensitive, behavior in planarians. Neurochemical Research. 40 (10), 2087-2090 (2015).
  40. Shibata, N., Agata, K. RNA interference in planarians: feeding and injection of synthetic dsRNA. Methods in Molecular Biology. 1774, 455-466 (2018).
  41. Pagán, O. R., et al. Reversal of cocaine-induced planarian behavior by parthenolide and related sesquiterpene lactones. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 89 (2), 160-170 (2008).
  42. Vouga, A., et al. Stereochemistry and neuropharmacology of a ‘bath salt’ cathinone: S-enantiomer of mephedrone reduces cocaine-induced reward and withdrawal in invertebrates. Neuropharmacology. 91, 109-116 (2015).
  43. Chan, J. D., Marchant, J. S. Pharmacological and functional genetic assays to manipulate regeneration of the planarian Dugesia japonica. Journal of Visualized Experiments. (54), e3058 (2011).

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Citer Cet Article
Voura, E. B., Pulquerio, C. H., Fong, R. A. M. V., Imani, Z., Rojas, P. J., Pratt, A. M., Shantel, N. M., Livengood, E. J. A Planarian Motility Assay to Gauge the Biomodulating Properties of Natural Products. J. Vis. Exp. (159), e61070, doi:10.3791/61070 (2020).

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