פרוטוקול זה מתאר שיטה יעילה וזולה המשתמשת במדיה נוזלית כדי להעריך את ההשפעות של רעלים כימיים על הכדאיות של Drosophila melanogaster בוגר.
תעשיות אנושיות מייצרות מאות אלפי כימיקלים, שרבים מהם לא נחקרו כראוי לבטיחות סביבתית או השפעות על בריאות האדם. מחסור זה במידע בטיחות כימי מחמיר על ידי שיטות הבדיקה הנוכחיות ביונקים שהן יקרות, עתירות עבודה וגוזלות זמן. לאחרונה, מדענים ורגולטורים עובדים על פיתוח מתודולוגיות גישה חדשות (NAMs) לבדיקות בטיחות כימיות שהן זולות יותר, מהירות יותר ומפחיתות את סבלם של בעלי חיים. אחד ה-NAMs המרכזיים שהופיעו הוא השימוש באורגניזמים חסרי חוליות כתחליף למודלים של יונקים כדי להבהיר דרכי פעולה כימיות שמורות במינים רחוקים, כולל בני אדם. כדי לקדם מאמצים אלה, אנו מתארים כאן שיטה המשתמשת בזבוב הפירות, Drosophila melanogaster, כדי להעריך את הבטיחות הכימית. הפרוטוקול מתאר הליך פשוט, מהיר וזול למדידת הכדאיות והתנהגות ההאכלה של זבובים בוגרים חשופים. בנוסף, ניתן להתאים את הפרוטוקול בקלות ליצירת דגימות לגישות גנומיות ומטבוליות. בסך הכל, הפרוטוקול מייצג צעד חשוב קדימה בביסוס דרוזופילה כמודל סטנדרטי לשימוש בטוקסיקולוגיה מדויקת.
בני אדם נחשפים כל הזמן לכימיקלים ממגוון מקורות, כולל אוויר1, מזון2, מים3,4, תרופות5, חומרי ניקוי6, מוצרי טיפוח אישי 7, כימיקלים תעשייתיים 7 וחומרי בניין 7. יתר על כן, אלפי כימיקלים חדשים מוצגים מדי שנה8, שרבים מהם אינם נבדקים כראוי לבריאות ובטיחות הסביבה. היעדר בדיקות בטיחות כימיות מספקות נובע בחלקו מהסתמכות יתר על מודלים של יונקים, כגון עכברים וחולדות. בעוד מודלים כאלה מכרסמים הם אינפורמטיביים, בדיקות בטיחות כימיות במערכות אלה הן יקרות, גוזלות זמן, ולעתים קרובות גורמות רמות בלתי מתקבלות על הדעת של סבל לחיית הניסוי9.
הנטל הכספי והאתי הקשור לבדיקות בטיחות כימיות של יונקים, כמו גם האופי הגוזל זמן של מחקרי יונקים, הם גורמים מרכזיים התורמים למיעוט הנתונים סביב כימיקלים חדשים. כדי להתמודד עם בעיה זו, הסוכנות להגנת הסביבה של ארה”ב (EPA), סוכנות הכימיקלים האירופית (ECHA), Health Canada וסוכנויות אחרות מיישמות אמצעים המשלבים מתודולוגיות גישה חדשות (NAMs) במסגרות רגולטוריות10, ובכך מציבים את המדיניות בצפון אמריקה ובאירופה בקנה אחד עם היעדים הבינלאומיים להחליף, להפחית ולחדד את השימוש בבעלי חיים (עקרון 3Rs)11, 12,13,14. NAMs מקיפים מגוון של בדיקות המבוססות בעיקר על מודלים במבחנה ובסיליקו המספקים הבנה מכניסטית של רעילות כימית במקום לצפות במצוקות הנגרמות למיני ניסויים של יונקים, ובכך מגדילים את קצב הפקת הנתונים להערכת סיכונים כימיים תוך הפקת תפוקות נאמנות גבוהות15. עם זאת, שיטות אלה עדיין לא הוכחו כמגינות מפני רעילות מערכתית, כולל שיבוש תהליכים ביולוגיים חיוניים הכוללים תקשורת בין איברים ואיתות אנדוקריני. יתר על כן, הם אינם יכולים להסביר את ההצטברות הביולוגית של כימיקלים בתוך רקמות ספציפיות, את היכולת של תרכובות בודדות להיספג ולהפריש, ואת יחסי הגומלין בין התנהגות וחשיפה כימית.
בשל המגבלות של מודלים חוץ גופיים וחישוביים, השימוש המוצלח ב-NAMs כדי להפחית או להחליף מודלים של יונקים צריך לכלול גם מודלים של חסרי חוליות in vivo, כגון זבוב הפירות, Drosophila melanogaster. מחקרים קודמים בזבוב הראו כי אורגניזם זה מתאים היטב לחקר המסלולים הגנטיים השמורים המגנים על תאי בעלי חיים מפני מולקולות רעילות 16,17,18,19,20,21,22. יתר על כן, הזבוב מראה דמיון גנטי יוצא דופן לבני אדם, כולל הומולוגים פונקציונליים ליותר מ -65% מהמחלות האנושיות 23,24,25 ושימור גדול עוד יותר של מסלולים תפקודיים חשובים 26. תכונות אלה, בשילוב עם מחזור החיים הקצר יחסית שלהן, עלות תחזוקה נמוכה ותגובות התנהגותיות שניתן להבחין בהן בקלות, הופכות את דרוזופילה למתאימה לשימוש כמודל טוקסיקולוגי27,28,29,30. יתר על כן, לזבובים יש תפוקה גבוהה בהרבה מאשר מודלים של מכרסמים והם לוכדים השפעות על חילוף חומרים, פיזיולוגיה ואיתות הורמונלי שאינן ניתנות לזיהוי בקלות על ידי NAMs אחרים שאינם אורגניזם9.
הפרוטוקול המתואר כאן מייצג מסגרת לבדיקת ההשפעות של חשיפה כימית על דרוזופילה בוגרת. השיטה מתוכננת להיות יעילה, זולה וניתנת לשחזור, תוך מזעור הזמן שעל החוקרים להיות במגע עם חומר הניסוי הכימי ולהתאים את איסוף הדגימות למטבולומיקה ולגישות אומיקס אחרות. הפרוטוקול מותאם לבדיקת כימיקל יחיד בכל ניסוי, אך יכול להתאים בקלות לפרמטרים ניסיוניים אחרים, כגון ממסים מגוונים או שילובים של כימיקלים.
זבוב הפירות Drosophila melanogaster מתגלה כמערכת רבת עוצמה עבור NAMs16,18,19,21. על ידי מינוף המשאבים הגנטיים חסרי התקדים הזמינים לקהילת הזבובים, בשילוב עם ההתקדמות האחרונה בגנומיקה ובמטבולומיקה, מחקרי בטיחות כימיים המשתמשים בדרוזופילה מסוגלים לזהות במהירות את המנגנונים המולקולריים שבאמצעותם תרכובות בודדות מפריעות לחילוף חומרים, פיזיולוגיה ואיתות תאי (לדוגמה, ראו39). פרוטוקול זול זה נועד להגדיר במהירות עקומות מנה-תגובה ולאחר מכן לייצר דגימות עבור RNA-seq וניתוח מטבולומי. יתר על כן, פרוטוקול גמיש זה יכול להיות מותאם לשימוש עם כל גנוטיפ והוא יכול להכיל סוגים רבים של כימיקלים.
היבט בולט של פרוטוקול זה הוא בחירת המזון הנוזלי המשמש בחשיפה הכימית, המבוססת על מחקר קודם, אך שונה מהמדיה המוצקה המשמשת את רוב המחקרים הטוקסיקולוגיים של דרוזופילה 18,22. המצע הנוזלי הספציפי הזה נבחר כדי לשקף את התוכן התזונתי של מצע ה-BDSC הסטנדרטי והמוצק שהזבובים ניזונים ממנו גם בפרוטוקול זה, כדי להבטיח שהזבובים יקבלו תזונה עקבית. לפשטות של מדיה האכלה נוזלית יש יתרונות רבים. קל יותר לטפל במדיה נוזלית מאשר במזון מוצק, שיש להמיס ולמצק מחדש או להרכיב מחדש מאבקה. מדיה נוזלית גם מגדילה את תפוקת המערכת, מבטיחה פיזור כימי אחיד בכל אמצעי ההזנה, ומפחיתה את זמן העבודה עם חומרים מסוכנים. בנוסף, התקשורת אינה דורשת חימום פתרונות, מה שמאפשר בדיקה של תרכובות בדיקה נדיפות. לבסוף, בגלל המרכיבים המעטים יחסית הכלולים בתמיסת המזון, תגובות לוואי לא רצויות ממוזערות בין כימיקל הבדיקה לבין רכיבים תזונתיים אחרים. השמרים המשמשים במזון גם אינם פעילים, מה שמגביל עוד יותר את תגובתיות אמצעי ההאכלה. עם זאת, יש לציין כי השיטה אינה מתאימה לבדיקת רעילות התפתחותית או רעילות זחלים.
חלק מהחומרים המשמשים בפרוטוקול ניתנים להחלפה, כגון שימוש בבקבוקוני זבוב זכוכית במקום פוליפרופילן. עם זאת, החומרים בהם נעשה שימוש נבחרו להיות אינרטיים וחד פעמיים כדי למנוע תגובות כימיות לא רצויות בין ריאגנטים וחשיפות כימיות שעלולות לנבוע מניקוי כלי זכוכית.
השימוש במזון נוזלי מחייב כלי למשלוח מזון. נייר מסנן תאית אצטט נבחר למטרה זו בשל גמישותו ואופיו האינרטי28. חוקרים אחרים השתמשו בפרוטוקולים דומים אך עם כלי רכב אחרים, כגון מגבוני משימה עדינים או מסנן סיבי זכוכית29,30. נייר פילטר תאית אצטט התאים לצרכים אלה מכיוון שמדובר ברכב אינרטי שניתן לחתוך לצורה האידיאלית כדי להתאים אותו לתחתית בקבוקוני הזבוב ללא רווחים גדולים בין הנייר לדופן הבקבוקון, מה שמונע מוות כתוצאה מזבובים שנתקעו במדיה או ברכב עצמו.
מגבלה חשובה של מערכת זו היא שהריכוז המרבי הניתן לבדיקה של כימיקל קשור למסיסות הכימיקל. תרכובות שאינן מסיסות במים דורשות ממס נוסף, אשר יכול להוביל להשפעות נוספות או סינרגטיות עם הכימיקל המעניין. זה יכול גם ליצור מצבים שבהם לא ניתן להכין פתרונות מלאי מרוכזים מספיק כדי להשיג את נקודת הקצה הרצויה בכל האורגניזמים, ולכן מגביל את הניתוח של הנתונים המתקבלים31. כדי להתמודד עם זה, כימיקלים עם מסיסות מים נמוכה ניתן לבדוק על ידי הוספת עד 0.5% dimethyl sulfoxide לתמיסת מזון. ניתן להשתמש גם בממסים אחרים, אך יש צורך במחקר נוסף עבור כל ממס מעניין כדי לקבוע את ריכוז הממס המרבי המקובל בתמיסה כדי למקסם את המסיסות תוך מזעור השפעות הממס על האורגניזם.
אפיון נרחב של תגובת חוש הריח בדרוזופילה תיאר כיצד זבובים נמנעים מצריכת תרכובות רעילות40,41, מה שמוביל להזנה מופחתת במדיה מטופלת. בדיקת הצבע הכחול מטפלת בתופעה זו בכך שהיא מאפשרת לחוקרים לסנן ביעילות את התנהגויות האכילה של הזבובים הניזונים מכל ריכוז של כימיקל ניסיוני42,43,44. נוכחותו או היעדרו של כחול במערכת העיכול של הזבוב מציין אם הזבוב אכל את המדיום המכיל רעילים. למרות שקיימות שיטות מתוחכמות יותר להערכת התנהגויות האכלת זבובים, כגון מונה אינטראקציה בין זבוב למזון נוזלי45, שיטה איכותית זו מתאימה יותר לסינון בתפוקה גבוהה יותר.
היבט בולט של פרוטוקול זה הוא שהוא עבר אופטימיזציה לתקופת חשיפה של 48 שעות ללא צורך להעביר זבובים או להוסיף נוזל נוסף לבקבוקון החשיפה. שימוש בתא לחות והצבת התאים באינקובטור שנשמר בלחות גבוהה מנעו מנייר הסינון המכיל את אמצעי ההזנה להתייבש במהלך פרק זמן זה. ניתן להתאים את הפרוטוקול לפרקי חשיפה ארוכים יותר, אך יש להתאים את השיטה כדי להבטיח שנייר הסינון לא יתייבש ויגרום לשינויים משמעותיים בריכוז התמיסה או בקטלניות עקב התייבשות.
לבסוף, מאפיין חשוב של פרוטוקול זה הוא שהוא יכול להתאים בקלות לווריאנטים גנטיים, מה שמאפשר לחוקרים להשתמש במגוון העצום של כלים גנטיים עבור דרוזופילה כדי להרחיב את המחקרים הראשוניים האלה על אורגניזמים מסוג בר כדי להבין טוב יותר מנגנונים של פעולה כימית in vivo. בהקשר זה, ניתן לשנות בקלות את הפרוטוקול המתואר לעיל כדי להשלים פרוטוקול JoVE שתואר קודם לכן על ידי פיטרסון ולונג המאפשר ניתוח טוקסיקולוגי של זבובים שנלכדו בטבע18.
בגלל המגוון הרחב של מחקרים קודמים על רעילות נתרן ארסן בדרוזופילה 32,33,34,35,36, זבובי אורגון-R טופלו בתרכובת זו כדי להדגים את יעילות המערכת שלנו. זבובים זכרים הציגו LD 50 של 0.65 מילימול, ונקבות הציגו LD50 של 0.90 מילימול. זה עולה בקנה אחד עם מחקרים קודמים של דרוזופילה למבוגרים שטופלו בנתרן ארסניט. לדוגמה, גולדשטיין ובביץ’37 מצאו כי 50% מהזבובים (מינים מעורבים) מתו לאחר 7 ימים של חשיפה ל-0.5 מילימטר NaAsO2. למרות שמדובר במינון מעט נמוך יותר ממה שנצפה כיום, ההבדלים בין השיטות שלהם לבין שיטה זו (כולל שימוש באמצעי חשיפה מוצקים, טווח זמן ארוך יותר ומינים מעורבים) ככל הנראה מסבירים הבדל זה. חשוב לציין, שתי השיטות הביאו לערכי LD50 דומים בסך הכל.
תצפיות מניסויים המשתמשים בפרוטוקול זה יכולות לשמש למציאת מטרות גנטיות ומולקולריות למחקרים התנהגותיים או מכניסטיים הבאים. שיטת החשיפה יכולה לשמש גם לטיפול בדרוזופילה לצורך דגימה עבור מטבולומיקה ופרוטאומיקה, מה שהופך פרוטוקול זה מתאים היטב לתחום הצומח של טוקסיקולוגיה מדויקת (מודל מתחום הרפואה המדויקת46). בהקשר זה, ניתן לאסוף זבובים חשופים לאחר שלב 8 לניתוח גנומי ומטאבולומי עוקב. לאחר מכן ניתן לעבד דגימות שנאספו בשלב 8, כפי שמתואר על ידי לי וטנסן47, החל משלב 3.
בסופו של דבר, הנתונים המתקבלים מהניסויים שתוארו לעיל, כמו גם כל נתוני המטבולומיקה והפרוטאומיקה שלאחר מכן, ישמשו באופן אידיאלי להשוואות בין מינים. כפי שצוין קודם לכן26, מחקרים חוצי מינים כאלה הם רבי עוצמה ומסוגלים לקבוע כיצד כימיקלים בודדים מפריעים למסלולים ביולוגיים שמורים. לפיכך, ניתן להשתמש בפרוטוקול המתואר לעיל כדי למצוא מכנה משותף אבולוציוני בתגובה לרעלים בודדים ברחבי פילה ולסייע בוויסות הבטיחות הכימית.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לצוות שלנו על העזרה בבדיקה ובאופטימיזציה של פרוטוקול זה: אמיה בלמקאר, מרילין קלארק, אלכסנדר פיט, אמה רוז גלנט, איתן גולדיץ’, מתיו לאו, מורגן מארש, קייל מקלונג, אנדי פוגה, דארסי רוז, קמרון סטוקברידג’ ונואל זולמן. אנו מודים גם לעמיתינו מקבוצת הטוקסיקולוגיה המדויקת, ובמיוחד לעמיתינו בקבוצת החשיפה, על עזרתם לזהות את מטרות הפרוטוקול.
פרויקט זה קיבל מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מס’ 965406. העבודה המוצגת בפרסום זה בוצעה במסגרת אשכול ASPIS. פלט זה משקף רק את עמדות המחברים, והאיחוד האירופי אינו יכול להיות אחראי לכל שימוש שעשוי להיעשות במידע הכלול בו. פרסום זה התאפשר גם בתמיכת המכון למדעים קליניים ותרגומיים של אינדיאנה, הממומן בחלקו על ידי פרס מספר UL1TR002529 מהמכונים הלאומיים לבריאות, פרס המרכז הלאומי לקידום מדעי התרגום, המדעים הקליניים והתרגומיים. התוכן הוא באחריותם הבלעדית של המחברים ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של המכונים הלאומיים לבריאות. חלקים מפרויקט זה נתמכו על ידי קרנות מאוניברסיטת אינדיאנה שהוענקו ל-JRS ולקונסורציום PhyloTox. JMH ו-EMP נתמכו על ידי P40OD018537 פרס NIH למרכז המניות בלומינגטון דרוזופילה.
1.5 inch flower lever action craft punch | Bira Craft | HCP-115-024 | |
15 mL Centrifuge Tubes | VWR | 89039-666 | High-Performance Centrifuge Tubes with Flat or Plug Caps, Polypropylene, 15 mL |
2 ml Tubes | VWR | 16466-044 | Micro Centrifuge Tube with Flat Screw-Cap, conical bottom |
5 ml Tubes | VWR | 60818-576 | Culture Tubes, Plastic, with Dual-Position Caps |
50 mL Centrifuge Tubes | Corning | 430290 | 50 mL polypropylene centrifuge tubes, conical bottom with plug seal cap |
Benchmark Dose Software version 3.2 | U.S. Environmental Protection Agency | ||
Cardboard trays | Genesee Scientific flystuff | 32-122 | trays and dividers for narrow vials |
CO2 gas pads | Genesee Scientific flystuff | 59-114 | FlyStuff flypad, CO2 anesthetizing apparatus |
Combitips advanced, 50 mL | Eppendorf | 0030089693 | Combitips advanced, Biopur, 50 mL, light gray, colorless tips |
Cotton balls | Genesee Scientific flystuff | 51-101 | Cotton balls, large, fits narrow vials |
Delicate task wipes | Kimtech | 34155 | Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipes, 1 Ply / 8.2" x 4.39" |
Drosophila Vial Plugs, Cellulose Acetate (aka, Flugs) | VWR | 89168-888 | Wide |
FD&C Blue No. 1 | Spectrum Chemical | FD110 | CAS number 3844-45-9 |
Flies | BDSC | Stock #2057 | OregonR wildtype |
Gloves (nitrile) | Kimtech | 55082/55081/55083 | Kimtech purple nitrile exam gloves, 5.9 mil, ambidextrous 9.5" |
Grade 1 CHR cellulose chromatography paper | Cytvia | 3001-917 | Sheet, 46 x 57 cm |
Mesh for humidity chamber | |||
Multipette / Repeater (X) stream | Eppendorf | 022460811 | Repeater Xstream |
Plastic grate | Plaskolite | 18469 (from lowes) | Plaskolite 24 in x 48 in 7.85 sq ft louvered ceiling light panels, cut down to fit in rubbermaid tubs |
Plastic trays for glass vials | Genesee Scientific flystuff | 59-207 | Narrow fly vial reload tray |
Polypropylene Drosophila Vial | VWR | 75813-156 | Wide (28.5 mm) |
Rubbermaid tubs | Rubbermaid | 3769017 (from Lowes) | Rubbermaid Roughneck Tote 10 gallon 18" L x 12" W x 8 1/2" H |
Sucrose ultra pure | MP Biomedicals, Inc. | 821721 | |
Tube racks for wide-mouthed tubes | Thermo scientific | 5970-0230 | Nalgene Unwire Test tube racks, for 30 mm tubes |
Water Purification System | Millipore Milli-Q | ZMQ560F01 | Millipore Milli-Q Biocel Water Purifier |
Yeast extract | Acros Organics | 451120050 | CAS number 84604-16-0 |