Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Biology

एक Zebrafish कंपन चौंका प्रतिक्रिया स्क्रीनिंग सिस्टम का उपयोग कर रसायनों की विषाक्तता का मूल्यांकन

Published: January 12, 2024 doi: 10.3791/66153

Summary

हम ज़ेब्राफिश भ्रूण कंपन चौंका प्रतिक्रिया के आधार पर रासायनिक यौगिक विषाक्तता के मूल्यांकन के लिए एक स्क्रीनिंग सिस्टम के वर्कफ़्लो और डेटा विश्लेषण का वर्णन करते हैं। प्रणाली एक कंपन उत्तेजना के संपर्क में आने पर जेब्राफिश भ्रूण के आंदोलनों को रिकॉर्ड करती है और सामान्य विषाक्तता / घातकता और न्यूरोमस्कुलर विषाक्तता के एकीकृत मूल्यांकन की अनुमति देती है।

Abstract

हमने ज़ेब्राफिश भ्रूण में न्यूरोमस्कुलर और सामान्य विषाक्तता के मूल्यांकन के लिए एक सरल स्क्रीनिंग प्रणाली विकसित की है। मॉड्यूलर प्रणाली में इलेक्ट्रोडायनामिक ट्रांसड्यूसर होते हैं जिनके ऊपर भ्रूण के साथ टिशू कल्चर व्यंजन रखे जा सकते हैं। ऐसे कई लाउडस्पीकर-टिशू कल्चर डिश जोड़े को जोड़ा जा सकता है। इलेक्ट्रोडायनामिक ट्रांसड्यूसर द्वारा उत्पन्न कंपन उत्तेजनाएं भ्रूण में एक विशेषता स्टार्टल और एस्केप प्रतिक्रिया को प्रेरित करती हैं। एक बेल्ट चालित रैखिक ड्राइव क्रमिक रूप से भ्रूण के आंदोलन को रिकॉर्ड करने के लिए प्रत्येक लाउडस्पीकर के ऊपर एक कैमरा रखता है। इस तरह, रासायनिक यौगिकों की घातकता या न्यूरोमस्कुलर विषाक्तता के कारण चौंका देने वाली प्रतिक्रिया में परिवर्तन की कल्पना और मात्रा निर्धारित की जा सकती है। हम इस प्रणाली का उपयोग करके रासायनिक यौगिक स्क्रीनिंग के लिए वर्कफ़्लो का एक उदाहरण प्रस्तुत करते हैं, जिसमें भ्रूण और उपचार समाधान तैयार करना, रिकॉर्डिंग सिस्टम का संचालन और परख में सक्रिय यौगिकों के बेंचमार्क एकाग्रता मूल्यों की गणना करने के लिए डेटा विश्लेषण शामिल है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सरल घटकों पर आधारित मॉड्यूलर असेंबली इस प्रणाली को विशेष प्रयोगशाला सेटअप और स्क्रीनिंग उद्देश्यों की जरूरतों के लिए किफायती और लचीले ढंग से अनुकूल बनाती है।

Introduction

हाल के वर्षों में, ज़ेब्राफिश रासायनिक यौगिक प्रभावों के मूल्यांकन के लिए अत्यधिक लोकप्रिय मॉडल जीव बन गए हैं, जिसमें दवा विकास से पर्यावरण विष विज्ञान1 तक अनुसंधान क्षेत्र शामिल हैं। कशेरुक के रूप में, ज़ेब्राफिशउनके आनुवंशिक श्रृंगार और मनुष्यों 2,3 के साथ समग्र शरीर विज्ञान के कई पहलुओं को साझा. इसलिए, इस मॉडल में प्राप्त परिणाम अक्सर मानव स्वास्थ्य के लिए सीधे प्रासंगिक होते हैं। वर्तमान में नैदानिक परीक्षणों में कई दवा उम्मीदवारों को जेब्राफिश4 का उपयोग करके यौगिक स्क्रीन में पहचाना गया है।

विषाक्तता मूल्यांकन एक प्रमुख अनुप्रयोग है जहां ज़ेब्राफिश भ्रूण चरणों का उपयोग करके परीक्षण रुचि रखते हैं। आर्थिक सहयोग और विकास के लिए विभिन्न संगठन (ओईसीडी) परीक्षण दिशानिर्देश पर्यावरण विषाक्ततापरीक्षण 5,6 में जेब्राफिश के उपयोग के लिए मौजूद हैं। छोटे आकार और ज़ेब्राफिश भ्रूण का तेजी से विकास उन्हें मध्यम से उच्च थ्रूपुटपैमाने 1,3,4 पर स्क्रीनिंग दृष्टिकोण के लिए अत्यधिक उपयुक्त बनाता है। इस तरह के स्क्रीन द्वारा लक्षित विष संबंधी समापन बिंदुओं भ्रूण विकृतियों और घातकता7, अंतःस्रावी व्यवधान8, अंग विषाक्तता9, और तंत्रिका विषाक्तता10,11 के संकेत व्यवहार आकलन शामिल हैं. व्यवहार परख संभव है क्योंकि ज़ेब्राफिश भ्रूण विकास के अपने चरण के आधार पर विभिन्न उत्तेजनाओं के लिए विभिन्न प्रकार की हरकत प्रतिक्रियाएं दिखाते हैं। उदाहरण के लिए, 1 दिन पोस्ट निषेचन (डीपीएफ) भ्रूण सहज पूंछcoiling 12 दिखाने के लिए और आंदोलनों का एक ठेठ अनुक्रम के साथ प्रकाश दालों का एक अनुक्रम का जवाब, तथाकथित फोटोमोटर प्रतिक्रिया (पीएमआर)10. हैचिंग के बाद, आमतौर पर निषेचन (एचपीएफ) के बाद 48-72 घंटे के आसपास होने वाली, स्वतंत्र रूप से तैरने वाले एलुथेरोएम्ब्रायो13 धीरे-धीरे 4 डीपीएफ14 के आसपास शुरू होने वाली कंपन उत्तेजनाओं के लिए चौंका देने और प्रतिक्रियाओं से बचने का विकास करते हैं। इन प्रतिक्रियाओं को उत्तेजना की दिशा (तथाकथित सी-मोड़ या सी-स्टार्ट) के विपरीत दिशा में एक विशिष्ट मोड़ की विशेषता है, जिसके बाद एक छोटा काउंटर मोड़ और तैराकी व्यवहार 14,15,16,17होता है। विशेष रूप से, भ्रूण के व्यवहार विभिन्न न्यूरोट्रांसमीटर प्रणालियों का उपयोग करके तंत्रिका सर्किट द्वारा शासित होते हैं, जिससे इन प्रणालियों को लक्षित करने वाले रासायनिक यौगिक प्रभावों की जांच करने की अनुमति मिलती है। उदाहरण के लिए, पीएमआर परख कोलीनर्जिक, एड्रीनर्जिक, और डोपामिनर्जिक सिग्नलिंग10 के साथ हस्तक्षेप यौगिकों के प्रभाव का पता चला, जबकि चौंका प्रतिक्रिया कोलीनर्जिक, ग्लूटामेटेरिजिक, और glycinergic न्यूरॉन्स 16,18 शामिल है. इसके अलावा, यौगिकों है कि मांसपेशियों या न्यूरो पेशी इंटरफ़ेस को नुकसान भी इन व्यवहारों को प्रभावित करेगा, के रूप में यौगिकों आंतरिक कान / पार्श्व रेखा बाल कोशिकाओं19,20 के लिए विषाक्त होगा. एक उत्तेजना के जवाब में जेब्राफिश लोकोमोटर व्यवहार का अवलोकन करना इस प्रकार न केवल न्यूरोटॉक्सिसिटी बल्कि समान रूप से ओटोटॉक्सिसिटी और मायोटॉक्सिसिटी का आकलन करने का एक उपयुक्त साधन है। स्कोरिंग लोकोमोटर व्यवहार भी सामान्य विषाक्तता / घातकता मूल्यांकन के लिए एक प्रॉक्सी के रूप में कार्य करता है क्योंकि मृत भ्रूण नहीं चलते हैं। इस प्रकार, भ्रूण हरकत व्यवहार एक प्रथम स्तरीय विषाक्तता स्क्रीनिंग दृष्टिकोण के लिए एक एकीकृत रीडआउट का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो एक सेटअप में घातक और न्यूरोमस्कुलर यौगिक प्रभाव को इंगित करता है। यह देखते हुए कि eleutheroembryos पहले से ही यौगिकों metabolizing करने में सक्षम हैं, दृष्टिकोण भी चयापचय परिवर्तन उत्पादों 7,21,22 के प्रभाव का पता लगा सकते हैं. महत्वपूर्ण बात, जेब्राफिश भ्रूण 120 एचपीएफ13 के बाद मुक्त खिला के चरण तक कुछ पशु संरक्षण कानूनों के तहत संरक्षित जीवन चरण के रूप में नहीं माना जाता है. इसलिए, उन्हें पशु विषाक्तता परीक्षण के विकल्प के रूप में माना जाता है।

Figure 1
चित्र 1: कंपन चौंका प्रतिक्रिया प्रणाली सेटअप। () सिस्टम का अवलोकन। परीक्षण यौगिकों के संपर्क में भ्रूण के साथ प्लेट्स इलेक्ट्रोडायनामिक ट्रांसड्यूसर सरणी ("लाउडस्पीकर") पर रखा जाता है। कैमरा क्रमिक रूप से बेल्ट चालित रैखिक ड्राइव द्वारा लक्षित ट्रांसड्यूसर के ऊपर रिकॉर्डिंग स्थिति में ले जाया जाता है। (बी) शीर्ष पर डाली गई टिशू कल्चर डिश के साथ ट्रांसड्यूसर/लाउडस्पीकर का विस्तृत दृश्य। प्लेटों को 4000-5000 लक्स पर एक एलईडी लाइट शीट द्वारा नीचे से रोशन किया जाता है। स्पीकर के बगल में एक एलईडी लाइट रोशनी करती है जबकि उत्तेजना दी जाती है। (सी)भ्रूण की उत्तेजना पर कैमरे द्वारा रिकॉर्ड किए गए वीडियो की अभी भी छवि। (डी) कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइल का स्क्रीनशॉट। () रिकॉर्डिंग सॉफ्टवेयर इंटरफेस का स्क्रीनशॉट। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

यहां, हम एक टिशू कल्चर डिश23 में कई स्वतंत्र रूप से चलती भ्रूण की एक स्वचालित वीडियो रिकॉर्डिंग के साथ युग्मित इलेक्ट्रोडायनामिक ट्रांसड्यूसर द्वारा उत्पन्न कंपन उत्तेजनाओं के आधार पर एक इन-हाउस बिल्ड सरल परीक्षण डिवाइस का उपयोग करके कंपन स्टार्टल प्रतिक्रिया पर यौगिक प्रभावों के मूल्यांकन के लिए एक परीक्षण प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं। प्रणाली मॉड्यूलर है और समानांतर में कई टिशू कल्चर व्यंजन से अनुक्रमिक रिकॉर्डिंग के लिए अनुमति देता है. वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले सेटअप में, पांच इलेक्ट्रोडायनामिक ट्रांसड्यूसर टिशू कल्चर व्यंजन के लिए एक कंपन उत्तेजना (500 हर्ट्ज, अवधि 1 एमएस) प्रदान करते हैं जिसमें उनके ऊपर रखे 20 भ्रूण होते हैं (चित्र 1)। प्लेटों को एलईडी लाइट शीट के साथ 4000-5000 लक्स पर नीचे से रोशन किया जाता है। प्रत्येक ट्रांसड्यूसर के बगल में एक एलईडी लाइट उत्तेजना आवेदन की अवधि को इंगित करता है, और एक आस्टसीलस्कप तरंगों और लागू उत्तेजना की आवृत्ति को इंगित करता है (विवरण के लिए, रेफरी 23 देखें)। भ्रूण का व्यवहार एक उच्च गति वाले कैमरे (सामग्री की तालिका) द्वारा 1000 फ्रेम प्रति सेकंड (एफपीएस) पर दर्ज किया जाता है, जिसे बेल्ट-चालित रैखिक ड्राइव द्वारा लक्षित स्पीकर से ऊपर ले जाया जाता है। इस रिकॉर्डिंग गति मज़बूती से चौंका प्रतिक्रिया को हल करने के लिए आवश्यक है. प्रणाली वर्तमान वाणिज्यिक प्रणालियों के लिए कम लागत वाली, व्यक्तिगत रूप से अनुकूलनीय विकल्प प्रदान करती है। नीचे विस्तृत सटीक वर्कफ़्लो वर्तमान में प्रेसिजन विष विज्ञान पहल24 के ढांचे में किया जाता है ताकि विषाक्त पदार्थों के चयनित सेट के साथ इलाज किए गए ज़ेब्राफिश भ्रूण से ओएमआईसीएस डेटा अधिग्रहण के लिए उपयुक्त जोखिम की स्थिति निर्धारित की जा सके।

Protocol

सभी ज़ेब्राफिश पालन और हैंडलिंग जर्मन पशु संरक्षण मानकों के अनुपालन में किए गए थे और बाडेन-वुर्टेमबर्ग, रेजिएरुंगस्प्रासिडियम कार्लज़ूए, जर्मनी (एक्टेनज़िचेन 35-9185.64 / बीएच किट) की सरकार द्वारा अनुमोदित किए गए थे।

1. परीक्षण किए जाने वाले रसायनों के स्टॉक समाधान तैयार करना

  1. कांच की शीशी (या रासायनिक विभाज्य) को यौगिक नाम/संक्षिप्त नाम, स्टॉक एकाग्रता और तैयारी की तारीख के साथ लेबल करें। उदाहरण के लिए, सीडीसीएल2_2.5 ग्राम · एल-1_210813।
  2. कमरे के तापमान (आरटी) पर 1 मिनट के लिए 2000 x ग्राम पर रासायनिक विभाज्य अपकेंद्रित्र।
  3. एक धूआं हुड के तहत, 0.001 ग्राम के प्रति संवेदनशील पैमाने पर यौगिक (यदि आवश्यक हो) का वजन करें और इसे लेबल शीशी में स्थानांतरित करें। यदि यौगिक एक तरल है, तो इसे एक विंदुक और प्लास्टिक विंदुक टिप का उपयोग करके शीशी में जोड़ें।
    नोट: उदाहरण के लिए, चित्रा 2 में दिखाए गए परिणाम उदाहरण में उपयोग किए जाने वाले ट्राइकेन मेथेनसल्फोनेट स्टॉक के लिए, 400 मिलीग्राम को लेबल शीशी में तौला गया था।
  4. एक विंदुक और प्लास्टिक विंदुक टिप का उपयोग करके विलायक (जैसे, बाँझ शुद्ध पानी या डाइमिथाइल सल्फ़ोक्साइड (डीएमएसओ), यौगिकों के भौतिक रासायनिक गुणों के आधार पर) जोड़ें। यदि संभव हो, तो पानी पसंदीदा विलायक है।
    नोट: उदाहरण के लिए, ट्राइकेन स्टॉक के लिए, 100 एमएल पानी में 15.3 एमएम समाधान तैयार किया गया था।
  5. शीशी को सील करें, धीरे से हिलाएं, और वर्षा की जांच करें।
  6. पिपेट और प्लास्टिक विंदुक सुझावों का उपयोग कांच की शीशियों में पतला स्टॉक समाधान (यदि आवश्यक हो) तैयार करें।
    नोट: उदाहरण के लिए, ट्राइकेन स्टॉक के लिए कोई और कमजोर पड़ने की आवश्यकता नहीं थी।
  7. उपयोग होने तक -20 डिग्री सेल्सियस पर स्टॉक समाधान (ओं) को स्टोर करें।
  8. शेष रासायनिक विभाज्य को पहले की तरह ही स्थितियों में स्टोर करें।
  9. लैब नोटबुक में स्टॉक विभाज्य जानकारी रिकॉर्ड करें।

2. जेब्राफिश भ्रूण को इकट्ठा करना और उठाना

  1. दरार चरणों (2-8 सेल चरण) में 10 सेमी टिशू कल्चर व्यंजन में समूह संभोग की प्राकृतिक spawning से भ्रूण इकट्ठा.
  2. उपयुक्त गुणवत्ता के एक बैच का चयन करें: 10% से कम अनिषेचित/मृत अंडे।
  3. व्यंजन साफ करें (अनिषेचित अंडे, मलबे, तराजू आदि को हटा दें)।
  4. ई 3 माध्यम (5 एमएम एनएसीएल, 0.17 एमएम केसीएल, 0.33 एमएम सीएसीएल2, 0.33 एमएम एमजीएसओ4)25के 15 एमएल में 10 सेमी टिशू कल्चर डिश प्रति 60 भ्रूण रखें।
  5. पानी से भिगोए हुए कागज़ के तौलिये बिछाकर तैयार किए गए आर्द्र कक्ष में व्यंजन रखें।
  6. 28.5 डिग्री सेल्सियस पर एक इनक्यूबेटर में 72 एचपीएफ तक भ्रूण बढ़ाएं।

3. परीक्षण किए जाने वाले रसायनों के काम कमजोर पड़ने की तैयारी

  1. -20 डिग्री सेल्सियस फ्रीजर से स्टॉक समाधान निकालें और इसे पिघलना दें।
  2. यदि यौगिक घुलनशीलता काफी अधिक है, तो कांच की बोतलों में ई 3 माध्यम में धारावाहिक कमजोर पड़ने को तैयार करें, प्रति एकाग्रता प्रति 1 एमएल। सुनिश्चित करें कि एकाग्रता वांछित जोखिम एकाग्रता से 10 गुना अधिक है। यह जोखिम की शुरुआत में भ्रूण के पूरे माध्यम को बदलने से बचा जाता है। कम घुलनशीलता के मामले में, वांछित जोखिम सांद्रता पर सीधे धारावाहिक कमजोर पड़ने को तैयार करें, प्रति एकाग्रता प्रति प्रतिकृति प्रति 10 एमएल।
  3. वर्षा के लिए जाँच करें (यदि आवश्यक हो)। यदि समाधान अवक्षेपित हो गया है, तो इसे रिकॉर्ड करें, फिर अगले उच्चतम एकाग्रता को प्राप्त करने के लिए और पतला करें। वर्षा के लिए फिर से जाँच करें। तब तक दोहराएं जब तक कि कोई वर्षा न हो।
  4. एक्सपोज़र समाधान के पीएच की जाँच करें। यदि पीएच 7.0-8.5 की सीमा के बाहर है, तो इसे रिकॉर्ड करें, और एचसीएल या एनएओएच के साथ पीएच को समायोजित करते हुए, 5 एमएम एचईपीईएस/पीएच 7.4 युक्त ई 3 में समाधान तैयार करें।
  5. स्थानीय नियमों के अनुसार अप्रयुक्त एक्सपोजर मीडिया का निपटान करें।

4. परीक्षण किए जाने वाले रसायनों के लिए भ्रूण को उजागर करना

  1. मृत/बिना रचे हुए भ्रूण के लिए 72 एचपीएफ पुराने भ्रूण के साथ व्यंजन की जांच करें और उन्हें हटा दें। यदि भ्रूण के एक बैच में 5% से अधिक अंडे नहीं हैं, तो बैच को हटा दें।
  2. ई 3 माध्यम (एक्सपोजर प्लेट) के 9 एमएल में 6 सेमी टिशू कल्चर डिश प्रति 10 भ्रूण रखें।
  3. यौगिक नाम, एक्सपोज़र एकाग्रता, और प्रतिकृति संख्या के साथ एक्सपोज़र प्लेटों को लेबल करें। उदाहरण के लिए, "सीडीसीएल2 1 मिलीग्राम · एल -1 01"। यदि आवश्यक हो तो पर्याप्त E3-केवल प्लेटें और एक विलायक नियंत्रण प्लेट शामिल करें (अनुभाग 5 देखें)।
  4. प्रत्येक थाली के लिए जोखिम समाधान के 1 एमएल जोड़ें, सबसे कम एकाग्रता के साथ शुरू, और थाली भंवर. कम घुलनशीलता वाले यौगिकों के लिए, एक्सपोज़र समाधान के साथ प्लेट के पूरे 10 एमएल को बदलें (चरण 3.2 देखें।
  5. अस्थायी क्रम जिसमें यौगिक समाधान भ्रूण के लिए जोड़ा गया रिकॉर्ड करें.
  6. 48 घंटे के लिए 28.5 डिग्री सेल्सियस पर एक इनक्यूबेटर में आर्द्र कक्ष में प्लेटों को इनक्यूबेट करें जब तक कि वे 120 एचपीएफ तक न पहुंच जाएं।

5. कंपन चौंका परख प्रदर्शन

नोट: चरण 4.5 में दर्ज के रूप में एक ही क्रम में प्लेटों का विश्लेषण. प्रत्येक रन में E3 कंट्रोल प्लेट शामिल होनी चाहिए।

  1. कंप्यूटर और कंपन डिवाइस पर स्विच करें (नीली एलईडी लाइट चालू होनी चाहिए)।
  2. एक स्प्रेडशीट में कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइल तैयार करें, जैसा कि चित्र 1D में देखा गया है और पूरक फ़ाइल 1 के रूप में संलग्न है। 5 प्लेट पदों (यौगिक, एकाग्रता, प्रतिकृति) में से प्रत्येक के लिए रिकॉर्ड जोखिम जानकारी.
  3. सामान्य उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस (GUI) प्रोग्राम खोलें (https://git.scc.kit.edu/xk4962/vibration-startle-assay-kit , प्रोजेक्ट ID 43215 पर उपलब्ध.)
  4. जीयूआई कार्यक्रम में विभिन्न पदों का चयन करके और कैमरा आंदोलन का अवलोकन करके कैमरा आंदोलन की जांच करें।
  5. इनक्यूबेटर से मापा जा करने के लिए नमूना प्लेटों बाहर ले लो. नमूना प्लेटों को 5 पदों पर रखें ( चित्र 1 ए, "लाउडस्पीकर" देखें) और भ्रूण को कई मिनट के लिए व्यवस्थित होने दें।
  6. रिकॉर्ड पर क्लिक करें; कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइल का चयन करने के लिए एक विंडो खुलेगी।
  7. इस रन के लिए चरण 5.2 में तैयार उपयुक्त कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइल का चयन करें।
  8. जाँच करें कि नमूना विवरण प्रत्येक स्थिति (1-5) पर नमूने से मेल खाती है.
  9. मापन स्वचालित रूप से आयोजित किया जाएगा (10 एस / स्थिति)। जब प्रोग्राम द्वारा ध्वनि पल्स लागू किया जाता है, तो एक एलईडी चालू होती है। 10 एस/स्थिति के लिए रिकॉर्डिंग तैराकी की गति और उत्तेजना लागू होने से पहले और बाद में यात्रा की गई दूरी का अनुमान लगाने के लिए पर्याप्त डेटा प्राप्त करने की अनुमति देता है और बाद की उत्तेजनाओं की आदत को रोकता है।
  10. जब रिकॉर्डिंग पूरी हो जाती है, तो कैमरा स्थिति 1 पर वापस चला जाता है और सॉफ्टवेयर फाइलों को संपीड़ित करना शुरू कर देता है। इस समय के दौरान, नमूनों को अगले सेट के साथ बदलें जिसे मापने की आवश्यकता है।
  11. चरण 5.2 पर जाएँ। अगला रन रिकॉर्ड करने के लिए।
  12. जब सभी प्लेटों मापा गया है, जोखिम समाधान इकट्ठा. भ्रूण को बनाए रखने के लिए एक छलनी का प्रयोग करें.
  13. एक बर्फ / आइसोप्रोपेनॉल (5%) स्नान में तेजी से ठंडा करके भ्रूण को इच्छामृत्यु दें।
  14. स्थानीय नियमों के अनुसार जोखिम समाधान और मृत भ्रूण का निपटान।

6. डेटा विश्लेषण

  1. VirtualDub (1.10.4) के साथ वीडियो डेटा खोलें।
  2. नेत्रहीन ध्वनि नाड़ी (जब नियंत्रण एलईडी पर है) का जवाब भ्रूण की संख्या स्कोर.
  3. स्प्रेडशीट में डेटा दर्ज करें। यौगिक नाम, प्रतिकृति, यौगिक की एकाग्रता, और पूरक फ़ाइल 2 में प्रदान किए गए टेम्पलेट के अनुसार गतिशील भ्रूण का प्रतिशत रिकॉर्ड करें, जिसमें चित्रा 2 सी में दिखाए गए उदाहरण डेटासेट शामिल हैं।
    नोट: टेम्पलेट में एक लचीली संरचना है और मुख्य रूप से अन्य जीवों और समापन बिंदुओं के डेटा के लिए आवेदन की अनुमति देता है। यह प्रत्येक एकाग्रता के लिए प्रतिक्रियाओं का वर्णन करता है और समापन बिंदु विवरण के साथ-साथ बाद की एकाग्रता-प्रतिक्रिया मॉडलिंग में उत्पन्न मापदंडों की परिभाषा भी प्रदान करता है।
  4. एम्बेडेड आर स्क्रिप्ट (आर संस्करण 3.6., आर-पैकेज प्लॉटरिक्स, डीआरसी और बीएमडी 27,28) के साथ एक KNIME वर्कफ़्लो (KNIME एनालिटिक्स 4.626) का उपयोग करके बेंचमार्क एकाग्रता (बीएमसी) विश्लेषण का संचालन करें।
    नोट: सिद्धांत रूप में, मूल्यांकन भी सीधे आर में आयोजित किया जा सकता है। हालांकि, सुविधा के लिए और वेब-आधारित सेवा के रूप में मूल्यांकन की अनुमति देने के लिए, विश्लेषण को KNIME सर्वर-संगत वर्कफ़्लो में व्यवस्थित किया गया है। KNIME वर्कफ़्लो का आउटपुट पूरक फ़ाइल 3 में प्रदान किया गया है। KNIME वर्कफ़्लो द्वारा जनरेट किए गए सांख्यिकीय पैरामीटर के विवरण के लिए, इस टेम्पलेट को देखें। निर्धारित बीएमसी मूल्यों को स्वीकार करने के लिए फिट और थ्रेसहोल्ड की अच्छाई का अनुमान लगाने के लिए सांख्यिकीय पैरामीटर तालिका 1 में दिखाए गए हैं। KNIME वर्कफ़्लो स्वयं GitHub (https://github.com/precisiontox/range-finding-drc) के माध्यम से उपलब्ध है। एकाग्रता-प्रतिक्रिया को 4-पैरामीटर लॉग-लॉजिस्टिक मॉडल का उपयोग करके मॉडलिंग किया गया है। वक्र फिटिंग मापदंडों में से दो तय किए जा सकते हैं। आमतौर पर, प्रतिशत डेटा के मामले में अधिकतम 100 तय किया जाएगा। यदि कोई पृष्ठभूमि प्रभाव नहीं देखा जाता है, तो न्यूनतम 0% तय किया जा सकता है।

Representative Results

चित्रा 2 ए अनुपचारित जंगली प्रकार के भ्रूण (एबी 2 ओ 2 तनाव) के 48 चंगुल में स्थिर भ्रूण का प्रतिशत दिखाता है। औसतन, अनुपचारित जंगली प्रकार के भ्रूण का 14.33% कंपन उत्तेजना पर प्रतिक्रिया नहीं करता है। 4 चंगुलों में, गतिहीन लार्वा का प्रतिशत 50% तक पहुंच गया, लेकिन 75% चंगुल में 20% से नीचे गतिशील लार्वा का प्रतिशत था।

चित्रा 2बी, सी कंपन स्टार्टल परख वर्कफ़्लो के साथ गतिशीलता पर यौगिक प्रभावों के लिए बेंचमार्क एकाग्रता/खुराक (बीएमसी/बीएमडी29,30) की एक विशिष्ट गणना का एक उदाहरण दिखाता है, जैसा कि वर्तमान में प्रेसिजनटॉक्स कंसोर्टियम24 के भीतर किया जाता है। BMC10, BMC25, और BMC50 मान सांद्रता के अनुरूप हैं, जिस पर क्रमशः 10%, 25% और 50% भ्रूण पृष्ठभूमि से अधिक गतिहीनता का स्तर दिखाते हैं। केवल भ्रूण जो पूरी तरह से गतिहीन हैं, इस गणना में शामिल हैं, न कि वे जो अभी भी आंशिक प्रतिक्रिया दिखाते हैं, जैसे कि बाद में भागने वाली तैराकी या केवल पूंछ आंदोलनों के बिना केवल सी-मोड़(चित्रा 2बी)। भ्रूण सोडियम चैनल अवरोधक tricaine methanesulfonate, जो अक्सर मछली संज्ञाहरण31 के लिए प्रयोग किया जाता है की 8 सांद्रता के संपर्क में थे. डेटा कंपन उत्तेजना के जवाब में लगभग 25% गतिहीनता के पृष्ठभूमि स्तर को इंगित करता है। 1% ट्राइकेन से शुरू होकर, गतिशीलता कम हो जाती है और फिर 2.5% से ऊपर समाप्त हो जाती है। KNIME वर्कफ़्लो BMC50 की गणना 164.9 माइक्रोन के रूप में करता है, जो 1.07% ट्राइकेन और 75% की गतिहीनता स्तर(चित्रा 2C)से मेल खाती है। छोटे 95% विश्वास अंतराल (वक्र में ग्रे रंगों द्वारा इंगित) इस परख में गतिशीलता मूल्यों की मजबूत प्रजनन क्षमता का संकेत देते हैं।

चित्रा 2 डी एक उप-इष्टतम परख रन का एक उदाहरण दिखाता है, जिसके डेटा का उपयोग बीएमसी गणना के लिए नहीं किया जाना चाहिए। एक ही क्लच से व्युत्पन्न विभिन्न भ्रूणों के साथ पांच E3 उपचारित नियंत्रण समूहों को दिखाया गया है (AB2O2 [जंगली प्रकार का तनाव] 1-5 को दोहराता है)। केवल पहला समूह लगभग सामान्य प्रतिक्रिया दिखाता है, जो लगभग 25% गतिहीनता दिखाता है जो साहित्य मूल्यों32 के अनुरूप है और यहां वर्णित परख में प्राप्त किया गया है, जैसा कि चित्र 2 ए में दिखाया गया है, जबकि अन्य सभी समूह कम और / या अपूर्ण व्यवहार प्रतिक्रियाएं दिखाते हैं (उदाहरण के लिए, केवल एक सी-मोड़ दिखा रहा है जो तैराकी गतिविधि के बाद नहीं है, या शुरुआत में एक स्पष्ट सी-मोड़ के बिना गतिशीलता)। इस तरह की प्रतिक्रिया तब हो सकती है जब भ्रूण ठीक से विकसित नहीं होते हैं और विकासात्मक देरी के कारण अपरिपक्व अवस्था में होते हैं, जो चौंका देने वाली प्रतिक्रिया 14,33की मजबूती को प्रभावित करता है।

Figure 2
चित्रा 2: बेंचमार्क खुराक गणना सहित एक विशिष्ट परिणाम का उदाहरण। () 48 चंगुल (एन = 10 प्रति क्लच) के लिए जंगली प्रकार के अनुपचारित लार्वा के लिए ध्वनि नाड़ी के बाद गैर-उत्तरदायी भ्रूण का प्रतिशत। माध्य (14.33%) और मानक विचलन (±16.19%) लाल रंग में दर्शाए गए हैं। (बी) भ्रूण के चौंका प्रतिक्रिया व्यवहार का मूल्यांकन (एन = 20 प्रति शर्त) ई 3 माध्यम में ट्राइकेन की संकेतित एकाग्रता के साथ या नियंत्रण के रूप में अकेले ई 3 के साथ इलाज किया जाता है। व्यवहार को रंग योजना और ग्राफ के दाईं ओर इंगित कार्टून के अनुसार वर्गीकृत किया गया है, प्रत्येक भ्रूण को निम्नलिखित वर्गों में से केवल एक को सौंपा गया है: "गतिशील": भ्रूण कोई आंदोलन नहीं दिखाता है; "पूंछ चलती है": भ्रूण पूंछ आंदोलन दिखाता है, लेकिन न तो सी-मोड़ और न ही तैराकी व्यवहार; "मोटाइल": भ्रूण तैराकी आंदोलन दिखाता है, लेकिन कंपन उत्तेजना के जवाब में कोई सी-मोड़ नहीं है; "केवल सी-बेंड": भ्रूण सी-मोड़ दिखाता है, लेकिन तैराकी से बच नहीं सकता; "सी-बेंड + मोटाइल": भ्रूण विशिष्ट सी-बेंड व्यवहार दिखाता है जिसके बाद एस्केप स्विमिंग (विशिष्ट पूर्ण चौंका देने वाली प्रतिक्रिया) होती है। विभिन्न व्यवहारों को प्रत्येक उपचार के लिए भ्रूण की कुल संख्या के प्रतिशत के रूप में दिखाया गया है। (सी)केएनआईएमई वर्कफ़्लो द्वारा उत्पन्न बीएमसी गणना ग्राफ, प्रत्येक उपचार एकाग्रता के लिए "गतिशील" भ्रूण के प्रतिशत को दर्शाता है। नीली, लाल और काली रेखाएं BMC10, BMC25, और BMC50 मानों को इंगित करती हैं, अर्थात, सांद्रता जिस पर 10%, 25% और 50% भ्रूण क्रमशः पृष्ठभूमि से अधिक गतिहीनता का स्तर दिखाते हैं। (डी) एक खारिज परख चलाने का उदाहरण। एक ही क्लच से प्राप्त विभिन्न AB2O2 जंगली प्रकार के भ्रूण के साथ पांच E3-उपचारित नियंत्रण रन दिखाए जाते हैं (1-5 को दोहराते हैं)। केवल प्रतिकृति 1 लगभग सामान्य प्रतिक्रिया दिखाता है, जबकि शेष रनों के भ्रूण विशिष्ट सी-मोड़ + एस्केप तैराकी प्रतिक्रिया नहीं दिखाते हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

तालिका 1: निर्धारित बीएमसी मूल्यों को स्वीकार करने के लिए फिट और थ्रेसहोल्ड की अच्छाई का अनुमान लगाने के लिए सांख्यिकीय पैरामीटर। कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

तालिका 2: कंपन चौंका प्रतिक्रिया परख प्रणाली का एक चयन के गुण. कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 1: कॉन्फ़िगरेशन फ़ाइल के लिए एक्सेल टेम्पलेट कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 2: एक उदाहरण डेटा सेट के साथ KNIME इनपुट टेम्पलेट। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 3: KNIME आउटपुट फ़ाइल उदाहरण। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

हम एक कस्टम-निर्मित जेब्राफिश भ्रूण कंपन चौंका परख सेटअप का उपयोग करके रासायनिक यौगिक मूल्यांकन के लिए वर्कफ़्लो और डेटा विश्लेषण प्रस्तुत करते हैं। वर्कफ़्लो मजबूत डेटा उत्पन्न करता है जो यौगिक विषाक्तता को निर्दिष्ट करने वाले विशिष्ट मापदंडों की गणना की अनुमति देता है, जैसे बेंचमार्क एकाग्रता / खुराक (बीएमसी / बीएमडी)। सेटअप की प्रतिरूपकता थ्रूपुट और अंतरिक्ष आवश्यकताओं के लिए विभिन्न आवश्यकताओं के अनुकूलन की अनुमति देती है। चूंकि सिस्टम कम लागत वाले बेसल घटकों से बना है, अपेक्षाकृत सरल सेटअप के बाद, यह मौजूदा वाणिज्यिक प्रणालियों के लिए एक सस्ता विकल्प प्रदान करता है, जो आम तौर पर एक साथ कई परख प्रकारों के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं, मालिकाना सॉफ्टवेयर पर भरोसा करते हैं, और अपेक्षाकृत महंगे रहते हैं।

इन दोनों वाणिज्यिक प्रणालियों और अन्य कस्टम-निर्मित सिस्टम मल्टीवेल प्लेटों में एकल भ्रूण या लार्वा के आकलन की अनुमति देते हैं (जैसे, 12-अच्छी तरह से34, 16-अच्छी तरह से32,35, 24-अच्छी तरह से 20,33,36, 48-अच्छी तरह से 37, 96-अच्छी तरह से 38,39,40,41,42 और यहां तक कि 384-अच्छी तरह से [4x96 अच्छी तरह से]43), लेकिन कुओं में स्थानिक प्रतिबंध भागने की प्रतिक्रिया (जैसे, दूरी की यात्रा) के कुछ डेटा मापदंडों के विश्लेषण को और अधिक चुनौतीपूर्ण बनाता है। इसके अलावा, इन सेटअपों में से कुछ में, इमेजिंग थाली के कुओं के एक सबसेट के लिए प्रतिबंधित है, थ्रूपुट36,39 को कम करने. व्यंजनों में इमेजिंग भ्रूण भागने प्रतिक्रिया मापदंडों के बेहतर मूल्यांकन के लिए अनुमति देता है और एक बार में कई भ्रूणों के व्यवहार रिकॉर्डिंग सक्षम बनाता है (उदाहरण के लिए, एक 6 सेमी पकवान में 30 तक). आमतौर पर, डिश-आधारित इमेजिंग प्रति रन 44,45,46,47,48 प्रति डिश तक सीमित होती है (अपवाद 6 व्यंजनों पर समानांतर में इमेजिंग करते हैं, जिसमें एक लार्वा प्रत्येक49 या 2 विभाजित व्यंजन50 में 4 लार्वा होते हैं), एक खामी जिसे समानांतर डिजाइनों द्वारा हल किया जा सकता है जैसे कि हमारे मामले में। हमने इस अध्ययन में उपयोग की जाने वाली प्रणाली की कुछ विशेषताओं और तालिका 2 20,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43 में अन्य वाणिज्यिक और कस्टम-निर्मित समाधानों को संक्षेप में प्रस्तुत किया है, 44,45,46,47,48,49,50,
51,52.

विधि का एक फायदा घातकता और व्यवहार परिवर्तन दोनों को कैप्चर करने वाला एक रीडआउट है, जो विषाक्तता आकलन के प्रदर्शन को बढ़ा सकता है। उदाहरण के लिए, जबकि जेब्राफिश मछली भ्रूण तीव्र विषाक्तता परीक्षण (एफईटी)5 वयस्क मछली तीव्र विषाक्तता परीक्षण53 में विषाक्तता की भविष्यवाणी करने के लिए दिखाया गया है, इसकी भविष्यवाणी सटीकता व्यवहार रीडआउट54 सहित सुधार किया गया था। इसका कारण मछली भ्रूण में देखे जाने वाले न्यूरोएक्टिव यौगिकों द्वारा प्रेरित कमजोर मृत्यु दर है, संभवतः श्वसन विफलता सिंड्रोम की कमी के कारण किशोर या वयस्क मछली में विषाक्तता बढ़ जाती है। हालांकि, व्यवहार के आकलन से न्यूरोएक्टिविटी की पहचान की जा सकती है। इसके अलावा, व्यवहार रीडआउट मायोटॉक्सिक और ओटोटॉक्सिक प्रभावों के साथ-साथ शरीर विज्ञान पर अन्य, अधिक सूक्ष्म विषाक्त प्रभावों को भी पकड़ सकते हैं, जो कि सबलेथल हैं फिर भी जीव के व्यवहार प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।

परख का संचालन करते समय, यौगिकों की उचित हैंडलिंग सुनिश्चित करने के साथ-साथ ज़ेब्राफिश भ्रूण के एक समरूप रूप रूप से विकासशील बैच का उपयोग करना महत्वपूर्ण है। इस प्रकार, यौगिक भंडारण के लिए कांच की शीशियों का उपयोग प्लास्टिक सामग्री के अवशोषण के कारण रसायनों, विशेष रूप से हाइड्रोफोबिक यौगिकों की सांद्रता में गिरावट को कम करना चाहिए। "प्लास्टिक" पॉलीस्टाइनिन के लिए उच्च अवशोषक क्षमता के यौगिकों के मामले में, ग्लास प्लेटों का उपयोग इनक्यूबेशन के लिए भी किया जा सकता है। मृत भ्रूणों के संग्रह और हटाने के लिए उपयोग किए जाने वाले टिशू कल्चर व्यंजनों में अंडों की सफाई मानक विकास सुनिश्चित करने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। विकास की सामान्य गति महत्वपूर्ण है, क्योंकि विकासात्मक देरी मूल्यांकन किए गए व्यवहार 14,33के अंतर्निहित तंत्रिका नेटवर्क की परिपक्वता को प्रभावित कर सकती है। इसके अलावा, यौगिक प्रभाव की तुलना को सक्षम करने के लिए, अंडे एक ही तनाव से प्राप्त किया जाना चाहिए क्योंकि विभिन्न उपभेदों अलग व्यवहार प्रोफाइल 38,55,56,57पेश करने के लिए सूचित किया गया है. एक्सपोजर के दौरान, E3 माध्यम के अत्यधिक वाष्पीकरण से बचने के लिए एक आर्द्र कक्ष में भ्रूण को इनक्यूबेट करना महत्वपूर्ण है, जो परीक्षण की गई सांद्रता को बदल देगा।

परीक्षण श्रृंखला में उपयोग किए जाने वाले भ्रूण के विशेष बैच के आधारभूत प्रतिक्रिया स्तर को निर्धारित करने के लिए ई 3 नियंत्रण को प्रत्येक रन में शामिल किया जाना चाहिए। आमतौर पर, हम 5 मापों के प्रत्येक सेट के साथ नियंत्रण की एक प्लेट चलाते हैं। जैसा कि चित्रा 2 डी में दिखाया गया है, यह दृष्टिकोण विलंबित विकास के कारण या आनुवंशिक पृष्ठभूमि प्रभाव जैसे अन्य कारणों से उप-इष्टतम प्रतिक्रियाओं के साथ बैचों का पता लगाने की भी अनुमति देता है। उत्तेजना के प्रति प्रतिक्रिया की अप्रत्याशित कमी के मामले में, संभावित ट्रांसड्यूसर विफलता के लिए भी देखें। आमतौर पर, चौंका देने वाली प्रतिक्रियाएं एक सिग्मोइडल एकाग्रता-प्रतिक्रिया व्यवहार दिखाती हैं जो लॉग-लॉजिस्टिक मॉडल का उपयोग करके वक्र फिटिंग की अनुमति देती है। हालांकि, द्विध्रुवीय प्रतिक्रियाओं के साथ दुर्लभ मामलों में, अन्य मॉडलों को नियोजित करना पड़ सकता है, जैसे कि गाऊसी या सीडरग्रीन मॉडल। वे आर पैकेज डीआरसी और बीडीएम27,28 के भीतर उपलब्ध हैं।

कंपन उत्तेजना के लिए प्रतिक्रिया की कमी बस सामान्य साइटोटॉक्सिसिटी के कारण भ्रूण या गंभीर रूप से बिगड़ा जीवन कार्यों की मृत्यु का संकेत हो सकता है, लेकिन यह भी उत्तेजना धारणा, एकीकरण, और हरकत उत्पादन के तंत्रिका सर्किट को लक्षित अधिक विशिष्ट विषाक्तता को प्रतिबिंबित कर सकते हैं. अन्य संभावित यौगिक प्रभाव न्यूरोमस्कुलर इंटरफ़ेस या मांसपेशियों की संरचना और कार्य के साथ हस्तक्षेप हैं। इन संभावनाओं के बीच अंतर करने के लिए, आगे परख आवश्यक हैं। उदाहरण के लिए, मांसपेशियों की संरचनात्मक अखंडता का मूल्यांकन एक बायरफ्रिंटेंसी परख58,59 के साथ किया जा सकता है, और ट्रांसजेनिक लाइनें मांसपेशियों और तंत्रिका समारोह60,61की गड़बड़ी का आकलन करने के लिए उपलब्ध हैं। हालांकि, रिकॉर्ड किए गए वीडियो डेटा पहले से ही आकृति विज्ञान के अधिक विस्तृत विश्लेषण और भ्रूण की व्यवहार प्रतिक्रिया के लिए अनुमति देते हैं जो पहले अतिरिक्त जानकारी प्रदान कर सकते हैं। क्या केवल सी-मोड़ बिगड़ा हुआ है, या सभी गतिशीलता? क्या अभी भी न्यूरोमस्कुलर गतिविधि के अवशेष मौजूद हैं, जैसा कि कमजोर या कांपने वाली पूंछ आंदोलनों से संकेत मिलता है? क्या इस तरह के परिवर्तित व्यवहार आकृति विज्ञान में परिवर्तन के साथ जाते हैं, जैसे एडिमा या शरीर की वक्रता में वृद्धि? इसके अतिरिक्त, सी-मोड़ तक विलंबता समय या भागने की प्रतिक्रिया के दौरान तय की गई दूरी जैसे मापदंडों का मूल्यांकन किया जा सकता है (देखें, उदाहरण के लिए, रेफरी 44)।

यहां वर्णित स्क्रीनिंग प्रोटोकॉल तेजी से और मजबूत यौगिक विषाक्तता मूल्यांकन के लिए अनुमति देता है, विशेष रूप से गैर-घातक न्यूरोटॉक्सिक, ओटोटॉक्सिक और मायोटॉक्सिक यौगिकों का पता लगाने के अतिरिक्त मूल्य के साथ। प्रदान किए गए विश्लेषण वर्कफ़्लो को लागू करना आसान है और एक मजबूत रीडआउट प्रदान करता है। कंपन स्टार्टल परख में उपयोग किए जाने वाले उत्तेजना प्रोटोकॉल के संशोधनों का उपयोग स्टार्टल व्यवहार के अधिक जटिल पहलुओं पर यौगिक प्रभावों को संबोधित करने के लिए किया गया है, जैसे कि प्रीपल्स निषेध (पीपीआई)39,44 और आदत32,33, और इस अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोडायनामिक ट्रांसड्यूसर-आधारित उत्तेजना सेटअप के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

चौंका प्रतिक्रिया आधारित स्क्रीनिंग सिस्टम का एक मुख्य अनुप्रयोग रासायनिक स्क्रीन, जो मानव विषाक्तता मूल्यांकन और दवा विकास 1,4,62 दोनों के लिए प्रासंगिकता की है में यौगिक प्रभाव का आकलन है. इसी समय, एक जलीय जीव के प्रारंभिक जीवन चरणों का परीक्षण करके, प्राप्त परिणामों में इकोटॉक्सिकोलॉजिकल जोखिम मूल्यांकन63,64के लिए प्रत्यक्ष प्रासंगिकता है। इसके अलावा, चौंका प्रतिक्रिया प्रणाली आनुवंशिक स्क्रीन 65,66,67,68,69 में व्यवहार phenotyping के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. हमारी आसानी से लागू करने योग्य और अनुकूलनीय प्रणाली आवेदन के इन विभिन्न डोमेन में अपनी विशिष्ट स्क्रीनिंग परियोजनाओं का संचालन करने के इच्छुक छोटे प्रयोगशालाओं को एक किफायती सेटअप प्रदान करती है।

Disclosures

हमारे पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है।

Acknowledgments

हम IBCS-BIP मछली सुविधा और स्क्रीनिंग सेंटर में सहायक कर्मचारियों की उत्कृष्ट तकनीकी सहायता को धन्यवाद देते हैं। इस काम को यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम से ग्रांट एग्रीमेंट नंबर 965406 (प्रिसिजनटॉक्स) के तहत धन प्राप्त हुआ है। यह आउटपुट केवल लेखकों के दृष्टिकोण को दर्शाता है, और यूरोपीय संघ को इसमें निहित जानकारी के किसी भी उपयोग के लिए जिम्मेदार नहीं ठहराया जा सकता है।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Fine test sieves, Brass frame, pore size 250 μm Sigma-Aldrich Z289744-1EA Or comparable material
High-speed camera XIMEA  MQ013MG-ON USB 3 
Laboratory Bottles, Narrow Neck, with Screw Cap VWR 215-3261 Reference number for 50 mL, available up to 20 L. Or comparable material
Pipette tip, working volume: 10 µL SARSTEDT 70.3010.210 Or comparable material
Pipette tip, working volume: 1000 µL SARSTEDT 70.3050.100 Or comparable material
Pipette tip, working volume: 20 µL SARSTEDT 70.3020.210 Or comparable material
Pipette tip, working volume: 200 µL SARSTEDT 70.3030.100 Or comparable material
Serological pipette 10 mL SARSTEDT 86.1254.001 Or comparable material
Serological pipette 25 mL SARSTEDT 86.1685.001 Or comparable material
Serological pipette 5 mL SARSTEDT 86.1253.001 Or comparable material
Tissue culture dish 60,0 mm/15,0 mm vented (Polystyrene) Greiner bio-one 628102 Or comparable material
Tissue culture dish 100, suspension (Polystyrene) SARSTEDT 83.3902.500 Or comparable material
Transfer pipette 6 mL SARSTEDT 86.1175 Or comparable material
Tube 15 mL 120 mm x 17 mm PP SARSTEDT 62.554.502 Or comparable material
Tube 50 mL 114mm x 28 mm PP SARSTEDT 62.5472.54 Or comparable material

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. MacRae, C. A., Peterson, R. T. Zebrafish as a mainstream model for in vivo systems pharmacology and toxicology. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 63, 43-64 (2023).
  2. Howe, K., et al. The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature. 496 (7446), 498-503 (2013).
  3. Choi, T. Y., Choi, T. I., Lee, Y. R., Choe, S. K., Kim, C. H. Zebrafish as an animal model for biomedical research. Exp Mol Med. 53 (3), 310-317 (2021).
  4. Patton, E. E., Zon, L. I., Langenau, D. M. Zebrafish disease models in drug discovery: from preclinical modelling to clinical trials. Nat Rev Drug Discov. 20 (8), 611-628 (2021).
  5. OECD. Test No. 236: Fish embryo acute toxicity (FET) Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. , OECD Publishing, Paris. (2013).
  6. OECD. Test No. 250: EASZY assay - Detection of endocrine active substances, acting through estrogen receptors, using transgenic tg(cyp19a1b:GFP) zebrafish embryos. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. , OECD Publishing, Paris. (2021).
  7. Braunbeck, T., et al. The fish embryo test (FET): origin, applications, and future. Environ Sci Pollut Res Int. 22 (21), 16247-16261 (2015).
  8. Weger, B. D., Weger, M., Nusser, M., Brenner-Weiss, G., Dickmeis, T. A Chemical screening system for glucocorticoid stress hormone signaling in an intact vertebrate. ACS Chem Biol. 7 (7), 1178-1183 (2012).
  9. Pandey, G., Westhoff, J. H., Schaefer, F., Gehrig, J. A Smart imaging workflow for organ-specific screening in a cystic kidney zebrafish disease model. International Journal of Molecular Sciences. 20 (6), 1290 (2019).
  10. Kokel, D., et al. Rapid behavior-based identification of neuroactive small molecules in the zebrafish. Nat Chem Biol. 6 (3), 231-237 (2010).
  11. Zhang, K., Liang, J., Brun, N. R., Zhao, Y., Werdich, A. A. Rapid zebrafish behavioral profiling assay accelerates the identification of environmental neurodevelopmental toxicants. Environ Sci Technol. 55 (3), 1919-1929 (2021).
  12. Ogungbemi, A. O., Teixido, E., Massei, R., Scholz, S., Kuster, E. Optimization of the spontaneous tail coiling test for fast assessment of neurotoxic effects in the zebrafish embryo using an automated workflow in KNIME(R). Neurotoxicol Teratol. 81, 106918 (2020).
  13. Strahle, U., et al. Zebrafish embryos as an alternative to animal experiments--a commentary on the definition of the onset of protected life stages in animal welfare regulations. Reprod Toxicol. 33 (2), 128-132 (2012).
  14. Kimmel, C. B., Patterson, J., Kimmel, R. O. The development and behavioral characteristics of the startle response in the zebra fish. Dev Psychobiol. 7 (1), 47-60 (1974).
  15. Eaton, R. C., Bombardieri, R. A., Meyer, D. L. The mauthner-initiated startle response in teleost fish. Journal of Experimental Biology. 66 (1), 65-81 (1977).
  16. Berg, E. M., Bjornfors, E. R., Pallucchi, I., Picton, L. D., El Manira, A. Principles governing locomotion in vertebrates: Lessons from zebrafish. Front Neural Circuits. 12, 73 (2018).
  17. Lopez-Schier, H. Neuroplasticity in the acoustic startle reflex in larval zebrafish. Curr Opin Neurobiol. 54, 134-139 (2019).
  18. Hale, M. E., Katz, H. R., Peek, M. Y., Fremont, R. T. Neural circuits that drive startle behavior, with a focus on the Mauthner cells and spiral fiber neurons of fishes. J Neurogenet. 30 (2), 89-100 (2016).
  19. Behra, M., Etard, C., Cousin, X., Strahle, U. The use of zebrafish mutants to identify secondary target effects of acetylcholine esterase inhibitors. Toxicol Sci. 77 (2), 325-333 (2004).
  20. Buck, L. M., Winter, M. J., Redfern, W. S., Whitfield, T. T. Ototoxin-induced cellular damage in neuromasts disrupts lateral line function in larval zebrafish. Hear Res. 284 (1-2), 67-81 (2012).
  21. van Wijk, R. C., Krekels, E. H. J., Hankemeier, T., Spaink, H. P., vander Graaf, P. H. Systems pharmacology of hepatic metabolism in zebrafish larvae. Drug Discovery Today: Disease Models. 22, 27-34 (2016).
  22. Loerracher, A. K., Braunbeck, T. Cytochrome P450-dependent biotransformation capacities in embryonic, juvenile and adult stages of zebrafish (Danio rerio)-a state-of-the-art review. Arch Toxicol. 95 (7), 2299-2334 (2021).
  23. Marcato, D. Design and Development of Imaging Platforms for Phenotypic Characterization of Early Zebrafish. , Karlsruhe Institute of Technology. https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000085054 (2018).
  24. PrecisionTox Consortium. The precision toxicology initiative. Toxicol Lett. 383, 33-42 (2023).
  25. Nüsslein-Volhard, C. Zebrafish - A Practical Approach. , Oxford University Press, Oxford. (2002).
  26. Preisach, C. hristine, Burkhardt, H. ans, Schmidt-Thieme, L. ars, Decker, R. einhold Data Analysis, Machine Learning and Applications. , Springer Berlin, Heidelberg. (2008).
  27. Ritz, C., Baty, F., Streibig, J. C., Gerhard, D. Dose-response analysis using R. PLoS ONE. 10 (12), e0146021 (2015).
  28. Jensen, S. M., Kluxen, F. M., Streibig, J. C., Cedergreen, N., Ritz, C. bmd: an R package for benchmark dose estimation. Peerj. 8, e10557 (2020).
  29. Committee, E. S., et al. Guidance on the use of the benchmark dose approach in risk assessment. EFSA J. 20 (10), e07584 (2022).
  30. Haber, L. T., et al. Benchmark dose (BMD) modeling: current practice, issues, and challenges. Crit Rev Toxicol. 48 (5), 387-415 (2018).
  31. Carter, K. M., Woodley, C. M., Brown, R. S. A review of tricaine methanesulfonate for anesthesia of fish. Reviews in Fish Biology and Fisheries. 21 (1), 51-59 (2011).
  32. Wolman, M. A., Jain, R. A., Liss, L., Granato, M. Chemical modulation of memory formation in larval zebrafish. Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (37), 15468-15473 (2011).
  33. Roberts, A. C., et al. Habituation of the C-start response in larval zebrafish exhibits several distinct phases and sensitivity to NMDA receptor blockade. PLoS One. 6 (12), e29132 (2011).
  34. Marquez-Legorreta, E., et al. Brain-wide visual habituation networks in wild type and fmr1 zebrafish. Nat Commun. 13 (1), 895 (2022).
  35. Panlilio, J. M., Aluru, N., Hahn, M. E. Developmental neurotoxicity of the harmful algal bloom toxin domoic acid: Cellular and molecular mechanisms underlying altered behavior in the zebrafish model. Environ Health Perspect. 128 (11), 117002 (2020).
  36. Zeddies, D. G., Fay, R. R. Development of the acoustically evoked behavioral response in zebrafish to pure tones. J Exp Biol. 208 (Pt 7), 1363-1372 (2005).
  37. Levitz, J., et al. Optical control of metabotropic glutamate receptors. Nat Neurosci. 16 (4), 507-516 (2013).
  38. Best, J. D., et al. Non-associative learning in larval zebrafish. Neuropsychopharmacology. 33 (5), 1206-1215 (2008).
  39. Bhandiwad, A. A., Zeddies, D. G., Raible, D. W., Rubel, E. W., Sisneros, J. A. Auditory sensitivity of larval zebrafish (Danio rerio) measured using a behavioral prepulse inhibition assay. J Exp Biol. 216 (Pt 18), 3504-3513 (2013).
  40. Liu, F., et al. Solute carrier family 26 member a2 (slc26a2) regulates otic development and hair cell survival in zebrafish. PLoS One. 10 (9), e0136832 (2015).
  41. Singh, C., Oikonomou, G., Prober, D. A. Norepinephrine is required to promote wakefulness and for hypocretin-induced arousal in zebrafish. Elife. 4, e07000 (2015).
  42. Joo, W., Vivian, M. D., Graham, B. J., Soucy, E. R., Thyme, S. B. A customizable low-cost system for massively parallel zebrafish behavioral phenotyping. Front Behav Neurosci. 14, 606900 (2020).
  43. Tucker Edmister, S., et al. Novel use of FDA-approved drugs identified by cluster analysis of behavioral profiles. Sci Rep. 12 (1), 6120 (2022).
  44. Burgess, H. A., Granato, M. Sensorimotor gating in larval zebrafish. J Neurosci. 27 (18), 4984-4994 (2007).
  45. Marsden, K. C., Granato, M. In Vivo Ca(2+) Imaging Reveals that Decreased Dendritic Excitability Drives Startle Habituation. Cell Rep. 13 (9), 1733-1740 (2015).
  46. Chatterjee, P., et al. Otoferlin deficiency in zebrafish results in defects in balance and hearing: rescue of the balance and hearing phenotype with full-length and truncated forms of mouse otoferlin. Mol Cell Biol. 35 (6), 1043-1054 (2015).
  47. Wang, C., et al. Evaluation of the hair cell regeneration in zebrafish larvae by measuring and quantifying the startle responses. Neural Plast. 2017, 8283075 (2017).
  48. Xu, L., Guan, N. N., Huang, C. X., Hua, Y., Song, J. A neuronal circuit that generates the temporal motor sequence for the defensive response in zebrafish larvae. Curr Biol. 31 (15), 3343-3357.e4 (2021).
  49. Hecker, A., Schulze, W., Oster, J., Richter, D. O., Schuster, S. Removing a single neuron in a vertebrate brain forever abolishes an essential behavior. Proc Natl Acad Sci U S A. 117 (6), 3254-3260 (2020).
  50. Weber, D. N. Dose-dependent effects of developmental mercury exposure on C-start escape responses of larval zebrafish Danio rerio. Journal of Fish Biology. 69 (1), 75-94 (2006).
  51. Santistevan, N. J., et al. cacna2d3, a voltage-gated calcium channel subunit, functions in vertebrate habituation learning and the startle sensitivity threshold. PLoS One. 17 (7), e0270903 (2022).
  52. Thyme, S. B., et al. Phenotypic landscape of schizophrenia-associated genes defines candidates and their shared functions. Cell. 177 (2), 478-491.e20 (2019).
  53. OECD. Test No. 203: Fish, Acute Toxicity Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. , OECD Publishing. Paris. (2019).
  54. Kluver, N., et al. Fish embryo toxicity test: identification of compounds with weak toxicity and analysis of behavioral effects to improve prediction of acute toxicity for neurotoxic compounds. Environ Sci Technol. 49 (11), 7002-7011 (2015).
  55. Monroe, J. D., et al. Hearing sensitivity differs between zebrafish lines used in auditory research. Hear Res. 341, 220-231 (2016).
  56. van den Bos, R., et al. Further characterisation of differences between TL and AB zebrafish (Danio rerio): Gene expression, physiology and behaviour at day 5 of the larval stage. PLoS One. 12 (4), e0175420 (2017).
  57. van den Bos, R., et al. Early life exposure to cortisol in zebrafish (Danio rerio): similarities and differences in behaviour and physiology between larvae of the AB and TL strains. Behavl Pharmacol. 30 (2-3), 260-271 (2019).
  58. Felsenfeld, A. L., Walker, C., Westerfield, M., Kimmel, C., Streisinger, G. Mutations affecting skeletal-muscle myofibril structure in the zebrafish. Development. 108 (3), 443-459 (1990).
  59. Berger, J., Sztal, T., Currie, P. D. Quantification of birefringence readily measures the level of muscle damage in zebrafish. Biochem Biophys Res Commun. 423 (4), 785-788 (2012).
  60. Shahid, M., et al. Zebrafish biosensor for toxicant induced muscle hyperactivity. Sci Rep. 6, 23768 (2016).
  61. Winter, M. J., et al. Functional brain imaging in larval zebrafish for characterising the effects of seizurogenic compounds acting via a range of pharmacological mechanisms. Br J Pharmacol. 178 (13), 2671-2689 (2021).
  62. Vorhees, C. V., Williams, M. T., Hawkey, A. B., Levin, E. D. Translating neurobehavioral toxicity across species from zebrafish to rats to humans: Implications for risk assessment. Front Toxicol. 3, 629229 (2021).
  63. Scholz, S., et al. The zebrafish embryo model in environmental risk assessment--applications beyond acute toxicity testing. Environ Sci Pollut Res Int. 15 (5), 394-404 (2008).
  64. Dutra Costa, B. P., Aquino Moura, L., Gomes Pinto, S. A., Lima-Maximino, M., Maximino, C. Zebrafish models in neural and behavioral toxicology across the life stages. Fishes. 5 (3), 23 (2020).
  65. Wolman, M. A., et al. A genome-wide screen identifies PAPP-AA-mediated IGFR signaling as a novel regulator of habituation learning. Neuron. 85 (6), 1200-1211 (2015).
  66. Marsden, K. C., et al. A Cyfip2-dependent excitatory interneuron pathway establishes the innate startle threshold. Cell Rep. 23 (3), 878-887 (2018).
  67. Jain, R. A., et al. A forward genetic screen in zebrafish identifies the g-protein-coupled receptor CaSR as a modulator of sensorimotor decision making. Curr Biol. 28 (9), 1357-1369.e5 (2018).
  68. Nelson, J. C., et al. Acute regulation of habituation learning via posttranslational palmitoylation. Curr Biol. 30 (14), 2729-2738.e4 (2020).
  69. Meserve, J. H., et al. A forward genetic screen identifies Dolk as a regulator of startle magnitude through the potassium channel subunit Kv1.1. PLoS Genet. 17 (6), e1008943 (2021).

Tags

इस महीने जोव में अंक 203
एक Zebrafish कंपन चौंका प्रतिक्रिया स्क्रीनिंग सिस्टम का उपयोग कर रसायनों की विषाक्तता का मूल्यांकन
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hayot, G., Marcato, D., Cramer vonMore

Hayot, G., Marcato, D., Cramer von Clausbruch, C. A., Pace, G., Strähle, U., Colbourne, J. K., Pylatiuk, C., Peravali, R., Weiss, C., Scholz, S., Dickmeis, T. Evaluating Toxicity of Chemicals using a Zebrafish Vibration Startle Response Screening System. J. Vis. Exp. (203), e66153, doi:10.3791/66153 (2024).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter