Storskalig småmolekylär läkemedelsscreening för åldersrelaterade sömnstörningar med hjälp av Drosophila melanogaster

Sömn, ett av de väsentliga beteenden som är nödvändiga för människans överlevnad, kännetecknas av två huvudtillstånd: REM-sömn (rapid eye movement) och NREM-sömn (non-rapid eye movement)¹. NREM-sömn består av tre stadier: N1 (övergången mellan vakenhet och sömn), N2 (lätt sömn) och N3 (djup sömn, långsam vågsömn), som representerar utvecklingen från vakenhet till djup sömn¹. Sömn spelar en avgörande roll för både fysisk och psykisk hälsa². Åldrande minskar dock den totala sömnlängden, sömneffektiviteten, sömnprocenten för långsamma vågor och REM-sömnprocenten hos vuxna³. Äldre individer tenderar att tillbringa mer tid i lätt sömn jämfört med sömn med långsamma vågor, vilket gör dem mer känsliga för nattliga uppvaknanden. När antalet uppvaknanden ökar minskar den genomsnittliga sömntiden, vilket resulterar i ett fragmenterat sömnmönster hos äldre, vilket kan vara förknippat med överdriven excitation av Hcrt-neuroner hos möss⁴. Dessutom bidrar åldersrelaterade nedgångar i cirkadiska mekanismer till en tidigare förskjutning av sömnlängden ^5,6. I kombination med fysisk sjukdom, psykisk stress, miljöfaktorer och läkemedelsanvändning gör dessa faktorer äldre vuxna mer mottagliga för sömnstörningar, såsom sömnlöshet, REM-sömnbeteendestörning, narkolepsi, periodiska benrörelser, restless legs syndrome och sömnrelaterade andningsstörningar ^7,8.

Epidemiologiska studier har visat att sömnstörningar är nära kopplade till kroniska sjukdomar hos äldre⁹, inklusive depression 10, hjärt- och kärlsjukdomar¹¹ och demens¹². Att ta itu med sömnstörningar spelar en avgörande roll för att förbättra och behandla kroniska sjukdomar och förbättra livskvaliteten för äldre vuxna. För närvarande förlitar sig patienter främst på läkemedel som bensodiazepiner, icke-bensodiazepiner och melatoninreceptoragonister för att förbättra sömnkvaliteten¹³. Bensodiazepiner kan dock leda till nedreglering av receptorer och beroende efter långvarig användning, vilket orsakar allvarliga abstinenssymtom vid utsättning^14,15. Icke-bensodiazepiner medför också risker, inklusive demens 16, frakturer¹⁷ och cancer¹⁸. Den vanliga melatoninreceptoragonisten, ramelteon, minskar sömnlatensen men ökar inte sömnlängden och har leverfunktionsrelaterade problem på grund av omfattande förstapassageeliminering¹⁹. Agomelatin, en melatoninreceptoragonist och serotoninreceptorantagonist, förbättrar depressionsrelaterad sömnlöshet men utgör också en risk för^leverskador. Följaktligen finns det ett akut behov av säkrare läkemedel för att behandla eller lindra sömnstörningar. Nuvarande strategier för läkemedelsscreening, baserade på molekylära och cellulära experiment i kombination med automatiserade system och datoranalys, är dock dyra och tidskrävande^. Strukturbaserade strategier för läkemedelsdesign, som förlitar sig på receptorstruktur och egenskaper, kräver en tydlig förståelse av receptorns tredimensionella struktur och saknar prediktiva möjligheter för läkemedelseffekter²².

År 2000, baserat på de sömnkriterier som föreslogs av Campbell och Tobler 1984 23, etablerade forskare enkla djurmodeller för att studera sömn²⁴, inklusive Drosophila melanogaster, som uppvisade sömnliknande tillstånd^25,26. Trots anatomiska skillnader mellan Drosophila och människor bevaras många neurokemiska komponenter och signalvägar som reglerar sömnen hos Drosophila i däggdjurs sömn, vilket underlättar studier av mänskliga neurologiska sjukdomar ^27,28. Drosophila används också i stor utsträckning i studier av dygnsrytm, trots skillnader i kärnoscillatorer mellan flugor och däggdjur 29,30,31. Därför fungerar Drosophila som en värdefull modellorganism för att studera sömnbeteende och genomföra sömnrelaterad läkemedelsscreening.

Denna studie föreslår ett kostnadseffektivt och enkelt fenotypbaserat tillvägagångssätt för screening av småmolekylära läkemedel för att behandla sömnstörningar med hjälp av åldrade flugor. Sömnregleringen hos Drosophila är mycket bevarad²⁵, och den nedgång i sömn som observeras med åldern kan vara reversibel genom läkemedelsadministrering. Således kan denna sömnfenotypbaserade screeningmetod intuitivt återspegla läkemedelseffekten. Vi matar flugorna med en blandning av läkemedlet som undersöks och mat, övervakar och registrerar sömnbeteende med hjälp av Drosophila Activity Monitor (DAM)³² och analyserar insamlade data med hjälp av SCAMP2020 datapaket med öppen källkod i MATLAB (figur 1). Statistisk analys utförs med hjälp av statistik- och grafprogram (se Materialförteckning). Som ett exempel demonstrerar vi effektiviteten av detta protokoll genom att presentera experimentella data om Reserpine, en småmolekylär hämmare av den vesikulära monoamintransportören som rapporteras öka sömnen³³. Detta protokoll ger ett värdefullt tillvägagångssätt för att identifiera läkemedel för behandling av åldersrelaterade sömnproblem.