JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Экспериментальный протокол для изучения поведенческих реакции профили в личинок рыб: Приложение к кофеину нейро стимулятор

Published: July 24, 2018
doi:
10.3791/57938
, ,
1Department of Environmental Science, Center for Reservoir and Aquatic Systems Research,Baylor University, 2Institute of Biomedical Studies,Baylor University

Summary

Здесь мы представляем протокол для изучения личиночной данио рерио и толстоголового гольян опорно-двигательной деятельности и photomotor реакции (PMR) с помощью автоматического отслеживания программного обеспечения. Когда включены в общей токсикологии bioassays, анализ этих поведений обеспечивают диагностический инструмент для изучения химические препараты. Этот Протокол описан с помощью кофеин, модель neurostimulant.

Abstract

Поведение и рыбы модели все чаще используются в биомедицинских науках; Однако рыбы уже давно предметом экологической, физиологические и токсикологических исследований. С помощью автоматических платформ цифровой отслеживания, используя недавние усилия в neuropharmacology личинок рыб двигательного поведения для выявления потенциальных терапевтических целей для Роман малых молекул. Похож на эти усилия, исследования в области экологических наук и сравнительных Лекарствоведение и токсикология изучает различные варианты поведения рыбы моделей как средства диагностики в многоуровневой оценки загрязнителей и в реальном времени мониторинг поверхностных вод для угрозы загрязнения. В то время как zebrafish модель популярного личинок рыб в биомедицинских науках, толстоголовых гольянов — это общая модель личинок рыб в экотоксикологии. К сожалению толстоголового гольян личинки получили значительно меньше внимания в поведенческих исследований. Здесь, мы разрабатываем и продемонстрировать Поведенческий профиль протокол, с помощью кофеина как модель neurostimulant. Хотя иногда photomotor ответы толстоголового гольяна пострадали от кофеина, данио рерио были заметно более чувствительным для двигательного конечных точек, которые ответили на экологически значимых уровнях и photomotor. Будущие исследования необходимо понимать различия сравнительных поведенческих чувствительность среди рыб с возрастом и время суток и определить, является ли аналогичные поведенческие эффекты встречаются в природе и свидетельствовать о неблагоприятных исходов на индивидуальном или населения уровни биологической организации.

Introduction

Хотя рыбы модели все чаще используется для биомедицинских исследований, рыбы регулярно использовались для экологии и физиологии исследований, изучения загрязнения поверхностных вод и понять токсикологические пороговых уровней химических веществ. Такие усилия имеют важное значение, потому что химическое загрязнение может повредить водных экосистем и ухудшению качества источника водоснабжения1,2. Большинство химических веществ, однако, отсутствие даже основные токсикологии информации3.

Животные модели традиционно используется в тестировании регулирования токсичности являются ресурсоемкими и не может обеспечить высокую пропускную способность, раннего скрининга уровня, необходимые для тестирования в XXI веке4токсичность. Впоследствии существует растущий импульс принять и использовать модели в пробирке , которые могут более оперативно и эффективно экран соединений для биологической деятельности3,5. Хотя ячейки на основе модели представляют множество возможностей, они часто не хватает биологических сложности и таким образом не учитывается для многих важных весь организм процессов, включая обмен веществ6.

Данио рерио — это общая модель биомедицинских животных, которая набирает популярность как альтернативная модель в водной токсикологии и экотоксикологии7,8. Учитывая их небольшого размера, быстрое развитие и высокая плодовитость, рыба модели могут использоваться для быстро и эффективно экран химикаты для биологическую и токсичности в масштабе всего организма9. С помощью автоматизированного отслеживания программного обеспечения личинок данио рерио поведения обеспечивают расширенные диагностические утилиты в отбора загрязнителей для токсичности10,11. Исследования в области фармацевтических наук показали, что опорно конечные точки являются информативными химических механизмов действий, могут использоваться для поведения фенотип и затем может предварительно определить субцеллюлярные цели для новых молекул12, 13. В то время как zebrafish модель популярного личинок рыб в биомедицинских науках, толстоголовых гольянов является общей, экологически важные рыбные модель, которая используется для исследования экотоксикологии и в ходе будущих (например, новые химические оценки) и ретроспективы (например, окружающего поверхностных вод или мониторинг сточных сточных вод) экологических оценок. К сожалению поведенческие реакции личиночной толстоголового гольяна получили значительно меньше внимания, чем у рыбок данио. Наши текущие исследования с двух распространенных моделей личинок рыб, данио рерио и толстоголового гольян, свидетельствует о том, что личинок рыб плавательный Шаблоны появится уникальная ожидаемого режимы или механизмов действий для различных химических веществ. Таким образом поведенческие конечные точки предоставляют возможности быстро и деликатно изучение химических веществ на токсичность и определить субцеллюлярные цели для промышленных химических веществ и других загрязнителей, особенно во время ранних оценок уровня.

Здесь мы приводим протокол для изучения поведенческих реакции профили в личинок рыб. Мы продемонстрировать эти методы, используя кофеин, модель neurostimulant и общих водных загрязнений, который вводится для водных систем путем сброса сточных вод лечения растений после употребления в пищу продуктов питания, напитков, и Фармацевтика, сформулированы с кофеин14. Мы рассмотрим поведенческие реакции на кофеин личиночной данио рерио и толстоголовых гольянов, включая внезапные изменения в условия освещения, который часто называют photomotor ответ (PMR) во время фармацевтические исследования эмбриональных и личинок Данио рерио13,15. Мы далее определить эффекты кофеина через несколько опорно конечных точек для разработки химической реакции профили для каждой модели рыбы. Кофеин лечения уровни, используемые в данном исследовании представляют собой верхний процентилей воздействия дистрибутивы, основанные на экологических измерений кофеин16. Мы также включают лечения оценивали личинок рыб LC50 значений, и значение терапевтического опасности (THV), фармацевтической концентрации в воде, как ожидается, привести к плазме крови рыб в соответствии с человеческой плазмы терапевтической дозе.

Protocol

Исследования в настоящем Протоколе как правило следовать стандартизированных экспериментальный дизайн и статистического анализа рекомендации от нас охране окружающей среды (EPA № 2000.0) для толстоголовых и Организации экономического сотрудничества и Развития (ОЭСР № 236) для рыбок данио. Эти экспериментальные проекты (например, увеличивая репликации) могут быть изменены в течение текущего протокола для будущих исследований. Рыбоводства, условия следовать ранее опубликована литература17. Все экспериментальные процедуры и рыбы протоколы культуры за институциональный уход животных и использование Комитета протоколы, утвержденных в Университете Бейлор. 1. выявление рыбы для химической обработки Подготовьте кофеин воздействия решений путем растворения кофеина в восстановленный жесткой воды. Выполните соответствующие серийных разведений путем разбавления выше кофеин лечения с жесткой водой для получения более низких уровней лечения кофеин.Примечание: В таблице 1 приведены каждого из уровней лечения, используемых в этом эксперименте. Данио рерио Толстоголового Лечение Концентрация номинальная кофеина (мг/Л) Концентрация измеряемых кофеина (мг/Л) Лечение Концентрация номинальная кофеина (мг/Л) Концентрация измеряемых кофеина (мг/Л) Управления 0 < Лод Управления 0 < Лод 75-й перцентили * 0.001 0.001 75-й перцентили * 0.001 0.001 95-й перцентили * 0.039 0.013 95-й перцентили * 0.039 0.009 99-й перцентили * 0,412 0.361 99-й перцентили * 0,412 0.310 THV 4.07 3.81 THV 4.07 4.12 10% ЛК50 48,46 46.66 10% ЛК50 14.1 14.7 40% ЛК50 193.82 186.67 40% ЛК50 56.38 53.91 Таблица 1: экспериментальный кофеин лечения для экспериментов гольян данио рерио и толстоголового. Номинальный и измеренных значений кофеина для каждого лечения даются. * Кофеин процедуры, используемые в данном исследовании представляют собой верхний процентилей воздействия дистрибутивы, основанные на экологических измерений кофеин16. THV: Терапевтический опасности значение. Лод: Предел обнаружения Приготовленный раствор вливают champers индивидуального воздействия. Использование 100 мл стеклянные стаканы заполнена с 20 мл раствора экспозиции для данио рерио экспозиции камеры и 500 мл стаканы с 200 мл раствора экспозиции для толстоголовых гольян экспозиции камеры. Использование пипетки передачи, место 10 данио рерио эмбрионов возрасте 4-6 ч пост оплодотворение (hpf) в каждой из четырех палат реплицировать экспозиции за лечение. Личинки гольян толстоголового место 10 лет в течение 24 ч штриховки в каждой из трех камер реплицировать экспозиции за лечение. Чтобы вместить больший размер толстоголового гольян личинок, Отрежьте кончик передачи пипетку до передачи. Поддерживать данио рерио экспериментов на свет: темные фотопериода 16:8 h и постоянной температуре 28 ± 1 ° C. Используйте один и тот же режим фотопериода толстоголового гольян исследований, но при температуре 25 ± 1 ° C. После 96 h воздействия химических веществ хорошо пластины нагрузки отдельных рыб в отдельных скважинах 48 (для данио рерио) и 24 (для толстоголовых гольянов). Чтобы убедиться, что каждый хорошо содержит одинаковый объем раствора, передать 5000 мкл autopipette для 1000 мкл тома за хорошо 48 хорошо пластины данио рерио личинки. Используйте autopipette снимать и передавать данио рерио личинок и воздействия решения одновременно. Из-за их больших размеров передачи толстоголового гольян личинки с помощью пипетки передачи с кончиком, отрезали. До передачи толстоголового гольян личинки отдельных скважин, заполните каждый хорошо до 2000 мкл, с помощью autopipette. При передаче отдельных толстоголового личинки скважин, место кончиком пипетки передачи в решении хорошо и позволяют рыбы плавать от кончика пипетки в колодец. 2. Калибровка видео отслеживания параметров До поведенческих мер, установить параметры наблюдения и калибровки программное обеспечение видео-трек (см. таблицу материалы). Место хорошо пластины в камере записи с по крайней мере 1 личинок рыб в отдельных хорошо. Используйте пластину и ассоциированных рыб как представления установить параметры калибровки. В программное обеспечение видео-трек, нажмите кнопку «файл | Генерировать протокол», который откроется диалоговое окно «Мастер создания протокола». В поле «Местоположение Count» введите количество скважин лиц хорошо пластины и нажмите кнопку «ОК». В верхней части экрана, нажмите кнопку «Просмотр | Полный экран», который предложит систему для отображения верхней камеры хорошо пластины. Щелкните значок «Рисовать районах», которая выглядит как три разноцветных фигур. Справа от хорошо пластины, области просмотра выберите значок круга в поле с надписью «Областях». Используйте курсор, чтобы разграничить круговой видео отслеживания области в верхней левой хорошо хорошо пластины. Выберите «Сверху-справа Марка» и затем наметить области просмотра верхней правой хорошо. Затем выберите «Нижней марка» изложить в нижней правой хорошо.Примечание: После нанесения круговой контур, его позиции будут скорее всего нужно корректироваться.  Чтобы скорректировать положение контура, нажмите кнопку «Выбрать» и затем использовать курсор для перемещения области изложил. Кроме того контуры можно реплицировать, нажав кнопку «Копировать» и затем «Вставить». После того, как вверху слева, справа, вверху и внизу справа также отслеживание областей были определены, нажмите кнопку «Построить» запрашивать программное обеспечение автоматически определить области просмотра оставшихся скважинах. В область с надписью «Калибровка» нажмите кнопку «Рисовать шкала». Используйте курсор, чтобы нарисовать горизонтальную линию через пластину. После того, как рисуется линия, появится диалоговое окно с надписью «Калибровки измерений». Введите длину хорошо пластины и нажмите кнопку «ОК». Выход из рисования менеджер, щелкнув значок «Рисовать районах». Щелкните значок «Плитка».  С помощью курсора, выделите все поля, которые появляются на экране просмотра, так что каждый ящик имеет зеленый цвет.Примечание: Плитки значок отображается как группа из шести отдельных малых квадратов «Выберите вид | Полный экран».  Справа от плиты, области просмотра нажмите кнопку «Bkg» в поле «Порог обнаружения». Используйте панель перестройки порог для задания порога обнаружения пикселей. Однажды, порог обнаружения соответствующий пиксель выбран, нажмите кнопку «Применить в группу».Примечание: Этот Протокол устанавливает порог обнаружения на 13 в черном режиме данио рерио наблюдений и 110 в прозрачном режиме для толстоголовых гольян наблюдений. В поле с надписью «Движение порог» введите желаемый движения скорость, параметры отслеживания. После того, как скорость параметры заданы, нажмите кнопку «Применить в группу».Примечание: Этот Протокол устанавливает мелкие/крупные движения на 20 мм/сек и неактивные и малых движений на 5 мм/сек. Выбранные программы программное обеспечение, отслеживать движение личинок рыб на трех уровнях различные скорости: неактивные (замораживание) = 20 мм/сек. Нажмите кнопку «Параметры | ««Протокол параметров» из раскрывающегося меню. В диалоговом окне выберите закладку «Время» введите время наблюдения и интеграции. После ввода параметров нажмите кнопку «ОК». Чтобы установить свет/темно фотопериода раз и интенсивности света для каждого фотопериода открыть настройки света драйвера диалога окно, выбрав «Свет вождения» от «Параметры» в раскрывающемся меню.Примечание: Смотрите видео протокол для установки нескольких свето тени фотопериоды. После того, как были установлены параметры видео-слежения, сохраните протокол наблюдения.Примечание: Этот протокол отмечает поведение рыб в течение 50 мин, который включает в себя 10 мин адаптационного этапа, следуют 4, изменяя фазы свет/темно, состоящий из двух периодов света 10 мин и два темных периодов 10 мин. Время интегрирования установлен для измерения поведение за каждую минуту поведенческих суда 50 мин. 3. наблюдение за личинок рыб опорно-двигательного аппарата и Photomotor поведение Место хорошо пластины, содержащие экспериментальной рыбы в зале поведенческих записи. В видео, отслеживания программного обеспечения откройте отслеживания протокол, разработанный в шаге 3. В средстве просмотра видео-слежения проверьте, чтобы убедиться, что все личинки видны на экране компьютера, что только одна личинка отдельных присутствует в каждом хорошо, и что отдельные колодцы выровнены в пределах зон наблюдения, которые были определены в шагах 2.1.5 и 2.1.6. Нажмите на «эксперимент | Выполнение».Примечание: Система предложит пользователю ввести имя и расположение для сохранения данных наблюдения. Как только имя и сохранить расположение наблюдения были указаны данные, нажмите на значок «Несколько образов Live», чтобы выделить все предопределенные просмотра областиПримечание: Этот значок расположен в верхней части экрана и отображается как поле разделено на четыре меньших квадратов. Нажав на этот значок будет выделить все предопределенные просмотра областей. Закройте панель камеры запись и нажмите кнопку «фон | Старт» на мониторе компьютера. 4. анализ поведенческих данных Для извлечения данных деятельности личинок рыб, откройте таблицу, которая автоматически компилируется путем отслеживания программного обеспечения и находится в папке, указанной пользователем перед началом поведенческих исследований (шаг 3.4). Обратитесь к цифры 1A и 1B для представителя измерений наивно двигательной активности неэкспонированные данио рерио и толстоголового гольян личинок, соответственно. Обратитесь к цифры 1 c и 1 D для ПМР расчетов, которые эффективно изучить масштабы движения разницу между свет на темные или темно, свет переходы. Рисунок 1: Пример базовой деятельности неэкспонированные данио рерио (A и B) и толстоголовых гольянов (C и D). Среднее (± SEM) расстояние поплыл за данио рерио (A) и толстоголовых гольянов (C) дается точек каждый представляет один минутные интервалы деятельности. Измеряются два темных и два светлых периодов photomotor ответов. Последний (, c, e и g) и (b, d, f и h) минуту каждого фотопериода используются для вычисления реакции своевременное. Photomotor данио рерио (B) и толстоголовых гольянов (D) измеряются как изменения в среднее (±SEM), расстояние между последней минуты первоначальный фотопериода и первая минута следующего периода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Representative Results

Кофеин лечения уровень существенно не менялась в течение 96 ч эксперименты с данио рерио и толстоголового гольяна. Например в таблице 1 представлены аналитически проверенных концентрации каждого уровня лечения. Этот протокол проверены изотопного разбавления жидкостной хроматографии тандемные масс-спектрометрия (LC-MS/MS) обычно после сообщалось ранее методы28пробы воды для лечения уровень кофеина. Формирование paraxanthine, основной метаболит кофеина, также количественно. Описание этих аналитических процедур приводится в дополнительном аналитической информации. Из-за сходства между номинальной и аналитической проверки процедур номинальный лечения уровни представлены на протяжении оставшейся части этой рукописи. Кофеин значительно изменила поведение данио рерио и толстоголового гольян. Однако данио рерио опорно ответы были последовательно, более чувствительны к кофеину, чем толстоголового гольяна. Наиболее чувствительные поведенческих конечные данио рерио и толстоголового гольян личинки были затронуты кофеин в концентрации 0,039 мг/л в таблице 2 резюмируются Низкий наблюдаемый эффект концентрации (НУНВ) и не наблюдается эффект концентрации (NOEC) для каждого поведения конечной точки в обеих моделях рыбы. Данио рерио Толстоголового Конечная точка НКНВ (мг/Л) КННВ (мг/Л) Конечная точка НКНВ (мг/Л) КННВ (мг/Л) Общее расстояние темный 0,412 0.039 Общее расстояние темный − 56.38 Общее расстояние свет 48,46 4.07 Общее расстояние свет − 56.38 Общее количество темный 0,412 0.039 Общее количество темный − 56.38 Общее количество света 48,46 4.07 Общее количество света − 56.38 Разрывной расстояние темный − 193.82 Разрывной расстояние темный − 56.38 Разрывной расстояние свет 193.82 48,46 Разрывной расстояние свет − 56.38 Разрывая подсчитывает темный 193.82 48,46 Разрывая подсчитывает темный − 56.38 Разрывной графов свет 193.82 48,46 Разрывной графов свет − 56.38 Разрывной продолжительность темный 193.82 48,46 Разрывной продолжительность темный − 56.38 Разрывной продолжительность света − 193.82 Разрывной продолжительность света − 56.38 Курсируя расстояние темный 0,412 0.039 Курсируя расстояние темный − 56.38 Курсируя расстояние свет 48,46 4.07 Курсируя расстояние свет − 56.38 Курсировать подсчитывает темный 0,412 0.039 Курсировать подсчитывает темный − 56.38 Курсируя графов свет 48,46 4.07 Курсируя графов свет − 56.38 Курсируя продолжительность темный 0,412 0.039 Курсируя продолжительность темный − 56.38 Курсируя продолжительность света 48,46 4.07 Курсируя продолжительность света − 56.38 Замораживание расстояние темный 0,412 0.039 Замораживание расстояние темный 0.039 0.001 Замораживание расстояние свет 0.039 0.001 Замораживание расстояние свет − 56.38 Замораживание подсчитывает темный 0,412 0.039 Замораживание подсчитывает темный − 56.38 Замораживание подсчитывает света 48,46 4.07 Замораживание подсчитывает света − 56.38 Замораживание продолжительность темный − 193.82 Замораживание продолжительность темный 56.38 14.10 Замораживание продолжительность света 48,46 4.07 Замораживание продолжительность света − 56.38 Темный 1 ПМР 48,46 4.07 Темный 1 ПМР 0.039 0.001 Свет 1 ПМР 48,46 4.07 Свет 1 ПМР − 56.38 Темный 2 ПМР 48,46 4.07 Темный 2 ПМР − 56.38 Свет 2 ПМР 48,46 4.07 Свет 2 ПМР − 56.38 Разрывной темный 1 ПМР − 193.82 Разрывной темный 1 ПМР − 56.38 Разрывая свет 1 ПМР − 193.82 Разрывая свет 1 ПМР − 56.38 Разрывая темные 2 ПМР 193.82 48,46 Разрывая темные 2 ПМР − 56.38 Разрывая свет 2 ПМР − 193.82 Разрывая свет 2 ПМР − 56.38 Курсируя темный 1 ПМР 48,46 4.07 Курсируя темный 1 ПМР − 56.38 Курсировать свет 1 ПМР 48,46 4.07 Курсировать свет 1 ПМР − 56.38 Курсируя темные 2 ПМР 48,46 4.07 Курсируя темные 2 ПМР − 56.38 Курсируя свет 2 ПМР 193.82 48,46 Курсируя свет 2 ПМР 56.38 14.10 Замораживание темный 1 ПМР 48,46 4.07 Замораживание темный 1 ПМР − 56.38 Замораживание свет 1 ПМР 193.82 48,46 Замораживание свет 1 ПМР − 56.38 Замораживание темные 2 ПМР 48,46 4.07 Замораживание темные 2 ПМР − 56.38 Замораживание свет 2 ПМР 193.82 48,46 Замораживание свет 2 ПМР − 56.38 Таблица 2: данио рерио и толстоголового гольян поведенческих NOEC и НКНВ кофеина. Не наблюдается эффект концентрации (NOEC) и низкая наблюдается эффект концентрации (НКНВ) (мг/Л) значения для каждого из свет/темно плавание деятельности конечные точки и photomotor ответ для данио рерио и толстоголовые гольяны воздействию кофеина. Тире показывают, что нет эффекты наблюдались на конкретной конечной точки на всех уровнях лечения. На рисунке 2 представлены общей двигательной активности и своевременное данио рерио и толстоголового гольян, после 96 h воздействие кофеина. В zebrafish пострадали толстоголового гольян личинки, что своевременное были изменены кофеина на более низких уровнях (0,038 мг/Л) лечение чем данио рерио, но заметно большее количество photomotor конечных точек. Самый высокий уровень лечения кофеина (193.82 мг/Л) изменены ПМР в данио рерио, в котором эти ответы были точно противоположный от элементов управления. Однако, на этом уровне повышенных лечения, своевременное снизилась в темноте и возросла в условиях освещения. Рисунок 2: Плавательный активность и photomotor ответы данио рерио (A и B) и толстоголовых гольянов (C и D) после 96 h воздействие кофеина. Среднее (± SEM) расстояние поплыл за данио рерио (A) и толстоголовых гольянов (C) дается точек каждый представляющая интервалы 1-мин деятельности. Photomotor ответы данио рерио (B) и толстоголовых гольянов (D) измеряются как изменения в среднее (± SE) общее расстояние между last minutes первоначальный фотопериода и первая минута следующего периода. Два темных и два легких периода photomotor ответы были измерены. В общей сложности 24 данио рерио (4 репликация каждого 6 личинок) и 12 (3 репликация каждого 4 личинок) толстоголовые гольяны были использованы для поведенческие наблюдения. p < 0,10; p < 0,05; p < 0.01. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Помимо измерения личиночной своевременное, светлых и темных двигательной активности был проанализирован через три скорость пороговые значения расстояния переехал, количество движений и продолжительность движения. Эти данные используются для разработки профилей поведенческие реакции для кофеина (рис. 3, дополнительный Рисунок 1). В обоих моделей рыбы кофеин препятствует деятельности вообще существенно повлияло опорно конечных точек. Обе рыбы модели продемонстрировали увеличение активности на разрывной скорость пороги, после воздействия на кофеин, хотя и не существенно. Аналогичные результаты наблюдений ПМР, кофеин осуществлено большее количество данио рерио опорно конечных точек. В самом деле кофеин значительно изменила несколько опорно ответы в темных условиях на экологически реалистичных уровней ниже THV. Однако толстоголового гольян двигательной активности не пострадал значительно в легких условиях на любом уровне лечения. Рисунок 3: ответ профили личиночной данио рерио и толстоголового гольяна после выдержки в течение 96 ч к кофеину. Означает, данио рерио темный (A) и света (B) плавание активности по сравнению с означает толстоголовых гольянов темный (C) и света (D) деятельность после 96 h воздействие кофеина. Печать данных представляет деятельность двух темных фотопериоды 10 мин и два 10 мин легкой фотопериоды для каждой модели рыбы. Данные нормируется для управления, которое представляет на оси 0 в каждом рисунке. Поведенческие параметры включают расстояние, количество движений (СИГ) и продолжительность каждого движения переплывали 3 уровней скорости, разрывая (> 20 мм/сек), крейсерская (5 – 20 мм/s) и замораживания (< 5 мм/сек). Кроме схем движения на каждой скорости порогов общее расстояние купались, и представлено общее количество движений. ↑ представляет собой значительное увеличение активности по сравнению с контролем и ↓ показывает значительное снижение активности по сравнению с контролем. В общей сложности 24 данио рерио (4 репликация каждого 6 личинок) и 12 (3 репликация каждого 4 личинок) толстоголового где используются в поведенческих наблюдений для каждой группы. p < 0,10; p < 0,05; p < 0.01. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Дополнительные рисунок 1: Photomotor ответы данио рерио (A и B) и толстоголовых гольянов (C и D) через три скорости порогов. Данио рерио (A, B и C) и толстоголового гольян личинки (D, E и F) photomotor ответы через три скорости порогов (замораживание: 20 мм/сек) после 96hr воздействие кофеина. Photomotor ответы данио рерио и толстоголового гольян измеряются как изменения в среднее (±SE) общее расстояние между last minutes первоначальный фотопериода и первая минута следующего периода. Два темных и два легких периода photomotor ответы были измерены. В общей сложности 24 данио рерио (4 репликация каждого 6 личинок) и 12 (3 реплицирует 4 личинок) толстоголовые гольяны были использованы для поведенческие наблюдения. * p < 0,01 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

При выборе уровня химической обработки для исследования поведенческих токсикологии, должны рассматриваться ряд факторов. Лечения уровень кофеина в настоящем исследовании были отобраны на основании перцентили верхнего значения для прогнозируемого воздействия на окружающую среду сценариев из сточных вод и стоков16. Когда это возможно, мы регулярно выбрать лечение уровни для водной токсикологии исследования с использованием вероятностного воздействия оценки экологических наблюдений19,,2021. THV, которая вычисляется для лекарственных средств, также было включено в качестве лечения уровень в настоящем исследовании. THV значения (уравнение 1)22,23 , определяются как предсказано водных концентраций приводит к человека терапевтических дозах (Cmax) фармацевтических препаратов в рыбы23, вдохновили от первоначального плазмы, моделирования усилия24и являются рассчитывается на основе крови: вода химического разделения коэффициенты (уравнение 2)25.

THV = CМакс / log PBW (уравнение 1)

Журнал PBW = log [(100,73. log Kow · 0,16) + 0.84] (уравнение 2)

Здесь мы также выбрать уровни сублетальных лечения относительно данио рерио и толстоголового гольян значениях ЛК50. Мы считаем такой подход полезным бенчмаркинг процедура поведенческих реакций, особенно при сравнении пороговые значения определенного поведения с моделью рыбы через несколько химических веществ. Далее она облегчает расчеты острого хронического соотношения, которое может пригодиться диагностически водной токсикологии механистический исследований и оценок. Значения ЛК50 были получены предварительные токсичности bioassays после стандартизированных принципам, описанным в шаг 2.1.

В этом протоколе мы используем общие экспериментальные проекты и статистические методы рекомендовал АООС США и ОЭСР стандартизированные методы для токсикологических исследований с моделями рыбы. Хотя мы приводим значения p (например., < 0.01, < 0,05, < 0,10), существенные различия (α = 0,10) в деятельности уровни определяются среди процедур с использованием дисперсионный анализ (ANOVA) Если нормальности и эквивалентности дисперсии предположений выполнены. Дуннетт или Тьюки HSD post hoc испытания проводятся для определения уровня различия лечения. Мы выбираем этот альфа (α = 0,10) значение, чтобы уменьшить ошибки типа II, особенно для раннего уровня анализов и когда понимание биологически важных эффект размер ограничен для малоисследованный поведения конечных точек и модель организмов26, вместо использование процедуры более распространены в биомедицинских наук для нескольких сопоставлений (например., коррекция Бонферрони РНК-Seq данных)27.  Будущие исследования необходимы для понимания изменчивости этих поведенческих реакций и потенциально изменить экспериментальные проекты (например, увеличение репликации) соответственно.

Ряд факторов может влиять на поведение личинок рыб Помимо воздействия химических веществ. Например время суток, возраст, размер хорошо, температуры, освещения состояния и объем воздействия раствора в каждом также представляют собой важные соображения11,30. По этим причинам должны приниматься меры предосторожности для сведения к минимуму воздействия внешних факторов, которые могли бы повлиять двигательного поведения личинок рыб во время экспериментов. Поведенческие наблюдения должны выполняться в узких временных окон (3-4 h) и различных периодов времени, когда время день эффектов, как ожидается, будут иметь минимальное влияние на личиночной двигательного поведения11. Кроме того личинок рыб следует сохранить при постоянной температуре (28 ± 1 ° C для данио рерио) и 24 ± 1 ° C для FHM и на определенный свет/темно цикл в контролируемой температурой инкубаторы на протяжении всего периода воздействия. Кроме того Температура лаборатории, где записываются поведения должны поддерживаться условий аппроксимации экспериментальных условиях, чтобы избежать влияния температуры на поведение. Кроме того Уэллс, используемые во время поведенческих наблюдений должна поддерживаться на тома последовательно для каждого индивидуального рыбы.

Личинок и эмбриональных данио рерио, своевременное ранее использовались в биомедицинских науках для выявления потенциальных терапевтических целей для Роман соединений12,13. Этот протокол расширяет предыдущий поведенческих исследований с данио рерио, используя 38 конечных точек для изучения химического отпорности загрязнителей окружающей среды. Хотя кофеин является общей водных загрязнений с понимается механизм действий (MoA), многих соединений в торговле не хватает важных механистического данных. Таким образом этот протокол может использоваться для ознакомления Моа отсутствуют данные о токсичности, включая39коммерческих химических соединений. Кроме того протокол предоставляет методы для двух из наиболее часто используемых рыбы моделей. Как отмечалось ранее, тогда как zebrafish модель общей биомедицинских рыбы, которая становится все более популярным в экотоксикологии, толстоголового гольян обычно используется как экологическая модель для оценки состояния окружающей среды приложений, но получил сравнительно меньше внимания в поведенческих исследований с автоматизированными системами, по сравнению с данио рерио. Хотя по-прежнему не стандартизированные методы регулирования для рыб поведенческих токсикологических исследований, этот протокол обеспечивает подход к поддержать будущие усилия.

Кофеин вызвал поведенческих реакций в каждой из моделей рыбы на уровнях, которые были обнаружены в водной среде16. Родригес-Gil et al. 2018 разработали глобальные экологические воздействия распределения в водных системах, основанных на измеренных значений кофеин16. В частности 95% сточных вод концентраций предсказал сточных вод будет ниже НКНВ для наиболее чувствительных поведения конечных точек, данио рерио и толстоголового пескарь в настоящем исследовании (Таблица 2). Хотя несколько поведенческие эффекты кофеина были наблюдается в данио рерио (особенно в темное время суток) на экологически значимых уровнях, неясно, ли эти поведенческие изменения могут произойти в естественных рыбных популяций или привести к экологически значимых неблагоприятных исходов. Хотя полезным для чувствительной, диагностического скрининга, личинок рыб поведенческих пороговые значения не могут быть представитель других этапов истории жизни или рыбы в природных популяциях. Дальнейшие исследования является оправданным для определения ли аналогичные поведенческие реакции порогов бы встречаются в природе и свидетельствует о неблагоприятных исходов на лицо или населения уровнях биологической организации.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Поддержка этого исследования была представлена национального научного фонда США (проект #: CHE-1339637) с дополнительной поддержке со стороны Агентства по охране окружающей среды США. Мы благодарим д-р Jone Корралес, доктор Лорен Kristofco, Гэвин Saari, Самуэль Haddad, Bekah Burket и Бриджетт Хилл для поддержки общего лаборатории.

Materials

ViewPoint Zebrabox ViewPoint ZebraLab and ZebraLab platform for automated behavioral observations
Caffeine Sigma-Aldrich C0750-100G Study chemical
Incubator VWR 9110589 Maintains light/dark cycle and temperature for fathead minnow experiments
Incubator Thermo Fisher Scientific 35824-636 Maintains light/dark cycle and temperature for zebrafish experiments
100 ml glass beakers VWR 89000-200 Zebrafish exposure chambers 
500 ml glass beakers  Pyrex EW-34502-03 Fathead minnow exposure chambers
5000 µl auto-pipette Eppendorf Research 5000 Used to fill individual wells in well plates
Transfer Pippettes VWR 414-004-004 Used to transfer study organisms 
48-well plates Fisher Scientific 08-772-52 Larval zebrafish behavioral recording chambers
24-well plates VWR 10062-896 Larval fathead minnow behavioral recording chambers
Calcium sulfate dihydrate Sigma-Aldrich C3771 For reconstituted hard water
Magnesium Sulfate Sigma-Aldrich M7506 For reconstituted hard water
Sodium Bicarbonate  Sigma-Aldrich S5761 For reconstituted hard water
Potassium Chloride Sigma-Aldrich P9333 For reconstituted hard water
z-mod recirculating system Marine Biotech Systems Recirculating system to maintian zebrafish cultures
Statistical analysis software Sigma Plot  Version 13.0 Used to analyze beahvioral data and produce figures
Statistical analysis software Graphpad Prism Prism 5 Used to produce figures 
Autosampler/quaternary pumping system Agilent Technologies Infinity 1260 model  Analytical verification of caffeine treatment levels
Jet stream thermal gradient electrospray ionization source Agilent Technologies Analytical verification of caffeine treatment levels
Triple quadrupole mass analyzer  Agilent Technologies Model 6420 Analytical verification of caffeine treatment levels
10 cm × 2.1 mm Poroshell 120 SB-AQ column (120Å, 2.7)  Agilent Technologies 685775-914T Caffiene chromatography 
MassHunter Optimizer Software  Agilent Technologies Determine the ionization mode, monitored transitions, and instrumental parameters for caffeine/caffeine-d9 and paraxanthine/paraxanthine-d6
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Malaj, E., et al. Organic chemicals jeopardize the health of freshwater ecosystems on the continental scale. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (26), 9549-9554 (2014).
  2. Schäfer, R. B., Kühn, B., Malaj, E., König, A., Gergs, R. Contribution of organic toxicants to multiple stress in river ecosystems. Freshwater Biology. 61 (12), 2116-2128 (2016).
  3. Andersen, M. E., Krewski, D. Toxicity testing in the 21st century: bringing the vision to life. Toxicological Sciences. 107 (2), 324-330 (2008).
  4. Rovida, C., Hartung, T. Re-evaluation of animal numbers and costs for in vivo tests to accomplish REACH legislation requirements for chemicals-a report by the transatlantic think tank for toxicology (t (4)). Altex. 26 (3), 187-208 (2009).
  5. Council, N. R. . Toxicity testing in the 21st century: a vision and a strategy. , (2007).
  6. Mehta, G., Hsiao, A. Y., Ingram, M., Luker, G. D., Takayama, S. Opportunities and challenges for use of tumor spheroids as models to test drug delivery and efficacy. Journal of Controlled Release. 164 (2), 192-204 (2012).
  7. Scholz, S., Fischer, S., Gündel, U., Küster, E., Luckenbach, T., Voelker, D. The zebrafish embryo model in environmental risk assessment-applications beyond acute toxicity testing. Environmental Science and Pollution Research. 15 (5), 394-404 (2008).
  8. Fraysse, B., Mons, R., Garric, J. Development of a zebrafish 4-day embryo-larval bioassay to assess toxicity of chemicals. Ecotoxicology and Environmental Safety. 63 (2), 253-267 (2006).
  9. Noyes, P. D., Haggard, D. E., Gonnerman, G. D., Tanguay, R. L. Advanced morphological-behavioral test platform reveals neurodevelopmental defects in embryonic zebrafish exposed to comprehensive suite of halogenated and organophosphate flame retardants. Toxicological Sciences. 145 (1), 177-195 (2015).
  10. Colón-Cruz, L., et al. Alterations of larval photo-dependent swimming responses (PDR): New endpoints for rapid and diagnostic screening of aquatic contamination. Ecotoxicology and Environmental Safety. 147, 670-680 (2018).
  11. Kristofco, L. A., et al. Age matters: developmental stage of Danio rerio larvae influences photomotor response thresholds to diazinion or diphenhydramine. Aquatic Toxicology. 170, 344-354 (2016).
  12. Rihel, J., et al. Zebrafish behavioral profiling links drugs to biological targets and rest/wake regulation. Science. 327 (5963), 348-351 (2010).
  13. Kokel, D., et al. Rapid behavior-based identification of neuroactive small molecules in the zebrafish. Nature Chemical Biology. 6 (3), 231-237 (2010).
  14. Bruton, T., Alboloushi, A., DeL a Garza, B., Kim, B. -. O., Halden, R. U. . Contaminants of Emerging Concern in the Environment: Ecological and Human Health Considerations. , 257-273 (2010).
  15. Woudenberg, A. B., et al. Zebrafish embryotoxicity test for developmental (neuro) toxicity: Demo case of an integrated screening approach system using anti-epileptic drugs. Reproductive Toxicology. 49, 101-116 (2014).
  16. Rodríguez-Gil, J., Cáceres, N., Dafouz, R., Valcárcel, Y. Caffeine and paraxanthine in aquatic systems: Global exposure distributions and probabilistic risk assessment. Science of the Total Environment. 612, 1058-1071 (2018).
  17. Corrales, J., et al. Toward the Design of Less Hazardous Chemicals: Exploring Comparative Oxidative Stress in Two Common Animal Models. Chemical Research in Toxicology. 30 (4), 893-904 (2017).
  18. Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. Stages of embryonic development of the zebrafish. Developmental Dynamics. 203 (3), 253-310 (1995).
  19. Kristofco, L. A., Brooks, B. W. Global scanning of antihistamines in the environment: Analysis of occurrence and hazards in aquatic systems. Science of the Total Environment. 592, 477-487 (2017).
  20. Saari, G. N., Scott, W. C., Brooks, B. W. Global assessment of calcium channel blockers in the environment: Review and analysis of occurrence, ecotoxicology and hazards in aquatic systems. Chemosphere. , (2017).
  21. Corrales, J., et al. Toward the Design of Less Hazardous Chemicals: Exploring Comparative Oxidative Stress in Two Common Animal Models. Chemical Research in Toxicology. 30 (4), 893-904 (2017).
  22. Berninger, J. P., et al. Effects of the antihistamine diphenhydramine on selected aquatic organisms. Environmental Toxicology and Chemistry. 30 (9), 2065-2072 (2011).
  23. Brooks, B. W. Fish on Prozac (and Zoloft): ten years later. Aquatic Toxicology. 151, 61-67 (2014).
  24. Huggett, D., Cook, J., Ericson, J., Williams, R. A theoretical model for utilizing mammalian pharmacology and safety data to prioritize potential impacts of human pharmaceuticals to fish. Human and Ecological Risk Assessment. 9 (7), 1789-1799 (2003).
  25. Fitzsimmons, P. N., Fernandez, J. D., Hoffman, A. D., Butterworth, B. C., Nichols, J. W. Branchial elimination of superhydrophobic organic compounds by rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Aquatic Toxicology. 55 (1-2), 23-34 (2001).
  26. Scheiner, S. M., Gurevitch, J. . Design and Analysis of Ecological Experiments. , (2001).
  27. Nakagawa, S. A farewell to Bonferroni: the problems of low statistical power and publication bias. Behavioral Ecology. 15 (6), 1044-1045 (2004).
  28. Bean, T. G., et al. Pharmaceuticals in water, fish and osprey nestlings in Delaware River and Bay. Environmental Pollution. 232, 533-545 (2018).
  29. Richendrfer, H., Pelkowski, S., Colwill, R., Creton, R. On the edge: pharmacological evidence for anxiety-related behavior in zebrafish larvae. Behavioural Brain Research. 228 (1), 99-106 (2012).
  30. Padilla, S., Hunter, D., Padnos, B., Frady, S., MacPhail, R. Assessing locomotor activity in larval zebrafish: Influence of extrinsic and intrinsic variables. Neurotoxicology and Teratology. 33 (6), 624-630 (2011).
  31. Sukardi, H., Chng, H. T., Chan, E. C. Y., Gong, Z., Lam, S. H. Zebrafish for drug toxicity screening: bridging the in vitro cell-based models and in vivo mammalian models. Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology. 7 (5), 579-589 (2011).
  32. Ankley, G. T., Villeneuve, D. L. The fathead minnow in aquatic toxicology: past, present and future. Aquatic Toxicology. 78 (1), 91-102 (2006).
  33. Hutson, L. D., Liang, J. O. Making an impact: zebrafish in education. Zebrafish. 6, 119 (2009).
  34. Hutson, L. D., Liang, J. O., Pickart, M. A., Pierret, C., Tomasciewicz, H. G. Making a difference: education at the 10th international conference on zebrafish development and genetics. Zebrafish. 9 (4), 151-154 (2012).
  35. Kane, A., Salierno, J., Brewer, S. Fish models in behavioral toxicology: automated techniques, updates and perspectives. Methods in Aquatic Toxicology. 2, 559-590 (2005).
  36. Rodriguez, A., et al. ToxTrac: a fast and robust software for tracking organisms. Methods in Ecology and Evolution. 9 (3), 460-464 (2018).
  37. Hamm, J., Wilson, B., Hinton, D. Increasing uptake and bioactivation with development positively modulate diazinon toxicity in early life stage medaka (Oryzias latipes). Toxicological Sciences. 61 (2), 304-313 (2001).
  38. Kristofco, L. A., Haddad, S. P., Chambliss, C. K., Brooks, B. W. Differential uptake of and sensitivity to diphenhydramine in embryonic and larval zebrafish. Environmental Toxicology and Chemistry. 37, 1175-1181 (2018).
  39. Steele, W. B., Kristofco, L. A., Corrales, J., Saari, G. N., Haddad, S. P., Gallagher, E. P., Kavanagh, T. J., Kostal, J., Zimmerman, J. B., Voutchkova-Kostal, A., Anastas, P. T., Brooks, B. W. Comparative behavioral toxicology of two common larval fish models: exploring relationships between modes of action and locomotor responses. Science of the Total Environment. 460-461, 1587-1600 (2018).

Tags

Fish ModelsBehavioral ResponseLarval FishCaffeineNeuro-stimulantEnvironmental Biomedical SciencesLocomotor ActivityPhotomotor ResponseZebrafishFathead MinnowExposure ChambersVideo Tracking

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Steele, W. B., Mole, R. A., Brooks, B. W. Experimental Protocol for Examining Behavioral Response Profiles in Larval Fish: Application to the Neuro-stimulant Caffeine. J. Vis. Exp. (137), e57938, doi:10.3791/57938 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image