Der Flypub-Assay misst das Verhalten, das die Fruchtfliege Drosophila melanogaster unter dem Einfluss von Ethanol zeigt. Der Assay kann leicht von Experimentatoren auf allen Ebenen gemeistert und auf verschiedene verdampfte Reize angewendet werden, was Substanzmissbrauch und Suchtstudien erleichtert.
Alkoholkonsumstörung (AUD) bleibt ein ernstes Problem in unserer Gesellschaft. Um wirksame Maßnahmen gegen suchtwirksam zu entwickeln, ist es wichtig, die zugrunde liegenden neurobiologischen Mechanismen zu verstehen, für die verschiedene experimentelle Ansätze und Modellsysteme erforderlich sind. Der Hauptbestandteil alkoholischer Getränke ist Ethanol, das adaptive Veränderungen im zentralen Nervensystem und Verhalten bei chronischer Einnahme verursacht. Insbesondere die Verhaltenssensibilisierung (d.h. eskalierte Reaktionen) stellt eine zentrale adaptive Veränderung dar, die der Sucht zugrunde liegt. Die meisten Ethanol-induzierten Verhaltenssensibilisierungsstudien in Tiermodellen wurden über die lokomotorische aktivierungswirkung von Ethanol durchgeführt. Eine prominente Wirkung von Ethanol ist die Verhaltenshemmung. Die Verhaltenssensibilisierung für die hemmungslose Wirkung von Ethanol ist jedoch unterrepräsentiert. Um dieses Problem anzugehen, haben wir den Flypub-Assay entwickelt, der es ermöglicht, den eskalierten Anstieg der hemmungslosen Balzaktivitäten bei wiederkehrender Ethanol-Exposition bei Drosophila melanogasterzu messen. Hier berichten wir über den schrittweisen Flypub-Assay inklusive Montage von Ethanol-Expositionskammern, Einrichtung der Assay-Station, Kriterien für Fliegenpflege und -abholung, Ethanollieferung, Quantifizierung von hemmungslosen Balzaktivitäten, Datenverarbeitung und statistische Auswertung. Außerdem werden bereitgestellt, wie Sie kritische Schritte beheben, Einschränkungen überwinden und ihren Nutzen erweitern können, um zusätzliche Ethanol-induzierte Verhaltensweisen zu bewerten. Der Flypub-Assay in Kombination mit leistungsstarken genetischen Werkzeugen in Drosophila melanogaster wird die Aufgabe erleichtern, den Mechanismus zu entdecken, der ethanolinduzierter Verhaltenssensibilisierung zugrunde liegt.
Alkohol ist eines der am leichtesten erhältlichen und am häufigsten konsumierten Drogen der Welt. Es hat ein hohes Potenzial für Missbrauch und Sucht; der diesem Prozess zugrunde liegende Mechanismus bleibt jedoch unvollständig verstanden. Ethanol induziert Hemmung, Euphorie, kognitive Beeinträchtigung, Hyperaktivität, Verlust der motorischen Kontrolle und Sedierung bei Würmern1, Fruchtfliegen1,2,3, Mäuse4, Ratten5 und Menschen6, was auf häufige neurobiologische Komponenten, die Ethanol Auswirkungen von wirbellosen Tieren auf Säugetiere einschließlich Menschen vermitteln. Chronische Ethanolaufnahme verursacht neuronale Anpassungen und Verhaltensänderungen, die AUD zugrunde liegen. Eine der Anpassungen ist die Verhaltenssensibilisierung definiert als die erweiterte Reaktion mit wiederholten Erfahrungen von Ethanol7,8,9 oder anderen Suchtmitteln10,11,12.
Im Laufe der Jahrzehnte konzentrierten sich die Studien zur Ethanol-induzierten Verhaltenssensibilisierung (EIBS) auf die motorisch stimulierende Wirkung, die als Proxy für eine euphorischeReaktion7,8,9,13verwendet wird. Zum Beispiel zeigen Ratten oder Mäuse bei wiederholter (alle 24, 48 oder 72 h) Ethanol-Verabreichung die erhöhte Bewegungsaktivität, gemessen mit Gehgeschwindigkeit8,,14,,15,16,,17,,18,,19,,20,21. In ähnlicher Weise weisen die Fruchtfliegen, die der zweiten Exposition gegenüber Ethanoldampf 4 h nach der ersten Exposition ausgesetzt sind, die verbesserte Reaktion des Bewegungsapparates auf22. Während keine Informationen über den Mechanismus vorliegen, der der EIBS der motorisierenden Wirkung bei Fruchtfliegen zugrunde liegt, haben die Studien an Ratten und Mäusen die molekularen und signalisierenden Komponenten (z. B. Dopamin-, Glutamat- und GABA-Systeme) sowie neuronale Substrate und Schaltkreise (z. B. ventrale Tegmental-Bereich, Nucleus accumbens, Amygdala und präfrontale Kortex) aufgedeckt, die eine wichtige Rolle für EIBS6,,,23spielen.9
Hemmung ist eine wichtige Wirkung von Ethanol und führt zur Manifestation von Verhaltensweisen, die in der Regel eingeschränkt sind. Die hemmende Wirkung wird auf motorische, emotionale, soziale, sexuelle und kognitive Funktionen ausgeübt, die zu unangemessenem Sexualverhalten, verbaler oder körperlicher Aggression und impulsiven Handlungen bei Menschen und Tiermodellen24,25,26,27,28,29führen können. Ethanol-induzierte Hemmung wurde in Tiermodellen für mechanistische Studien untersucht und sie umfassen motorische Impulsivität und Aggression bei Nagetieren und Affen sowie Die Forenseisierung hemmungslos in Würmern6,9,24,28,29,30. Wir haben gezeigt, dass Fruchtfliegen hemmungsloses Sexualverhalten unter dem Einfluss von Ethanol31zeigen. Insbesondere, Wildtyp Männchen Fliegen selten Gericht andere Männchen ohne Ethanol31 und wenn sie es tun, Höfliche aktiv ablehnen höflichMännchen. Unter dem Einfluss von Ethanol zeigen männliche Fliegen jedoch mehr Höflichkeit gegenüber anderen Männchen und Höflichkeiten zeigen weniger Ablehnung, was zu einer insgesamt verbesserten intermalen Balz führt. Insbesondere entwickeln Fliegen eine Verhaltenssensibilisierung für die Hemmungswirkung bei wiederkehrender Ethanol-Exposition, die als einzigartiges System zur Untersuchung von EIBS31,32dient.
In diesem Bericht beschreiben wir, wie man den Flypub-Assay und die Daten einrichtet, durchführt, behebt und analysiert, um ethanolinduzierte Hemmung und Sensibilisierung in der Fruchtfliege Drosophila melanogasterzu untersuchen. Um seine Nützlichkeit und Wirksamkeit zu gewährleisten, testeten wir den Wildtyp Canton-S (CS; Kontrollfliegenstamm) zusammen mit den Fliegen mit einem Mangel an Tyramin-Hydroxylase (t’h), die Oktopamin (OA) synthetisiert. OA ist ein wichtiger Neuromodulator bei wirbellosen Tieren33,34 und spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Ethanoltoleranz bei Fliegen22. Wir berichten hier zum ersten Mal, dass OA für die EIBS wichtig ist.
In diesem Bericht haben wir die Einrichtung und das detaillierte Protokoll des Flypub-Assays beschrieben; eine neuartige Methode, um zu messen, wie wiederkehrende Ethanol-Exposition hemmungslose Balz und Verhaltenssensibilisierung auslöst. Obwohl der Flypub-Assay relativ einfach ist, erfordern mehrere Schritte Sorgfalt und Aufmerksamkeit, um zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten. Erstens müssen die Fliegen für die Prüfung vollständig pigmentiert (d. h. voll entwickelte erwachsene Fliegen), gesund und intakt sein. Missbildungen oder Schäden vor allem in ihren Flügeln oder Beinen können die Fähigkeit des Mannes beeinflussen, zu hofen. Zweitens ist das Fliegenalter wichtig und muss zwischen Kontroll- und Versuchsgruppen abgeglichen werden (optimales Alter: 3-5 Tage alt bei Ethanol-Exposition 1). Zwei Wochen und ältere wilde männliche Fliegen neigen dazu, die erhöhten Niveaus der hemmungslosen Balz31anzuzeigen. Daher ist eine ordnungsgemäße Altersanpassung der untersuchten Fliegen unerlässlich, um variable Ergebnisse zu vermeiden. Drittens ist die Flugnummer pro Kneipe entscheidend (optimal: 33 pro Kneipe). Die niedrigeren oder höheren Flugzahlen pro Kneipe können die Platzzahlen stark verzerren (Daten werden nicht angezeigt). Viertens müssen die Flypub-Kammern identische Volumina haben, wie in Abbildung 2Bdargestellt. Dadurch wird sichergestellt, dass Fliegen Ethanoldampf synchron erhalten und die ausgelösten Verhaltensweisen konsistent sind. Fünftens sind eine klare Videoaufzeichnung und eine präzise Balzbewertung unerlässlich. Dieses Protokoll hängt stark von Verhaltensbeobachtungen ab, daher ist die sorgfältige Einhaltung des standardisierten Courtship-Scoring-Protokolls von grundlegender Bedeutung, um inkonsistente Ergebnisse zu minimieren. Schließlich wird dringend empfohlen, sowohl die Ethanol-Exposition als auch die Balz-Scoring-Schritte blind durchzuführen, wenn ein Experimentator keine Kenntnis von Fliegengenotypen oder experimentellen Behandlungen hat, wodurch experimentelle Verzerrungen verhindert werden.
Der Flypub-Assay hat mehrere Vorteile. Erstens können mehrere Gruppen von Fliegen gleichzeitig getestet und verglichen werden. Zweitens ist es kostengünstig, einfach einzurichten und leicht zu erlernen, so dass es sehr zugänglich für Experimentatoren auf allen Ebenen, einschließlich Grundschüler, Bachelor- und Graduiertenstudenten, Postdocs und Fakultät sowie Lehrlabore mit begrenztem Platz und Budgets. Drittens kann es genutzt werden, um zusätzliche Verhaltensweisen wie hemmungslose Balz von weiblichen Fliegen und die beruhigende Wirkung von Ethanol oder anderen Beruhigungsmitteln zu messen, um die anfängliche Empfindlichkeit und Toleranzentwicklung und -erhaltung zu bewerten31,32. Zusammen ist der Flypub eine vielseitige Methode, um verschiedene Eigenschaften von AUD zu studieren.
Die Hauptbeschränkung des Flypub-Assays ist das rigorose und mühsame Balz-Scoring-Regime. Das Balzverhalten unter dem Einfluss von Ethanol ist in einer Weise hochdynamisch, dass die Balzdauer von weniger als einer Sekunde bis zu vielen Minuten reicht und sich die fliegenden Fliegen, die in der Balz beschäftigt sind, eher häufig ändern. Das hier vorgestellte Bewertungsregime wurde entwickelt, um diese dynamische Natur zu integrieren und konsistente Werte für einzelne Ethanol-Expositionen für einen bestimmten Genotyp31,32zu liefern. Wie im Protokoll erwähnt, wird die Balzaktivität manuell bewertet, was zeitaufwändig ist. Mehrere automatisierte Scoring-Programme wurden entwickelt, um unvoreingenommene High-Throughput-Verhaltensscreening zu ermöglichen und alle verlassen sich auf einzelne Fliegen Bewegungen und Positionen39,40,41,42,43,44,45. Wir haben auch versucht, eine Computersoftware zu entwickeln, um die Balztätigkeit automatisch zu zählen, konnten aber keine konsistenten und zuverlässigen Ergebnisse erzielen. Dies könnte auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass Verhaltensbewertung mehrere Balzschritte umfasst (d.h. nach einseitiger Flügelverlängerung, Bauchbiegung und -montage)35,36,46 von mehreren Fliegen auf einmal. Selbst mit dieser Einschränkung sollte ein Experimentator mit entsprechender Ausbildung in der Lage sein, das ethanolinduzierte Balzverhalten mit Konsistenz und Genauigkeit zu quantifizieren. Dennoch wäre es von großer Hilfe und Wichtigkeit, maschinelles Lernen oder andere fortgeschrittene Algorithmen als Follow-up zu übernehmen.
Ähnlich wie bei Nagetiermodellen konzentrierten sich die Studien über Ethanol im Fliegenmodell weitgehend auf die stimulierende und beruhigende Wirkung des Ethanols. Der Flypub-Assay misst jedoch hemmungslose Balz, eine Art kognitive Hemmung, die neu ist31,32. Daher kann der Flypub helfen, die molekularen Akteure, zellulären Bahnen und neuronalen Schaltkreise sowie die Risikofaktoren (z. B. Alter, Schlaf, Ernährung oder soziale Umgebung) zu klären, die für Verhaltenshemmung und Sensibilisierung entscheidend sind. Wir haben bereits gezeigt, dass Dopamin-Signalisierung für EIBS erforderlich ist, was den Ergebnissen in Nagetiermodellen und menschlichen Probanden6,9,31entspricht. Auch als Beweis des Konzepts untersuchten wir die th Mutante ohne OA (das wirbellose Gegenstück von Noradrenalin) und fanden heraus, dass OA auch wichtig für die Verhaltenssensibilisierung für die Hemmungswirkung des Ethanols ist, obwohl sein Beitrag im Vergleich zu Dopamin31relativ gering ist. Diese Feststellung steht im Gegensatz zu der Feststellung von Scholz47, dass diet h mutierten Fliegen keine offensichtlichen Beeinträchtigungen in der Sensibilisierung für die bewegungsmotorische Aktivierungswirkung des Ethanols aufweisen47. Dies deutet auf ausgeprägte molekulare, zelluläre und neuronale Bahnen hin, die eine Verhaltenssensibilisierung für die Hemmung versus die motorische Aktivierung vermitteln. Folgestudien sollten diesen verlockenden Begriff weiter zusammenarbeiten.
Zusammenfassend ist der Flypub eine kostengünstige, facettenreiche und effektive Methode, um die Verhaltensreaktionen auf Ethanol zu untersuchen, insbesondere Hemmung und Verhaltenssensibilisierung, die dazu beitragen kann, unser Verständnis von AUD zu fördern und Einblicke in wirksame Interventionen für diese chronische Erkrankung zu geben.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von den NiaAA 1R15AA020996, NIMH R21MH109953, Brain & Behavior Research Foundation NARSAD und NIMHD 2G12MD007592 NMD Cluster Grants unterstützt. Wir danken auch dem NIH-finanzierten RISE-Programm (NIGMS 5R25GM069621) für die Unterstützung von NMD und CMS, dem UTEP COURI-SURPASS-Programm zur Unterstützung von NMD, dem NIH-finanzierten MARC-Programm (NIGMS 2T34GM008048-31) für die Unterstützung von AA und dem Dr. Keelung Hong Graduate Fellowship zur Unterstützung von EBS. Wir schätzen die UTEP-Kommunikationsabteilung sehr: Darlene Barajas, Christian Rivera, Karina Moreno, Jose Loya Fernandez und die Musikabteilung: Stephen A. Haddad für ihre Hilfe bei der Video- und Voice-over-Produktion. Schließlich sind wir Dr. Andreas Thum sehr dankbar, dass er die th Mutante im Kanton-S-Hintergrund mit der Kontrolle Canton-S-Fliegen geteilt hat; und Jessica Burciaga für ihren wertvollen Beitrag zu den ersten Studien über Oktopamin und die Han-Labormitglieder zur Diskussion und Unterstützung.
95 % Ethanol | VWR Chemicals | BDH1158-4LP | |
Canton-S | – | – | wild-type strain used as a control |
Copy stand with arms | Kaiser | 205411 | model RS 2-XA, with one central arm and two lateral arms; to set up a flypub station |
Cotton rounds | Swisspers | COT-027 | to deliver ethanol |
Excel | Microsoft | – | to analyze data; any worksheet or spreadsheet software can be used |
Fluorescent light bulb | Lights of America | 7108N | maximum (120 V-70 W Max.); to illuminate the flypub station |
Microsoft LifeCam software | Microsoft | – | version 3.60; to videotape flypubs |
Microsoft LifeCam Studio | Microsoft | Q2F-00013 | 1080P HD sensor; to videotape flypubs |
Minitab 17 | Minitab | – | version 17; to conduct statistical analysis; any statistical analysis software can be used |
Nylon mesh sheet | Sefar Nitex | – | model B0043D1TVY, opaque white, 200 microns mesh; to make a flypub |
Petri dishes | Falcon | 08-757-100A | 35 x 10 mm; to deliever ethanol |
Plastic funnel – mid size | Fisher scientific | 10-348A | 65 mm diameter and 67 mm height; to transfer sedated flies from a flypub into a food vial |
Plastic funnel – small | Fisher scientific | 07-202-121 | 4 mm diameter and 46 mm height; to transfer flies from a vial into a flypub |
Polycarbonate sheet | Lexan | – | 0.762 mm thickness, clear, 610 x 1220 mm Nominal; to make a flypub |
Round-bottom bottle | Fisher scientific | AS115 | polypropylene, 103 mm height, 60 mm diameter and 177 ml capacity; to make a flypub |
Soldering iron | Weller | WES51 | to make a hole in a flypub |
Time code | – | – | .smi file, a subtitle ticking timecode created in Han lab; to monitor time during courtship scoring; any time subtitles may be used |
Tyramine b hydroxylase (tbh) | – | – | mutant fly strain (nM18 null allele)deficient in tbh in the wild-type Canton-S background ; obtained from Dr. Andreas Thum (University of Leipzig, Leipzeig, Germany) |
VLC media player | VideoLAN | – | version 3.0.8; any media player can be used to score courtship |