Zebra Balıklarında Uzun Süreli Hiperglisemi Üretmek için Glikozda Alternatif Daldırma
Summary
Bu protokol, zebra balıklarında 8 haftaya kadar hiperglisemiyi noninvaziv olarak indükler. Bu protokol kullanılarak hiperglisemi’nin olumsuz etkilerinin derinlemesine incelenmesi sağlanabilir.
Abstract
Zebra balığı (Danio rerio) Tip II Diabetes Mellitus’un (T2DM) ayırt edici özelliği olan kronik hiperglisemi etkilerini araştırmak için mükemmel bir modeldir. Bu alternatif daldırma protokolü, sekiz haftaya kadar hiperglisemiyi indüklemenin noninvaziv, adım adım bir yöntemidir. Yetişkin zebra balıkları dönüşümlü olarak her biri 24 saat boyunca şekere (glikoz) ve suya maruz kalır. Zebra balığı tedaviye 2 hafta boyunca% 1 glikoz çözeltisinde, daha sonra 2 hafta boyunca% 2 çözeltide ve son olarak kalan 4 hafta için% 3’lük bir çözeltide başlar. Su ile tedavi edilen (stres) ve mannitolle işlenmiş (ozmotik) kontrollerle karşılaştırıldığında, glikozla tedavi edilen zebra balıkları önemli ölçüde daha yüksek kan şekeri seviyelerine sahiptir. Glikozla tedavi edilen zebra balığı, kontrollerin 3 katı kan şekeri seviyesi gösterir ve hem dört hem de sekiz hafta sonra hiperglisemi elde edilebileceğini düşündürmektedir. Sürekli hiperglisemi, retinada glial fibril asidik protein (GFAP) ve artan nükleer faktör Kappa B (NF-kB) düzeyleri ve fizyolojik yanıtların azalmasının yanı sıra bu protokolün hastalık komplikasyonlarını modellemek için kullanılabileceğini düşündüren bilişsel eksikliklerle ilişkiliydi.
Introduction
Zebra balığı (Danio rerio) hızla hem hastalığı hem de bilişi incelemek için yaygın olarak kullanılan bir hayvan modeli haline geliyor1. Erken gelişim aşamalarında genetik manipülasyon ve embriyonik şeffaflığın kolaylığı, onları bilinen bir genetik temele sahip insan hastalıklarını incelemek için birincil aday haline getirir. Örneğin, zebra balığı Holt-Oram sendromu, kardiyomiyopatiler, glomerülosit böbrek hastalığı, kas distrofisi ve diabetes mellitus (DM) diğer hastalıkların yanı sıra1. Ek olarak, zebra balığı modeli, türlerin küçük boyutu, bakım kolaylığı ve yüksek doğurganlık2,3nedeniyle idealdir.
Zebra balığı pankreası hem anatomik hem de işlevsel olarakmemelipankreasına benzer 4 . Bu nedenle, büyüklüğün benzersiz özellikleri, yüksek doğurganlık ve benzeri endokrin yapılar zebra balığını DM ile ilgili komplikasyonları incelemek için uygun bir aday haline getirir. Zebra balıklarında, DM’nin karakteristiği olan uzun süreli hiperglisemiyi teşvik etmek için kullanılan iki deneysel yöntem vardır: glikoz akını (modelleme Tip 2) ve insülin salgısının kesilmesi (modelleme Tip 1)5,6. Deneysel olarak, insülin salgısını durdurmak için, pankreas β hücreleri Streptozotocin (STZ) veya Alloxan enjeksiyonları kullanılarak kimyasal olarak yok edilebilir. STZ kemirgenlerde ve zebra balıklarında başarıyla kullanılmıştır, bu da retinopati7, 8,9,bilişsel bozukluklar10ve uzuv yenilenmesi11ile ilişkili komplikasyonlara neden olur. Bununla birlikte, zebra balıklarında, β hücreleri tedaviden sonra yenilenir ve diyabetik koşulları korumak için STZ’nin “güçlendirici enjeksiyonlarının” gerekli olmasına neden olur12. Alternatif olarak, zebra balığının pankreası çıkarılabilir6. Bunlar, çoklu enjeksiyonlar ve kapsamlı iyileşme süresi nedeniyle hem son derece invaziv prosedürlerdir.
Tersine, hiperglisemi eksojen glikoz maruziyeti yoluyla noninvaziv olarak indüklenebilir. Bu protokolde, balıklar 24 saat 5 , 13 veya sürekli olarak 2 haftaboyunca 14 ,15,16için yüksek konsantre bir glikoz çözeltisinebatırılır. Ekzojen glikoz transdermally, yutularak ve/veya solungaçlar boyunca alınarak kan şekeri seviyesinin yükselmesine neden olur. Bu non-invaziv teknik doğrudan insülin seviyelerini manipüle etmediğinden, Tip 2 DM’yi indüklediğini iddia edemez. Bununla birlikte, Tip 2 DM’nin ana semptomlarından biri olan hiperglisemi tarafından indüklenen komplikasyonları incelemek için kullanılabilir.
Son zamanlarda, zebra balığı mutant pdx1-/- insanlarda Tip 2 DM’nin genetik nedeni ile bağlantılı bir gen olan pankreas ve duodenal homeobox 1 geni manipüle ederek geliştirilmiştir. Bu mutant kullanarak, araştırmacılar pankreas gelişimi bozulmasını, yüksek kan şekerini çoğaltabildiler ve hiperglisemi kaynaklı diyabetik retinopatiyi incelemeyi başardılar17,18.
Bu yazıda, alternatif bir daldırma protokolü kullanan noninvaziv hiperglisemi indüksiyon yöntemini açıklıyoruz. Bu protokol, sonraki komplikasyonların gözlenmesiyle hiperglipsemik durumları 8 haftaya kadar korur. Kısacası, yetişkin zebra balıkları 24 saat boyunca bir şeker çözeltisine ve daha sonra 24 saat boyunca bir su çözeltisine yerleştirilir. Dış glikoz çözeltilerine sürekli daldırmanın aksine, şeker ve su arasındaki alternatif günler diyabette kan şekerinin yükselmesini ve düşmesini taklit eder. Alternatif bir glikoz protokolü ayrıca hiperglisemi’nin daha uzun süre indüklenir, çünkü zebra balığı yüksek dış glikoz koşullarını telafi edememektedir. İlke kanıtı olarak, bu protokol kullanılarak indüklenen hipergliseminin retina kimyasını ve fizyolojisini değiştirdiğini gösteren veriler sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diyabet ülke çapında bir sorundur. Çalışmalar, 2030’a kadar yaklaşık 400 milyon kişinin bir tür diyabete sahip olacağını göstermektedir. Kemirgen modellerinde, Tip 2 DM genetik manipülasyon kullanılarak incelenir. Sıçanlarda, Zucker diyabetik yağlı sıçanlar (ZDF) ve Otsuka Long-Evans Tokushima yağlı sıçanları (OLETF), Tip 2 DM10’unetkileri hakkında daha fazla bilgi sağlar. Ek olarak, kemirgenlerde hiperglisemiyi teşvik etmek için yüksek yağlı diyetler kullanılmı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu protokolün geliştirilmesi için VPC, CJR ve MCP’yi kabul etmek istiyoruz. EMM, bu araştırmayı yürütmek için Amerikan Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Lisansüstü Öğrenci Desteği’nden finansal destek aldı. Bu çalışma aynı zamanda bir Amerikan Üniversitesi Fakültesi Mellon Ödülü ve Amerikan Üniversitesi Sanat ve Bilim Koleji (her ikisi de VPC’ye) aracılığıyla finanse edildi.
Materials
| Airline Tubing | petsmart | 5291863 | This can be used in the tank to circulate air |
| Airpump | petsmart | 5094984 | This can be used in the tank to circulate air |
| Airstones | petsmart | 5149683 | This can be used in the tank to circulate air |
| D-glucose | Sigma | G8270-5KG | |
| D-mannitol | Acros Organics | AC125340050 | |
| Freestyle Lite Meter | Amazon | B01LMOMLTU | |
| Freestyle Lite Strips | Amazon | B074ZN3H2Z | |
| Net | petsmart | 5175115 | |
| Tanks | Amazon | B0002APZO4 |
References
- Rubinstein, A. L. Zebrafish: from disease modeling to drug discovery. Current Opinion in Drug Discovery and Development. 6 (2), 218-223 (2003).
- Gerlai, R. Associative learning in zebrafish (Danio rerio). Methods in Cell Biology. 101, 249-270 (2011).
- Goldsmith, J. R., Jobin, C. Think small: zebrafish as a model system of human pathology. BioMed Research International. , (2012).
- Moss, J. B., et al. Regeneration of the pancreas in adult zebrafish. Diabetes. 58 (8), 1844-1851 (2009).
- Connaughton, V. P., Baker, C., Fonde, L., Gerardi, E., Slack, C. Alternate immersion in an external glucose solution differentially affects blood sugar values in older versus younger zebrafish adults. Zebrafish. 13 (2), 87-94 (2016).
- Etuk, E. U. Animal models for studying diabetes mellitus. Agriculture and Biology Journal of North America. 1 (2), 130-134 (2010).
- Agardh, E., Bruun, A., Agardh, C. D. Retinal glial cell immunoreactivity and neuronal cell changes in rats with STZ-induced diabetes. Current Eye Research. 23 (4), 276-284 (2001).
- Carmo, A., Cunha-Vaz, J. G., Carvalho, A. P., Lopes, M. C. Nitric oxide synthase activity in retinas from non-insulin-dependent diabetic Goto-Kakizaki rats: correlation with blood-retinal barrier permeability. Nitric Oxide. 4 (6), 590-596 (2000).
- Ramsey, D. J., Ripps, H., Qian, H. An electrophysiological study of retinal function in the diabetic female rat. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (11), 5116-5124 (2006).
- Biessels, G. J., Gispen, W. H. The impact of diabetes on cognition: what can be learned from rodent models. Neurobiology of Aging. 26 (1), 36-41 (2005).
- Intine, R. V., Olsen, A. S., Sarras, M. P. A zebrafish model of diabetes mellitus and metabolic memory. Journal of Visualized Experiments. (72), e50232 (2013).
- Sarras, M. P., Intine, R. V. Use of zebrafish as a disease model provides a unique window for understanding the molecular basis of diabetic metabolic memory. Research on Diabetes. , (2013).
- Gleeson, M., Connaughton, V., Arneson, L. S. Induction of hyperglycaemia in zebrafish (Danio rerio) leads to morphological changes in the retina. Acta Diabetologica. 44 (3), 157-163 (2007).
- Capiotti, K. M., et al. Hyperglycemia induces memory impairment linked to increased acetylcholinesterase activity in zebrafish (Danio rerio). Behavioural Brain Research. 274, 319-325 (2014).
- Capiotti, K. M., et al. Persistent impaired glucose metabolism in a zebrafish hyperglycemia model. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology. 171, 58-65 (2014).
- Capiotti, K. M., et al. Hyperglycemia alters E-NTPDases, ecto-5′-nucleotidase, and ectosolic and cytosolic adenosine deaminase activities and expression from encephala of adult zebrafish (Danio rerio). Purinergic Signaling. 12 (2), 211-220 (2016).
- Ali, Z., et al. Photoreceptor Degeneration Accompanies Vascular Changes in a Zebrafish Model of Diabetic Retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 61 (2), 43 (2020).
- Wiggenhauser, L. M., et al. Activation of Retinal Angiogenesis in Hyperglycemic pdx1-/- Mutants. Diabetes. 69 (5), 1020-1031 (2020).
- Chen, X. L., et al. Involvement of HMGB1 mediated signalling pathway in diabetic retinopathy: evidence from type 2 diabetic rats and ARPE-19 cells under diabetic condition. Journal of Ophthalmology. 97, 1598-1603 (2013).
- Costa, E., et al. Effects of light exposure, pH, osmolarity, and solvent on the retinal pigment epithelial toxicity of vital dyes. American Journal of Ophthalmology. 155, 705-712 (2013).
- Alvarez, Y., et al. Predominant cone photoreceptor dysfunction in a hyperglycemic model of non-proliferative diabetic retinopathy. Disease Models and Mechanisms. 3, 236-245 (2010).
- Fletcher, E. L., Phipps, J. A., Wilkinson-Berka, J. L. Dysfunction of retinal neurons and glia during diabetes. Clinical and Experimental Optometry. 88, 132-145 (2005).
- Fletcher, E. L., Phipps, J. A., Ward, M. M., Puthussery, T., Wilkinson-Berka, J. L. Neuronal and glial abnormality as predictors of progression of diabetic retinopathy. Current Pharmaceutical Design. 13, 2699-2712 (2007).
- Agardh, E., Bruun, A., Agardh, C. D. Retinal glial cell immunoreactivity and neuronal cell changes in rats with STZ- induced diabetes. Current Eye Research. 23, 276-284 (2001).
- Barber, A. J., Antonetti, D. A., Gardner, T. W., Group, T. P. S. R. R. Altered expression of retinal occludin and glial fibrillary acidic protein in experimental diabetes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41, 3561-3568 (2000).
- Lieth, E., et al. Glial reactivity and impaired glutamate metabolism in short-term experimental diabetic retinopathy. Diabetes. 47, 815-820 (1998).
- Rungger-Brandle, E., Dosso, A. A., Leuenberger, P. M. Glial reactivity, an early feature of diabetic retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 41, 1971-1980 (2000).
- Zeng, X. X., Ng, Y. K., Ling, E. A. Neuronal and microglial response in the retina of streptozotocin-induced diabetic rats. Visual Neuroscience. 17, 463-471 (2000).
- Mizutani, M., Gerhardinger, C., Lorenzi, M. Muller cell changes in human diabetic retinopathy. Diabetes. 47, 445-449 (1998).
- Tanvir, Z., Nelson, R., DeCicco-Skinner, K., Connaughton, V. P. One month of hyperglycemia alters spectral responses of the zebrafish photopic electroretinogram. Disease Models and Mechanisms. 11, (2018).
- Hancock, H. A., Kraft, T. W. Oscillatory potential analysis and ERGs of normal and diabetic rats. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 45, 1002-1008 (2004).
- Layton, C. J., Safa, R., Osborne, N. N. Oscillatory potentials and the b-wave: partial masking and interdependence in dark adaptation and diabetes in the rat. Graefe’s Archives for Clinical and Experimental Ophthalmology. 245, 1335-1345 (2007).
- Li, Q., Zemel, E., Miller, B., Perlman, I. Early retinal damage in experimental diabetes: electroretinographical and morphological observations. Experimental Eye Research. 74, 615-625 (2002).
- Kohzaki, K., Vingrys, A. J., Bui, B. V. Early inner retinal dysfunction in streptozotocin-induced diabetic rats. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 49, 3595-3604 (2008).
- Phipps, J. A., Yee, P., Fletcher, E. L., Vingrys, A. J. Rod photoreceptor dysfunction in diabetes: activation, deactivation, and dark adaptation. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47, 3187-3194 (2006).
