La mouche des fruits (Drosophila melanogaster) est largement utilisée pour la recherche biologique et toxicologique. Pour étendre l’utilité des mouches, nous avons développé un instrument, le réseau d’anesthésie en série, qui expose simultanément plusieurs échantillons de mouches à des anesthésiques généraux volatils (AGV), ce qui permet d’étudier les effets collatéraux (toxiques et protecteurs) des VGA.
Les anesthésiques généraux volatils (AGV) sont utilisés dans le monde entier sur des millions de personnes de tous âges et de toutes conditions médicales. Des concentrations élevées de VGA (des centaines de micromolaires à faiblement millimolaires) sont nécessaires pour obtenir une suppression profonde et non physiologique de la fonction cérébrale se présentant comme une « anesthésie » à l’observateur. Le spectre complet des effets collatéraux déclenchés par de telles concentrations élevées d’agents lipophiles n’est pas connu, mais des interactions avec le système immuno-inflammatoire ont été notées, bien que leur signification biologique ne soit pas comprise.
Pour étudier les effets biologiques des VGA chez les animaux, nous avons développé un système appelé réseau d’anesthésie en série (SAA) pour exploiter les avantages expérimentaux offerts par la mouche des fruits (Drosophila melanogaster). Le SAA se compose de huit chambres disposées en série et reliées à un flux d’entrée commun. Certaines pièces sont disponibles en laboratoire et d’autres peuvent être facilement fabriquées ou achetées. Un vaporisateur, nécessaire à l’administration calibrée des VGA, est le seul composant fabriqué commercialement. Les VGA ne constituent qu’un faible pourcentage de l’atmosphère traversant le SAA pendant le fonctionnement, car la majeure partie (généralement plus de 95%) est constituée de gaz vecteur; Le transporteur par défaut est Air. Cependant, l’oxygène et tout autre gaz peuvent être étudiés.
Le principal avantage de la SAA par rapport aux systèmes antérieurs est qu’elle permet l’exposition simultanée de plusieurs cohortes de mouches à des doses exactement titrables de VGA. Des concentrations identiques de VGA sont obtenues en quelques minutes dans toutes les chambres, fournissant ainsi des conditions expérimentales indiscernables. Chaque chambre peut contenir d’une seule mouche à des centaines de mouches. Par exemple, la SAA peut examiner simultanément huit génotypes différents ou quatre génotypes avec des variables biologiques différentes (p. ex., mâle vs femelle, vieux vs jeune). Nous avons utilisé le SAA pour étudier la pharmacodynamique des VGA et leurs interactions pharmacogénétiques dans deux modèles expérimentaux de mouches associés à la neuroinflammation-mitochondrie mutants et aux lésions cérébrales traumatiques (TBI).
L’existence d’effets anesthésiques collatéraux (c.-à-d. des effets qui ne sont pas immédiatement observables mais qui peuvent avoir des conséquences comportementales différées) est généralement admise, mais la compréhension de leurs mécanismes et facteurs de risque reste rudimentaire 1,2. Leur manifestation tardive et leur subtilité limitent le nombre de variables potentiellement importantes qui peuvent être étudiées dans des modèles de mammifères dans des délais raisonnables et à un coût acceptable. La mouche des fruits (Drosophila melanogaster) offre des avantages uniques dans le cadre de la maladie neurodégénérative3 et pour le dépistage toxicologique4 qui, à ce jour, n’ont pas été appliqués à l’étude des effets collatéraux anesthésiques.
Nous avons développé le réseau d’anesthésie en série (SAA) pour faciliter l’utilisation des mouches des fruits dans l’étude de la pharmacodynamique anesthésique et de la pharmacogénétique. Un avantage clé de la SAA est l’exposition simultanée à des conditions expérimentales identiques de plusieurs cohortes. Associé à la flexibilité expérimentale des mouches des fruits, le débit élevé de la SAA permet l’exploration de variables biologiques et environnementales à une échelle impossible dans les modèles de mammifères.
En principe, le SAA est simplement une série d’emplacements d’anesthésie connectés (chambres constituées de flacons de 50 mL) à travers lesquels un gaz porteur délivre des agents volatils. La première chambre du système contient de l’eau distillée à travers laquelle le gaz porteur est humidifié (les mouches sont sensibles à la déshydratation), et elle se termine par un simple indicateur de débit qui indique le flux de gaz à travers le système. De fins filets placés sur les ouvertures des tubes de raccordement séparent les chambres pour empêcher la migration des mouches entre les chambres. Le nombre d’emplacements « en série » est limité par la résistance à l’écoulement de gaz non pressurisé (tubes, filets).
Nous avons caractérisé la cinétique de ce prototype SAA dans une précédente publication5. Bien que les propriétés pharmacocinétiques exactes varient d’un AAS à l’autre, les bases pertinentes qui ont été testées expérimentalement sont les suivantes : (i) un débit initial de 1,5-2 L/min équilibre toutes les chambres (volume total de ±550 mL) avec la concentration souhaitée d’anesthésique en 2 minutes ; ii) la concentration de vapeur anesthésique délivrée dans les chambres ne change pas sensiblement entre le premier et le dernier emplacement parce que la quantité d’anesthésique contenue dans le volume de gaz dans une chambre individuelle (50 mL) dépasse de loin la quantité absorbée par un nombre quelconque de mouches; et (iii) une fois que les chambres sont équilibrées, le débit de gaz porteur peut être réduit (50-100 mL/min ou moins) pour éviter le gaspillage et la contamination de l’environnement (les anesthésiques volatils ont des propriétés de gaz à effet de serre). Le débit minimal nécessaire pour maintenir une concentration de vapeur à l’état d’équilibre dépend principalement de la fuite du SAA, car l’absorption de vapeur par les mouches est négligeable. Dans ces conditions standard (2 % d’isoflurane et débit de gaz porteur de 1,5 L/min), les mouches sont anesthésiées (c.-à-d. immobiles) dans toutes les positions du réseau en 3 à 4 minutes, avec des différences imperceptibles entre les positions. Les VGA peuvent être administrés pendant quelques minutes à quelques heures, et nos paradigmes d’exposition typiques sont compris entre 15 min et 2 h. Pour rincer le système, le vaporisateur est éteint et le débit est maintenu pour échanger environ 10x les volumes du réseau (1,5 L/min pendant 5 min). La vitesse d’élimination de l’anesthésique variera avec le débit défini.
Les agents anesthésiques volatils interagissent avec de nombreuses cibles encore non identifiées, y compris le système immuno-inflammatoire6. La contribution des cibles moléculaires individuelles aux résultats primaires par rapport aux résultats collatéraux (« l’état anesthésique » par rapport aux « effets secondaires » à long et à court terme) est mal comprise. Par conséquent, un système de mouches sensible et à haut débit est précieux pour éclairer les expériences sur les animaux supérieurs, malgré les différences évidentes entre les mouches et les mammifères7. Certaines différences peuvent, en fait, être avantageuses; Par exemple, le système immunitaire de la mouche diffère de celui des animaux supérieurs en ce qu’il lui manque le bras adaptatif de la réponse8. Bien que cela puisse sembler une limitation pour comprendre la maladie chez l’homme, cela offre une occasion unique d’étudier l’interaction des VGA avec la réponse immuno-inflammatoire innée indépendamment de la réponse adaptative9. Cela permet d’étudier les effets pharmacologiques de l’AGV sur l’inflammation et leur modulation par les antécédents génétiques variés présents dans une population.
Les étapes critiques de la construction de la SAA comprennent la mise en place de raccords étanches pour éviter les fuites du mélange anesthésique de gaz. Le SAA doit être logé dans une hotte pour éviter la contamination de l’espace du laboratoire. Tous les éléments, des bouteilles de gaz vecteur à l’indicateur de débit en aval de l’ASA, doivent être vérifiés comme indiqué dans la liste de contrôle.
D’autres méthodes d’administration d’AGV aux mouches sont compliquées à utiliser (l’inébriomètre)21, ont un faible débit 22, ne permettent pas l’exposition simultanée de plusieurs populations 23, ne permettent pas un contrôle précis de la concentration anesthésique 21, ou ont une lecture difficile à traduire en termes cliniquement acceptés 24.
La version actuelle du SAA repose sur un vaporisateur commercial et, par conséquent, les études toxicologiques sont limitées aux anesthésiques volatils. S’il est utilisé avec d’autres substances volatiles, un vaporisateur peut être utilisé « hors étiquette » après avoir étalonné la sortie. Alternativement, une méthode différente de vaporisation des substances volatiles pourrait être appliquée, ce qui nécessiterait des mesures dédiées pour titrer les concentrations de médicaments, comme décrit précédemment25.
En dehors des indicateurs de débit, il n’y a pas d’alarmes (c’est-à-dire que si les réservoirs sont vides, le débit à travers la SAA sera interrompu). Selon l’intensité de l’utilisation, le SAA peut nécessiter un nettoyage, un serrage et éventuellement le remplacement du tube Tygon. Nous avons effectué une « maintenance » sur notre SAA d’origine deux fois en 7 ans d’utilisation.
Cette méthode d’anesthésie des mouches des fruits permet l’utilisation de la boîte à outils génétique à la disposition des chercheurs sur la drosophile dans un système à haut débit. Plusieurs cohortes de mouches de différentes populations (p. ex. génotype, âge, sexe) peuvent être exposées simultanément à des concentrations anesthésiques identiques et à la combinaison souhaitée de gaz vecteur (air,O2,N2O, gaz rares) adaptée à la question de recherche à l’étude.
Nous montrons ici que le SAA a été utile pour révéler des changements inattendus dans la résilience à la toxicité de l’isoflurane dans la ligne de mouche ND2360114 et que les lignées de mouches de laboratoire standard diffèrent dans leur réactivité à l’AP. L’identification de ces résultats a été possible en raison du contrôle étroit des conditions expérimentales et du débit élevé de la SAA.
Le SAA peut être adapté pour étudier les effets d’autres composés organiques volatils (COV) sur les insectes (p. ex., les abeilles). Pour les COV dont la pression de vapeur est proche de celle des anesthésiques volatils (isoflurane : 240 mmHg à 20 °C), des vaporisateurs classiques pourraient être utilisés, mais la sortie devrait être étalonnée. Le vaporisateur commercial de desflurane est chauffé, ce qui offre potentiellement une flexibilité supplémentaire.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Mark G. Perkins, Pearce Laboratory, Département d’anesthésiologie, Université du Wisconsin-Madison, pour la construction du prototype de la SAA. Le travail est soutenu par le National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) avec R01GM134107 et par le fonds de R & D du Département d’anesthésiologie de l’Université du Wisconsin-Madison.
Serial Anesthesia Array: | |||
5 mL Serological Pipettes | Fisher Scientific | 13-676-10C | Polystyrene, 5mL serological pipette |
50 mL Conical Tubes | Fisher Scientific | 1495949A | Polypropylene, 50 mL |
Cable Tie Mounting Pad | Grainger | 6EEE6 | 1.25 inch L x 1 inch W x 0.28 inch H |
Dispensing Syringe | Grainger | 5FVE0 | 10 mL with Luer-Lock Connection |
Fabric Mesh Netting | 1 mm mesh | ||
Flow Indicator | Grainger | 8RH52 | 5/16 to 1/2 inch connection size, paddle wheel style |
Tygon Tubing | Tygon | E-3603 | ID: 5/16, OD: 7/16, wall: 1/16 |
Wood Frame | 10 feet of 2 inch x 3/4 inch | ||
Zip Tie | >5inch | ||
Vaporizer Interface (Budget Alternative to Manifold): | |||
Dispensing Syringe | Grainger | 5FVE0 | 10 mL with Luer-Lock Connection |
Commercial Manifold and Vaporizers: | |||
1/4 inch Equal Barbed Y Connector | Somni Scientific | BF-9000 | |
1/8 inch NPT to 1/4 inch Barbed Elbow (Plastic) | Somni Scientific | BF-9004 | |
AIR 0-4 LPM Flowmeter w/ black knob | Somni Scientific | FP-4002 | |
Flowmeter auxiliary mounting bracket | Somni Scientific | NonInvPart | |
Medical Air, 1/8 inch NPT Male x DISS Male | Somni Scientific | GF-11012 | |
TT-2 Table Top Anesthesia System, built in dual diverter valve system. Includes 6' color coded tubing X2. (Vaporizer not Included) | Somni Scientific | TT-17000 | |
Tec 7 Isoflurane Vaporizer | GE Datex-Ohmeda | 1175-9101-000 | Agent-specific vaporizer (Isoflurane) |
Tec 7 Sevoflurane Vaporizer | GE Datex-Ohmeda | 1175-9301-000 | Agent-specific vaporizer (Sevoflurane) |