A mosca-da-fruta (Drosophila melanogaster) é amplamente utilizada para pesquisas biológicas e toxicológicas. Para expandir a utilidade das moscas, desenvolvemos um instrumento, o serial anesthesia array, que expõe simultaneamente múltiplas amostras de moscas a anestésicos gerais voláteis (AGV), tornando possível investigar os efeitos colaterais (tóxicos e protetores) dos AGVs.
Os anestésicos gerais voláteis (AGV) são usados em todo o mundo em milhões de pessoas de todas as idades e condições médicas. Altas concentrações de VGAs (centenas de micromolares a baixos milimolares) são necessárias para alcançar uma supressão profunda e não fisiológica da função cerebral, apresentando-se como “anestesia” para o observador. O espectro completo dos efeitos colaterais desencadeados por concentrações tão altas de agentes lipofílicos não é conhecido, mas interações com o sistema imune-inflamatório têm sido observadas, embora seu significado biológico não seja compreendido.
Para investigar os efeitos biológicos dos VGAs em animais, desenvolvemos um sistema denominado serial anesthesia array (SAA) para explorar as vantagens experimentais oferecidas pela mosca-da-fruta (Drosophila melanogaster). O SAA consiste em oito câmaras dispostas em série e conectadas a um fluxo de entrada comum. Algumas peças estão disponíveis no laboratório, e outras podem ser facilmente fabricadas ou compradas. Um vaporizador, que é necessário para a administração calibrada de VGAs, é o único componente fabricado comercialmente. Os VGAs constituem apenas uma pequena porcentagem da atmosfera que flui através do SAA durante a operação, já que o volume (tipicamente mais de 95%) é gás transportador; A transportadora padrão é a Air. No entanto, o oxigênio e quaisquer outros gases podem ser investigados.
A principal vantagem do SAA em relação aos sistemas anteriores é que ele permite a exposição simultânea de várias coortes de moscas a doses exatamente tituláveis de VGAs. Concentrações idênticas de VGAs são alcançadas em poucos minutos em todas as câmaras, proporcionando assim condições experimentais indistinguíveis. Cada câmara pode conter desde uma única mosca até centenas de moscas. Por exemplo, o SAA pode examinar simultaneamente oito genótipos diferentes ou quatro genótipos com diferentes variáveis biológicas (por exemplo, macho vs. fêmea, velho vs. jovem). Usamos o SAA para investigar a farmacodinâmica de VGAs e suas interações farmacogenéticas em dois modelos experimentais de moscas associadas a neuroinflamação-mutantes mitocondriais e traumatismo cranioencefálico (TCE).
A existência de efeitos anestésicos colaterais (isto é, efeitos que não são imediatamente observáveis, mas podem ter consequências comportamentais tardias) é geralmente aceita, mas a compreensão de seus mecanismos e fatores de risco permanece rudimentar 1,2. Sua manifestação tardia e sutileza limitam o número de variáveis potencialmente importantes que podem ser investigadas em modelos de mamíferos dentro de prazos razoáveis e a um custo aceitável. A mosca-da-fruta (Drosophila melanogaster) oferece vantagens únicas no contexto de doenças neurodegenerativas3 e para triagem toxicológica4 que, até o momento, não foram aplicadas ao estudo dos efeitos colaterais anestésicos.
Desenvolvemos o seriado anesthesia array (SAA) para facilitar o uso de moscas-das-frutas no estudo da farmacodinâmica e farmacogenética dos anestésicos. Uma das principais vantagens da SAA é a exposição simultânea a condições experimentais idênticas de múltiplas coortes. Quando combinado com a flexibilidade experimental de moscas-das-frutas, o alto rendimento do SAA permite a exploração de variáveis biológicas e ambientais em uma escala impossível em modelos de mamíferos.
Em princípio, o SAA é simplesmente uma série de locais anestesiantes conectados (câmaras feitas de frascos de 50 mL) através dos quais um gás transportador fornece agentes voláteis. A primeira câmara do sistema contém água destilada através da qual o gás transportador é umidificado (as moscas são sensíveis à desidratação), e termina com um indicador de fluxo simples que indica o fluxo de gás através do sistema. Redes finas colocadas nas aberturas da tubulação de conexão separam as câmaras para evitar a migração de moscas entre as câmaras. O número de locais “em série” é limitado pela resistência ao fluxo de gás não pressurizado (tubulações, redes).
Caracterizamos a cinética deste protótipo SAA em publicaçãoanterior5. Embora as propriedades farmacocinéticas exatas variem entre os AAS, os fundamentos relevantes que foram testados experimentalmente são os seguintes: (i) um fluxo inicial de 1,5-2 L/min equilibra todas as câmaras (volume total de ±550 mL) com a concentração desejada de anestésico dentro de 2 min; (ii) a concentração de vapor anestésico entregue às câmaras não muda sensivelmente entre o primeiro e o último local, porque a quantidade de anestésico contida no volume de gás em uma câmara individual (50 mL) excede em muito a quantidade absorvida por qualquer número de moscas; e (iii) uma vez que as câmaras estejam equilibradas, o fluxo de gás carreador pode ser reduzido (50-100 mL/min ou menos) para evitar desperdício e contaminação do ambiente (os anestésicos voláteis têm propriedades de gases de efeito estufa). O fluxo mínimo necessário para manter uma concentração de vapor em estado estacionário depende principalmente do vazamento do SAA, já que a absorção de vapor pelas moscas é desprezível. Nessas condições padrão (isoflurano a 2% e fluxo de gás carreador de 1,5 L/min), as moscas são anestesiadas (imóveis) em todas as posições da matriz dentro de 3-4 min, com diferenças imperceptíveis entre as posições. Os VGAs podem ser administrados por minutos a horas, e nossos paradigmas típicos de exposição estão na faixa de 15 min a 2 h. Para lavar o sistema, o vaporizador é desligado e o fluxo é mantido para trocar aproximadamente 10x volumes do array (1,5 L/min por 5 min). A velocidade de eliminação do anestésico varia de acordo com a taxa de fluxo definida.
Os agentes anestésicos voláteis interagem com inúmeros alvos ainda não identificados, incluindo o sistema imune-inflamatório6. A contribuição de alvos moleculares individuais para desfechos primários versus colaterais (o “estado anestésico” vs. “efeitos colaterais” de longo e curto prazo) é pouco compreendida. Portanto, um sistema de moscas sensíveis e de alto rendimento é valioso para informar experimentos em animais superiores, apesar das diferenças óbvias entre moscas e mamíferos7. Algumas diferenças podem, de fato, ser vantajosas; Por exemplo, o sistema imunológico da mosca difere do de animais superiores por não possuir o braço adaptativo da resposta8. Embora isso possa parecer uma limitação para a compreensão da doença em humanos, oferece uma oportunidade única para estudar a interação dos VGAs com a resposta imune-inflamatória inata isoladamente da resposta adaptativa9. Isso permite estudar os efeitos farmacológicos da VGA sobre a inflamação e sua modulação pelos variados backgrounds genéticos presentes em uma população.
As etapas críticas na construção do SAA incluem garantir encaixes apertados para evitar o vazamento da mistura anestésica de gases. O SAA deve ser alojado num exaustor de fumos para evitar a contaminação do espaço do laboratório. Todos os elementos, desde as garrafas de gás transportadoras até ao indicador de caudal a jusante do AEA, devem ser verificados conforme descrito na lista de verificação.
Outros métodos de administração de AGV em moscas são complicados de operar (o inebriômetro)21, têm baixo rendimento 22, não permitem a exposição simultânea de múltiplas populações 23, não permitem o controle preciso da concentração anestésica 21 ou têm uma leitura difícil de traduzir em termos clinicamente aceitos 24.
A versão atual do SAA depende de um vaporizador comercial e, portanto, os estudos toxicológicos são limitados aos anestésicos voláteis. Se usado com outras substâncias voláteis, um vaporizador pode ser usado “off label” após calibrar a saída. Alternativamente, um método diferente de vaporização das substâncias voláteis poderia ser aplicado, o que exigiria medidas dedicadas para titular as concentrações do fármaco, como descrito anteriormente25.
Além dos indicadores de vazão, não há alarmes (ou seja, se os tanques estiverem vazios, o fluxo através do SAA será interrompido). Dependendo da intensidade do uso, o SAA pode precisar de limpeza, aperto e, possivelmente, substituição da tubulação Tygon. Realizamos “manutenção” em nosso SAA original duas vezes em 7 anos de uso.
Este método para anestesiar moscas-das-frutas permite o uso da caixa de ferramentas genéticas disponível para pesquisadores de Drosophila em um sistema de alto rendimento. Várias coortes de moscas de diferentes populações (por exemplo, genótipo, idade, sexo) podem ser expostas simultaneamente a concentrações anestésicas idênticas e à combinação desejada de gás carreador (ar,O 2, N2 O, gases nobres) adequada à questão de pesquisa em questão.
Mostramos aqui que o SAA tem sido útil para revelar mudanças inesperadas na resiliência à toxicidade do isoflurano na linha de moscas ND2360114 e que as linhagens padrão de moscas de laboratório diferem em sua responsividade ao PA.
O SAA pode ser adaptado para estudar os efeitos de outros compostos orgânicos voláteis (COV) sobre insetos (por exemplo, abelhas). Para COVs com pressões de vapor próximas às dos anestésicos voláteis (isoflurano: 240 mmHg a 20 °C), vaporizadores convencionais poderiam ser usados, mas o débito teria que ser calibrado. O vaporizador comercial para desflurano é aquecido, potencialmente oferecendo flexibilidade adicional.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Mark G. Perkins, Laboratório Pearce, Departamento de Anestesiologia, Universidade de Wisconsin-Madison, pela construção do protótipo da SAA. O trabalho é apoiado pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais (NIGMS) com R01GM134107 e pelo fundo de P&D do Departamento de Anestesiologia da Universidade de 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) |