Eine Smartphone-basierte Bildgebungsmethode für den Rasenvermeidungstest von C. elegans

Zu den vielen Vorteilen der Untersuchung von C. elegans gehört das einfache Nervensystem, das die Möglichkeit bietet, zu untersuchen, wie sich Veränderungen auf genetischer und zellulärer Ebene auf die Netzwerkfunktion und den Verhaltensoutput auswirken. Trotz einer begrenzten Anzahl von Neuronen zeigen C. elegans ein breites Spektrum an komplexen Verhaltensweisen. Eine davon ist die Rasenvermeidung, bei der der bakterivore Fadenwurm auf eine schädliche Nahrungsquelle reagiert, indem er den Bakterienrasen verlässt. C. elegans meiden Rasenflächen mit pathogenen Bakterien ^1,2,3, Rasenflächen mit Bakterien, die Toxine produzieren oder mit Toxinen versetzt sind^1,4, und sogar RNAi-exprimierende Bakterien, deren Zielgen-Knockdown die Gesundheit der Würmer beeinträchtigt ^4,5. Studien haben gezeigt, dass Würmer auf äußere Signale reagieren, wie z. B. Metaboliten, die von den pathogenen Bakterien produziert werden ^1,6, oder auf interne Signale, die darauf hindeuten, dass das Futter sie krank macht ^4,7. Diese Signale werden über konservierte Signalwege wie den Mitogen-aktivierten Proteinkinase-Signalweg (MAPK) und den TGFβ-Signalweg (Transforming Growth Factor beta) verarbeitet und erfordern eine Kommunikation zwischen Darm und Nervensystem 4,6,7,8.

Obwohl der Test einfach ist, entwickelt sich das erlernte Verhalten über viele Stunden, oft über Nacht. Während es Mutanten gibt, die nicht in der Lage sind, das Defekt zu verlassen, in diesem Fall reicht es aus, das Scoring zu einem bestimmten Zeitpunkt zu vermeiden, um den Defekt zu demonstrieren, aber viele Mutanten gehen schließlich, kommen aber langsamer heraus. Für diese muss die Bewegung der Würmer alle paar Stunden verfolgt werden, was über Nacht schwierig sein kann. Auch das Zählen selbst nimmt Zeit in Anspruch, wodurch eine Verzögerungszeit zwischen den Platten entsteht und somit die Anzahl der Platten begrenzt wird, die gleichzeitig getestet werden können. Die Verwendung eines Bildgebungsaufbaus zur gleichzeitigen Aufzeichnung vieler Platten über die gesamte Dauer des Assays wäre sehr nützlich, aber die Kosten für die Einrichtung können je nach Finanzierungssituation des Forschungslabors unerschwinglich sein.

Um dieses Problem zu lösen, haben wir eine sehr einfache Methode entwickelt, bei der Smartphones verwendet werden, um Vermeidungstests aufzuzeichnen. Jedes Telefon kann Zeitraffervideos von bis zu sechs Assay-Platten aufnehmen. Für die Bereitstellung von Durchlicht verwenden wir einen Leuchtkasten mit Leuchtdioden (LED), der einfach online erworben werden kann. Die Untersuchungsplatten befinden sich auf einer erhöhten Plattform, die von hohlen rechteckigen Tunneln getragen wird, die das einfallende Licht bündeln und so einen Kontrast erzeugen. Wir stellen auch ein Python-Skript zur Verfügung, das die Videos in AVI-Dateien (Audio Video Interleave) konvertiert, die 10-Sekunden-Clips jedes stündlichen Zeitpunkts zeigen. Die Videos werden dann auf einzelne Platten zugeschnitten und in separaten Dateien gespeichert, um sie für die manuelle Zählung zu verwenden.

Die Methode bietet ein kostengünstiges Verfahren, das auch extrem einfach anzuwenden ist, wobei Gegenstände verwendet werden, die für die meisten Menschen leicht verfügbar sind. In dieser Arbeit beschreiben wir die Methode anhand des etablierten Rasenvermeidungstests gegen den humanpathogenen Erreger Pseudomonas aeruginosa (PA14), dessen Protokoll bereits beschrieben wurde ^2,9. Schließlich gehen wir auch auf die Überlegungen und Einschränkungen der Bildgebungsmethode für diejenigen ein, die sie auf andere Verhaltensexperimente von C. elegans anwenden möchten.