ייצור, תחזוקה וזיהוי של מודלים של דגי זברה נטולי חיידקים מזחלים ועד שלבים צעירים

המיקרוביוטה (כלומר, ארכאה, חיידקים, אאוקריה ווירוסים) ממלאת תפקיד מכריע בשמירה על בריאות המאכסן ותורמת להתפתחות מחלות שונות על ידי השפעה על תהליכים פיזיולוגיים ופתולוגיים באמצעות אינטראקציות סימביוטיות בתוך מחסום המעי, פני השטח של האפיתל ותפקודי מוצין אצל אנשים ^1,2,3. הרכב המיקרוביוטה בשלבי חיים שונים, מינקות ועד יובלה, בגרות והזדקנות, כמו גם נוכחותה במקומות שונים כגון אתרי נארס, פה, עור ומעיים, מעוצבים באופן דינמי על ידי סביבות ובתי גידול מגוונים⁴. מיקרוביוטת המעי באורגניזמים מעורבת בספיגת חומרי מזון, תגובה חיסונית, פלישת פתוגנים, ויסות מטבולי וכו^‘5,6. מחקרים על מטופלים הראו כי שיבושים במיקרוביוטה של המעי קשורים להשמנת יתר אנושית, הפרעות שינה, דיכאון, מחלות מעי דלקתיות (IBD), מחלות נוירודגנרטיביות (פרקינסון, אלצהיימר), הזדקנות וסוגי סרטן שונים ^7,8,9. יתר על כן, מסלולים אינטראקטיביים בין מיקרוביוטת המעי לפונדקאים כוללים גורמים דלקתיים, מוליכים עצביים, מטבוליטים, מחסום מעיים ועקה חמצונית, כפי שנצפה במחקרים קודמים באמצעות מודלים של עכברים ודגים ^10,11.

לאחרונה, גישות או טיפולים רבים הקשורים לחיידקים, כולל פרוביוטיקה פוטנציאלית והשתלת מיקרוביוטה בצואה (FMT), נחקרו עבור הפרעות אלה במודלים קליניים ובבעלי חיים. מחקרים אלה מבוססים על תגליות הקשורות לציר המיקרוביוטה-מעי-מוח/כבד/כליות, תוצרים שמקורם במיקרוביוטה ופעילות קולטנים משתנה^12,13. עם זאת, הפיתוח, התפקודים והמנגנונים השונים של מערכת המיקרוביוטה-פונדקאי עדיין אינם מובנים ומזוהים לחלוטין בשל המורכבות של קהילת החיידקים והאתגר של יצירת מודלים חזקים של מחלות דמויות אדם.

כדי להתמודד עם בעיות אלה, מודלים של בעלי חיים נטולי חיידקים (GF) הוצעו בדחיפות^{באמצע המאה} ה-19 ופותחו בעיקר במהלך המאה^ה-20. שכלולים מאוחרים יותר, כולל מודלים גנוטוביוטיים וטיפולים אנטיביוטיים, יחד עם התקדמות בטכנולוגיות זיהוי ותצפית מיקרוביאליות, שכללו עוד יותר את המודלים האלה 14,15,16. חיות GF, שנוצרו על ידי מחיקת הרקע שלהן והימנעות ממיקרובים סביבתיים, מציעות אסטרטגיה מצוינת לחקר יחסי הגומלין בין מיקרואורגניזמים למארחים שלהם¹⁷. באמצעות יישום מודלים של בעלי חיים ופרוטוקולים מעודנים, חוקרים הצליחו לשחזר הרכבים מיקרוביאליים דומים שנמצאו בחולים בעכברי GF ובדגים. בנוסף, מודלים אחרים של חיות GF, כגון כלבים, תרנגולות וחזירים, מספקים אפשרויות מגוונות כמושאי מחקר 18,19,20,21. גישה זו אפשרה לחקור את ההשפעות הטיפוליות האפשריות של מיקרוביום קומנסלי על מחלות שונות, כולל אימונותרפיה לסרטן בבני אדם ^16,18. מודלים של GF מציעים תובנות מדויקות יותר לגבי המאפיינים והמנגנונים של התיישבות חיידקים ספציפיים, נדידה, כפל ואינטראקציה בתוך פונדקאים. זה מספק תובנות חדשות חיוניות על התרחשות ופיתוח של מחלות הקשורות למיקרוביוטה^22,23. ההיסטוריה של הקמה ויישום של דגי זברה GF במחקר מיקרוביאלי התפתחה מהדוחות של Rawls et al. בשנת 2004 ו- Bates et al. בשנת 2006 לפרוטוקול של Melancon et al. בשנת 2017 16,24,25. עם זאת, ההיתכנות של מודלים GF בוגרים או רבייה היא עדיין תהליך ממושך, מלווה בתוחלת חיים משתנה, שיעורי הצלחה ואתגרים בריאותיים.

בין מודלים שונים של בעלי חיים, דג זברה (Danio rerio) בולט ככלי קריטי למחקר בסיסי וביו-רפואי כאחד בשל הדמיון המועיל שלו לאיברים אנושיים ולגנומיקה, מחזור התפתחות קצר, פריון גבוה ועוברים שקופים^19,26. דגי זברה, המשמשים כמודלים אמינים של מחלות אנושיות, מציעים ייצוג חזותי של תהליכים פיזיולוגיים ופתולוגיים in vivo, ומספקים תובנות לגבי התכונות האטרקטיביות של אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים מארחים. יש לציין כי לדגי זברה יש שושלות תאים נפרדות, המאפשרות הדמיה של פיזיולוגיה של המעי, דינמיקה מיקרוביאלית, גונדות והתפתחות רבייה, הבשלה של מערכת החיסון של המאכסן, התנהגות ומטבוליזם²⁷. עוברי דגי זברה מתפתחים בתוך כוריות הגנה עד הבקיעה, והופכים לזחלים לאחר 3 ימים לאחר ההפריה (dpf). הם צדים באופן פעיל מזון ב 5 dpf ומגיעים לבגרות מינית סביב 3 חודשים לאחר ההפריה (mpf)²⁸. דג הזברה המוצלח הראשון ללא חיידקים (GF), שדווח על ידי Rawls et ^al.24, הראה כי זחלים שניזונו ממזון אוטוקלאבי לאחר ספיגת החלמון הציגו נמק רקמות מ- 8 dpf ומוות כולל ב- 20 dpf. זה הצביע על ההשפעות של דיאטה או על החשיבות של התחשבות באספקת חומרים מזינים אקסוגניים בניסויים הכוללים דגים לטווח ארוך (>7 dpf) GF²⁹. מחקרים מאוחרים יותר שיפרו את פרוטוקול הייצור של דגי GF, תוך שימוש במזון סטרילי ובשיטות ששוכללו במודלים שונים של דגים¹⁶.

עם זאת, רוב המחקר על מודלים של דגי זברה GF התמקד בשלבי חיים מוקדמים, הכוללים זיהום חיידקי ב 5 dpf במשך 24 שעות עד 48 שעות, עם דגימות שנאספו לפני 7 dpf בסיום הניסויים 25,30,31. ידוע כי המיקרוביוטה באורגניזמים, כולל בני אדם ודגי זברה, מאוכלסת בתחילת החיים ומעוצבת במהלך גדילה והתפתחות. ההרכב נשאר יציב בשלבים בוגרים, כאשר תפקידי המיקרוביוטה בפונדקאי הם קריטיים לאורך החיים, במיוחד בהזדקנות, ניוון עצבי, השמנת יתר מטבולית ומחלות מעיים³. לפיכך, פרספקטיבות של חיות GF עם הישרדות ארוכה יותר יכולות לספק תובנות לגבי המנגנונים של תפקידים מיקרוביאליים בהתפתחות איברים מארחים ותפקודם, בהתחשב במערכות החיסון והרבייה הלא בשלות של זחלי דגים בתחילת החיים. בעוד זני חיידקים במעיים של דגי זברה בודדו וזוהו במחקרים קודמים, והציעו את הפוטנציאל להדבקת מודלים של GF בבעלי חיים לבחירת פרוביוטיקה או לחקר תפקודי חיידקים בפונדקאי^19,25, הדור והיישום של מודלים של דגי GF הוגבלו בעיקר לשלבי חיים מוקדמים. מגבלה זו, המיוחסת לתהליך הייצור המורכב, עלויות תחזוקה גבוהות ובעיות הקשורות למזון ולמערכת החיסון, מעכבת את מאמצי המחקר שמטרתם לחקור את ההשפעות ההתפתחותיות והכרוניות של מיקרוביוטה בפונדקאי.

שיעור ההישרדות, ההתנהגות, הגדילה, ההתבגרות והבריאות הכללית של דגים, במיוחד במודלים נטולי חיידקים (GF), מושפעים באופן משמעותי מהרגלי האכלה, הכוללים צריכת תזונה וספיגה במהלך תקופת פתיחת הפה מהזחלים המוקדמים ועד הצעירים^32,33. עם זאת, אחד האתגרים בגידול דגי GF הוא המחסור בתזונה סטרילית מתאימה, המגביל את יעילות התמיכה התזונתית לקיום הצמיחה וההישרדות של הזחלים. פתרון בעיה זו חיוני לשיקום חייהם של דגי GF, בהתחשב במנגנוני ההגנה ההתפתחותיים שלהם וביכולות העיכול החלשות שלהם עקב היעדר מיקרוביום במעי. מבחינת מזון, שרימפס מלח חי (Artemia sp.) מתגלה כתזונה המתאימה ביותר לזחלים פתוחים לפה לדגים צעירים. נצפה כי דגים הניזונים מחסילוני מלח חיים מפגינים שיעורי גדילה והישרדות גבוהים יותר בהשוואה לאלה הניזונים מחלמון ביצה מבושל או פיתיונות טבעיים וסינתטיים אחרים³⁴. בעוד שמודלים מוקדמים של דגי GF יכולים לשרוד עם תמיכה בחלמון ומודלים של זחלי GF יכולים להישמר עם הזנה סטרילית, יצירת מודלים ארוכי טווח מזחלים לצעירים והגעה לבגרות מינית נותרה מאתגרת. בנוסף, מזון פתיתים או אבקה מוגבל על ידי הרכב תזונתי לא שוויוני ויכול להשפיע על איכות המים. לעומת זאת, לארטמיה חיה יתרונות כגון הישרדות הן במלח והן במים מתוקים, גודל קטן המתאים לזחלים לבוגרים, קלות האצווה ואיכות בקיעה גבוהה יותר³⁵. בהתבסס על שיטות קודמות 16,24,30, פישטנו את תהליך הטיפול המורכב והתמודדנו עם אתגר הדיאטה על ידי ביסוס GF לחיות ארטמיה sp. מודגר בקלות כמזון סטרילי לפרקי זמן ארוכים יותר מאשר דגי GF בתחילת החיים.

מחקר זה מציג פרוטוקול אופטימלי המכסה (1) דור, (2) תחזוקה, (3) זיהוי קצב סטרילי, ו-(4) תחזוקה והזנה כדי להבטיח צמיחה של דגי זברה נטולי חיידקים (GF) מעוברים לזחלים ולשלבים צעירים. התוצאות מציעות ראיות ראשוניות על בקיעה, הישרדות, גדילה וסטריליות של דגי זברה GF, יחד עם מדדים חיוניים עבור GF Artemia sp. כמזון סטרילי. השלבים המפורטים ביצירת מודלים והכנה של מזון חי סטרילי מספקים תמיכה טכנית חיונית לבנייה ויישום של מודלים ארוכי טווח של דגי GF, כמו גם GF Artemia sp. במחקר אינטראקציה מיקרוביוטה-מארח. הפרוטוקול מתייחס לבידוד, זיהוי וזיהום חיידקים במודלים של דגי GF, מתווה שיטות לתיוג פלואורסצנטי חיידקי וצפייה בהתיישבות שלהם במעי דגים תחת מיקרוסקופ. דגי GF, דגים גנוטוביוטיים עם זיהום חיידקי, או מודלים של מיקרוביוטה אנושית מועברת יעברו גילויים שונים כדי להבהיר את תפקידיהם והשפעתם על חסינות המאכסן, העיכול, ההתנהגות, ויסות השעתוק וההיבטים המטבוליים. בטווח הארוך, פרוטוקול זה יכול להיות מורחב למיני דגים שונים מסוג בר, כגון מדאקה ימית, ואולי גם לקווי דגי זברה טרנסגניים נבחרים אחרים הקשורים לרקמות או מחלות ספציפיות.