זחלי דגי זברה כמודל להערכת רדיוסנסיטיזרים או מגינים פוטנציאליים
Summary
דג הזברה נוצל לאחרונה כמודל לאימות משנים פוטנציאליים של קרינה. הפרוטוקול הנוכחי מתאר את השלבים המפורטים לשימוש בעוברים של דגי זברה לניסויי סינון מבוססי קרינה וכמה גישות תצפיתיות להערכת ההשפעה של טיפולים וקרינה שונים.
Abstract
דגי זברה נמצאים בשימוש נרחב במספר סוגים של מחקר מכיוון שהם אחד המודלים המתוחזקים בקלות של בעלי חוליות ומציגים מספר תכונות של מערכת מודל ייחודית ונוחה. מכיוון שתאים בעלי שגשוג גבוה רגישים יותר לנזק לדנ”א הנגרם על ידי קרינה, עוברים של דגי זברה הם מודל in vivo בחזית במחקר הקרינה. בנוסף, מודל זה מקרין את השפעת הקרינה ותרופות שונות תוך זמן קצר, יחד עם אירועים ביולוגיים מרכזיים ותגובות נלוות. מספר מחקרי סרטן השתמשו בדגי זברה, ופרוטוקול זה מבוסס על שימוש במשנים קרינה בהקשר של הקרנות וסרטן. שיטה זו יכולה לשמש בקלות כדי לאמת את ההשפעות של תרופות שונות על עוברים מוקרנים ובקרה (שאינם מוקרנים), ובכך לזהות תרופות כתרופות רגישות רדיו או תרופות הגנה. למרות שמתודולוגיה זו משמשת ברוב ניסויי סינון התרופות, פרטי הניסוי והערכת הרעילות על רקע החשיפה לקרינת רנטגן מוגבלים או מטופלים רק בקצרה, מה שמקשה על ביצועו. פרוטוקול זה מטפל בבעיה זו ודן בהליך ובהערכת רעילות עם המחשה מפורטת. הנוהל מתאר גישה פשוטה לשימוש בעוברים של דגי זברה למחקרי קרינה ולבדיקת תרופות מבוססות קרינה עם אמינות ויכולת שחזור רבה.
Introduction
דג הזברה (Danio rerio) הוא מודל ידוע של בעלי חיים שנמצא בשימוש נרחב במחקר במהלך 3 העשורים האחרונים. זהו דג מים מתוקים קטן שקל לגדל ולגדל בתנאי מעבדה. דג הזברה נמצא בשימוש נרחב במחקרים התפתחותיים וטוקסיקולוגיים שונים 1,2,3,4,5,6,7,8. דג הזברה הוא בעל פריון גבוה ודור עוברי קצר; העוברים מתאימים למעקב אחר שלבי התפתחות שונים, הם שקופים מבחינה חזותית, והם מתאימים למגוון רחב של מניפולציות גנטיות ופלטפורמות סינון בתפוקה גבוהה 9,10,11,12,13,14. מלבד זאת, דג הזברה מספק טוטו והדמיה חיה שעבורה ניתן ללמוד בקלות את תהליך התפתחותו ועיוותים שונים בנוכחות חומרים או גורמים רעילים שונים באמצעות סטריאו או מיקרוסקופ פלואורסצנטי 7,15,16.
רדיותרפיה היא אחת הדרכים הטיפוליות העיקריות המשמשות לטיפול בסרטן 17,18,19,20,21,22,23,24. עם זאת, הקרנות סרטן דורשות רדיואקטיבים פוטנציאליים כדי להגן על תאים בריאים נורמליים מפני מוות תוך הריגת תאים ממאירים או לשמור על בריאות האדם במהלך טיפול הכולל קרינה באנרגיה גבוהה 25,26,27,28,29. לעומת זאת, רדיוסנסיטיזרים חזקים נחקרים גם כדי להגביר את יעילות הקרינה להרוג תאים ממאירים, במיוחד בטיפולים ממוקדים ומדויקים 30,31,32,33. לכן, כדי לאמת רדיו-מגינים ורגישים חזקים, מודל המתאים לסינון תרופות בתפוקה גבוהה למחצה ומציג השפעות קרינה באופן מדיד מתבקש מאוד. מספר מודלים זמינים משמשים במחקרי קרינה ומעורבים בניסויי סינון תרופות. עם זאת, בעלי חוליות גבוהים יותר ואפילו מודל ה-in vivo הנפוץ ביותר, עכברים, אינם מתאימים לבדיקות סקר בקנה מידה גדול מכיוון שזה גוזל זמן, יקר ומאתגר לתכנן ניסויי סינון כאלה עם מודלים אלה. באופן דומה, מודלים של תרביות תאים אידיאליים עבור סוגים שונים של ניסויי סינון תרופות בתפוקה גבוהה34,35. עם זאת, ניסויים המערבים תרביות תאים אינם תמיד פרגמטיים, ניתנים לשחזור או אמינים מכיוון שתאים בתרבית עשויים לשנות את התנהגותם באופן ניכר בהתאם לתנאי הגידול והקינטיקה שלהם. כמו כן, סוגים שונים של תאים מראים רגישות דיפרנציאלית לקרינה. יש לציין כי מערכות תרבית תאים דו-ממדיות ותלת-ממדיות אינן מייצגות את תרחיש האורגניזם כולו, ולכן, התוצאות המתקבלות עשויות שלא לשחזר את רמת הרדיוטוקסיות בפועל36,37. בהקשר זה, דג הזברה מספק מספר יתרונות בהקרנה עבור radiosensitizers חדשים radioprotectors. קלות הטיפול, גודל המצמד הגדול, תוחלת החיים הקצרה, ההתפתחות העוברית המהירה, שקיפות העובר וגודל הגוף הקטן הופכים את דג הזברה למודל מתאים לבדיקת תרופות בקנה מידה גדול. בשל היתרונות הנ”ל, ניתן לחזור על ניסויים בקלות תוך זמן קצר, וניתן לצפות באפקט בקלות תחת מיקרוסקופ מנתח בלוחות מרובי בארות. לפיכך, דג הזברה צובר פופולריות במחקר סינון תרופות הכולל מחקרי קרינה38,39.
הפוטנציאל של דגי זברה כמודל בונאפיד לסינון משנים של קרינה הוכח במחקרים שונים 40,41,42,43,44,45. ההשפעה הרדיו-מגינה של משנים פוטנציאליים של רדיו, כגון ננו-חלקיקים DF1, אמיפוסטין (WR-2721), חלבוני תיקון DNA KU80 ו-ATM, ותאי גזע המטופויטיים מושתלים, וההשפעות של רדיוסנסיטיזרים, כגון פלבופרידול ו-AG1478, במודל דגי הזברה דווחו 19,41,42,43,44,45,46 . באמצעות אותה מערכת, ההשפעה הרדיו-מגינה של DF-1 (ננו-חלקיק פולרן) הוערכה הן ברמה המערכתית והן ברמה הספציפית לאיברים, וגם השימוש בעוברים של דגי זברה לבדיקת רדיו-פרוטקטורים נחקר עוד יותר47. לאחרונה דווח על דבש קלולוט כמגן רדיו בעוברים של דגי זברה ונמצא כי הוא מגביר את הישרדות העובר ומונע נזק ספציפי לאיברים, נזק לדנ”א התאי ואפופטוזיס48.
באופן דומה, ההשפעות הרדיו-הגנתיות של פולימרים שנוצרו באמצעות תגובתו של האנטש נבדקו על עוברים של דגי זברה בסינון בתפוקה גבוהה, וההגנה ניתנה בעיקר על ידי הגנה על התאים מפני נזק לדנ”א49. באחד המחקרים הקודמים, סטטין פלובסטטין ליפופילי נמצא כרדיוסנסיטיזר פוטנציאלי באמצעות מודל דג הזברה בגישה זו50. באופן דומה, ננו-חלקיקי זהב נחשבים לרדיו-סנסיטיזר אידיאלי ושימשו במחקרים רבים51,52.
ההתפתחות העוברית בדגי זברה כרוכה בפיצול ב-3 השעות הראשונות שבהן זיגוטה חד-תאית מתחלקת ליצירת 2 תאים, 4 תאים, 8 תאים, 16 תאים, 32 תאים ו-64 תאים שניתן לזהות בקלות באמצעות סטריאומיקרוסקופ. לאחר מכן, הוא מגיע לשלב הבלסטולה עם 128 תאים (2.25 שעות לאחר ההפריה, hpf), שבו התאים מכפילים את עצמם כל 15 דקות וממשיכים דרך השלבים הבאים: 256 תאים (2.5 hpf), 512 תאים (2.75 hpf), ומגיעים ל-1,000+ תאים תוך 3 שעות בלבד (איור 1). בשעה 4 הביצית מגיעה לשלב הכדור, ואחריו נוצרת צורת כיפה במסה העוברית 7,53,54. הגסטרולציה בדגי זברה מתחילה מ-5.25 כ”ס54, שם היא מגיעה לשלב המגן. המגן מציין בבירור את תנועת ההתכנסות המהירה של התאים לצד אחד של טבעת הנבט (איור 1), והוא שלב בולט ומובהק של עוברים מתגבשים שניתן לזהות בקלות53,54. אף על פי שחשיפה לקרינה לעוברים יכולה להיעשות בכל שלב של התפתחותם, חשיפה לקרינה במהלך גסטרולציה עשויה להיות בעלת שינויים מורפולוגיים ברורים יותר המאפשרים קריאה טובה יותר של רעילות הנגרמת על ידי קרינה55; באופן דומה, מתן תרופות לעוברים יכול להתחיל כבר 2 HPF54.
Protocol
Representative Results
Discussion
דגי זברה משמשים כמודלים בעלי ערך במחקרים רבים, כולל סוגים שונים של חקר הסרטן. מודל זה מספק פלטפורמה שימושית לבדיקת סמים בקנה מידה גדול67,68. כמו כל שיטה אחרת להערכת רעילות, ההערכה הכמותית של השינויים הביולוגיים העיקריים בעת קרינה ו / או טיפול תרופתי היא החלק הח…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המעבדה של SS והמעבדה של RKS ממומנות על ידי מענקים של DBT ו- SERB, הודו. APM היא זוכת מלגת ICMR, ממשלת הודו. DP היא זוכת מלגת CSIR, ממשלת הודו. האו”ם זכה במלגת DST-Inspire, ממשלת הודו. איור 2 נוצר באמצעות Biorender (https://biorender.com).
Materials
| 6 Well plates | Corning | CLS3335 | Polystyrene |
| B.O.D Incubator | Oswald | JRIC-10 | |
| Calcium Chloride | Fisher Scientific | 10101-41-4 | |
| Dissecting Microscope | Zeiss | Stemi 2000 | |
| External Tank for the 1.0 L Breeding Tank | Tecniplast | ZB10BTE | Polycarbonate |
| Glass petriplates | Borosil | 3165A75 | Glass |
| GraphpadPrism | GraphPad Software, Inc. | Version 5.01 | |
| Kline concavity slides | Himedia | GW092-1PK | Glass |
| Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| Methylene blue hydrate | Sigma-Aldrich | 66720-100G | |
| Parafilm | Tarsons | 380020 | Paraffin film |
| Pasteur pipettes | Himedia | PW1212-1X500NO | Polyethylene plastic |
| Perforated Internal Tank for the 1.0 L Breeding Tank | Tecniplast | ZB10BTI | Polycarbonate |
| Polycarbonate Divider for the 1.0 L Breeding Tank | Tecniplast | ZB10BTD | Polycarbonate |
| Polycarbonate Lid for the 1.0 L Breeding Tank | Tecniplast | ZB10BTL | Polycarbonate |
| Potassium Chloride | Sigma-Aldrich | P5655 | |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S7653-5KG | |
| Sodium hydroxide pellet | SRL | 1949181 | |
| Stereo Microscope Leica M205FA | Leica | Model/PN MDG35/10 450 125 | |
| X-Rad 225 Precision X-Ray | Precision X-Ray | X-RAD 225XL |
References
- Teame, T., et al. The use of zebrafish (Danio rerio) as biomedical models. Animal Frontiers. 9 (3), 68-77 (2019).
- Ye, M., Chen, Y. Zebrafish as an emerging model to study gonad development. Computational and Structural Biotechnology Journal. 18, 2373-2380 (2020).
- Bambino, K., Chu, J. Zebrafish in Toxicology and Environmental Health. Current Topics in Developmental Biology. 124, 331-367 (2017).
- Zhang, C., Willett, C., Fremgen, T. Zebrafish: An animal model for toxicological studies. Current Protocols in Toxicology. , (2003).
- Dai, Y. J., et al. Zebrafish as a model system to study toxicology. Environmental Toxicology and Chemistry. 33 (1), 11-17 (2014).
- Gamse, J. T., Gorelick, D. A. Mixtures, metabolites, and mechanisms: Understanding toxicology using zebrafish. Zebrafish. 13 (5), 377-378 (2016).
- Yesudhason, B. V., et al. Developmental stages of zebrafish (Danio rerio) embryos and toxicological studies using foldscope microscope. Cell Biology International. 44 (10), 1968-1980 (2020).
- Cassar, S., et al. Use of zebrafish in drug discovery toxicology. Chemical Research in Toxicology. 33 (1), 95-118 (2020).
- Hill, A. J., Teraoka, H., Heideman, W., Peterson, R. E. Zebrafish as a model vertebrate for investigating chemical toxicity. Toxicological Sciences. 86 (1), 6-19 (2005).
- McGrath, P., Li, C. Q. Zebrafish: A predictive model for assessing drug-induced toxicity. Drug Discovery Today. 13 (9-10), 394-401 (2008).
- Haque, E., Ward, A. C. Zebrafish as a model to evaluate nanoparticle toxicity. Nanomaterials. 8 (7), 561 (2018).
- Xia, Q., et al. Psoralen induces developmental toxicity in zebrafish embryos/larvae through oxidative stress, apoptosis, and energy metabolism disorder. Frontiers in Pharmacology. 9, 1457 (2018).
- Al-Samadi, A., et al. PCR-based zebrafish model for personalised medicine in head and neck cancer. Journal of Translational Medicine. 17 (1), 235 (2019).
- Van Sebille, Y. Z., Gibson, R. J., Wardill, H. R., Carney, T. J., Bowen, J. M. Use of zebrafish to model chemotherapy and targeted therapy gastrointestinal toxicity. Experimental Biology and Medicine. 244 (14), 1178-1185 (2019).
- Heideman, W., Antkiewicz, D. S., Carney, S. A., Peterson, R. E. Zebrafish and cardiac toxicology. Cardiovascular Toxicology. 5 (2), 203-214 (2005).
- Sieber, S., et al. Zebrafish as a preclinical in vivo screening model for nanomedicines. Advanced Drug Delivery Reviews. 151-152, 152-168 (2019).
- Farrelly, J., McEntee, M. C. Principles and applications of radiation therapy. Clinical Techniques in Small Animal Practice. 18 (2), 82-87 (2003).
- Seegenschmiedt, M., Micke, O., Muecke, R. German Cooperative Group on Radiotherapy for Non-malignant Diseases (GCG-BD). Radiotherapy for non-malignant disorders: State of the art and update of the evidence-based practice guidelines. The British Journal of Radiology. 88 (1051), (2015).
- Mohan, G., et al. Recent advances in radiotherapy and its associated side effects in cancer-A review. The Journal of Basic and Applied Zoology. 80 (1), 14 (2019).
- Jarosz-Biej, M., Smolarczyk, R., Cichoń, T., Kułach, N. Tumor microenvironment as a "game changer" in cancer radiotherapy. International Journal of Molecular Sciences. 20 (13), 3212 (2019).
- Chen, H. H. W., Kuo, M. T. Improving radiotherapy in cancer treatment: Promises and challenges. Oncotarget. 8 (37), 62742-62758 (2017).
- Garibaldi, C., et al. Recent advances in radiation oncology. Ecancermedicalscience. 11, 785 (2017).
- Koka, K., Verma, A., Dwarakanath, B. S., Papineni, R. V. L. Technological advancements in external beam radiation therapy (EBRT): An indispensable tool for cancer treatment. Cancer Management and Research. 14, 1421-1429 (2022).
- Citrin, D. E. Recent developments in radiotherapy. The New England Journal of Medicine. 377 (11), 1065-1075 (2017).
- Ghani, S., et al. Recent developments in antibody derivatives against colorectal cancer; A review. Life Sciences. 265, 118791 (2021).
- Lu, L., Shan, F., Li, W., Lu, H. Short-term side effects after radioiodine treatment in patients with differentiated thyroid cancer. BioMed Research International. 2016, 4376720 (2016).
- Szejk, M., Kołodziejczyk-Czepas, J., Żbikowska, H. M. Radioprotectors in radiotherapy – Advances in the potential application of phytochemicals. Postepy Higieny i Medycyny Doswiadczalnej. 70, 722-734 (2016).
- Citrin, D., et al. Radioprotectors and mitigators of radiation-induced normal tissue injury. The Oncologist. 15 (4), 360-371 (2010).
- Jairam, V., et al. Treatment-related complications of systemic therapy and radiotherapy. JAMA Oncology. 5 (7), 1028-1035 (2019).
- Gong, L., Zhang, Y., Liu, C., Zhang, M., Han, S. Application of radiosensitizers in cancer radiotherapy. International Journal of Nanomedicine. 16, 1083-1102 (2021).
- Wardman, P. Chemical radiosensitizers for use in radiotherapy. Clinical Oncology. 19 (6), 397-417 (2007).
- Citrin, D. E. Radiation modifiers. Hematology/Oncology Clinics of North America. 33 (6), 1041-1055 (2019).
- Citrin, D. E., Mitchell, J. B. Altering the response to radiation: sensitizers and protectors. Seminars in Oncology. 41 (6), 848-859 (2014).
- Caragher, S., Chalmers, A. J., Gomez-Roman, N. Glioblastoma’s next top model: Novel culture systems for brain cancer radiotherapy research. Cancers. 11 (1), 44 (2019).
- Wang, J. S., Wang, H. J., Qian, H. L. Biological effects of radiation on cancer cells. Military Medical Research. 5 (1), 20 (2018).
- Serrano Martinez, P., et al. Mouse parotid salivary gland organoids for the in vitro study of stem cell radiation response. Oral Diseases. 27 (1), 52-63 (2021).
- Martin, M. L., et al. Organoids reveal that inherent radiosensitivity of small and large intestinal stem cells determines organ sensitivity. Cancer Research. 80 (5), 1219-1227 (2020).
- Szabó, E. R., et al. Radiobiological effects and proton RBE determined by wildtype zebrafish embryos. PLoS One. 13 (11), 0206879 (2018).
- Hurem, S., et al. Dose-dependent effects of gamma radiation on the early zebrafish development and gene expression. PLoS One. 12 (6), 0179259 (2017).
- Lu, B., Hwang, M., Yong, C., Moretti, L. Zebrafish as a model system to screen radiation modifiers. Current Genomics. 8 (6), 360-369 (2007).
- Curran, W. . Seminars in radiation oncology. 12 (1), 2-4 (2002).
- McAleer, M. F., et al. Novel use of zebrafish as a vertebrate model to screen radiation protectors and sensitizers. International Journal of Radiation Oncology – Biology – Physics. 61 (1), 10-13 (2005).
- Bladen, C. L., Lam, W. K., Dynan, W. S., Kozlowski, D. J. DNA damage response and Ku80 function in the vertebrate embryo. Nucleic Acids Research. 33 (9), 3002-3010 (2005).
- Geiger, G. A., et al. Zebrafish as a "biosensor"? Effects of ionizing radiation and amifostine on embryonic viability and development. Cancer Research. 66 (16), 8172-8181 (2006).
- Kelland, L. R. Flavopiridol, the first cyclin-dependent kinase inhibitor to enter the clinic: Current status. Expert Opinion on Investigational Drugs. 9 (12), 2903-2911 (2000).
- Prasanna, P. G., et al. Radioprotectors and radiomitigators for improving radiation therapy: The Small Business Innovation Research (SBIR) gateway for accelerating clinical translation. Radiation Research. 184 (3), 235-248 (2015).
- Daroczi, B., et al. In vivo radioprotection by the fullerene nanoparticle DF-1as assessed in a zebrafish model. Clinical Cancer Research. 12 (23), 7086-7091 (2006).
- Adenan, M. N. H., et al. Radioprotective effects of Kelulut honey in zebrafish model. Molecules. 26 (6), 1557 (2021).
- Liu, G., et al. High-throughput preparation of radioprotective polymers via Hantzsch’s reaction for in vivo X-ray damage determination. Nature Communications. 11 (1), 1-11 (2020).
- Mohapatra, D., et al. Fluvastatin sensitizes pancreatic cancer cells toward radiation therapy and suppresses radiation- and/or TGF-β-induced tumor-associated fibrosis. Laboratory Investigation. 102 (3), 298-311 (2022).
- Chen, Y., Yang, J., Fu, S., Wu, J. Gold nanoparticles as radiosensitizers in cancer radiotherapy. International Journal of Nanomedicine. 15, 9407-9430 (2020).
- Ma, N., et al. Enhanced radiosensitization of gold nanospikes via hyperthermia in combined cancer radiation and photothermal therapy. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (42), 28480-28494 (2016).
- Hosen, M. J., et al. Zebrafish models for ectopic mineralization disorders: Practical issues from morpholino design to post-injection observations. Frontiers in Genetics. 4, 74 (2013).
- Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. Stages of embryonic development of the zebrafish. Developmental Dynamics. 203 (3), 253-310 (1995).
- Zhou, R., et al. The effects of x-ray radiation on the eye development of zebrafish. Human & Experimental Toxicology. 33 (10), 1040-1050 (2014).
- Avdesh, A., et al. Regular care and maintenance of a zebrafish (Danio rerio) laboratory: An introduction. Journal of Visualized Experiments. (69), e4196 (2012).
- Braunbeck, T., et al. Towards an alternative for the acute fish LC(50) test in chemical assessment: The fish embryo toxicity test goes multi-species — An update. ALTEX. 22 (2), 87-102 (2005).
- Nagel, R. DarT: The embryo test with the zebrafish Danio rerio–A general model in ecotoxicology and toxicology. ALTEX. 19, 38-48 (2002).
- Aspatwar, A., Hammaren, M. M., Parikka, M., Parkkila, S. Rapid evaluation of toxicity of chemical compounds using zebrafish embryos. Journal of Visualized Experiments. (150), e59315 (2019).
- Gence, L., et al. Hypericum lanceolatum Lam. Medicinal plant: Potential toxicity and therapeutic effects based on a zebrafish model. Frontiers in Pharmacology. 13, 832928 (2022).
- OECD. Test No. 203: Fish, Acute Toxicity Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals., Section 2. , (2019).
- Li, X., et al. Toxic effects and foundation of proton radiation on the early-life stage of zebrafish development. Chemosphere. 200, 302-312 (2018).
- Si, J., et al. Effects of ionizing radiation and HLY78 on the zebrafish embryonic developmental toxicity. Toxicology. 411, 143-153 (2019).
- Si, J., et al. Toxic effects of (56)Fe ion radiation on the zebrafish (Danio rerio) embryonic development. Aquatic Toxicology. 186, 87-95 (2017).
- Pucci, G., Forte, G. I., Cavalieri, V. Evaluation of epigenetic and radiomodifying effects during radiotherapy treatments in zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 22 (16), 9053 (2021).
- Song, Z., et al. Isoliquiritigenin triggers developmental toxicity and oxidative stress-mediated apoptosis in zebrafish embryos/larvae via Nrf2-HO1/JNK-ERK/mitochondrion pathway. Chemosphere. 246, 125727 (2020).
- Patton, E. E., Zon, L. I., Langenau, D. M. Zebrafish disease models in drug discovery: From preclinical modelling to clinical trials. Nature Reviews Drug Discovery. 20 (8), 611-628 (2021).
- Rosa, J. G. S., Lima, C., Lopes-Ferreira, M. Zebrafish larvae behavior models as a tool for drug screenings and pre-clinical trials: A review. International Journal of Molecular Sciences. 23 (12), 6647 (2022).
- Kong, E. Y., Cheng, S. H., Yu, K. N. Biphasic and triphasic dose responses in zebrafish embryos to low-dose 150 kV X-rays with different levels of hardness. Journal of Radiation Research. 57 (4), 363-369 (2016).
