Планарный анализ подвижности для оценки биомодулирующих свойств натуральных продуктов
Summary
Планарная подвижность используется для оценки стимуляторов и свойств вывода натуральных продуктов по сравнению с движением животных только в родниковой воде.
Abstract
Простое, управляемое средство использования неаразитарных planarian, Dugesia tigrina, свободно живущих водных плоских червей, для изучения стимуляторов и вывода свойства натуральных продуктов описывается. Экспериментальные анализы, пользующиеся уникальными аспектами планарной физиологии, были применены к исследованиям по заживлению ран, регенерации и опухолевому анализу. Кроме того, поскольку планарианцы проявляют чувствительность к различным экологическим стимулам и способны изучать и развивать условные реакции, они могут быть использованы в поведенческих исследованиях изучения обучения и памяти. Планарианцы обладают базовой двусторонней симметрией и центральной нервной системой, которая использует нейромедиаторные системы, податливые к исследованиям, исследуя эффекты нейромышечных биомодуляторов. Следовательно, были разработаны экспериментальные системы мониторинга планарного движения и подвижности для изучения наркомании и вывода средств. Поскольку планарная подвижность открывает потенциал для чувствительной, легко стандартизированной системы анализа подвижности для мониторинга влияния стимулов, тест planarian locomotor velocity (pLmV) был адаптирован для мониторинга как стимуляции, так и поведения вывода планарами путем определения количества линий сетки, пересекаемых животными со временем. Здесь демонстрируется и объясняется техника и ее применение.
Introduction
В описанном протоколе используется планарная подвижность для оценки биомодулирующего воздействия природных веществ. Он был специально адаптирован, чтобы определить, если эти вещества функционируют как стимуляторы, и если они затем были связаны с измеримым поведениемвывода 1. Этот анализ, известный как планарный тест скорости локомотива (pLmV), был впервые использован для тестирования известных фармакологическихагентов 2,3. Применение этого планарного анализа на основе подвижности с тех пор выросло в популярности и было принято различными лабораториями, заинтересованными в веществах, кроменатуральных продуктов 4,,5. Для этого анализа, планарианец помещается в чашку Петри, содержащую родниковую воду или родниковую воду, содержащую растворенный биомодулятор. Поскольку само блюдо помещается на графовую бумагу, количество линий сетки, пересекаемых животным со временем, когда оно перемещается по контейнеру, может быть использовано для определения скорости движения в каждом состоянии. Свет / темный тест, в противном случае называют условным тестом предпочтения места (CPP), является еще одним изменением на тему мониторинга планарной подвижности, и оценивает, как быстро животные реагируют и мигрируют в затемненнуюсреду 6,7. Видео слежение за планарными движениями также может быть проанализировано с помощью компьютерных программ и центра массы (COM)слежения 8,,9,,10,,11.
Использование planarian в качестве модели животных для таких исследований предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими животными в том, что экспериментатор может легко контролировать анализ окружающей среды. В частности, голодающие планарианцы перед экспериментами могут предотвратить их воздействие на другие питательные или фармакологические агенты, которые в противном случае могли бы запутать результаты, и конкретный биомодулятор, на который ведется расследование, может быть представлен планарианам, просто добавив его непосредственно в культурную воду, тем самым стандартизируя воздействие. Так как планарианцы имеют нервную систему и нейротрансмиттеров, которые напоминают “высшего порядка” животных, физиологии и экспериментальной реакции этих животных на нервно-мышечные стимулы считаются биологическиактуальными для других организмов 12,13,14,15,16. Кроме того, поскольку планарианцы относительно недороги и просты в обслуживании в лаборатории, они предлагают доступную биологическую модель для многих исследователей.
Как экспериментальное животное, планарианцы подходят для широкого спектра исследований. Например, наша группа, а также другие исследователи используют планариев для изучения опухолевых17,,18,,19. Планарианцы также демонстрируют множество ответных действий на химические, тепловые, гравитационные, электрические, фото- и магнитные стимулы, которые легли в основу других систем анализа. Некоторые из этих эффектов были использованы для изучения обучения ипамяти у этих животных 20,21,22,23,24,25,26,27. Основное использование планарной модели в литературе в настоящее время фокусируется на активности планарных плюрипотентных стволовых клеток, называемых необластами, иих роли в регенерации 28,,29,,30. Таким образом, принятие описанной здесь модели позволяет продолжить изучение с использованием других планарных анализов, чтобы обеспечить более широкое понимание того, как натуральные продукты и другие биомодуляторы влияют на организм.
Protocol
Representative Results
Discussion
Простой и доступный планарный анализ подвижности описывается для определения стимулирующих и абстиненции эффектов натуральных продуктов. В качестве поведенческой модели необходимо иметь строгие протоколы для скоринга движения и четкие определения любого поведения для стандартиза?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить, офис институционального развития, и Моррисвилл колледж Фонда для публикации гранта для поддержки этой работы, а также SUNY Моррисвилл коллегиальной научно-технической программы входа (CSTEP) за их постоянную помощь и поддержку студентов исследований в SUNY Morrisville. Мы также хотели бы поблагодарить Софию Хатченс за полезные комментарии по описанной технике.
Materials
| Bottled Water – 1 Gal. | Poland Spring | N/A | Spring water for planarian culture and to prepare solutions |
| Brown Planaria (Dugesia tigrina) | Carolina Biological Supply Company | 132954 | Brown planaria living (other species are acceptable) |
| Flat Paintbrush | Royal Crafter's Choice | 9159 | Flat watercolor paintbrushes for cleaning planarian culture containers |
| Glass Petri Dish – 10 cm | Kimax | N/A | 10 cm diameter (glass) Petri dishes for pLmV assay |
| Glass Petri Dish – 5 cm | Kimax | N/A | 5 cm and Petri dishes for rinsing planarians during withdrawal experiments and for stimulant habituation |
| Grid Paper | Any | N/A | Standard 0.5 cm grid paper for pLmV assay |
| iPEVO Visualizer (software) | iPEVO | https://www.ipevo.com/software/visualizer | Document camera software for video capture and recording |
| Metalware Set with Support Stand and Retort Ring | Any | N/A | Standard chemistry lab ring stand to hold a cell phone camera if used |
| Organic Egg | Any | N/A | Organic egg or beef liver for feeding planarains |
| Polycarbonate Bottle w/ Screw-on Cap – 10 mL | Beckman | N/A | Plastic vials to hold 5 to 10 mL volumes for stimulant habituation |
| Round Storage Container – 10 cm | Ziploc | N/A | 10 cm Round food storage containers for approximately 90 planarians or fewer |
| Round Water Paint Brush | LOEW-Cornell | N/A | Small round watercolor paint brushes (numbers 3 to 6) – soft |
| Transfer Pipette | Any | N/A | Wide bore (5 mL) plastic transfer pipettes to move planarians |
| USB Document Camera | iPEVO | CDVU-06IP | Document camera (or other camera or cell phone camera) |
References
- Moustakas, D. Guarana provides additional stimulation over caffeine alone in the planarian model. PloS One. 10 (4), 0123310 (2015).
- Raffa, R. B., Valdez, J. M. Cocaine withdrawal in Planaria. European Journal of Pharmacology. 430 (1), 143-145 (2001).
- Raffa, R. B., Holland, L. J., Schulingkamp, R. J. Quantitative assessment of dopamine D2 antagonist activity using invertebrate (Planaria) locomotion as a functional endpoint. Journal of Pharmacology and Toxicological Methods. 45 (3), 223-226 (2001).
- Thumé, I. S., Frizzo, M. E. Sertraline induces toxicity and behavioral alternations in planarians. Biomedical Research International. 2017, 5792621 (2017).
- Aggarwal, S., et al. Identification of a novel allosteric modulator of the human dopamine transporter. ACS Chemical Neuroscience. 10 (8), 3718-3730 (2019).
- Zhang, C., Tallarida, C. S., Raffa, R. B., Rawls, S. M. Sucrose produces withdrawal and dompamine-sensitive reinforcing effects in planarians. Physiology & Behavior. , 8-13 (2013).
- Zewde, A. M., et al. PLDT (planarian light/dark test): an invertebrate assay to quantify defensive responding and study anxiety-like effects. Journal of Neuroscience Methods. 293, 284-288 (2018).
- Risse, B., Otto, N., Berh, D., Jiang, X., Klämbt, C. FIM Imaging and FIMtrack: two new tools allowing high-throughput and cost effective locomotion analysis. Journal of Visualized Experiments. (94), e52207 (2014).
- Inoue, T., Hoshino, H., Yamashita, T., Shimoyama, S., Agata, K. Planarian shows decision-making behavior in response to multiple stimuli by integrative brain function. Zoological Letters. 1, 7 (2015).
- Hastrom, D., Cochet-Escartin, O., Zhang, S., Khuu, C., Collins, E. M. S. Freshwater planarians as an alternative animal model for neurotoxicology. Toxicological Sciences. 147 (1), 270-285 (2015).
- Risse, B., Berh, D., Otto, N., Klämbt, C., Jiang, X. FIMtrack: an open source tracking and locomotion analysis software for small animals. PLoS One Computational Biology. 13 (5), 100553 (2017).
- Pagán, O. R. Planaria: an animal model that integrates development, regeneration and pharmacology. International Journal of Developmental Biology. 61, 519-529 (2017).
- Palladini, G. A pharmacological study of cocaine activity in planaria. Comparative Biochemistry and Physiology. 115 (1), 41-45 (1996).
- Buttarelli, F. R., Pellicano, C., Pontieri, F. E. Neuropharmacology and behavior in planarians: translation to mammals. Comparative Biochemistry and Physiology Part C. Toxicology & Pharmacology. 147 (4), 399-408 (2008).
- Nishimura, K., et al. Identification of glutamic acid decarboxylase gene and distribution of GABAergeric nervous system in the planarian Dugesia japonica. 神经科学. 153 (4), 1103-1114 (2008).
- Raffa, R. B., Rawls, S. M. . A model for drug action and abuse. , (2008).
- Hall, F., Morita, M., Best, J. B. neoplastic transformation in the planarian: I cocarcinogenesis and histopathology. The Journal of Experimental Zoology. 240 (2), 211-227 (1986).
- Voura, E. B., et al. Planarians as models of cadmium-induced neoplasia provide measurable benchmarks for mechanistic studies. Ecotoxicology and Environmental Safety. 142, 544-554 (2017).
- Van Roten, A., et al. A carcinogenic trigger to study the function of tumor suppressor genes in Schmedtea mediterranea. Disease Models and Mechanisms. 11 (9), 032573 (2018).
- Mason, P. R. Chemo-klino-kinesis in planarian food location. Animal Behaviour. 23 (2), 460-469 (1975).
- Van Huizen, A. V., et al. Weak magnetic fields alter stem cell-mediated growth. Science Advances. 5 (1), 7201 (2019).
- Brown, H. M., Ogden, T. E. The electrical response of the planarian ocellus. Journal of General Physiology. 51 (2), 255-260 (1968).
- Inoue, T., Yamashita, T., Agata, K. Thermosensory signaling by TRPM is processed by brain serotonergic neurons to produce planarian thermotaxis. The Journal of Neuroscience. 34 (47), 15701-15714 (2014).
- Byrne, T. Effects of ethanol on negative phototaxis and motility in brown planarians (Dugesia tigrina). Neuroscience Letters. 685, 102-108 (2018).
- de Sousa, N., et al. Transcriptomic analysis of planarians under simulated microgravity or 8g demonstrates that alteration of gravity induces genomic and cellular alterations that could facilitate tumoral transformation. International Journal of Molecular Sciences. 20 (3), 720 (2019).
- Best, J. B., Rubinstein, I. Maze learning and associated behavior in planaria. Journal of Comparative and Physiological Psychology. 55, 560-566 (1962).
- Shomrat, T., Levin, M. An automated training paradigm reveals long-term memory in planarians and its persistence through head regeneration. The Journal Experimental Biology. 216, 3799-3810 (2013).
- Robarts-Galbraith, R. H., Newmark, P. A. On the organ trail: insights into organ regeneration in the planarian. Current Opinion in Genetics & Development. 32, 37-46 (2015).
- Ivancovic, M., et al. Model systems for regeneration: planarians. Development. 146 (17), 167684 (2019).
- Herath, S., Lobo, D. Cross-inhibition of Turing patterns explains the self-organized regulatory mechanism of planarian fission. Journal of Theoretical Biology. 485, 110042 (2019).
- Itoh, M. T., Shinozawa, T., Sumi, Y. Circadian rhythms of melatonin-synthesizing enzyme activities and melatonin levels in planarians. Brain Research. 830 (1), 165-173 (1999).
- Itoh, M. T., Igarashi, J. Circadian rhythm of serotonin levels in planarians. Neuroreports. 11 (3), 473-476 (2000).
- Hinrichsen, R. D., et al. Photosensitivity and motility in planarian Schmedtea mediterranea vary diurnally. Chronobiology International. 36 (12), 1789-1793 (2019).
- Raffa, R. B., Desai, P. Description and quantification of cocaine withdrawal signs in planaria. Brain Research. 1032 (1-2), 200-202 (2005).
- Pagán, O. R., et al. A cembranoid from tobacco prevents the expression of induced withdrawal behavior in planarian worms. European Journal of Pharmacology. 615 (1-3), 118-124 (2009).
- Rawls, S. M., Patil, T., Yuvasheva, E., Raffa, R. B. First evidence that drugs of abuse produce behavioral sensitization and cross-sensitization in planarians. Behavioural Pharmacology. 21 (4), 301-313 (2010).
- Venturini, G., et al. A pharmacological study of dopaminergic receptors in planaria. Neuropharmacology. 28 (12), 1377-1382 (1989).
- Ouyang, K., et al. Behavioral effects of Spenda, Equal and sucrose: Clues from planarians on sweeteners. Neuroscience Letters. 636, 213-217 (2017).
- Pagán, O. R., Montgomery, E., Deats, S., Bach, D., Baker, D. Evidence of nicotine-induced, curare-sensitive, behavior in planarians. Neurochemical Research. 40 (10), 2087-2090 (2015).
- Shibata, N., Agata, K. RNA interference in planarians: feeding and injection of synthetic dsRNA. Methods in Molecular Biology. 1774, 455-466 (2018).
- Pagán, O. R., et al. Reversal of cocaine-induced planarian behavior by parthenolide and related sesquiterpene lactones. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 89 (2), 160-170 (2008).
- Vouga, A., et al. Stereochemistry and neuropharmacology of a ‘bath salt’ cathinone: S-enantiomer of mephedrone reduces cocaine-induced reward and withdrawal in invertebrates. Neuropharmacology. 91, 109-116 (2015).
- Chan, J. D., Marchant, J. S. Pharmacological and functional genetic assays to manipulate regeneration of the planarian Dugesia japonica. Journal of Visualized Experiments. (54), e3058 (2011).
