Estabelecendo um ecossistema de polvo para pesquisa biomédica e bioengenharia
Summary
Compreender as estruturas fisiológicas e anatômicas únicas dos polvos pode impactar muito a pesquisa biomédica. Este guia demonstra como configurar e manter um ambiente marinho para acomodar esta espécie e inclui imagens de última geração e abordagens analíticas para visualizar a anatomia e a função do sistema nervoso do polvo.
Abstract
Muitos desenvolvimentos em pesquisas biomédicas foram inspirados pela descoberta de mecanismos anatômicos e celulares que suportam funções específicas em diferentes espécies. O polvo é um desses animais excepcionais que deu aos cientistas novas percepções sobre os campos da neurociência, robótica, medicina regenerativa e próteses. Pesquisas com esta espécie de cefalópodes exigem a configuração de instalações complexas e cuidados intensivos tanto para o polvo quanto para seu ecossistema que é fundamental para o sucesso do projeto. Este sistema requer múltiplos sistemas de filtragem mecânica e biológica para fornecer um ambiente seguro e limpo para o animal. Junto com o sistema de controle, a manutenção e limpeza de rotina especializadas são necessárias para manter efetivamente a instalação funcionando a longo prazo. É aconselhável fornecer um ambiente enriquecido a esses animais inteligentes, mudando a paisagem do tanque, incorporando uma variedade de presas e introduzindo tarefas desafiadoras para que eles trabalhem. Nossos resultados incluem ressonância magnética e uma imagem de autofluorescência de corpo inteiro, bem como estudos comportamentais para entender melhor seu sistema nervoso. Polvos possuem fisiologia única que pode impactar muitas áreas da pesquisa biomédica. Fornecer-lhes um ecossistema sustentável é o primeiro passo crucial para descobrir suas distintas capacidades.
Introduction
Novos conceitos em pesquisa biomédica e engenharia biomédica são frequentemente inspirados na identificação de estratégias específicas que as espécies biológicas possuem para enfrentar as condições e desafios ambientais e fisiológicos. Por exemplo, a compreensão das propriedades de fluorescência em vagalumes levou ao desenvolvimento de novos sensores fluorescentes que podem relatar a atividade celular em outros organismos modelo1; identificar canais de íons ativados pela luz em algas levou ao desenvolvimento de neuromodulação de luz específica celular e temporal2,3,4,5; a descoberta de proteínas em bagres de vidro que navegam de acordo com o campo magnético da Terra levou ao desenvolvimento de neuromodulação de base magnética6,7,8,9,10,11; compreender o reflexo do sifão na Aplísia tem sido fundamental para a compreensão da base celular do comportamento12,13,14.
Os pesquisadores continuam a expandir-se sobre a atual bioengenharia e caixa de ferramentas filogenéticas, aproveitando os pontos fortes e novas perspectivas únicas sobre funções fisiológicas que espécies de laboratório não convencionais possuem. Os órgãos federais estão começando a apoiar essas linhas de estudos financiando novos trabalhos realizados em diversas espécies.
Um gênero de animais com capacidade única de anatomia e regeneração, bem como o controle adaptativo de cada um de seus braços, biólogos e engenheiros fascinantes, e audiências cativantes de todas as partes da sociedade são os Polvos17. De fato, muitos aspectos da fisiologia e comportamento do polvo foram estudados ao longo das últimas décadas15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . No entanto, desenvolvimentos recentes em biologia molecular e evolutiva, robótica, gravação de movimento, imagem, aprendizado de máquina e eletrofisiologia aceleram descobertas relacionadas à fisiologia e comportamento do polvo e as traduzem em estratégias inovadoras de bioengenharia27,28,29,30,31,32,33,34,35 36,37,38,39.
Aqui descrevemos como criar e manter a criação de polvos, o que seria de interesse e relevância para cientistas e engenheiros de diferentes origens, interesses científicos e objetivos. No entanto, nossos resultados se concentram na aplicação de polvos em neurociência e pesquisa de neuroengenharia. O polvo tem um sistema nervoso altamente desenvolvido com 45 milhões de neurônios no cérebro central, 180 milhões de neurônios nos lobos ópticos e 350 milhões de neurônios adicionais nos oito cabos axiais e gânglios periféricos; em comparação, um cão tem um número semelhante de neurônios e um gato apenas metade dele40. Ao contrário do sistema nervoso vertebrado, há apenas fibras diferentes e 140K que conectam os milhões de neurônios no cérebro do polvo aos milhões de neurônios em cada um dos cabos axiais de seu braço40,41,42. Essas relativamente poucas fibras interconectadas sugerem que a maioria dos detalhes para a execução dos programas motores são realizados no próprio cabo axial, enfatizando o controle neuronal exclusivamente distribuído que os polvos possuem. Os braços do polvo têm um controle motor fino extraordinário, permitindo-lhes habilidades de manipulação, como abrir tampas de frascos, mesmo quando estão dentro do recipiente. Esta capacidade motora preênsil altamente desenvolvida é exclusiva da classe de Cefalópodes (polvo, cuttlefish e lula)43.
De fato, através de centenas de milhões de anos de evolução, o polvo desenvolveu um notável e sofisticado genoma e sistema fisiológico43,44 que inspirou novos desenvolvimentos e progressos em campos científicos e de engenharia. Por exemplo, um adesivo resistente à água baseado na estrutura anatômica dos do polvo pode grudar em superfícies molhadas e secas45; um material de camuflagem sintética inspirado na pele de camuflagem do polvo pode transformar uma superfície plana e 2D em uma tridimensional com solavancos e poços46. Robôs macios e autônomos em miniatura (ou seja, Octobots) que no futuro poderiam servir como ferramentas cirúrgicas dentro do corpo47; e um braço (ou seja, OctoArm) ligado a um robô semelhante a um tanque48 também foram desenvolvidos. Muitas espécies de polvos são usadas em pesquisas biomédicas, por exemplo, Polvo vulgaris, Polvo sinensis, Polvo variabilis e polvo bimaculoides (O. bimaculoides); o O. vulgaris e O. bimaculoides sendo os mais comuns34,49,50. O sequenciamento recente de diferentes genomas de polvo torna esse gênero de particular interesse e abre novas fronteiras na pesquisa de polvo34,43,51,52.
O. bimaculoides usados em nossa configuração é uma espécie de polvo de tamanho médio, descoberta pela primeira vez em 1949, que pode ser encontrada em águas rasas ao largo da costa nordeste do Pacífico, do centro da Califórnia ao sul da península da Baja Califórnia17. Pode ser reconhecido pelos falsos olhos em seu manto abaixo de seus olhos. Comparado ao Polvo Do Pacífico Gigante (Enteroctopus dofleini) e ao Polvo Comum (O. vulgaris), o Polvo de Dois Pontos da Califórnia (O. bimaculoides) é relativamente pequeno em tamanho, começando menor que alguns centímetros, crescendo rapidamente como um jovem. Quando criado dentro de um laboratório, o tamanho do manto adulto pode crescer para um tamanho médio de 100 cm e pesar até 800 g53,54. Os polvos têm um rápido período de crescimento nos primeiros 200 dias; até lá, eles são considerados adultos e continuam a crescer ao longo do resto de suas vidas55,56,57. Polvos podem ser canibais, especialmente quando ambos os sexos estão alojados juntos dentro de um tanque; portanto, eles precisam ser alojados individualmente em tanques separados58.
Protocol
Representative Results
Discussion
Configuração do sistema:
O ecossistema do aquário foi desenvolvido de forma que sejam empregados métodos mecânicos e biológicos de filtragem e oxigenação da água. Os elementos filtrantes do sistema utilizam filtros de meias, skimmers de proteínas e limpeza regular para manter os níveis de nitrogênio e oxigênio. Mais importante, também contamos com microrganismos marinhos para consumir os perigosos compostos nitrogenados e outros resíduos biológicos, bem como aerar a água através de p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo NIH UF1NS115817 (G.P.). O G.P. é parcialmente suportado pelas subvenções do NIH R01NS072171 e R01NS098231. Gostaríamos de agradecer a Patrick Zakrzewki e Mohammed Farhoud da Emit Imaging pela ajuda e suporte na coleta e visualização dos dados na Plataforma de Imagem Xerra. A MSU tem um acordo de pesquisa com a Bruker Biospin.
Materials
| 1-3/4 in. Drill Bit | Home Depot | 204074205 | Glass cutting tool Part number:1 |
| 1" flow sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Pipe with sensor to measure water flow Part number:2 |
| 1" Slip Bulkhead Strainer | Bulk Reef Supply | 207113 | Strainer for water leaving tank Part number:3 |
| 10 gallon tank | Pruss Pets | Local Dealer | Fiddler crab holding tank Part number:4 |
| 4 inch X 12 inch 200 Micron Nylon Monofiliment Mesh Filter Sock w/ Plastic Ring | AQUAMAXX | UJ41171 | Filter for large organic matter in sump Part number:5 |
| 40 gallon aquarium | Pruss Pets | Local Dealer | 4 Food aquarium tanks Part number:6 |
| 60g poly tanks – rectangle | Pruss Pets | Local Dealer | 2 Water Storage (salt and freshwater) Part number:7 |
| Active Aqua 1/10th HP Hydroponic or Aquarium Chiller 2018 Model | WayWe | 719574198463 | For cooling water continuously Part number:8 |
| ALAZCO 2 Soft-Grip Handle Heavy-Duty Tile Grout Brush | ALAZCO | B06W2FT5V5 | Tank Cleaning Part number:9 |
| Ammonia Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 33D | For water testing Part number:10 |
| Apex system WiFi | Neptune Systems | Local Dealer | System connection for off site monitoring Part number:11 |
| API Aquarium Test Kit | Amazon | B001EUE808 | For water testing Part number:12 |
| API Copper Test Kit | Amazon | B0006JDWH8 | For water testing Part number:13 |
| Aqua Ultraviolet Classic UV 25 Watt Series Units | Aqua Ultraviolet | A00028 | For removing bacteria leaving sump system Part number:14 |
| AquaClear 50 Foam Filter Inserts, 3 pack | Aquaclear | A1394 | Food Tank Carbon Filter Inserts Part number:15 |
| Aqueon QuietFlow LED PRO Aquarium Power Filter 30 | Aqueon | 100106082 | Food tank filtering units Part number:16 |
| Auto Top Off Kit (ATK) (Each includes 1 FMM module, 2 optical sensors and 1 float) | Neptune Systems | Local Dealer | For freshwater tank Part number:17 |
| Automatic top off from RODI (LLC) | Neptune Systems | Local Dealer | From water storage to octopus tanks Part number:18 |
| Banded Trochus Snail | LiveAquaria | CN-112080 | For algae bin Part number:19 |
| Chaetomorpha Algae, Aquacultured | LiveAquaria | BVJ-76354 | For algae bin Part number:20 |
| Clams – Live, Hard Shell, Cherrystone, Wild, USA Dozen | Fulton Fish Market | N/A | Live food Part number:21 |
| Classic Sea Salt Mix – Tropic Marin | Bulk Reef Supply | 211813 | Salt for tank water Part number:22 |
| Clear Masterkleer Soft PVC Plastic Tubing, for Air and Water, 3/4" ID, 1" OD | McMaster | 5233K71 | Cleaning tool Part number:23 |
| Continuum Aquablade-P Acrylic Safe Algae Scraper W/ Plastic Blade – 15 Inch | Marine Depot | 4C31001 | Cleaning tool Part number:24 |
| Copper Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 65L | For water testing Part number:25 |
| Curve Refugium CREE LED Aquarium Light | Eshopps | 6500K | Algae bin light Part number:26 |
| Eheim 1262 return pumps | EHEIM | 1250219 | Pump for storage tanks Part number:27 |
| Eshopps R-100 Refugium Sump GEN 3 | Eshopps | 15000 | Sump system Part number:28 |
| Ethyl Alcohol, 200 Proof | Sigma-Aldrich | 64-17-5 | Anesthesia Part number:29 |
| Extech DO600 ExStik II Dissolved Oxygen Meter | Extech | DO600 | Oxygen measurment Part number:30 |
| Fiddler Crabs; live; dozen | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:31 |
| Filter Cartrages | Aqueon | 100106087 | Food tank filters Part number:32 |
| Florida Crushed Coral Dry Sand – CaribSea | Bulk Reef Supply | 212959 | Sedimate for bottom of tank Part number:33 |
| FMM module | Neptune Systems | Local Dealer | Controller for apex system Part number:34 |
| Fritz-Zyme TurboStart 900 – Fritz | Bulk Reef Supply | 213036 | Bacteria start Part number:35 |
| Hand Operated Drum Pump, Siphon, Basic Pump with Spout, For Container Type Bucket, Pail | Granger | 38Y789 | Water Hand Pump Part number:36 |
| High pH Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 27 | For water testing Part number:37 |
| Imagitarium Fine Mesh Net for Shrimp | Petco | 2580993 | Shrimp and fish transfer net Part number:38 |
| Leak Detection Kit (LDK) – Includes FMM module plus 2 ALD sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Placed on floor to detect water Part number:39 |
| Lee`S Algae Scrubber Pad Jumbo – Glass | Marine Depot | LE12007 | Cleaning tool Part number:40 |
| Live rocks | Pruss Pets | Local Dealer | Habitat for octopus Part number:41 |
| Long Bottle Cleaning Brush 17" Extra Long | Haomaomao | B07FS7J7PN | Tank Cleaning Part number:42 |
| Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M1028-100ML | Euthanasia Part number:43 |
| Magnetic Probe Rack | Neptune Systems | Local Dealer | For holding apex sensor probes Part number:44 |
| Marine Ghost Shrimp | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:45 |
| Marineland C-Series Canister Carbon Bags Filter Media, 2 count | Chewy | 98331 | For elevated copper levels Part number:46 |
| Nitra-Zorb Bag | Aquarium Pharmaceuticals | AP2213 | Absorbes nirtogen compounds Part number:47 |
| Nitrate Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | LR1800 | For water testing Part number:48 |
| Nitrite Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 26 | For water testing Part number:49 |
| Pawfly 2 Inch Air Stones Cylinder 6 PCS Bubble Diffuser Airstones for Aquarium Fish Tank Pump Blue | Amazon | B076S56XWX | Aierating water Part number:50 |
| Penn Plax Airline Tubing for Aquariums –Clear and Flexible Resists Kinking, 8 Feet Standard | Amazon | B0002563MM | Tubing for connecting air pump to air stone Part number:51 |
| Plumbing with unions/valves plus 3/4" flex hose | Pruss Pets | Local Dealer | Water transport Part number:52 |
| PM1 module | Neptune Systems | Local Dealer | Power control module for apex Part number:53 |
| Protein skimmer | Reef Octopus | AC20284 | Removes biowaste from system Part number:54 |
| PVC Apex Mounting board, grommets, wire mounts | Neptune Systems | Local Dealer | Helps ensure organization for wires and tubing within system Part number:55 |
| PVC Regular Cement and 4-Ounce NSF Purple Primer | Amazon | Oatey – 30246 | For connecting PVC pipes Part number:56 |
| RODI unit | Neptune Systems | Local Dealer | RO Water Part number:57 |
| Salinity Probes | HANNA probes | HI98319 | Measures salinity of water Part number:58 |
| Seachem Pristine Aquarium Treatment | Sea Chem | 1438 | Provides bacteria that break down excess food, waste and detritus Part number:59 |
| Seachem Stability Fish Tank Stabilizer | Sea Chem | 116012607 | Seachem Stability will rapidly and safely establish the aquarium biofilter in freshwater and marine systems Part number:60 |
| Set of lexan tops | Pruss Pets | Local Dealer | Aquarium tank lids Part number:61 |
| Set of Various extended length aquabus cables | Neptune Systems | Local Dealer | Cables for Apex system Part number:62 |
| SLSON Aquarium Algae Scraper Double Sided Sponge Brush Cleaner Long Handle Fish Tank Scrubber for Glass Aquariums | Amazon | B07DC2TZCJ | Cleaning tool Part number:63 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 45 Degree Elbow Adapter, 3/4 Socket Female x 3/4 Socket Male | McMaster | 4880K189 | PVC pipe Part number:64 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 90 Degree Elbow Adapter, 1 Socket Female x 1 Socket Male | McMaster | 4880K773 | PVC pipe Part number:65 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Adapter, 1 Socket-Connect Female x 1 Barbed Male | McMaster | 4880K415 | PVC pipe Part number:66 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Straight Reducer, 2 Socket Female x 3/4 Socket Female | McMaster | 4880K008 | PVC pipe Part number:67 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Tee Connector, White, 1 Size Socket-Connect Female | McMaster | 4880K43 | PVC pipe Part number:68 |
| Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 1 Pipe Size, 10 Feet Long | McMaster | 48925K13 | PVC pipe Part number:69 |
| Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 3/4 Pipe Size, 5 Feet Long | McMaster | 48925K92 | PVC pipe Part number:70 |
| Structural FRP Fiberglass Sheet, 48" Wide x 96" Long, 1/4" Thick | McMaster | 8537K15 | Table top material Part number:71 |
| Structural FRP Fiberglass Square Tube, 10 Feet Long, 2" Wide x 2" High Outside, 1/8" Wall Thickness | McMaster | 8548K33 | Structural table materal Part number:72 |
| Tank Sediment | TopDawg Pet Supply | 8479001207 | Sediment for bottom of fiddler crab tank Part number:73 |
| Temperature probe | Neptune Systems | Local Dealer | Temperature probe for tanks Part number:74 |
| Tetra TetraMarine Large Saltwater Flakes for all Marine Fish | Amazon | B00025K0US | Fish, shrimp, and crab food Part number:75 |
| Tetra Whisper Aquarium Air Pump for 10 gallon Aquariums | Petco | 2335234 | Air pump for smaller tanks Part number:76 |
| Thick-Wall Through-Wall Pipe Fitting, for Water, PVC Connector, 1 Socket-Connect Female | McMaster | 36895K843 | PVC pipe Part number:77 |
| Vectra s2 pump | Bulk Reef Supply | 212141 | Aquarium Pump Part number:78 |
| Water Pump | TACKLIFE | GHWP1A | Pump for cleaning tanks Part number:79 |
| Wyze Cam v2 1080p HD Indoor WiFi Smart Home Camera with Night Vision | Amazon | B076H3SRXG | DeepLabCut Recording Part number:80 |
References
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