Un nuevo método para modelar la encefalopatía traumática crónica<em> Drosophila</em

Summary

Aquí, describimos un nuevo enfoque para infligir la lesión cerebral traumática de cabeza cerrada en Drosophila melanogaster . Nuestro método tiene la ventaja de entregar directamente impactos repetitivos con fuerza ajustable a la cabeza sola. Una mayor exploración del sistema de invertebrados ayudará a iluminar la patogénesis de la encefalopatía traumática crónica.

Abstract

La encefalopatía traumática crónica (CTE) es una enfermedad neurodegenerativa establecida que está estrechamente asociada con la exposición a lesiones traumáticas cerebrales leves y repetitivas (mTBI). Los mecanismos responsables de sus complejos cambios patológicos siguen siendo en gran medida evasivos, a pesar de un reciente consenso para definir los criterios neuropatológicos. En este trabajo se describe un método novedoso para desarrollar un modelo de CTE en Drosophila melanogaster ( Drosophila ) en un intento de identificar los genes clave y las vías que conducen a la acumulación de tau hiperfosforilada característica y la muerte neuronal en el cerebro. Los impactos de fuerza ajustable para infligir heridas cerradas leves se entregan directamente a la cabeza de mosca, sometiendo la cabeza a aceleración y deceleración rápidas. Nuestro método elimina los problemas potenciales inherentes con otros modelos de mTBI de Drosophila ( por ejemplo, la muerte animal podría ser inducida por daño aOtras partes del cuerpo oa los órganos internos). Cuanto menor sea el trabajo y el costo de cuidados intensivos de los animales, la vida corta y herramientas genéticas extensas hacen la mosca de la fruta ideal para estudiar la patogénesis CTE y que sea posible realizar a gran escala, genoma amplia genética y pantallas farmacológicas. Anticipamos que la caracterización en curso del modelo generará ideas mecanicistas importantes sobre la prevención de enfermedades y enfoques terapéuticos.

Introduction

La encefalopatía traumática crónica (CTE) ha sido reconocida recientemente como un trastorno neurodegenerativo distinto, separado de otras tauopatías como la enfermedad de Alzheimer ¹ . A diferencia de la enfermedad de Alzheimer y otras tauopatías comunes-cuyos factores de riesgo más importantes son la edad avanzada y una historia familiar de demencia, CTE, como se indica por su nombre, implica una estrecha asociación con una historia de trauma cerebral, Como boxeadores y futbolistas, así como en veteranos militares ^{2 , 3 , 4 , 5} . Se cree que es iniciado por repetidos golpes concussive y subconcussive a la cabeza. Los pacientes pueden presentar síntomas y signos tales como déficits cognitivos, cambios de humor y comportamiento, y disfunción del movimiento, que se superponen significativamente con la enfermedad de Alzheimer, frontotemporalDemencia, demencia de cuerpos de Lewy y enfermedad de Parkinson ⁶ . En cambio, los exámenes post-mortem del tejido cerebral revelan un patrón distinto de acumulación de tau hiperfosforilada que rodea pequeños vasos sanguíneos en las profundidades de los surcos corticales, característica patognomónica que no se observa en otras condiciones degenerativas ⁷ . Sin embargo, hasta ahora, se sabe muy poco acerca de la patogénesis que conduce a la manifestación de la enfermedad. Esto se debe en gran parte a la falta de un modelo animal fiel – sólo recientemente se han generado modelos de roedores ^{5 , 8} . Estos organismos modelo tienen las desventajas de la atención costo-intensiva y una vida relativamente larga, que no son bien-adaptados para los estudios de la enfermedad neurodegenerative.

En comparación con los homólogos de mamíferos, los animales invertebrados como Drosophila son una excelente alternativa, con su mantenimiento rentable,Extensas herramientas para diseccionar determinantes genéticos y una vida relativamente corta ⁹ . Sorprendentemente, la mosca y el cerebro humano comparten las vías moleculares y celulares evolutivamente conservadas, así como las similitudes anatómicas ^{10 , 11 , 12} . Dos ingeniosos modelos de Drosophila para estudiar la lesión cerebral traumática han sido reportados previamente ^{13 , 14} . El primer dispositivo "High Impact Trauma" (HIT) diseñado por Katzenberger y sus colegas contenía moscas de movimiento libre en un vial de plástico que estaba atado al extremo libre de un resorte metálico ^{13 , 15} . Cuando el vial de plástico se inclinó verticalmente y se soltó, golpeó una almohadilla de poliuretano e impartió un traumatismo a las moscas cuando rebotaron en la pared del vial y se recuperaron. En contraste, Barekat y sus colegas diseñaron un método de entrega diferenteLa plataforma de homogeneización Omni Bead Ruptor-24 ¹⁴ . Las moscas fueron incapacitadas con CO ₂ y colocadas en un tubo de tornillo de 2 mL que se aseguró al homogeneizador y se sometió a condiciones de agitación preprogramadas. Un beneficio de usar el sistema homogeneizador de tejidos es que el experimentador podría modular la intensidad de la lesión, la duración de la lesión y el número de episodios de lesiones. Sin embargo, ambos regímenes sufren el mismo inconveniente: las lesiones primarias en la cabeza se infligen aleatoriamente en términos de localización y fuerza del impacto. Además, ambos métodos dieron como resultado una mortalidad considerable, causada por daños colaterales inevitables a otras partes del cuerpo y órganos internos. Aquí, describimos un nuevo método para inducir mTBI en las moscas de la fruta. Nuestro aparato consiste en un impactador balístico propulsado por gas. En comparación con los modelos ^{14 , 15 de} Drosophila existentes, nuestro método tiene la ventaja, Dirigido solamente al cabezal de mosca libre, permitiendo así el control preciso de varios factores, tales como la severidad del impacto, el intervalo de tiempo entre impactos y el número total de impactos sostenidos.

Protocol

1. Montaje del Dispositivo de Huelga ( Figura 1 ) Retire el émbolo de una jeringa de tuberculina de 1 ml. Corte el barril en la marca de 1 mL. Retire una barrera de aerosol (3 mm de altura x 4 mm de diámetro) de una punta de pipeta de 200 μL y úsela como un impactador. Coloque el impactador dentro del cilindro de la jeringa. Golpee suavemente el cañón para mover el impactador al extremo de la punta, con el lado plano que cubre la abertura de la boquilla. …

Representative Results

Para establecer un modelo de CTE utilizando Drosophila para adultos, determinamos la eficacia de nuestro dispositivo al infligir una sola lesión de cabeza cerrada. Para eliminar las variaciones relacionadas con el genotipo, el sexo o la edad, se utilizaron 2 días de edad Canton-S WT moscas hembra en el experimento. Podríamos controlar fácilmente la resistencia del impactador regulando el caudal de CO 2 a una presión de gas constante de 100 kPa. Las moscas expuest…

Discussion

Los modelos animales que modelan fielmente las características del CTE, incluidas las alteraciones neurofisiológicas, los signos neuropatológicos y los déficits neuroconductuales, son esenciales para descubrir los mecanismos de la enfermedad y para desarrollar objetivos diagnósticos y terapéuticos. Es comprensible que ningún modelo animal de una enfermedad humana sea perfecto para imitar todos los puntos finales clínicamente relevantes. Sin embargo, creemos que un modelo de CTE robusto debe satisfacer los siguie…

Materials

Aerosol Barrier	USA Scientific	1120-8810	Used as an impactor
200 ul Pipette Tip	USA Scientific	1111-0706	Used as a fly head holder
1000 ul Pipette Tip	USA Scientific	1122-1830	Used as a connector
1 ml Tuberculin Syringe	Becton Dickinson	309625
60 mm Petri Dishes	Fisher Scientific	FB0875713A	Used as a tracking arenas
Flow Regulator	Genesee Scientific	59-122WC
Standard Clamp Holder/stand	EISCO Scientific	CH0688
Fine Brush	Genesee Scientific	59-204
Flypad	Genesee Scientific	59-114
Sylgard Silicone Elastomer	Dow Corning	4019862
CCD Camera	Microsoft	HD-5000
Ctrax Walking Fly Tracker	Caltech	Ctrax 0.2.11
MATLAB Image Processing Toolbox	MATLAB	R2015b