Mikroflödesbaserade Electrotaxis för On-demand kvantitativ analys av<em> Caenorhabditis elegans</em> "Locomotion
Summary
En halvautomatisk micro-electro-fluidic metod för att inducera on-demand locomotion i<em> Caenorhabditis elegans</em> Beskrivs. Denna metod är baserad på den neurophysiologic fenomenet maskar som svarar på milda elektriska fält ("electrotaxis") inuti mikroflödessystem kanaler. Microfluidic electrotaxis fungerar som en snabb, känslig, låg kostnad, och skalbar teknik för att screena för faktorer som påverkar neuronal hälsa.
Abstract
Nematoden Caenorhabditis elegans är en mångsidig modell organism för biomedicinsk forskning på grund av dess bevarande av sjukdomsrelaterade gener och vägar samt dess enkla odling. Flera C. elegans sjukdomsmodeller har rapporterats, inklusive neurodegenerativa sjukdomar såsom Parkinsons sjukdom (PD), vilket innebär degeneration av dopaminerga (DA) nervceller 1. Både transgener och neurotoxiska kemikalier har använts för att inducera DA neurodegeneration och därav defekter rörelse i Worms, vilket möjliggör undersökningar utifrån neurodegeneration och skärmar för nervskyddande gener och föreningar 2,3.
Skärmar i lägre eukaryoter som C. elegans tillhandahålla ett effektivt och ekonomiskt sätt att identifiera föreningar och gener som påverkar neuronal signalering. Konventionella skärmar är vanligen utförs manuellt och görs genom visuell inspektion, varför de är tids-consuming och benägna att mänskliga fel. Dessutom, de flesta fokuserar på cellnivå analys och bortser locomotion, vilket är en särskilt viktig parameter för rörelsestörningar.
Vi har utvecklat en ny mikroflödessystem screening systemet (Figur 1) som styr och kvantifierar C. elegans 'locomotion användning av elektriska fält stimuli inuti mikrokanaler. Vi har visat att en likström (DC) fält klart kan inducera on-demand locomotion mot katoden ("electrotaxis") 4. Reversering fältets polaritet bringar masken för att snabbt ändra sin riktning. Vi har också visat att brister i dopaminerga och andra sensoriska neuroner förändrar simning svar 5. Därför kan avvikelser i neuronal signalering bestämmas med användning av förflyttning som en utlästa. Rörelsen svaret exakt kan kvantifieras med hjälp av en rad parametrar såsom simning hastighet, kropp böjning frekvens och återföring tid.
<p class = "jove_content"> Vårt arbete har visat att det electrotactic svaret varierar med åldern. Specifikt, unga vuxna svara på ett lägre utbud av elektriska fält och gå snabbare än larver 4. Dessa fynd ledde oss att utforma en ny mikrofluidikanordning att passivt sortera maskar efter ålder och fenotyp 6.Vi har även testat svaret av maskar till pulsad DC och växelström (AC) elektriska fält. Pulsade DC fält av olika arbetscykler effektivt genererade electrotaxis i både C. elegans och dess kusin C. briggsae 7. I ett annat experiment, immobiliserade symmetriska AC fält med frekvenser mellan 1 Hz till 3 kHz maskar inuti kanalen 8.
Genomförande av det elektriska fältet i en mikroflödessystem miljö möjliggör snabb och automatisk exekvering av electrotaxis analysen. Detta tillvägagångssätt lovar att underlätta hög genomströmning genetiska och kemiska skärmar för faktorerpåverkar neuronal funktion och lönsamhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dra nytta av den beteendemässiga fenomen som först beskrevs av Gabel och kolleger och bygga på dielektroforetiska manipulation arbete Chuang och kollegor 11,12, erbjuder vår mikroflödesbaserade electrotaxis analys en enkel, robust och känslig metod för att undersöka neuronal aktivitet i maskar med rörelse som en utgång. Analysen av rörelseparametrar möjliggör kvantitativ jämförelse mellan olika genotyper. Precisionen i microchannel tillverkning och elektriska fält ansökan tillsammans ger båd…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka för naturvetenskap och teknisk forskning Council of Canada, Kanada Research Chairs Program, Canadian Institutes of Health Research, och Ontario ministeriet för forskning och innovation genom sin tidiga Forskare Award Program för ekonomiskt stöd.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Acetone | CALEDON Labs | 1200-1-30 | |
| Methanol | CALEDON Labs | 6700-1-30 | |
| Isopropanol | CALEDON Labs | 8600-1-40 | |
| SU-8 | Microchem Corp. | Y131273 | SU-8 100 |
| SU-8 Developer | Microchem Corp. | Y020100 | |
| 92×16 mm Petri dish | Sarstedt | 82.1473.001 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | Contains elastomer base and curing agent | |
| Function generator | Tektronix Inc. | Model AFG3022B | |
| Amplifier | Trek Inc. | Model 2210-CE | |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-4506 | Model 11 ELITE |
| Hot plate | Fisher Scientific | 11675916Q | Model HP131725Q |
References
- Kuwahara, T., Koyama, A., et al. Familial Parkinson mutant α-synuclein causes dopamine neuron dysfunction in transgenic Caenorhabditis elegans. J. Biol. Chem. 281 (1), 334-340 (2006).
- Kuwahara, T., Koyama, A., et al. A systematic RNAi screen reveals involvement of endocytic pathway in neuronal dysfunction in a-synuclein transgenic. 17 (19), 2997-3009 (2008).
- Su, L. J., Auluck, P. K., et al. Compounds from an unbiased chemical screen reverse both ER-to-Golgi trafficking defects and mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease models. Dis. Model Mech. 3 (3-4), 194-208 (2010).
- Rezai, P., Siddiqui, A., Selvaganapathy, P. R., Gupta, B. P. Electrotaxis of Caenorhabditis elegans in a microfluidic environment. Lab Chip. 10 (2), 220-226 (2010).
- Salam, S., Ansari, A., et al. A microfluidics set up to study neuronal degeneration and identification of neuroprotective compounds in C. elegans. , (2013).
- Rezai, P., Salam, S., Selvaganapathy, P. R., Gupta, B. P. Electrical sorting of Caenorhabditis elegans. Lab Chip. 12 (10), 1831-1840 (2012).
- Rezai, P., Salam, S., Selvaganapathy, P. R., Gupta, B. P. Effect of pulse direct current signals on electrotactic movement of nematodes Caenorhabditis elegans and Caenorhabditis briggsae. Biomicrofluidics. 5 (4), 044116 (2011).
- Rezai, P., Siddiqui, A., Selvaganapathy, P. R., Gupta, B. P. Behavior of Caenorhabditis elegans in alternating electric field and its application to their localization and control. Appl. Phys. Lett. 96 (15), 153702 (2010).
- van Ham, T. J., Thijssen, K. L., Breitling, R., Hofstra, R. M., Plasterk, R. H., Nollen, E. A. C. elegans model identifies genetic modifiers of alpha-synuclein inclusion formation during aging. PLoS Genet. 4, e1000027 (2008).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Génétique. 77 (1), 71-94 (1974).
- Gabel, C. V., Gabel, H., Pavlichin, D., Kao, A., Clark, D. A., Samuel, A. D. Neural circuits mediate electrosensory behavior in Caenorhabditis elegans. J. Neurosci. 27 (28), 7586-7596 (2007).
- Chuang, H. -. S., Raizen, D. M., Lamb, A., Dabbish, N., Bau, H. H. Dielectrophoresis of Caenorhabditis elegans. Lab Chip. 11 (4), 599-604 (2011).
- Cronin, C. J., Mendel, J. E., Mukhtar, S., Kim, Y. -. M., Stirbl, R. C., Bruck, J., Sternberg, P. W. An automated system for measuring parameters of nematode sinusoidal movement. BMC Genet. 6, 5 (2005).
- Manière, X., Lebois, F., Matic, I., Ladoux, B., Meglio, J. -. M. D. i., Hersen, P. Running worms: C. elegans self-sorting by electrotaxis. PLoS One. 6 (2), e16637 (2011).
