דג הזברה כמודל להעריך את הפוטנציאל טרטוגניות של ניטריט
Summary
חשיפת teratogens עלולה לגרום למומים מולדים. דג זברה היא שימושי לקביעת פוטנציאל טרטוגניות של כימיקלים. אנו להדגים את התועלת של דג זברה על ידי חשיפה עוברת לרמות שונות של ניטריט וגם בזמנים שונים של חשיפה. אנו מראים כי ניטריט יכול להיות רעיל ולגרום ליקויים התפתחותיים חמורים.
Abstract
רמות ניטראט גבוהות בסביבה עלולות לגרום למומים מולדים או הפלות אצל בני אדם. יש להניח, זה נובע מהמרת ניטראט ניטריט ידי חיידקים במעי רוק. עם זאת, במחקרים יונקים אחרים, רמות ניטריט גבוהה לא לגרום למומים מולדים, אם כי הם יכולים להוביל לתוצאות רבייה עניה. לפיכך, פוטנציאל טרטוגניות של ניטריט לא ברור. זה יהיה שימושי יש מערכת מודל חוליות בקלות להעריך השפעות טרטוגניות של ניטריט או כל חומר כימי אחר שיש בו עניין. כאן אנו להדגים את התועלת של דג הזברה (Danio rerio) כדי לסרוק תרכובות המצויות לרעילות ופגמים עובריים. עוברי דג זברה הם מופרים חיצוניים ויש התפתחות מהירה, מה שהופכים אותם מודל טוב מחקרים טרטוגניות. אנחנו מראים כי הגדלת זמן חשיפה ניטריט משפיע הישרדות שלילית. הגדלת ריכוז של ניטריט גם משפיעה לרעה על הישרדות, ואילו חנק לא. עבור עוברי that לשרוד חשיפה ניטריט, פגמים שונים יכולים להתרחש, כוללים קרום לב ואת החלמון בצק צק, לשחות שלפוחית noninflation, ו מום craniofacial. התוצאות שלנו מעיד כי דג הזברה היא מערכת נוחה ללימוד הפוטנציאל טרטוגניות של ניטריט. גישה זו יכולה בקלות להיות מותאמת כדי לבדוק כימיקלים אחרים והשפיע על התפתחות החולייתנים הראשונה.
Introduction
Teratogenesis הוא תהליך המשבש את ההתפתחות הנורמלית של העובר או העובר על ידי גרימת מומים מבניים ותפקודיים קבע, פיגור בגדילה, או הפלה במקרים חמורים 1. זה יכול להיגרם על ידי סוכנים טבעיים מסוימים (teratogens), אשר מפריעים להתפתחות עוברית מספר דרכי 2. במהלך התפתחות עובר אנושית, teratogens הנפוצה כגון קרינה, חומרים מזהמים, מתכות רעילות, וכימיקלים אורגניים דווחה לגרום למומים בקפלים מלוכסנים (לקפל עור מכסה העין העליון) ו clinodactyly (אצבע מעוקלת או בוהן) דרך שגיאות המוךפו"גנטי שהולכות 1.
הבנת המנגנון המולקולרי של teratogenesis היא הצעד הראשון לקראת פיתוח טיפול ומניעה. מודלים חוליות כמה כגון אפריקה שרט צפרדע (laevis Xenopus) ו דג הזברה (Danio rerio) שימשו לקביעת מסלולים מולקולריים מושפע teratogens. מחקרים קודמים השתמשו דג הזברה כמודל אפידמיולוגיה, טוקסיקולוגיה teratogenesis 3-7. שולץ et al. דג זברה נחשב "תקן זהב" להערכת רעילות סביבתית. הדבר נובע, בין השאר, על השקיפות של העובר דג הזברה, אשר מאפשר לחוקרים לחזות את פגם התפתחותי כפי שהוא מתרחש 8. כ -70% מן הגנים באדם יש orthologues דג הזברה, מה שהופך דג הזברה כמודל החולייתנים רצוי ללימוד פגמים אנושיים 9.
כמה מחקרים אפידמיולוגיים הראו כי ניטראט ניטריט, נפוץ במזונות החווה ומים, קשורים עם מומים מולדים או הפלות ספונטניות 10,11, בעוד מחקרים אחרים אינם תומכים קשר זה 12. ניטראט (NO 3 -) ו ניטריט (NO 2 -) נוכחים באופן טבעי באדמה ובמים. הם מהווים מקור של חנקן לצמחים והם חלק nitrogen מחזור 13. מזונות כגון שעועית ירוקה, גזר, דלעת, תרד, סלק מחוות המשתמשות דשנים גבוה חנקתי חיזקו באופן משמעותי רמות ניטראט ניטריט 7. חלב פרות ניזונים עם מזונות חנקות גבוה ודגים במים חנקות גבוה (בעיקר נגר אדמה 30) יכול להוביל בני אדם לצרוך כמויות גדולות של ניטראט 14 ניטריט. ניטרט ניטריט גם משמשות לשימור מזון, אשר מגדיל באופן דרמטי את כמות מעובדים על ידי בני אדם 12.
רמות אופטימליות של ניטראט ניטריט ממלאות תפקידים יסודיים תהליכים פיסיולוגיים כמו הומאוסטזיס וסקולרית ותפקוד, עצבי ומנגנוני הגנה מארחים אימונולוגיים 13-15. עם זאת, חשיפה לרמות גבוהות של ניטראט ניטריט עלול להוביל לתופעות לוואי, במיוחד אצל תינוקות וילדים 16. חנקתי נבלעו הוא עוד המרה ניטריט בחלל הפה על ידי מיקרואורגניזמים וב הדואר מערכת העיכול על ידי מיקרופלורת המעי 17.
ניטראט מכניס תינוקות בסיכון גבוה לתסמונת התינוק הכחולה על ידי חמצון של המוגלובין כדי methemoglobin, וכתוצאה מכך נפגעת המוגלובין מהחמצן שלה נושאת יכולת 18. זו התוצאה של הצבע הכחול של עור המשתרע לרקמות היקפיות במקרים חמורים יותר. חמצון עכבות של תוצאות רקמות בתסמינים אחרים, בצורה החמורה ביותר שמוביל תרדמת ומוות 19,20. סימפטומים דומים נצפו אצל תינוקות ומבוגרים בריכוזים גבוהים של ניטראט 21. רמות גבוהות של methemoglobin במבוגרים בשל התוצאות הרעלת ניטריט ב כיחלון, כאבי ראש, הפרעות נשימה 31, ומוות אם אינו מטופל בשל סיבוכים הקשורים היפוקסיה רקמות חיוניות 32,33.
ניטרט בליעה ברמות גבוהות יותר גם יכול לגרום לסיבוכים בריאותיים שונים. סוכרת ילדות, שלשולים חוזרים, וזיהומים בדרכי הנשימה חוזרתאצל ילדים נקשרו עם 11,17,22 צריכת חנקות הגבוהה. חשיפה כרונית לרמה של חנקות גבוהה קשורה במתן שתן ודימום טחול. חשיפה במינון גבוה אקוטית חנקות יכול להוביל למגוון רחב של בעיות רפואיות כמו כאבי בטן, חולשת שרירים, דם בצואה ושתן, התעלפות, ומוות 11. חשיפה טרום לידתית חנק ברמות גבוהות כבר משויכת בצינור העצבי פגם שרירים ושלד 11.
דו"ח שנערך לאחרונה הראה כי טיפול עוברי דג זברה עם ניטריט הוביל חלמון בצק צק, מומי craniofacial ו ציריים, ולשחות שלפוחית noninflation 5. במחקר זה, אנחנו מדגימים שיטה לטיפול עוברי דג הזברה עם ניטראט ניטריט לקבוע פוטנציאל טרטוגניות שלהם. עוברים שנחשפו ניטריט בריכוזים שונים ואורך זמן שונה. אתנול שמש כביקורת חיובית, שכן הוא teratogen הוקם 23. Oשיטת ur הראו כי הן ריכוזים גבוהים וזמני חשיפה ארוכה ניטריט היו מזיק הישרדות הביאה פנוטיפים שונים, החל (בצקת) מתון עד חמור (פגמים התפתחותיים ברוטו). לכן, דג הזברה הוא מודל יעיל לבדיקה ישירות השפעות טרטוגניות הפוטנציאל של ניטראט ניטריט בעוברים כדי להשלים מחקרים אפידמיולוגיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה המתוארת כאן ממחיש את התועלת של דג הזברה בהערכת הפוטנציאל טרטוגניות של הניטריט ו חנקתי. בהשוואת חוליות אחרות, יש דג זברה יתרונות הכוללים פוריות גבוהה, הפריה חיצונית, שקיפות אופטית, ואת התפתחות מהירה. מוטציות זמינות חסרות פיגמנטציה (כגון דג זברת קספר 36) גם ל?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
VK was funded by grants from the IUP Department of Biology and School of Graduate Studies and Research (Graduate Student Professional Development). CQD and TWS were supported by the IUP School of Graduate Studies and Research (Faculty Publication Costs/Incidental Research Expenses). We also thank members of the Diep laboratory for maintaining the zebrafish facility.
Materials
| DREL/2010 instrument | Hach | 26700-03 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | E7023 | |
| KIMAX glass Petri Dish | VWR | 89001-244 | |
| MS-222 | Sigma-Aldrich | E10521 | |
| NitraVer 5 Nitrate Reagent | Hach | 14034-46 | |
| NitriVer 3 Nitrite Reagent | Hach | 14065-99 | |
| Parafilm | Fisher Scientific | 3-374-10 | |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| S6E stereomicroscope | Leica | 10446294 | |
| Sodium nitrate | Fisher Scientific | S343 | |
| Sodium nitrite | Fisher Scientific | S347 | |
| Transfer pipets | Laboratory Products Sales | L320072 | |
| Glass vials | Fisher Scientific | 03-338B |
References
- Gilbert-Barness, E. Teratogenic causes of malformations. Ann Clin Lab Sci. 40 (2), 99-114 (2010).
- Brent, R. L. The cause and prevention of human birth defects: What have we learned in the past 50 years. Con Anom. 41 (1), 3-21 (2001).
- Lin, S., Zhao, Y., Nel, A. E. Zebrafish: an in vivo model for nano EHS studies. Small. 9 (9-10), 1608-1618 (2013).
- Pamanji, R., et al. Toxicity effects of profenofos on embryonic and larval development of zebrafish (Danio rerio). Environ Toxicol Pharmacol. 39 (2), 887-897 (2015).
- Simmons, A. E., Karimi, I., Talwar, M., Simmons, T. W. Effects of nitrite on development of embryos and early larval stages of the zebrafish (Danio rerio). Zebrafish. 9 (4), 200-206 (2012).
- Mantecca, P., et al. Toxicity Evaluation of a New Zn-Doped CuO Nanocomposite With Highly Effective Antibacterial Properties. Toxicol Sci. , (2015).
- Jensen, F. B. Nitric oxide formation from nitrite in zebrafish. J Exp Biol. 210, 3387-3394 (2007).
- Scholz, S., et al. The zebrafish embryo model in environmental risk assessment–applications beyond acute toxicity testing). Environ Sci Pollut Res Int. 15 (5), 394-404 (2008).
- Howe, K., et al. The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature. 496 (7446), 498-503 (2013).
- CDC. Spontaneous abortions possibly related to ingestion of nitrate-contaminated well water–LaGrange County, Indiana, 1991-1994. MMWR Morb Mortal Wkly Rep. 45 (26), 569-572 (1996).
- Brender, J. D., et al. Prenatal nitrate intake from drinking water and selected birth defects in offspring of participants in the national birth defects prevention study. Environ Health Perspect. 121 (9), 1083-1089 (2013).
- Huber, J. C., et al. Maternal dietary intake of nitrates, nitrites and nitrosamines and selected birth defects in offspring: a case-control study. Nutr J. 12, 34 (2013).
- Phillips, W. E. Naturally occurring nitrate and nitrite in foods in relation to infant methaemoglobinaemia. Food Cosmet Toxicol. 9 (2), 219-228 (1971).
- Moncada, S., Palmer, R. M., Higgs, E. A. Nitric oxide: physiology, pathophysiology, and pharmacology. Pharmacol Rev. 43 (2), 109-142 (1991).
- Gladwin, M. T., Crawford, J. H., Patel, R. P. The biochemistry of nitric oxide, nitrite, and hemoglobin: role in blood flow regulation. Free Radic Biol Med. 36 (6), 707-717 (2004).
- Gupta, S. K., et al. Recurrent acute respiratory tract infections in areas with high nitrate concentrations in drinking water. Environ Health Perspect. 108 (4), 363-366 (2000).
- Kross, B. C., Ayebo, A. D., Fuortes, L. J. Methemoglobinemia: nitrate toxicity in rural America. Am Fam Physician. 46 (1), 183-188 (1992).
- Greer, F. R., Shannon, M. Infant methemoglobinemia: the role of dietary nitrate in food and water. Pediatrics. 116 (3), 784-786 (2005).
- Sanchez-Echaniz, J., Benito-Fernandez, J., Mintegui-Raso, S. Methemoglobinemia and consumption of vegetables in infants. Pediatrics. 107 (5), 1024-1028 (2001).
- Virtanen, S. M., et al. Nitrate and nitrite intake and the risk for type 1 diabetes in Finnish children. Childhood Diabetes in Finland Study Group. Diabet Med. 11 (7), 656-662 (1994).
- Reimers, M. J., Flockton, A. R., Tanguay, R. L. Ethanol- and acetaldehyde-mediated developmental toxicity in zebrafish. Neurotoxicol Teratol. 26 (6), 769-781 (2004).
- Westerfield, M. . The zebrafish book: A guide for the laboratory use of zebrafish (Danio rerio). , (2007).
- Loucks, E., Carvan, M. J. Strain-dependent effects of developmental ethanol exposure in zebrafish. Neurotoxicol Teratol. 26 (6), 745-755 (2004).
- Bilotta, J., Barnett, J. A., Hancock, L., Saszik, S. Ethanol exposure alters zebrafish development: a novel model of fetal alcohol syndrome. Neurotoxicol Teratol. 26 (2), 737-743 (2004).
- Li, J., Jia, W., Zhao, Q. Excessive nitrite affects zebrafish valvulogenesis through yielding too much NO signaling. PLoS One. 9 (3), e92728 (2014).
- . . Methods for chemical analysis of water and wastes. , (1983).
- Loucks, E., Ahlgren, S. Assessing teratogenic changes in a zebrafish model of fetal alcohol exposure. J Vis Exp. (61), (2012).
- Addiscott, T. M. Fertilizers and nitrate leaching. Agricultural Chemicals and the Environment, Issues in Environmental Science and Technology. , 1-26 (1996).
- Su, Y. F., Lu, L. H., Hsu, T. H., Chang, S. L., Lin, R. T. Successful treatment of methemoglobinemia in an elderly couple with severe cyanosis: two case reports. Journal of Medical Case Reports. 6 (290), (2012).
- Harvey, M., Cave, G., Chanwai, G. Fatal methaemoglobinaemia induced by self-poisoning with sodium nitrite. Emergency Medicine Australasia. 22, 463-465 (2010).
- Nishiguchi, M., Nushida, H., Okudaira, N., Nishio, H. An autopsy case of fatal methemoglobinemia due to ingestion of sodium. Forensic Research. 6, (2015).
- Avdesh, A., Chen, M., Martin-Iverson, M. T., Mondal, A., Ong, D., Rainey-Smith, S., et al. Regular Care and Maintenance of a Zebrafish (Danio rerio) Laboratory: An Introduction. J. Vis. Exp. (69), (2012).
- Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. Stages of embryonic development of the zebrafish. Dev Dyn. 203 (3), 253-310 (1995).
- White, R. M., et al. Transparent adult zebrafish as a tool for in vivo transplantation analysis. Cell Stem Cell. 2 (2), 183-189 (2008).
- Tsang, M. Zebrafish: A tool for chemical screens. Birth Defects Res C Embryo Today. 90 (3), 185-192 (2010).
