Острые и хронические модели гипергликемии у рыбок данио: метод оценки влияния гипергликемии на нейрогенез и биораспределение радиоактивно меченых молекул
Summary
В этой работе описаны методы определения острой и хронической гипергликемии у рыбок данио. Цель состоит в том, чтобы исследовать влияние гипергликемии на физиологические процессы, такие как конститутивный и вызванный травмой нейрогенез. В работе также подчеркивается использование рыбок данио для наблюдения за радиоактивно мечеными молекулами (здесь [ 18 F] -FDG) с использованием ПЭТ / КТ.
Abstract
Гипергликемия является серьезной проблемой для здоровья, которая приводит к сердечно-сосудистой и церебральной дисфункции. Например, это связано с повышенными неврологическими проблемами после инсульта и, как показано, нарушает нейрогенные процессы. Интересно, что взрослый рыбок данио недавно стал подходящей и полезной моделью для имитации гипергликемии / диабета и исследования конститутивного и регенеративного нейрогенеза. В этой работе представлены методы разработки моделей гипергликемии для данио-бордюров для изучения влияния гипергликемии на пролиферацию клеток головного мозга в условиях гомеостаза и восстановления мозга. Острая гипергликемия устанавливается с использованием внутрибрюшинной инъекции D-глюкозы (2,5 г / кг массы тела) в взрослых рыбок данио. Хроническая гипергликемия индуцируется погружением взрослых рыбок данио в D-глюкозу (111 мМ), содержащую воду в течение 14 дней. Для этих разных подходов описаны измерения уровня глюкозы крови. Методы исследования влияния гипергликемии на конститутивный аЙ регенеративный нейрогенез, описывая механическое повреждение telencephalon, анализируя мозг, встраивание парафинов и секционирование с помощью микротома и выполнение процедур иммуногистохимии. Наконец, также описан метод использования рыбок данио как соответствующей модели для изучения биораспределения радиоактивно меченных молекул (здесь [ 18 F] -FDG) с использованием PET / CT.
Introduction
Гипергликемия определяется как чрезмерный уровень глюкозы в крови. Хотя это может отражать ситуацию острого стресса, гипергликемия также является условием, которое часто приводит к диагнозу диабета, хроническому расстройству секреции инсулина и / или резистентности. В 2016 году число взрослых, живущих с диабетом, достигло 422 миллионов человек во всем мире, и каждый год от этой болезни умирает 1,5 миллиона человек, что делает его серьезной проблемой для здоровья 1 . Действительно, неконтролируемый диабет приводит к ряду физиологических расстройств, влияющих на сердечно-сосудистую систему, почки, периферическую и центральную нервные системы.
Интересно, что острая и хроническая гипергликемия может изменить познание и способствовать как деменции, так и депрессии 2 , 3 , 4 , 5 , 6 . Кроме того, прием пациентов вГипергликемия была связана с худшими функциональными, неврологическими и выживающими результатами после ишемического инсульта 7 , 8 , 9 , 10 , 11 . Было также показано, что гипергликемия / диабет влияет на нейрогенез взрослых, процесс, приводящий к генерации новых нейронов, воздействуя на активность нейронных стволовых клеток и дифференциацию нейронов, миграцию и выживание 2 , 12 .
В отличие от млекопитающих, костистая рыба, как рыбка данио, проявляет интенсивную нейрогенную активность во всем мозге и обладает выдающейся способностью к восстановлению мозга во время взрослой жизни 13 , 14 , 15 , 16 . Примечательно, что такие возможности возможны из-за сохранения neuRal стволовых клеток / предшественников, включая радиальные глии и нейробласты 17 , 18 , 19 . Кроме того, рыбка данио недавно стала моделью для изучения нарушений обмена веществ, включая ожирение и гипергликемию / диабет 20 , 21 , 22 .
Хотя рыбка данио является хорошо признанной моделью гипергликемии и нейрогенеза, в нескольких исследованиях изучалось влияние гипергликемии на гомеостаз мозга и когнитивную функцию 12 , 23 . Для определения влияния гипергликемии на конститутивную и травмированную пролиферацию клеток головного мозга, модель острой гипергликемии была создана путем внутрибрюшинной инъекции D-глюкозы. Кроме того, модель хронической гипергликемии была воспроизведена путем погружения рыбы в воду, дополненную wС D-глюкозой 12 . У далеких рыб есть много преимуществ в исследованиях. Они дешевы, легко поддаются и прозрачны на первых этапах развития, и их геном был секвенирован. В контексте этой работы они также демонстрируют ряд дополнительных преимуществ: (1) они имеют сходные физиологические процессы с людьми, что делает их важным инструментом для биомедицинских исследований; (2) они позволяют быстро исследовать влияние гипергликемии на гомеостаз мозга и нейрогенез, учитывая их широко распространенную и сильную нейрогенную активность; И (3) они являются альтернативной моделью, позволяющей сократить количество млекопитающих, используемых в исследованиях. Наконец, рыбу данио можно использовать в качестве модели для тестирования биораспределения радиоактивно меченных молекул и потенциальных терапевтических агентов с использованием ПЭТ / КТ.
Общая цель следующей процедуры – визуально документировать, как создавать модели острой и хронической гипергликемии у рыбок данио, использовать zebRafish для оценки ремоделирования мозга в гипергликемических условиях и мониторинга радиоактивно меченных молекул (здесь [ 18 F] -FDG) с использованием PET / CT.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой работе описаны различные методы определения острых и хронических моделей гипергликемии у рыбок данио. Основные преимущества этих процедур заключаются в следующем: (1) они позволяют сократить количество млекопитающих, используемых для исследования, (2) они просты в установке и бы…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы очень благодарны Direction des Usages du Numérique (DUN) из Университета Ла Реюньона за редактирование видео (в частности, Жан-Франсуа Фэвриер, Эрик Эно и Сильвен Дюкасс), Линда-Роуз Моттаган для озвучки Мэри Осборн-Пеллегрин для корректуры Голос за кадром и платформа CYROI. Эта работа была поддержана грантами Университета Ла Реюньон (Bonus Qualité Recherche, Dispositifs incitatifs), Conseil Régional de La Réunion, Европейского союза (CPER / FEDER) и ассоциации Philancia. ACD является получателем гранта стипендии от Министерства образования, Университета Ла Реюньон, Университета Ла Реюньона (Contrat Doctoral).
Materials
| 1mL Luer-Lok Syringe | BD, USA | 309628 | |
| 4',6'-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Sigma-Aldrich, Germany | D8417 | |
| 7 mL bijou container plain lab | Dutscher, France | 080171 | |
| D-glucose | Sigma-Aldrich, Germany | 67021 | |
| Digital camera | Life Sciences, Japan | Hamamatsu ORCA-ER | |
| Disposable base molds | Simport, Canada | M475-2 | |
| Donkey anti-rabbit Alexa fluor 488 | Life Technologies, USA | A21206 | |
| Embedding center | Thermo Scientific, USA | Shandon Histocentre 3 | |
| Fluorescence microscope | Nikon, Japan | Eclipse 80i | |
| Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) | Cyclotron, France | ||
| Glucometer test strip | LifeScan, France | One-Touch 143 Ultra | |
| Goat anti-mouse Alexa fluor 594 | Life Technologies, USA | A11005 | |
| In-Vivo Imaging System | TriFoil Imaging, Canada | Triumph Trimodality | |
| Microtome | Thermo Scientific, USA | Microm HM 355 S | |
| Monoclonal mouse anti-PCNA | DAKO, USA | clone PC10 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Sigma-Aldrich, Germany | P6148-500G | |
| Polyclonal rabbit anti-GFAP | DAKO, USA | Z033429 | |
| Slide drying bench | Electrothermal, USA | MH6616 | |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich, Germany | S9888 | |
| Sodium citrate trisodium salt dehydrate | Prolabo, France | 27833.294 | |
| Sterile needle | BD Microlance 3 | 30 G 1/2 ; 0.3 mm x 13 mm | |
| Student Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 91150-20 | |
| Student surgical scissors | Fine Science Tools | 91400-14 | |
| Superfros Plus Gold Slides | Thermo Scientific, USA | FT4981GLPLUS | |
| Surgical microscope | Leica, France | M320-F12 | |
| Tissue embedding cassettes | Simport, Canada | M490-10 | |
| Tissue embedding medium | LeicaBiosystems, USA | 39602004 | |
| Toluene | Sigma-Aldrich, Germany | 244511 | |
| Tricaine MS-222 | Sigma-Aldrich, Germany | A5040 | |
| Triton X100 | Sigma-Aldrich, Germany | X100-500 mL | |
| Vectashield medium | Vector Laboratories, USA | H-1000 | |
| Xylene | Sigma-Aldrich, Germany | 534056 | |
| Fish Strain | AB | ||
| Saline phosphate buffer (10X PBS) pH 7.4 (for 1 liter) | For preparing 10X PBS, add the following salts and complete to 1 liter with distilled water | ||
| Potassium chloride (MM : 74.55 g/mol): 2.00 g | Sigma-Aldrich, Germany | 746436 | |
| Potassium phosphate monobasic (MM: 136,09 g/mol): 2.40g | Sigma-Aldrich, Germany | 795488 | |
| Sodium chloride (MM : 58.44 g/mol): 80.00 g | Sigma-Aldrich, Germany | S9888 | |
| Sodium phosphate dibasic (MM: 141,96 g): 14,40 g | Sigma-Aldrich, Germany | 795410 |
References
- Ho, N., Sommers, M. S., Lucki, I. Effects of diabetes on hippocampal neurogenesis: links to cognition and depression. Neurosci Biobehav Rev. 37 (8), 1346-1362 (2013).
- Cukierman, T., Gerstein, H. C., Williamson, J. D. Cognitive decline and dementia in diabetes–systematic overview of prospective observational studies. Diabetologia. 48 (12), 2460-2469 (2005).
- Gaudieri, P. A., Chen, R., Greer, T. F., Holmes, C. S. Cognitive function in children with type 1 diabetes: a meta-analysis. Diabetes Care. 31 (9), 1892-1897 (2008).
- Brismar, T., et al. Predictors of cognitive impairment in type 1 diabetes. Psychoneuroendocrinology. 32 (8-10), 1041-1051 (2007).
- Ojo, O., Brooke, J. Evaluating the Association between Diabetes, Cognitive Decline and Dementia. Int J Environ Res Public Health. 12 (7), 8281-8294 (2015).
- Capes, S. E., Hunt, D., Malmberg, K., Pathak, P., Gerstein, H. C. Stress hyperglycemia and prognosis of stroke in nondiabetic and diabetic patients: a systematic overview. Stroke. 32 (10), 2426-2432 (2001).
- Stead, L. G., et al. Hyperglycemia as an independent predictor of worse outcome in non-diabetic patients presenting with acute ischemic stroke. Neurocrit Care. 10 (2), 181-186 (2009).
- Kagansky, N., Levy, S., Knobler, H. The role of hyperglycemia in acute stroke. Arch Neurol. 58 (8), 1209-1212 (2001).
- Gilmore, R. M., Stead, L. G. The role of hyperglycemia in acute ischemic stroke. Neurocrit Care. 5 (2), 153-158 (2006).
- Desilles, J. P., et al. Diabetes mellitus, admission glucose, and outcomes after stroke thrombolysis: a registry and systematic review. Stroke. 44 (7), 1915-1923 (2013).
- Dorsemans, A. C., et al. Impaired constitutive and regenerative neurogenesis in adult hyperglycemic zebrafish. J Comp Neurol. , (2016).
- Schmidt, R., Strähle, U., Scholpp, S. Neurogenesis in zebrafish – from embryo to adult. Neural Dev. 8, 3 (2013).
- Kizil, C., Kaslin, J., Kroehne, V., Brand, M. Adult neurogenesis and brain regeneration in zebrafish. Dev Neurobiol. 72 (3), 429-461 (2012).
- Grandel, H., Brand, M. Comparative aspects of adult neural stem cell activity in vertebrates. Dev Genes Evol. 223 (1-2), 131-147 (2013).
- Lindsey, B. W., Tropepe, V. A comparative framework for understanding the biological principles of adult neurogenesis. Prog Neurobiol. 80 (6), 281-307 (2006).
- März, M., et al. Heterogeneity in progenitor cell subtypes in the ventricular zone of the zebrafish adult telencephalon. Glia. 58 (7), 870-888 (2010).
- Chapouton, P., Jagasia, R., Bally-Cuif, L. Adult neurogenesis in non-mammalian vertebrates. Bioessays. 29 (8), 745-757 (2007).
- Lindsey, B. W., Darabie, A., Tropepe, V. The cellular composition of neurogenic periventricular zones in the adult zebrafish forebrain. J Comp Neurol. 520 (10), 2275-2316 (2012).
- Sarras, M. P., Intine, R. V. Use of Zebrafish as a Disease Model Provides a Unique Window For Understanding the Molecular Basis of Diabetic Metabolic Memory. Zebrafish. , 2611-2619 (2012).
- Oka, T., et al. Diet-induced obesity in zebrafish shares common pathophysiological pathways with mammalian obesity. BMC Physiol. 10, 21 (2010).
- Capiotti, K. M., et al. Persistent impaired glucose metabolism in a zebrafish hyperglycemia model. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol. 171, 58-65 (2014).
- Capiotti, K. M., et al. Hyperglycemia induces memory impairment linked to increased acetylcholinesterase activity in zebrafish (Danio rerio). Behav Brain Res. 274, 319-325 (2014).
- Schmidt, R., Beil, T., Strähle, U., Rastegar, S. Stab wound injury of the zebrafish adult telencephalon: a method to investigate vertebrate brain neurogenesis and regeneration. J Vis Exp. (90), e51753 (2014).
- Diotel, N., et al. Effects of estradiol in adult neurogenesis and brain repair in zebrafish. Horm Behav. 63 (2), 193-207 (2013).
- Rodriguez Viales, R., et al. The helix-loop-helix protein id1 controls stem cell proliferation during regenerative neurogenesis in the adult zebrafish telencephalon. Stem Cells. 33 (3), 892-903 (2015).
- Kaslin, J., Ganz, J., Brand, M. Proliferation, neurogenesis and regeneration in the non-mammalian vertebrate brain. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 363 (1489), 101-122 (2008).
- Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).
- Alunni, A., Bally-Cuif, L. A comparative view of regenerative neurogenesis in vertebrates. Development. 143 (5), 741-753 (2016).
- März, M., Schmidt, R., Rastegar, S., Strähle, U. Regenerative response following stab injury in the adult zebrafish telencephalon. Dev Dyn. 240 (9), 2221-2231 (2011).
- Wullimann, M., Rupp, B., Reichert, H. . Neuroanatomy of the zebrafish brain: A topological atlas. , 1-144 (1996).
- Pellegrini, E., et al. Identification of aromatase-positive radial glial cells as progenitor cells in the ventricular layer of the forebrain in zebrafish. J Comp Neurol. 501 (1), 150-167 (2007).
- Zupanc, G. K., Hinsch, K., Gage, F. H. Proliferation, migration, neuronal differentiation, and long-term survival of new cells in the adult zebrafish brain. J Comp Neurol. 488 (3), 290-319 (2005).
- Sarras, M. P., Intine, R. V. Use of Zebrafish as a Disease Model Provides a Unique Window For Understanding the Molecular Basis of Diabetic Metabolic Memory. iConcept Press. , 2611-2619 (2013).
- Connaughton, V. P., Baker, C., Fonde, L., Gerardi, E., Slack, C. Alternate Immersion in an External Glucose Solution Differentially Affects Blood Sugar Values in Older Versus Younger Zebrafish Adults. Zebrafish. , (2016).
- Prasad, S., Sajja, R. K., Naik, P., Cucullo, L. Diabetes Mellitus and Blood-Brain Barrier Dysfunction: An Overview. J Pharmacovigil. 2 (2), 125 (2014).
