Modelli acuti e cronici di iperglicemia in Zebrafish: un metodo per valutare l'impatto dell'iperglicemia sulla neurogenesi e la biodistribuzione delle molecole radiomarcate
Summary
Questo lavoro descrive metodi per stabilire modelli iperglicemia acuta e cronica in zebrafish. L'obiettivo è quello di indagare l'impatto dell'iperglicemia sui processi fisiologici, come la neurogenesi costitutiva e indotta da lesioni. Il lavoro evidenzia anche l'uso di zebrafish per seguire molecole radiomarcate (qui, [ 18 F] -FDG) usando PET / CT.
Abstract
L'iperglicemia è un importante problema di salute che porta alla disfunzione cardiovascolare e cerebrale. Per esempio, è associato ad un aumento dei problemi neurologici dopo l'ictus ed è dimostrato che pregiudica i processi neurogenici. È interessante notare che lo zebrafish adulto è emerso recentemente come un modello pertinente e utile per imitare l'iperglicemia / diabete e per indagare la neurogenesi costitutiva e rigenerativa. Questo lavoro fornisce metodi per sviluppare i modelli zebrafish di iperglicemia per esplorare l'impatto dell'iperglicemia sulla proliferazione delle cellule cerebrali in condizioni di homeostatico e di riparazione del cervello. L'iperglicemia acuta viene stabilita usando l'iniezione intraperitoneale di D-glucosio (2,5 g / kg di peso corporeo) in zebrafish adulti. L'iperglicemia cronica è indotta da immersione di zebrafish adulti in D-glucosio (111 mM) contenenti acqua per 14 giorni. Sono descritte misure di livello glucosio nel sangue per questi diversi approcci. Metodi per indagare l'impatto della iperglicemia sui fattori costitutivi aLa neurogenesi rigenerativa, descrivendo la lesione meccanica del telencephalon, dissecting il cervello, incorporando paraffina e sezionando con un microtomo, e eseguendo procedure immunohistochemistry, sono stati dimostrati. Infine, viene descritto anche il metodo di utilizzare il pesce zebra come modello rilevante per studiare la biodistribuzione delle molecole radioattive (qui, [ 18 F] -FDG) utilizzando PET / CT.
Introduction
L'iperglicemia è definita come livelli eccessivi di glucosio nel sangue. Anche se potrebbe riflettere una situazione di stress acuto, l'iperglicemia è anche una condizione che spesso porta a una diagnosi di diabete, un disturbo cronico di secrezione insulina e / o resistenza. Nel 2016, il numero degli adulti che vivono con il diabete ha raggiunto 422 milioni di persone in tutto il mondo, e ogni anno 1,5 milioni di persone muoiono da questa malattia, rendendolo un grave problema di salute 1 . Infatti, il diabete incontrollato porta a diversi disturbi fisiologici che interessano il sistema cardiovascolare, i reni e i sistemi nervosi periferici e centrali.
È interessante notare che l'iperglicemia acuta e cronica può alterare la cognizione e contribuire sia alla demenza che alla depressione 2 , 3 , 4 , 5 , 6 . Inoltre, l'ammissione dei pazienti wL'iperglicemia è stata associata a peggiori risultati funzionali, neurologici e di sopravvivenza dopo l'ictus ischemico 7 , 8 , 9 , 10 , 11 . È stato inoltre dimostrato che l'iperglicemia / diabete influisce sulla neurogenesi adulta, un processo che porta alla generazione di nuovi neuroni, impattando l'attività delle cellule staminali neurali e la differenziazione, la migrazione e la sopravvivenza neuronale 2 , 12 .
A differenza dei mammiferi, i pesci teleostici, come i pesci zebra, mostrano un'intensa attività neurogenica in tutto il cervello e presentano una straordinaria capacità di riparazione del cervello durante l'età adulta 13 , 14 , 15 , 16 . In particolare, tali capacità sono possibili a causa della persistenza del neuCellule staminali / progenitori, comprese le glia radiali ei neuroblasti 17 , 18 , 19 . Inoltre, il pesce zebra è recentemente emerso come modello per studiare i disturbi metabolici, tra cui l'obesità e l'iperglicemia / diabete 20 , 21 , 22 .
Anche se il pesce zebra è un modello ben noto di iperglicemia e neurogenesi, pochi studi hanno indagato l'impatto dell'iperglicemia sulla homeostasi del cervello e sulla funzione cognitiva 12 , 23 . Per determinare l'impatto dell'iperglicemia sulla proliferazione delle cellule cerebrali congenite e causata da lesioni, è stato creato un modello di iperglicemia acuta attraverso l'iniezione intraperitoneale di D-glucosio. Inoltre, un modello di iperglicemia cronica è stato riprodotto attraverso l'immersione di pesci in acqua integrata wIth D-glucosio 12 . I pesci zebra presentano molti vantaggi nella ricerca. Sono economici, facili da sollevare e trasparenti durante le prime fasi di sviluppo, e il loro genoma è stato sequenziato. Nel contesto di questo lavoro, essi presentano anche diversi vantaggi: (1) condividono processi fisiologici simili con gli esseri umani, rendendoli uno strumento fondamentale per la ricerca biomedica; (2) consentono una rapida indagine dell'impatto dell'iperglicemia sulla homeostasi del cervello e sulla neurogenesi, vista la loro diffusa e forte attività neurogenica; E (3) sono un modello alternativo che consente la riduzione del numero di mammiferi utilizzati nella ricerca. Infine, il pesce zebra può essere utilizzato come modello per testare la biodistribuzione di molecole radiomarcate e potenziali agenti terapeutici usando PET / CT.
L'obiettivo generale della seguente procedura è quello di documentare visivamente come impostare modelli di iperglicemia acuta e cronica in zebrafish, utilizzare zebRafish per valutare il rimodellamento del cervello in condizioni iperglicemiche e monitorare le molecole radiomarcate (qui, [18F] -FDG) usando PET / CT.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo lavoro descrive diversi metodi per stabilire modelli acuti e cronici di iperglicemia nel pesce zebra. I principali vantaggi di queste procedure sono: (1) consentono una riduzione del numero di mammiferi utilizzati per la ricerca; (2) sono semplici da impostare e veloci da attuare; e (3) sono economici. Pertanto, tali modelli consentono di investigare l'impatto dell'iperglicemia su un gran numero di animali per studiarne l'impatto su diversi processi fisiologici, tra cui l'aterotrombosi, le disfunz…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo grandemente la Direction des Usages du Numérique (DUN) dell'Università di La Réunion per la modifica del video (in particolare, Jean-François Février, Eric Esnault e Sylvain Ducasse), Lynda-Rose Mottagan per il voiceover, Mary Osborne-Pellegrin per bozze Il voice-over e la piattaforma CYROI. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni dell'Università La Réunion (Bonus Qualité Recherche, Dispositifs incitatifs), Conseil Régional de La Réunion, Unione Europea (CPER / FEDER) e Associazione Philancia. ACD è un destinatario di una borsa di studio del Ministro dell'Istruzione Nazionale, dell'Enseignement Supérieur e della Recherche, Università La Réunion (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 |
Riferimenti
- 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).
