Le ver du tabac comme système modèle d’insecte pour les études précliniques sur les cannabinoïdes
Summary
Le présent protocole fournit des informations pédagogiques sur l’utilisation du ver du tabac Manduca sexta dans la recherche sur les cannabinoïdes. La méthode décrite ici comprend toutes les fournitures et protocoles nécessaires pour surveiller les changements physiologiques et comportementaux du modèle d’insecte en réponse au traitement au cannabidiol (CBD).
Abstract
Avec une attention accrue portée aux cannabinoïdes en médecine, plusieurs organismes modèles de mammifères ont été utilisés pour élucider leurs fonctions pharmaceutiques inconnues. Cependant, de nombreuses difficultés subsistent dans la recherche sur les mammifères, ce qui nécessite le développement d’organismes modèles non mammifères pour la recherche sur les cannabinoïdes. Les auteurs suggèrent le ver du tabac Manduca sexta comme un nouveau système modèle d’insecte. Ce protocole fournit des informations sur la préparation du régime artificiel avec des quantités variables de cannabidiol (CBD), la mise en place d’un environnement de culture et la surveillance de leurs changements physiologiques et comportementaux en réponse au traitement au CBD. Brièvement, après avoir reçu des œufs de vers de corne, les œufs ont été autorisés à éclore 1 à 3 jours à 25 ° C sur un cycle clair-sombre de 12:12 avant d’être répartis au hasard dans le contrôle (régime artificiel à base de germe de blé; AD), véhicule (AD + 0,1 % d’huile de triglycérides à chaîne moyenne; HUILE MCT) et groupes de traitement (AD + 0,1% MCT + 1 mM ou 2 mM de CBD). Une fois le milieu préparé, les larves du 1er stade ont été placées individuellement dans un tube à essai de 50 ml avec un bâton de brochette en bois, puis le tube à essai a été recouvert d’une étamine. Des mesures ont été prises à intervalles de 2 jours pour les réponses physiologiques et comportementales à l’administration de CBD. Cette procédure de culture simple permet aux chercheurs de tester de grands spécimens dans une expérience donnée. De plus, les cycles de vie relativement courts permettent aux chercheurs d’étudier l’impact des traitements aux cannabinoïdes sur plusieurs générations d’une population homogène, ce qui permet d’obtenir des données à l’appui d’une conception expérimentale dans des organismes modèles de mammifères supérieurs.
Introduction
Au cours des dernières années, l’attention du public a été centrée sur les cannabinoïdes en raison de leur potentiel thérapeutique, y compris le traitement de l’épilepsie1, de la maladie de Parkinson2, de la sclérose en plaques3 et de diverses formes de cancer4,5,6 avec le cannabidiol (CBD). Depuis que le cannabis est légalisé en tant que produit agricole dans la loi sur l’amélioration agricole de 2018, la loi publique 115-334 (le Farm Bill de 2018), le cannabis et ses dérivés cannabinoïdes dans les industries alimentaire, cosmétique et pharmaceutique ont augmenté de manière exponentielle. De plus, des isolats de qualité clinique de cannabinoïdes simples et de mélanges de cannabinoïdes ont été testés avec succès chez des sujets humains7, des lignées cellulaires5,8 et divers systèmes de modèles animaux9,10.
Un essai clinique serait idéal pour valider l’efficacité et les effets indésirables des cannabinoïdes sur une maladie spécifique. Cependant, les essais cliniques présentent de nombreux défis, notamment l’approbation éthique/IRB, le recrutement et la rétention des sujets11. Pour surmonter ces obstacles, diverses lignées cellulaires humaines ont été utilisées parce que les lignées cellulaires d’origine humaine sont rentables, faciles à manipuler, peuvent contourner les questions éthiques et fournir des résultats cohérents et reproductibles, car les lignées cellulaires sont une « population pure de cellules qui n’ont pas de contamination croisée d’autres cellules et produits chimiques»12.
Alves et al. (2021)13 ont testé le CBD de manière dose-dépendante dans les trophoblastes placentaires, qui sont des cellules spécialisées du placenta qui jouent un rôle essentiel dans l’implantation embryonnaire et l’interaction avec l’utérus maternel décidualisé14. Leurs résultats ont montré que le CBD causait une perte de viabilité cellulaire, une perturbation de la progression du cycle cellulaire et une induction de l’apoptose. Ces observations démontrent les effets négatifs potentiels de la consommation de cannabis chez les femmes enceintes13. De même, une série de lignées cellulaires ont également été utilisées pour examiner les effets pharmacologiques du CBD dans les maladies humaines, en particulier diverses formes de cancer. Les études in vitro ont démontré avec succès les effets anticancéreux dans les cellules cancéreuses du pancréas15, du sein8 et colorectal16. Cependant, tout en étant largement disponibles et faciles à manipuler, des lignées cellulaires spécifiques telles que HeLa, HEK293 sont sujettes à des changements génétiques et phénotypiques dus à des altérations de leurs conditions de croissance ou de leur manipulation17.
Dans la recherche sur le cannabis, divers systèmes de modèles animaux, allant de petits animaux tels que mouse18, guinea-pig19 et rabbit19 à de grands animaux tels que canine20, piglet21, monkey22, horse23, ont été utilisés pour explorer des effets thérapeutiques inconnus. Les souris ont été le système modèle animal le plus préféré pour la recherche sur les cannabinoïdes en raison de leur similitude anatomique, physiologique et génétique avec les humains24. Plus important encore, les souris ont des récepteurs CB1/2 dans leur système nerveux, qui sont présents chez l’homme. Ils ont également un cycle de vie plus court que les sujets humains, avec un entretien plus facile et des ressources génétiques abondantes, ce qui facilite grandement la surveillance des effets des cannabinoïdes tout au long d’un cycle de vie. Le système des mammifères est largement utilisé et a démontré avec succès que le CBD soulage les troubles épileptiques1, le trouble de stress post-traumatique9, les ulcères buccaux25 et les symptômes de type démence10. Le modèle murin a également permis une étude de l’interaction sociale des individus au sein d’une communauté, ce qui est extrêmement difficile chez les grands animaux et les humains26.
Malgré tous les avantages du système de modèle animal, il est toujours coûteux et nécessite des soins intensifs lors de l’administration des médicaments et de la collecte de données. En outre, l’utilisation de souris dans la recherche fait l’objet d’un examen minutieux en raison de l’irreproductibilité et de la mauvaise récapitulation des conditions humaines en raison des limites de la conception expérimentale et de la rigueur27.
Avec la demande croissante d’études médicales / précliniques sur les cannabinoïdes, un système modèle non mammifère est nécessaire. Les modèles d’invertébrés conféraient traditionnellement des avantages distincts par rapport aux modèles de vertébrés. Les avantages significatifs comprennent la facilité et le faible coût de l’élevage de nombreux spécimens et permettant aux chercheurs de surveiller plusieurs générations de populations génétiquement homogènes28. Une étude récente a prouvé que la mouche des fruits, Drosophila melanogaster, était un système modèle d’insecte efficace pour étudier les fonctions pharmacologiques des cannabinoïdes dans la modulation des comportements alimentaires29. Parmi les systèmes modèles d’insectes, les auteurs se sont concentrés sur le ver du tabac, Manduca sexta, également connu sous le nom de papillon de nuit du sphinx de Caroline ou papillon faucon, en tant que nouveau système modèle d’insecte pour la recherche sur les cannabinoïdes.
Manduca sexta appartient à la famille des Sphingidae. L’insecte est le ravageur des plantes le plus commun dans le sud des États-Unis, où il se nourrit de plantes solanacées. Le modèle d’insecte a une longue histoire dans la recherche en physiologie des insectes, biochimie, neurobiologie et études d’interaction médicamenteuse. Le portefeuille de recherche de Manduca sexta comprend un projet de séquence du génome, permettant une compréhension au niveau moléculaire des processus cellulaires essentiels30. Un autre avantage crucial de ce système modèle est sa grande taille, atteignant plus de 100 mm de longueur et 10 g de poids dans les 18-25 jours de développement larvaire. La grande taille permet aux chercheurs de surveiller facilement les changements morphologiques et comportementaux en temps réel en réponse au traitement au CBD. En outre, en raison de la taille, les réponses électrophysiologiques ont été examinées avec le système nerveux abdominal, y compris les ganglions disséqués des larves sans réglages de microscope à haute résolution. Cette caractéristique unique permet aux chercheurs d’étudier facilement les réponses aiguës et à long terme au(x) cannabinoïde(s) administré(s).
Malgré cette polyvalence, M. sexta n’a été exploré que récemment pour sa pertinence en tant que modèle expérimental pour les études sur le cannabis et les cannabinoïdes. En 2019, les auteurs ont utilisé pour la première fois le système de modèle d’insecte pour répondre à l’hypothèse selon laquelle le cannabis a évolué pour produire du cannabidiol afin de se protéger des insectes herbivores30,31. Le résultat a clairement montré que les plantes exploitaient le CBD comme moyen de dissuasion alimentaire et inhibaient la croissance de la chenille de l’insecte ravageur M. sexta, tout en provoquant une mortalité accrue31. L’étude a également démontré les effets de sauvetage du CBD sur les larves d’éthanol intoxiquées, identifiant l’effet véhicule potentiel de l’éthanol en tant que porteur du CBD. Comme montré, le système de modèle d’insecte a efficacement étudié les effets thérapeutiques des cannabinoïdes en 3-4 semaines avec moins de main-d’œuvre et de coûts que les autres systèmes animaux. Bien que le modèle d’insectes manque de récepteurs cannabinoïdes (c’est-à-dire pas de récepteurs CB1/2), le système modèle fournit un outil précieux pour comprendre les rôles pharmacologiques des cannabinoïdes d’une manière indépendante des récepteurs cannabinoïdes.
Les auteurs de cette étude ont déjà travaillé avec le ver du tabac comme système modèle pour la recherche sur les cannabinoïdes31. Après un examen attentif des avantages et des risques de l’utilisation de M. sexta, nous avons fourni une méthode impliquant les soins appropriés et la préparation du régime alimentaire pour les essais précliniques qui permettent des possibilités d’utilisation future en laboratoire préclinique.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’étude sur l’alimentation a démontré que de fortes doses de CBD (2 mM) inhibaient la croissance de l’insecte et augmentaient la mortalité31. Le modèle d’insecte a également montré une sensibilité à l’éthanol; cependant, le CBD a effectivement détoxiqué la toxicité de l’éthanol, augmentant leur taux de survie, leur consommation alimentaire et leurs comportements de recherche alimentaire à des niveaux similaires à ceux du groupe témoin (Figure 3A</s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été soutenue par l’Institut de recherche sur le cannabis de la Colorado State University-Pueblo et le ministère des Sciences et des TIC (2021-DD-UP-0379) et la ville de Chuncheon (R&D et industrialisation du chanvre, 2020-2021).
Materials
| Analytic balance | Mettler Instrument Corp. | AE100S | |
| Cannabidiol isolate (>99.4%) | Lilu's Garden | ||
| Cheesecloth | VWR INTERNATIONAL | 470150-438 | |
| Corning 50mL clear polypropylene (PP) centrifuge tubes | VWR | 89093-192 | |
| Ethyl Alcohol, 200 Proof | Sigma-Aldrich | EX0276-1 | |
| Fear conditioning chamber | Coulbourn Instruments | ||
| Insect rearing chamber | Darwin Chambers | INR034 | |
| Medium chain triglycerides (MCT) oil | Walmart | ||
| Motion detection software (Actimetrics) | Coulbourn Instruments | ||
| Polystyrene petri dish (120 mm x 120 mm x 17mm) | VWR INTERNATIONAL | 688161 | |
| Tobacco hormworm artificial diet | Carolina Biological Supply Company | Item # 143908 | Ready-To-Use-Hornworm-Diet |
| Tobacco hormworm eggs | Carolina Biological Supply Company | Item # 143880 | Unit of 30-50 |
References
- Kaplan, J. S., Stella, N., Catterall, W. A., Westenbroek, R. E. Cannabidiol attenuates seizures and social deficits in a mouse model of Dravet syndrome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (42), 11229-11234 (2017).
- Leehey, M. A., et al. Safety and tolerability of cannabidiol in Parkinson Disease: An open label, dose-escalation study. Cannabis and Cannabinoid Research. 5 (4), 326-336 (2020).
- Al-Ghezi, Z. Z., Miranda, K., Nagarkatti, M., Nagarkatti, P. S. Combination of cannabinoids, delta 9- tetrahydrocannabinol and cannabidiol, ameliorates experimental multiple sclerosis by suppressing neuroinflammation through regulation of miRNA-mediated signaling pathways. Frontiers in Immunology. 10, 1921 (2019).
- Seltzer, E. S., Watters, A. K., MacKenzie, D., Granat, L. M., Zhang, D. Cannabidiol (CBD) as a promising anti-cancer drug. Cancers (Basel). 12 (11), 3203 (2020).
- Garcia-Morales, L., et al. CBD reverts the mesenchymal invasive phenotype of breast cancer cells induced by the inflammatory cytokine IL-1beta). International Journal of Molecular Sciences. 21 (7), 2429 (2020).
- Jeong, S., et al. Cannabidiol promotes apoptosis via regulation of XIAP/Smac in gastric cancer. Cell Death and Disease. 10 (11), 846 (2019).
- Devinsky, O., et al. Open-label use of highly purified CBD (Epidiolex®) in patients with CDKL5 deficiency disorder and Aicardi, Dup15q, and Doose syndromes. Epilepsy & Behavior. 86, 131-137 (2018).
- de la Harpe, A., Beukes, N., Frost, C. L. CBD activation of TRPV1 induces oxidative signaling and subsequent ER stress in breast cancer cell lines. Biotechnology and Applied Biochemistry. , (2021).
- Gasparyan, A., Navarrete, F., Manzanares, J. Cannabidiol and sertraline regulate behavioral and brain gene expression alterations in an animal model of PTSD. Frontiers in Pharmacology. 12, 694510 (2021).
- Aso, E., et al. Cannabidiol-enriched extract reduced the cognitive impairment but not the epileptic seizures in a Lafora disease animal model. Cannabis and Cannabinoid Research. 5 (2), 150-163 (2020).
- Kadam, R. A., Borde, S. U., Madas, S. A., Salvi, S. S., Limaye, S. S. Challenges in recruitment and retention of clinical trial subjects. Perspectives in Clinical Research. 7 (3), 137-143 (2016).
- Kaur, G., Dufour, J. M. Cell lines: Valuable tools or useless artifacts. Spermatogenesis. 2 (1), 1-5 (2012).
- Alves, P., Amaral, C., Teixeira, N., Correia-da-Silva, G. Cannabidiol disrupts apoptosis, autophagy and invasion processes of placental trophoblasts. Archives of Toxicology. , (2021).
- . Trophoblast Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/Trophoblast (2021)
- Yang, Y., et al. Cannabinoids inhibited pancreatic cancer via P-21 activated kinase 1 mediated pathway. International Journal of Molecular Sciences. 21 (21), 8035 (2020).
- Jeong, S. Cannabidiol-induced apoptosis is mediated by activation of Noxa in human colorectal cancer cells. Cancer Letters. 447, 12-23 (2019).
- Capes-Davis, A., et al. Cell lines as biological models: Practical steps for more reliable research. Chemical Research in Toxicology. 32 (9), 1733-1736 (2019).
- Chuang, S. H., Westenbroek, R. E., Stella, N., Catterall, W. A. Combined antiseizure efficacy of cannabidiol and clonazepam in a conditional mouse model of Dravet syndrome. Journal of Experimental Neurology. 2 (2), 81-85 (2021).
- Orvos, P., et al. The electrophysiological effect of cannabidiol on hERG current and in guinea-pig and rabbit cardiac preparations. Scientific Reports. 10 (1), 16079 (2020).
- Verrico, C. D., et al. A randomized, double-blind, placebo-controlled study of daily cannabidiol for the treatment of canine osteoarthritis. Pain. 161 (9), 2191-2202 (2020).
- Barata, L., et al. Neuroprotection by cannabidiol and hypothermia in a piglet model of newborn hypoxic-ischemic brain damage. Neuropharmacology. 146, 1-11 (2019).
- Beardsley, P. M., Scimeca, J. A., Martin, B. R. Studies on the agonistic activity of delta 9-11-tetrahydrocannabinol in mice, dogs and rhesus monkeys and its interactions with delta 9-tetrahydrocannabinol. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 241 (2), 521-526 (1987).
- Ryan, D., McKemie, D. S., Kass, P. H., Puschner, B., Knych, H. K. Pharmacokinetics and effects on arachidonic acid metabolism of low doses of cannabidiol following oral administration to horses. Drug Testing and Analysis. 13 (7), 1305-1317 (2021).
- Bryda, E. C. The Mighty Mouse: The impact of rodents on advances in biomedical research. Missouri Medicine. 110 (3), 207-211 (2013).
- Qi, X., et al. CBD promotes oral ulcer healing via inhibiting CMPK2-mediated inflammasome. Journal of Dental Research. , (2021).
- Mastinu, A., et al. Prosocial effects of nonpsychotropic Cannabis sativa in mice. Cannabis and Cannabinoid Research. , (2021).
- Justice, M. J., Dhillon, P. Using the mouse to model human disease: increasing validity and reproducibility. Disease Models & Mechanisms. 9 (2), 101-103 (2016).
- Andre, R. G., Wirtz, R. A., Das, Y. T., An, C. . Insect Models for Biomedical Research. , 61-72 (1989).
- He, J., Tan, A. M. X., Ng, S. Y., Rui, M., Yu, F. Cannabinoids modulate food preference and consumption in Drosophila melanogaster. Scientific Reports. 11 (1), 4709 (2021).
- Kanost, M. R., et al. Multifaceted biological insights from a draft genome sequence of the tobacco hornworm moth, Manduca sexta. Insect Biochemistry and Molecular Biology. 76, 118-147 (2016).
- Park, S. H., et al. Contrasting roles of cannabidiol as an insecticide and rescuing agent for ethanol-induced death in the tobacco hornworm Manduca sexta. Scientific Reports. 9 (1), 10481 (2019).
- Tukey, J. W. Comparing individual means in the analysis of variance. Biometrics. 5 (2), 99-114 (1949).
- Mantel, N. Evaluation of survival data and two new rank order statistics arising in its consideration. Cancer Chemotherapy Reports. 50 (3), 163-170 (1966).
- Watts, S., Kariyat, R. Picking sides: Feeding on the abaxial leaf surface is costly for caterpillars. Planta. 253 (4), 77 (2021).
- McPartland, J. M., Agraval, J., Gleeson, D., Heasman, K., Glass, M. Cannabinoid receptors in invertebrates. Journal of Evolutionary Biology. 19 (2), 366-373 (2006).
