Zebravis diermodel voor de studie van allergische reacties in reactie op biomoleculen van tekenspeeksel
Summary
Hier wordt zebravis (Danio rerio) gebruikt als een model om allergische reacties en immuunresponsen gerelateerd aan alfa-Gal-syndroom (AGS) te bestuderen door allergische reacties op tekenspeeksel en vleesconsumptie van zoogdieren te evalueren.
Abstract
Teken zijn geleedpotige vectoren die ziekte veroorzaken door overdracht van pathogenen en waarvan de beten verband kunnen houden met allergische reacties die de menselijke gezondheid wereldwijd beïnvloeden. Bij sommige personen zijn hoge niveaus van immunoglobuline E-antilichamen tegen de glycaan Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R (α-Gal) geïnduceerd door tekenbeten. Anafylactische reacties gemedieerd door glycoproteïnen en glycolipiden die het glycaan α-Gal bevatten, aanwezig in tekenspeeksel, zijn gerelateerd aan alfa-Galsyndroom (AGS) of vleesallergie voor zoogdieren. Zebravis (Danio rerio) is een veel gebruikt gewerveld model geworden voor de studie van verschillende pathologieën. In deze studie werd zebravis gebruikt als model voor de studie van allergische reacties als reactie op de consumptie van α-Gal en zoogdiervlees, omdat ze, net als mensen, deze glycaan niet synthetiseren. Voor dit doel werden gedragspatronen en hemorragische anafylactische allergische reacties als reactie op Ixodes ricinus tekenspeeksel en vleesconsumptie van zoogdieren geëvalueerd. Deze experimentele aanpak maakt het mogelijk om geldige gegevens te verzamelen die het zebravisdiermodel ondersteunen voor de studie van door teken overgedragen allergieën, waaronder AGS.
Introduction
Teken zijn vectoren van ziekteverwekkers die ziekten veroorzaken en zijn ook de oorzaak van allergische reacties, die de gezondheid van mens en dier wereldwijd beïnvloeden 1,2. Tijdens tekenvoeding vergemakkelijken biomoleculen in tekenspeeksel, vooral eiwitten en lipiden, de voeding van deze ectoparasieten, waardoor de afweer van de gastheer wordt vermeden3. Sommige speekselbiomoleculen met glycaan Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R (α-Gal) modificaties leiden tot de productie van hoge anti-α-Gal IgE-antilichaamniveaus na de tekenbeet, alleen bij sommige personen, wat bekend staat als α-Gal Syndroom (AGS)4. Dit is een ziekte geassocieerd met IgE-gemedieerde allergie die kan leiden tot anafylaxie voor tekenbeten, vleesconsumptie van niet-primaten van zoogdieren en sommige geneesmiddelen zoals cetuximab5. Reacties op α-Gal zijn vaak ernstig en kunnen soms fataal zijn 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15.
De α-Gal wordt gevonden in alle zoogdieren, behalve apen, apen en mensen uit de Oude Wereld die niet het vermogen hebben om α-Gal13 te synthetiseren. Pathogenen zoals bacteriën en protozoa drukken deze glycaan echter op hun oppervlak uit, wat de productie van grote hoeveelheden anti-α-Gal IgM / IgG-antilichamen kan induceren en een beschermend mechanisme tegen deze pathogenen kan zijn16,17. De productie van anti-α-Gal-antilichamen verhoogt echter het risico op het ontwikkelen van IgE-gemedieerde anti-α-Gal-allergieën 7,13. Natuurlijke anti-α-Gal-antilichamen geproduceerd bij mensen, voornamelijk van de IgM / IgG-subtypen, kunnen worden geassocieerd met deze modificatie die aanwezig is in bacteriën uit de darmmicrobiota16. AGS kan een uitdagende klinische diagnose zijn, omdat de belangrijkste diagnostische methode op dit moment is gebaseerd op een klinische geschiedenis van vertraagde allergische reacties, vooral geassocieerd met voedselallergieën (d.w.z. pruritus, gelokaliseerde netelroos of terugkerend angio-oedeem tot anafylaxie, urticaria en gastro-intestinale symptomen) en de meting van IgE anti-α-Gal-antilichaamniveaus9. Huidige bevindingen suggereren dat tekenbeten een van de belangrijkste risico’s vormen bij het verschijnen van AGS 18,19, een 20-voudige of grotere toename van IgE-niveaus tot α-Gal na een tekenbeet 19, een voorgeschiedenis van tekenbeten bij patiënten met AGS20,21,22, het bestaan van antilichamen die reageren op tekenantigenen bij AGS-patiënten 19, en dat anti-α-Gal IgE sterk gerelateerd zijn aan anti-teken IgE-niveaus19,23, maar verdere studies zijn nodig om te beoordelen welke biomoleculen daadwerkelijk betrokken zijn.
Daarnaast is een ander mogelijk scenario patiënten die sterke allergische reacties vertonen op tekenbeten en hoge niveaus van anti-α-Gal IgE-antilichamen, maar tolerant zijn voor de vleesconsumptie van zoogdieren12. Daarom kan vleesallergie voor zoogdieren een bepaald type tekenbeetgerelateerde allergie zijn. De belangrijkste tekensoorten geassocieerd met AGS zijn Amblyomma americanum (VS), Amblyomma sculptum (Brazilië), Amblyomma testudinarium en Haemaphysalis longicornis (Japan), Ixodes holocyclus ( Australië) en Ixodes ricinus (de belangrijkste vector van Lyme borreliose in Europa)11,24.
Het enige model dat is gebruikt om de IgE-productie gerelateerd aan tekenbeten te evalueren, is het muismodel dat genetisch is gemodificeerd met het gen voor α-1,3-galactosyltransferase knock-out (α-Gal KO) muizen25,26 omdat muizen, net als andere zoogdieren, ook α-Gal op eiwitten en lipiden uitdrukken en geen IgE produceren tot α-Gal. Zebravis (Danio rerio) is echter een nuttig model voor biomedisch onderzoek toegepast op zoogdieren omdat het veel anatomische overeenkomsten heeft met zoogdieren en, net als mensen, ook niet in staat is om α-Gal te synthetiseren. Omdat α-Gal niet van nature in zebravissen wordt geproduceerd, is het een betaalbaar model, gemakkelijk te manipuleren en maakt het een hoge steekproefomvang mogelijk voor de studie van α-Gal-gerelateerde allergische reacties.
In deze studie wordt zebravis gebruikt als een modelorganisme om lokale allergische reacties, gedragspatronen en de moleculaire mechanismen geassocieerd met respons op percutane sensibilisatie voor tekenspeeksel26,27 en de daaropvolgende vleesconsumptie van zoogdieren te karakteriseren en te beschrijven. Voor dit doel worden vissen blootgesteld aan tekenspeeksel door intradermale injectie en vervolgens gevoed met hondenvoer, dat van zoogdiervlees afgeleide producten bevat die geschikt zijn voor dierlijk gebruik en die α-Gal27 bevatten, waarna mogelijke gerelateerde allergische reacties worden geëvalueerd. Deze methode kan worden toegepast op de studie van andere biomoleculen die verband houden met allergische processen, met name die welke verband houden met AGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zebravis is een kosteneffectief en gemakkelijk te hanteren model dat ook een zeer haalbaar hulpmiddel is geweest voor de studie van moleculaire mechanismen van de immuunrespons, pathogene ziekten, nieuwe medicijntests en vaccinatie en bescherming tegen infecties33,34,35. De studie over het gedrag van zebravissen is nuttig omdat eerdere studies hebben aangetoond dat sommige vissoorten onbeweeglijk op de bodem van de tank blijven …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen de leden van de SaBio-groep bedanken voor hun samenwerking bij het experimentele ontwerp en de technische assistentie met de visexperimentele faciliteit en Juan Galcerán Sáez (IN-CSIC-UMH, Spanje) voor het leveren van zebravissen. Dit werk werd ondersteund door Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación MCIN/AEI/10.13039/501100011033, Spanje en EU-FEDER (Grant BIOGAL PID2020-116761GB-I00). Marinela Contreras wordt gefinancierd door het Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, Spanje, subsidie IJC2020-042710-I.
Materials
| 1.5 mL tube | VWR | 525-0990 | |
| All Prep DNA/RNA | Qiagen | 80284 | |
| Aquatics facilities | |||
| BCA Protein Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | 23225 | |
| Disection set | VWR | 631-1279 | |
| Dog Food – Red Classic | Acana | ||
| ELISA plates-96 well | Thermo Fisher Scientific | 10547781 | |
| Gala1-3Gal-BSA 3 (α-Gal) | Dextra | NGP0203 | |
| iScript Reverse Transcription Supermix | Supermix | 1708840 | |
| Microliter syringes | Hamilton | 7638-01 | |
| Plate reader | any | ||
| Phosphate buffered saline | Sigma | P4417-50TAB | |
| pilocarpine hydrochloride | Sigma | P6503 | |
| Pipette tip P10 | VWR | 613-0364 | |
| Pipette tip P1000 | VWR | 613-0359 | |
| Premium food tropical fish | DAPC | ||
| Sponge Animal Holder | Made from scrap foam | ||
| Stereomicroscope | any | ||
| Thermal Cycler Real-Time PCR | any | ||
| Tricaine methanesulphonate (MS-222) | Sigma | E10521 |
References
- de la Fuente, J., Estrada-Pena, A., Venzal, J. M., Kocan, K. M., Sonenshine, D. E. Overview: Ticks as vectors of pathogens that cause disease in humans and animals. Frontiers in Bioscience: A Journal and Virtual Library. 13 (18), 6938-6946 (2008).
- de la Fuente, J., et al. Tick-pathogen interactions and vector competence: identification of molecular drivers for tick-borne diseases. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 7, 114 (2017).
- Villar, M., et al. Characterization of tick salivary gland and saliva alphagalactome reveals candidate alpha-gal syndrome disease biomarkers. Expert Review of Proteomics. 18 (12), 1099-1116 (2021).
- Chmelař, J., Kotál, J., Kovaříková, A., Kotsyfakis, M. The use of tick salivary proteins as novel therapeutics. Frontiers in Physiology. 10, 812 (2019).
- Chung, C. H., et al. Cetuximab-induced anaphylaxis and IgE specific for galactose-alpha-1,3-galactose. The New England Journal of Medicine. 358 (11), 1109-1117 (2008).
- Van Nunen, S. A., O’Connor, K. S., Clarke, L. R., Boyle, R. X., Fernando, S. L. An association between tick bite reactions and red meat allergy in humans. The Medical Journal of Australia. 190 (9), 510-511 (2009).
- Cabezas-Cruz, A., et al. Environmental and molecular drivers of the α-Gal syndrome. Frontiers in Immunology. 10, 1210 (2019).
- de la Fuente, J., Pacheco, I., Villar, M., Cabezas-Cruz, A. The alpha-Gal syndrome: new insights into the tick-host conflict and cooperation. Parasites & Vectors. 12 (1), 154 (2019).
- Platts-Mills, T. A. E., et al. On the cause and consequences of IgE to galactose-α-1,3-galactose: A report from the National Institute of Allergy and Infectious Diseases workshop on understanding IgE-mediated mammalian meat allergy. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 145 (4), 1061-1071 (2020).
- Commins, S. P., et al. Delayed anaphylaxis, angioedema, or urticaria after consumption of red meat in patients with IgE antibodies specific for galactose-alpha-1,3-galactose. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 123 (2), 426-433 (2009).
- Platts-Mills, T. A. E., Schuyler, A. J., Tripathi, A., Commins, S. P. Anaphylaxis to the carbohydrate side chain alpha-gal. Immunology and Allergy Clinics of North America. 35 (2), 247-260 (2015).
- Mateos-Hernández, L., et al. Tick-host conflict: immunoglobulin E antibodies to tick proteins in patients with anaphylaxis to tick bite. Oncotarget. 8 (13), 20630-20644 (2017).
- Galili, U. Evolution in primates by "Catastrophic-selection" interplay between enveloped virus epidemics, mutated genes of enzymes synthesizing carbohydrate antigens, and natural anti-carbohydrate antibodies. American Journal of Physical Anthropology. 168 (2), 352-363 (2019).
- Hilger, C., Fischer, J., Wölbing, F., Biedermann, T. Role and mechanism of galactose-alpha-1,3-galactose in the elicitation of delayed anaphylactic reactions to red meat. Current Allergy and Asthma Reports. 19 (1), 3 (2019).
- Cabezas-Cruz, A., Valdés, J., de la Fuente, J. Cancer research meets tick vectors for infectious diseases. The Lancet. Infectious Diseases. 14 (10), 916-917 (2014).
- Yilmaz, B., et al. Gut microbiota elicits a protective immune response against malaria transmission. Cell. 159 (6), 1277-1289 (2014).
- Cabezas-Cruz, A., et al. Regulation of the immune response to α-Gal and vector-borne diseases. Trends in Parasitology. 31 (10), 470-476 (2015).
- Weins, A. B., Eberlein, B., Biedermann, T. Diagnostics of alpha-gal syndrome: Current standards, pitfalls and perspectives. Der Hautarzt; Zeitschrift Fur Dermatologie, Venerologie, Und Verwandte Gebiete. 70 (1), 36-43 (2019).
- Commins, S. P., et al. The relevance of tick bites to the production of IgE antibodies to the mammalian oligosaccharide galactose-α-1,3-galactose. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (5), 1286-1293 (2011).
- Fischer, J., Yazdi, A. S., Biedermann, T. Clinical spectrum of α-Gal syndrome: from immediate-type to delayed immediate-type reactions to mammalian innards and meat. Allergo Journal International. 25 (2), 55-62 (2016).
- Hodžić, A., et al. Infection with Toxocara canis inhibits the production of IgE antibodies to α-Gal in humans: towards a conceptual framework of the hygiene hypothesis. Vaccines. 8 (2), 167 (2020).
- Kiewiet, M. B. G., et al. Clinical and serological characterization of the α-Gal syndrome-importance of atopy for symptom severity in a European cohort. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. In Practice. 8 (6), 2027-2034 (2020).
- Steinke, J. W., Platts-Mills, T. A. E., Commins, S. P. The alpha-gal story: lessons learned from connecting the dots. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 135 (3), 589-596 (2015).
- Hashizume, H., et al. Repeated Amblyomma testudinarium tick bites are associated with increased galactose-α-1,3-galactose carbohydrate IgE antibody levels: A retrospective cohort study in a single institution. Journal of the American Academy of Dermatology. 78 (6), 1135-1141 (2018).
- Chandrasekhar, J. L., et al. Cutaneous exposure to clinically relevant lone star ticks promotes IgE production and hypersensitivity through CD4+ T cell- and MyD88-dependent pathways in mice. Journal of Immunology. 203 (4), 813-824 (2019).
- Araujo, R. N., et al. Amblyomma sculptum tick saliva: α-Gal identification, antibody response and possible association with red meat allergy in Brazil. International Journal for Parasitology. 46 (3), 213-220 (2016).
- Contreras, M., et al. Allergic reactions and immunity in response to tick salivary biogenic substances and red meat consumption in the zebrafish model. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 10, 78 (2020).
- Poole, N. M., Mamidanna, G., Smith, R. A., Coons, L. B., Cole, J. A. Prostaglandin E(2) in tick saliva regulates macrophage cell migration and cytokine profile. Parasites & Vectors. 6 (2), 261 (2013).
- Seibel, H., Baßmann, B., Rebl, A. Blood will tell: what hematological analyses can reveal about fish welfare. Frontiers in Veterinary Science. 8, 616955 (2021).
- Pacheco, I., et al. Vaccination with alpha-gal protects against mycobacterial infection in the zebrafish model of tuberculosis. Vaccines. 8 (2), 195 (2020).
- Gupta, T., Mullins, M. C. Dissection of organs from the adult zebrafish. Journal of Visualized Experiments. (37), e1717 (2010).
- Lu, M. -. W., et al. The interferon response is involved in nervous necrosis virus acute and persistent infection in zebrafish infection model. Molecular Immunology. 45 (4), 1146-1152 (2008).
- Saralahti, A., et al. Adult zebrafish model for pneumococcal pathogenesis. Developmental and Comparative Immunology. 42 (2), 345-353 (2014).
- Gore, A. V., Pillay, L. M., Venero Galanternik, M., Weinstein, B. M. The zebrafish: A fintastic model for hematopoietic development and disease. Wiley Interdisciplinary Reviews. Developmental Biology. 7 (3), 312 (2018).
- Katoch, S., Patial, V. Zebrafish: An emerging model system to study liver diseases and related drug discovery. Journal of Applied Toxicology. 41 (1), 33-51 (2021).
- Kalueff, A. V., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Xin, N., Jiang, Y., Liu, S., Zhou, Y., Cheng, Y. Effects of prednisolone on behavior and hypothalamic-pituitary-interrenal axis activity in zebrafish. Environmental Toxicology and Pharmacology. 75, 103325 (2020).
- Aleström, P., et al. Zebrafish: Housing and husbandry recommendations. Laboratory Animals. 54 (3), 213-224 (2020).
