Kene tükürüğü biyomoleküllerine yanıt olarak alerjik reaksiyonların incelenmesi için zebra balığı hayvan modeli
Summary
Burada, zebra balığı (Danio rerio), tükürük ve memeli eti tüketimine karşı alerjik reaksiyonları değerlendirerek alfa-Gal sendromu (AGS) ile ilgili alerjik reaksiyonları ve bağışıklık tepkilerini incelemek için bir model olarak kullanılır.
Abstract
Keneler, patojen bulaşarak hastalığa neden olan ve ısırıkları dünya çapında insan sağlığını etkileyen alerjik reaksiyonlarla ilişkili olabilecek eklembacaklı vektörlerdir. Bazı bireylerde, glikan Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R’ye (α-Gal) karşı yüksek seviyelerde immünoglobulin E antikorları kene ısırıkları ile indüklenmiştir. Kene tükürüğünde bulunan glikan α-Gal’i içeren glikoproteinler ve glikolipidlerin aracılık ettiği anafilaktik reaksiyonlar, alfa-Gal sendromu (AGS) veya memeli eti alerjisi ile ilişkilidir. Zebra balığı (Danio rerio), farklı patolojilerin incelenmesi için yaygın olarak kullanılan bir omurgalı modeli haline gelmiştir. Bu çalışmada, zebra balığı, α-Gal ve memeli eti tüketimine yanıt olarak alerjik reaksiyonların incelenmesi için bir model olarak kullanılmıştır, çünkü insanlar gibi bu glikanı sentezlemezler. Bu amaçla, Ixodes ricinus kene tükürüğü ve memeli eti tüketimine yanıt olarak davranış kalıpları ve hemorajik anafilaktik tip alerjik reaksiyonlar değerlendirildi. Bu deneysel yaklaşım, AGS de dahil olmak üzere kene kaynaklı alerjilerin incelenmesi için zebra balığı hayvan modelini destekleyen geçerli verilerin gizlenmesini sağlar.
Introduction
Keneler, hastalıklara neden olan patojenlerin vektörleridir ve aynı zamanda dünya çapında insanların ve hayvanların sağlığını etkileyen alerjik reaksiyonların nedenidir 1,2. Kene beslemesi sırasında, kene tükürüğündeki biyomoleküller, özellikle proteinler ve lipitler, konakçı savunmalarından kaçınarak bu ektoparazitlerin beslenmesini kolaylaştırır3. Glikan Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R (α-Gal) modifikasyonlarına sahip bazı tükürük biyomolekülleri, kene ısırmasından sonra, sadece bazı bireylerde α-Gal Sendromu (AGS)4 olarak bilinen yüksek anti-α-Gal IgE antikor seviyelerinin üretilmesine yol açar. Bu, kene ısırıkları, primat olmayan memeli eti tüketimi ve cetuximab5 gibi bazı ilaçlar için anafilaksi ile sonuçlanabilecek IgE aracılı alerji ile ilişkili bir hastalıktır. α-Gal’e karşı reaksiyonlar genellikle şiddetlidir ve bazen ölümcül olabilir 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15.
α-Gal, Eski Dünya maymunları, maymunlar ve α-Gal13’ü sentezleme yeteneğine sahip olmayan insanlar dışındaki tüm memelilerde bulunur. Bununla birlikte, bakteri ve protozoa gibi patojenler, bu glikanı yüzeylerinde eksprese eder, bu da yüksek miktarda anti-α-Gal IgM / IgG antikorlarının üretimini indükleyebilir ve bu patojenlere karşı koruyucu bir mekanizma olabilir16,17. Bununla birlikte, anti-α-Gal antikorlarının üretimi, IgE aracılı anti-α-Gal alerjileri gelişme riskini arttırır 7,13. İnsanlarda, özellikle IgM / IgG alt tiplerinde üretilen doğal anti-α-Gal antikorları, bağırsak mikrobiyotası16’dan bakterilerde bulunan bu modifikasyonla ilişkilendirilebilir. AGS zorlu bir klinik tanı olabilir, çünkü şu anda ana tanı yöntemi, özellikle gıda alerjileri (yani, kaşıntı, lokalize kurdeşen veya anafilaksi, ürtiker ve gastrointestinal semptomlara tekrarlayan anjiyoödem) ile ilişkili gecikmiş alerjik reaksiyonların klinik öyküsüne ve IgE anti-α-Gal antikor seviyelerinin ölçümüne dayanmaktadır9. Mevcut bulgular, kene ısırıklarının AGS 18,19’un ortaya çıkmasında başlıca risklerden birini oluşturduğunu, kene ısırığı 19’u takiben IgE düzeylerinde α-Gal’e 20 kat veya daha fazla bir artış, AGS20,21,22’li hastalarda kene ısırığı öyküsü, AGS hastalarında kene antijenlerine reaktif antikorların varlığı 19, ve anti-α-Gal IgE’nin kene karşıtı IgE seviyeleri19,23 ile güçlü bir şekilde ilişkili olduğunu, ancak hangi biyomoleküllerin gerçekte dahil olduğunu değerlendirmek için daha ileri çalışmalara ihtiyaç duyulduğunu belirtti.
Ek olarak, bir başka olası senaryo, kene ısırıklarına karşı güçlü alerjik reaksiyonlar ve yüksek düzeyde anti-α-Gal IgE antikorları sunan, ancak memeli eti tüketimine toleranslı olan hastalardır12. Bu nedenle, memeli eti alerjisi, kene ısırığı ile ilgili alerjinin belirli bir türü olabilir. AGS ile ilişkili başlıca kene türleri arasında Amblyomma americanum (ABD), Amblyomma sculptum (Brezilya), Amblyomma testudinarium ve Haemaphysalis longicornis (Japonya), Ixodes holocyclus (Avustralya) ve Ixodes ricinus (Avrupa’daki Lyme borreliosis’in ana vektörü)11,24 bulunur.
Kene ısırıkları ile ilgili IgE üretimini değerlendirmek için kullanılan tek model, α-1,3-galaktosiltransferaz nakavt edilmiş (α-Gal KO) fareler25,26 için gen ile genetik olarak değiştirilmiş fare modelidir, çünkü diğer memeliler gibi, fareler de proteinler ve lipitler üzerinde α-Gal eksprese eder ve α-Gal’e IgE üretmez. Bununla birlikte, zebra balığı (Danio rerio), memelilere uygulanan biyomedikal araştırmalar için yararlı bir modeldir, çünkü memelilerle birçok anatomik benzerliği paylaşır ve insanlar gibi α-Gal’i sentezleyemez. α-Gal, zebra balıklarında doğal olarak üretilmediğinden, uygun fiyatlı bir modeldir, manipüle edilmesi kolaydır ve α-Gal ile ilişkili alerjik reaksiyonların incelenmesi için yüksek bir örneklem büyüklüğüne izin verir.
Bu çalışmada, zebra balığı, lokal alerjik reaksiyonları, davranış kalıplarını ve tükürük26,27 kene ve müteakip memeli eti tüketimine karşı perkütan sensitizasyona yanıt ile ilişkili moleküler mekanizmaları karakterize etmek ve tanımlamak için model bir organizma olarak kullanılmıştır. Bu amaçla, balıklar intradermal enjeksiyon ile kene tükürüğüne maruz bırakılır ve daha sonra α-Gal27 içeren hayvan kullanımına uygun memeli eti türevi ürünler içeren köpek yemi ile beslenir, daha sonra olası ilişkili alerjik reaksiyonlar değerlendirilir. Bu yöntem, alerjik süreçlerle ilgili diğer biyomoleküllerin, özellikle AGS ile ilgili olanların incelenmesine uygulanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zebra balığı, bağışıklık tepkisinin moleküler mekanizmaları, patojen hastalıkları, yeni ilaç testleri ve enfeksiyonlara karşı aşılama ve korunma çalışmaları için çok uygun bir araç olan uygun maliyetli ve kullanımı kolay bir modeldir33,34,35. Zebra balıklarının davranışları üzerine yapılan çalışma yararlıdır, çünkü önceki çalışmalar bazı balık türlerinin stresli olduklarında tank…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SaBio grubu üyelerine, balık deney tesisi ile deneysel tasarımdaki işbirlikleri ve teknik yardımları için ve Juan Galcerán Sáez’e (IN-CSIC-UMH, İspanya) zebra balığı sağladığı için teşekkür ederiz. Bu çalışma Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación MCIN/AEI/10.13039/501100011033, İspanya ve AB-FEDER (Grant BIOGAL PID2020-116761GB-I00) tarafından desteklenmiştir. Marinela Contreras, Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, İspanya tarafından IJC2020-042710-I hibesi ile finanse edilmektedir.
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).
