Establecimiento de un ecosistema de pulpos para la investigación biomédica y de bioingeniería
Summary
Comprender las estructuras fisiológicas y anatómicas únicas de los pulpos puede tener un gran impacto en la investigación biomédica. Esta guía demuestra cómo configurar y mantener un entorno marino para acomodar a esta especie e incluye imágenes de vanguardia y enfoques analíticos para visualizar la anatomía y la función del sistema nervioso del pulpo.
Abstract
Muchos desarrollos en la investigación biomédica se han inspirado en el descubrimiento de mecanismos anatómicos y celulares que apoyan funciones específicas en diferentes especies. El pulpo es uno de estos animales excepcionales que ha dado a los científicos nuevos conocimientos en los campos de la neurociencia, la robótica, la medicina regenerativa y las prótesis. La investigación con esta especie de cefalópodos requiere la instalación de instalaciones complejas y cuidados intensivos tanto para el pulpo como para su ecosistema, que es fundamental para el éxito del proyecto. Este sistema requiere múltiples sistemas de filtrado mecánico y biológico para proporcionar un entorno seguro y limpio para el animal. Junto con el sistema de control, se requiere un mantenimiento y limpieza de rutina especializados para mantener efectivamente la instalación en funcionamiento a largo plazo. Se recomienda proporcionar un entorno enriquecido a estos animales inteligentes cambiando el paisaje del tanque, incorporando una variedad de presas e introduciendo tareas desafiantes para que puedan trabajar. Nuestros resultados incluyen resonancia magnética y una imagen de autofluorescencia de todo el cuerpo, así como estudios de comportamiento para comprender mejor su sistema nervioso. Los pulpos poseen una fisiología única que puede afectar a muchas áreas de la investigación biomédica. Proporcionarles un ecosistema sostenible es el primer paso crucial para descubrir sus capacidades distintivas.
Introduction
Los nuevos conceptos en investigación biomédica e ingeniería biomédica a menudo se inspiran en la identificación de estrategias específicas que poseen las especies biológicas para abordar las condiciones y desafíos ambientales y fisiológicos. Por ejemplo, la comprensión de las propiedades de fluorescencia en las luciérnagas ha llevado al desarrollo de nuevos sensores fluorescentes que pueden reportar actividad celular en otros organismos modelo1; la identificación de los canales iónicos activados por la luz en las algas ha llevado al desarrollo de neuromodulación celular y temporal específica basada en la luz2,3,4,5; el descubrimiento de proteínas en el bagre de vidrio que navegan de acuerdo con el campo magnético de la Tierra ha llevado al desarrollo de la neuromodulación de base magnética6,7,8,9,10,11; La comprensión del reflejo sifón en Aplysia ha sido fundamental para comprender la base celular del comportamiento12,13,14.
Los investigadores continúan expandiendo la caja de herramientas actual de bioingeniería y filogenética aprovechando las fortalezas únicas y las nuevas perspectivas sobre las funciones fisiológicas que tienen las especies de laboratorio no convencionales. Las agencias federales están comenzando a apoyar estas líneas de estudio mediante la financiación de nuevos trabajos realizados en diversas especies.
Un género de animales con capacidades únicas de anatomía y regeneración, así como el control adaptativo de cada uno de sus brazos, biólogos e ingenieros fascinantes y audiencias cautivadoras de todas las partes de la sociedad es el Octopus17. De hecho, muchos aspectos de la fisiología y el comportamiento del pulpo se han estudiado en las últimas décadas15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . Sin embargo, los desarrollos recientes en biología molecular y evolutiva, robótica, registro de movimiento, imágenes, aprendizaje automático y electrofisiología aceleran los descubrimientos relacionados con la fisiología y el comportamiento del pulpo y los traducen en estrategias innovadoras de bioingeniería27,28,29,30,31,32,33,34,35 ,36,37,38,39.
Aquí describimos cómo establecer y mantener la cría de pulpos, que sería de interés y relevancia para científicos e ingenieros de diferentes orígenes, intereses científicos y objetivos. Sin embargo, nuestros resultados se centran en la aplicación de pulpos en la investigación en neurociencia y neuroingeniería. El pulpo tiene un sistema nervioso altamente desarrollado con 45 millones de neuronas en el cerebro central, 180 millones de neuronas en los lóbulos ópticos y 350 millones de neuronas adicionales en los ocho cordones axiales y ganglios periféricos; en comparación, un perro tiene un número similar de neuronas y un gato solo la mitad de ellas40. A diferencia del sistema nervioso de los vertebrados, solo hay fibras eferentes de 32K y 140K aferentes que conectan los millones de neuronas en el cerebro del pulpo con los millones de neuronas en cada uno de los cordones axiales de su brazo40,41,42. Estas relativamente pocas fibras de interconexión sugieren que la mayoría de los detalles para la ejecución de los programas motores se realizan en el propio cordón axial, enfatizando el control neuronal distribuido de forma única que poseen los pulpos. Los brazos del pulpo tienen un extraordinario control motor fino que les permite habilidades de manipulación, como abrir tapas de frascos, incluso cuando están dentro del contenedor. Esta capacidad motora prensil altamente desarrollada es exclusiva de la clase de cefalópodos (pulpo, sepia y calamar)43.
De hecho, a través de cientos de millones de años de evolución, el pulpo ha desarrollado un genoma y un sistema fisiológico notables y sofisticados43,44 que han inspirado nuevos desarrollos y avances en los campos científicos y de ingeniería. Por ejemplo, un parche adhesivo resistente al agua basado en la estructura anatómica de las ventosas del pulpo puede adherirse a superficies húmedas y secas45; un material de camuflaje sintético inspirado en la piel de camuflaje del pulpo puede transformar una superficie plana en 2D en una tridimensional con protuberancias y hoyos46. Robots blandos y autónomos en miniatura (es decir, Octobots) que en el futuro podrían servir como herramientas quirúrgicas dentro del cuerpo47; y también se ha desarrollado un brazo (es decir, OctoArm) unido a un robot similar a un tanque48. Muchas especies de pulpos se utilizan en la investigación biomédica, por ejemplo, Octopus vulgaris, Octopus sinensis, Octopus variabilis y Octopus bimaculoides (O. bimaculoides); siendo el O. vulgaris y el O. bimaculoides los más comunes34,49,50. La reciente secuenciación de diferentes genomas de pulpo hace que este género sea de particular interés y abre nuevas fronteras en la investigación del pulpo34,43,51,52.
O. bimaculoides utilizado en nuestra configuración es una especie de pulpo de tamaño mediano, descubierta por primera vez en 1949, que se puede encontrar en aguas poco profundas de la costa noreste del Pacífico desde el centro de California hasta el sur de la península de Baja California17. Se puede reconocer por las falsas manchas oculares en su manto debajo de sus ojos. En comparación con el pulpo gigante del Pacífico (Enteroctopus dofleini) y el pulpo común (O. vulgaris), el pulpo de dos puntos de California (O. bimaculoides) es relativamente pequeño en tamaño, comenzando más pequeño que unos pocos centímetros, creciendo rápidamente como juvenil. Cuando se cría dentro de un laboratorio, el tamaño del manto adulto puede crecer hasta un tamaño promedio de 100 cm y pesar hasta 800 g53,54. Los pulpos tienen un período de crecimiento rápido dentro de sus primeros 200 días; para entonces, son considerados adultos y continúan creciendo durante el resto de su vida55,56,57. Los pulpos pueden ser caníbales, especialmente cuando ambos sexos están alojados juntos dentro de un tanque; por lo tanto, deben alojarse individualmente en tanques separados58.
Protocol
Representative Results
Discussion
Configuración del sistema:
El ecosistema del acuario se ha desarrollado de manera que se emplean métodos mecánicos y biológicos de filtrado y oxigenación del agua. Los elementos filtrantes del sistema utilizan filtros de calcetines, skimmers de proteínas y limpieza regular para mantener los niveles de nitrógeno y oxígeno. Más importante aún, también dependemos de microorganismos marinos para consumir los compuestos nitrogenados peligrosos y otros desechos biológicos, así como para airear …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por NIH UF1NS115817 (G.P.). G.P. está parcialmente respaldado por las subvenciones de los NIH R01NS072171 y R01NS098231. Nos gustaría agradecer a Patrick Zakrzewki y Mohammed Farhoud de Emit Imaging por la ayuda y el apoyo en la recopilación y visualización de los datos en la plataforma de imágenes Xerra. MSU tiene un acuerdo de investigación con Bruker Biospin.
Materials
| 1-3/4 in. Drill Bit | Home Depot | 204074205 | Glass cutting tool Part number:1 |
| 1" flow sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Pipe with sensor to measure water flow Part number:2 |
| 1" Slip Bulkhead Strainer | Bulk Reef Supply | 207113 | Strainer for water leaving tank Part number:3 |
| 10 gallon tank | Pruss Pets | Local Dealer | Fiddler crab holding tank Part number:4 |
| 4 inch X 12 inch 200 Micron Nylon Monofiliment Mesh Filter Sock w/ Plastic Ring | AQUAMAXX | UJ41171 | Filter for large organic matter in sump Part number:5 |
| 40 gallon aquarium | Pruss Pets | Local Dealer | 4 Food aquarium tanks Part number:6 |
| 60g poly tanks – rectangle | Pruss Pets | Local Dealer | 2 Water Storage (salt and freshwater) Part number:7 |
| Active Aqua 1/10th HP Hydroponic or Aquarium Chiller 2018 Model | WayWe | 719574198463 | For cooling water continuously Part number:8 |
| ALAZCO 2 Soft-Grip Handle Heavy-Duty Tile Grout Brush | ALAZCO | B06W2FT5V5 | Tank Cleaning Part number:9 |
| Ammonia Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 33D | For water testing Part number:10 |
| Apex system WiFi | Neptune Systems | Local Dealer | System connection for off site monitoring Part number:11 |
| API Aquarium Test Kit | Amazon | B001EUE808 | For water testing Part number:12 |
| API Copper Test Kit | Amazon | B0006JDWH8 | For water testing Part number:13 |
| Aqua Ultraviolet Classic UV 25 Watt Series Units | Aqua Ultraviolet | A00028 | For removing bacteria leaving sump system Part number:14 |
| AquaClear 50 Foam Filter Inserts, 3 pack | Aquaclear | A1394 | Food Tank Carbon Filter Inserts Part number:15 |
| Aqueon QuietFlow LED PRO Aquarium Power Filter 30 | Aqueon | 100106082 | Food tank filtering units Part number:16 |
| Auto Top Off Kit (ATK) (Each includes 1 FMM module, 2 optical sensors and 1 float) | Neptune Systems | Local Dealer | For freshwater tank Part number:17 |
| Automatic top off from RODI (LLC) | Neptune Systems | Local Dealer | From water storage to octopus tanks Part number:18 |
| Banded Trochus Snail | LiveAquaria | CN-112080 | For algae bin Part number:19 |
| Chaetomorpha Algae, Aquacultured | LiveAquaria | BVJ-76354 | For algae bin Part number:20 |
| Clams – Live, Hard Shell, Cherrystone, Wild, USA Dozen | Fulton Fish Market | N/A | Live food Part number:21 |
| Classic Sea Salt Mix – Tropic Marin | Bulk Reef Supply | 211813 | Salt for tank water Part number:22 |
| Clear Masterkleer Soft PVC Plastic Tubing, for Air and Water, 3/4" ID, 1" OD | McMaster | 5233K71 | Cleaning tool Part number:23 |
| Continuum Aquablade-P Acrylic Safe Algae Scraper W/ Plastic Blade – 15 Inch | Marine Depot | 4C31001 | Cleaning tool Part number:24 |
| Copper Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 65L | For water testing Part number:25 |
| Curve Refugium CREE LED Aquarium Light | Eshopps | 6500K | Algae bin light Part number:26 |
| Eheim 1262 return pumps | EHEIM | 1250219 | Pump for storage tanks Part number:27 |
| Eshopps R-100 Refugium Sump GEN 3 | Eshopps | 15000 | Sump system Part number:28 |
| Ethyl Alcohol, 200 Proof | Sigma-Aldrich | 64-17-5 | Anesthesia Part number:29 |
| Extech DO600 ExStik II Dissolved Oxygen Meter | Extech | DO600 | Oxygen measurment Part number:30 |
| Fiddler Crabs; live; dozen | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:31 |
| Filter Cartrages | Aqueon | 100106087 | Food tank filters Part number:32 |
| Florida Crushed Coral Dry Sand – CaribSea | Bulk Reef Supply | 212959 | Sedimate for bottom of tank Part number:33 |
| FMM module | Neptune Systems | Local Dealer | Controller for apex system Part number:34 |
| Fritz-Zyme TurboStart 900 – Fritz | Bulk Reef Supply | 213036 | Bacteria start Part number:35 |
| Hand Operated Drum Pump, Siphon, Basic Pump with Spout, For Container Type Bucket, Pail | Granger | 38Y789 | Water Hand Pump Part number:36 |
| High pH Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 27 | For water testing Part number:37 |
| Imagitarium Fine Mesh Net for Shrimp | Petco | 2580993 | Shrimp and fish transfer net Part number:38 |
| Leak Detection Kit (LDK) – Includes FMM module plus 2 ALD sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Placed on floor to detect water Part number:39 |
| Lee`S Algae Scrubber Pad Jumbo – Glass | Marine Depot | LE12007 | Cleaning tool Part number:40 |
| Live rocks | Pruss Pets | Local Dealer | Habitat for octopus Part number:41 |
| Long Bottle Cleaning Brush 17" Extra Long | Haomaomao | B07FS7J7PN | Tank Cleaning Part number:42 |
| Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M1028-100ML | Euthanasia Part number:43 |
| Magnetic Probe Rack | Neptune Systems | Local Dealer | For holding apex sensor probes Part number:44 |
| Marine Ghost Shrimp | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:45 |
| Marineland C-Series Canister Carbon Bags Filter Media, 2 count | Chewy | 98331 | For elevated copper levels Part number:46 |
| Nitra-Zorb Bag | Aquarium Pharmaceuticals | AP2213 | Absorbes nirtogen compounds Part number:47 |
| Nitrate Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | LR1800 | For water testing Part number:48 |
| Nitrite Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 26 | For water testing Part number:49 |
| Pawfly 2 Inch Air Stones Cylinder 6 PCS Bubble Diffuser Airstones for Aquarium Fish Tank Pump Blue | Amazon | B076S56XWX | Aierating water Part number:50 |
| Penn Plax Airline Tubing for Aquariums –Clear and Flexible Resists Kinking, 8 Feet Standard | Amazon | B0002563MM | Tubing for connecting air pump to air stone Part number:51 |
| Plumbing with unions/valves plus 3/4" flex hose | Pruss Pets | Local Dealer | Water transport Part number:52 |
| PM1 module | Neptune Systems | Local Dealer | Power control module for apex Part number:53 |
| Protein skimmer | Reef Octopus | AC20284 | Removes biowaste from system Part number:54 |
| PVC Apex Mounting board, grommets, wire mounts | Neptune Systems | Local Dealer | Helps ensure organization for wires and tubing within system Part number:55 |
| PVC Regular Cement and 4-Ounce NSF Purple Primer | Amazon | Oatey – 30246 | For connecting PVC pipes Part number:56 |
| RODI unit | Neptune Systems | Local Dealer | RO Water Part number:57 |
| Salinity Probes | HANNA probes | HI98319 | Measures salinity of water Part number:58 |
| Seachem Pristine Aquarium Treatment | Sea Chem | 1438 | Provides bacteria that break down excess food, waste and detritus Part number:59 |
| Seachem Stability Fish Tank Stabilizer | Sea Chem | 116012607 | Seachem Stability will rapidly and safely establish the aquarium biofilter in freshwater and marine systems Part number:60 |
| Set of lexan tops | Pruss Pets | Local Dealer | Aquarium tank lids Part number:61 |
| Set of Various extended length aquabus cables | Neptune Systems | Local Dealer | Cables for Apex system Part number:62 |
| SLSON Aquarium Algae Scraper Double Sided Sponge Brush Cleaner Long Handle Fish Tank Scrubber for Glass Aquariums | Amazon | B07DC2TZCJ | Cleaning tool Part number:63 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 45 Degree Elbow Adapter, 3/4 Socket Female x 3/4 Socket Male | McMaster | 4880K189 | PVC pipe Part number:64 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 90 Degree Elbow Adapter, 1 Socket Female x 1 Socket Male | McMaster | 4880K773 | PVC pipe Part number:65 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Adapter, 1 Socket-Connect Female x 1 Barbed Male | McMaster | 4880K415 | PVC pipe Part number:66 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Straight Reducer, 2 Socket Female x 3/4 Socket Female | McMaster | 4880K008 | PVC pipe Part number:67 |
| Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Tee Connector, White, 1 Size Socket-Connect Female | McMaster | 4880K43 | PVC pipe Part number:68 |
| Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 1 Pipe Size, 10 Feet Long | McMaster | 48925K13 | PVC pipe Part number:69 |
| Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 3/4 Pipe Size, 5 Feet Long | McMaster | 48925K92 | PVC pipe Part number:70 |
| Structural FRP Fiberglass Sheet, 48" Wide x 96" Long, 1/4" Thick | McMaster | 8537K15 | Table top material Part number:71 |
| Structural FRP Fiberglass Square Tube, 10 Feet Long, 2" Wide x 2" High Outside, 1/8" Wall Thickness | McMaster | 8548K33 | Structural table materal Part number:72 |
| Tank Sediment | TopDawg Pet Supply | 8479001207 | Sediment for bottom of fiddler crab tank Part number:73 |
| Temperature probe | Neptune Systems | Local Dealer | Temperature probe for tanks Part number:74 |
| Tetra TetraMarine Large Saltwater Flakes for all Marine Fish | Amazon | B00025K0US | Fish, shrimp, and crab food Part number:75 |
| Tetra Whisper Aquarium Air Pump for 10 gallon Aquariums | Petco | 2335234 | Air pump for smaller tanks Part number:76 |
| Thick-Wall Through-Wall Pipe Fitting, for Water, PVC Connector, 1 Socket-Connect Female | McMaster | 36895K843 | PVC pipe Part number:77 |
| Vectra s2 pump | Bulk Reef Supply | 212141 | Aquarium Pump Part number:78 |
| Water Pump | TACKLIFE | GHWP1A | Pump for cleaning tanks Part number:79 |
| Wyze Cam v2 1080p HD Indoor WiFi Smart Home Camera with Night Vision | Amazon | B076H3SRXG | DeepLabCut Recording Part number:80 |
Referências
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