מודל בעלי חיים של דגי זברה לחקר תגובות אלרגיות בתגובה לביומולקולות של רוק קרציות
Summary
כאן, דג זברה (Danio rerio) משמש כמודל לחקר תגובות אלרגיות ותגובות חיסוניות הקשורות לתסמונת אלפא-גל (AGS) על ידי הערכת תגובות אלרגיות לרוק קרציות וצריכת בשר יונקים.
Abstract
קרציות הן וקטורים של פרוקי רגליים הגורמים למחלות על ידי העברת פתוגנים, ועקיצותיהם יכולות להיות קשורות לתגובות אלרגיות המשפיעות על בריאות האדם ברחבי העולם. אצל אנשים מסוימים, רמות גבוהות של נוגדנים אימונוגלובולינים E נגד גליקן Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R (α-Gal) נגרמו על ידי עקיצות קרציות. תגובות אנפילקטיות המתווכות על ידי גליקופרוטאינים וגליקוליפידים המכילים את הגליקן α-גל, הנמצאים ברוק הקרציות, קשורות לתסמונת אלפא-גל (AGS) או אלרגיה לבשר יונקים. דג זברה (Danio rerio) הפך למודל חולייתי נפוץ לחקר פתולוגיות שונות. במחקר זה, דגי זברה שימשו כמודל לחקר תגובות אלרגיות בתגובה לצריכת בשר α-גל ויונקים, מכיוון שבדומה לבני אדם, הם אינם מסנתזים גליקן זה. לשם כך הוערכו דפוסי התנהגות ותגובות אלרגיות אנפילקטיות דימומיות בתגובה לרוק קרציות Ixodes ricinus ולצריכת בשר יונקים. גישה ניסיונית זו מאפשרת קבלת נתונים תקפים התומכים במודל בעלי החיים של דגי הזברה לחקר אלרגיות המועברות על ידי קרציות, כולל AGS.
Introduction
קרציות הן וקטורים של פתוגנים הגורמים למחלות והם גם הגורם לתגובות אלרגיות, המשפיעות על בריאותם של בני אדם ובעלי חיים ברחבי העולם 1,2. במהלך הזנת קרציות, ביומולקולות ברוק הקרציות, במיוחד חלבונים ושומנים, להקל על האכלה של ectoparasites אלה, הימנעות הגנות המארח3. חלק מהביומולקולות של הרוק עם גליקן Galα1-3Galβ1-(3)4GlcNAc-R (α-Gal) מובילות לייצור רמות נוגדנים גבוהות נגד α-Gal IgE לאחר עקיצת הקרציה, רק אצל אנשים מסוימים, מה שידוע בשם תסמונת α-גל (AGS)4. זוהי מחלה הקשורה לאלרגיה בתיווך IgE שעלולה לגרום לאנפילקסיס לעקיצות קרציות, צריכת בשר יונקים שאינם פרימטים, וכמה תרופות כגון cetuximab5. התגובות ל-α-גל הן לעיתים קרובות חמורות ולעיתים עלולות להיות קטלניות 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15.
α-גל מצוי בכל היונקים למעט קופי העולם הישן, קופים ובני אדם שאין להם יכולת לסנתז α-גל13. עם זאת, פתוגנים כגון חיידקים ופרוטוזואה מבטאים גליקן זה על פני השטח שלהם, אשר יכול לגרום לייצור כמויות גבוהות של נוגדנים נגד α-גל IgM/IgG ועשוי להיות מנגנון הגנה מפני פתוגנים אלה16,17. עם זאת, ייצור נוגדנים נגד α-גל מעלה את הסיכון לפתח אלרגיות אנטי-α-גל בתיווך IgE 7,13. נוגדנים טבעיים נגד α-גל המיוצרים בבני אדם, בעיקר מתת-הסוגים IgM/IgG, עשויים להיות קשורים לשינוי זה הקיים בחיידקים ממיקרוביוטת המעי16. AGS יכולה להיות אבחנה קלינית מאתגרת, שכן שיטת האבחון העיקרית כרגע מבוססת על היסטוריה קלינית של תגובות אלרגיות מאוחרות, הקשורות במיוחד לאלרגיות למזון (כלומר, גרד, כוורות מקומיות, או אנגיואדמה חוזרת לאנפילקסיס, אורטיקריה ותסמינים במערכת העיכול) ומדידת רמות נוגדנים IgE נגד α-גל9. ממצאים עדכניים מצביעים על כך שעקיצות קרציות מהוות את אחד הסיכונים העיקריים בהופעת AGS 18,19, עלייה של פי 20 ומעלה ברמות IgE ל-α-גל בעקבות עקיצת קרציות 19, היסטוריה של עקיצות קרציות בחולים עם AGS20,21,22, קיומם של נוגדנים תגובתיים לאנטיגנים של קרציות בחולי AGS 19, וכי Anti-α-Gal IgE קשורים קשר הדוק לרמות IgE נגד קרציות19,23, אך נדרשים מחקרים נוספים כדי להעריך אילו ביומולקולות מעורבות בפועל.
בנוסף, תרחיש אפשרי נוסף הוא חולים המציגים תגובות אלרגיות חזקות לעקיצות קרציות ורמות גבוהות של נוגדנים נגד α-Gal IgE אך עמידים לצריכת בשר יונקים12. לכן, אלרגיה לבשר יונקים יכולה להיות סוג מסוים של אלרגיה הקשורה לעקיצת קרציות. מיני הקרציות העיקריים הקשורים ל-AGS כוללים את Amblyomma americanum (ארה”ב), Amblyomma sculptum (ברזיל), Amblyomma testudinarium ו-Haemaphysalis longicornis (יפן), Ixodes holocyclus (אוסטרליה) ו-Ixodes ricinus (הווקטור העיקרי של Borreliosis ליים באירופה)11,24.
המודל היחיד ששימש להערכת ייצור IgE הקשור לעקיצות קרציות הוא מודל העכבר המהונדס גנטית עם הגן לעכברי α-1,3-גלקטוסילטרנספראז (α-Gal KO)25,26 מכיוון שכמו יונקים אחרים, גם עכברים מבטאים α-גל על חלבונים ושומנים ואינם מייצרים IgE ל-α-Gal. עם זאת, דג זברה (Danio rerio) הוא מודל שימושי למחקר ביו-רפואי המיושם על יונקים מכיוון שהוא חולק קווי דמיון אנטומיים רבים עם יונקים, וכמו בני אדם, גם אינו מסוגל לסנתז α-גל. מכיוון ש-α-גל אינו מיוצר באופן טבעי בדגי זברה, זהו מודל זול, קל למניפולציה ומאפשר מדגם גבוה לחקר תגובות אלרגיות הקשורות ל-α-Gal.
במחקר זה, דגי זברה משמשים כאורגניזם מודל כדי לאפיין ולתאר תגובות אלרגיות מקומיות, דפוסי התנהגות, ואת המנגנונים המולקולריים הקשורים לתגובה לרגישות מלעורית לרוק קרציות26,27 וצריכת בשר יונקים לאחר מכן. לשם כך, דגים נחשפים לרוק קרציות על ידי הזרקה תוך עורית ולאחר מכן מוזנים במזון כלבים, המכיל מוצרים שמקורם בבשר יונקים המתאימים לשימוש בבעלי חיים המכיל α-גל27, ואז נבדקות תגובות אלרגיות אפשריות הקשורות. שיטה זו עשויה להיות מיושמת על המחקר של biomolecules אחרים הקשורים לתהליכים אלרגיים, במיוחד אלה הקשורים AGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
דג זברה הוא מודל חסכוני וקל לטיפול שהיה גם כלי אפשרי מאוד לחקר מנגנונים מולקולריים של התגובה החיסונית, מחלות פתוגנים, בדיקות תרופות חדשניות, חיסון והגנה מפני זיהומים33,34,35. המחקר על התנהגות דגי הזברה שימושי מכיוון שמחקרים קודמים מצאו כי חל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות לחברי קבוצת SaBio על שיתוף הפעולה בתכנון הניסוי והסיוע הטכני עם מתקן ניסויי הדגים ולחואן גלסרן סאז (IN-CSIC-UMH, ספרד) על אספקת דגי הזברה. עבודה זו נתמכה על ידי Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación MCIN/AEI/10.13039/501100011033, ספרד והאיחוד האירופי-פדרציה (Grant BIOGAL PID2020-116761GB-I00). Marinela Contreras ממומן על ידי Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, ספרד, מענק 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).
