Un análisis de alto rendimiento para la predicción de toxicidad química por perfiles fenotípicos automatizado de Caenorhabditis elegans
Summary
Se ha desarrollado un método cuantitativo para identificar y predecir la toxicidad de productos químicos, analizando automáticamente los perfiles fenotípicos de Caenorhabditis elegans. Este protocolo describe cómo tratar gusanos con productos químicos en una placa de 384 pozos, capturar videos y cuantificar fenotipos relacionados toxicológicos.
Abstract
Aplicación de ensayos de toxicidad de químicos en los organismos superiores de la orden, tales como ratones o ratas, es lento y costoso, debido a su larga vida útil y problemas de mantenimiento. Por el contrario, el nematodo Caenorhabditis elegans (C. elegans) tiene ventajas que lo hacen una opción ideal para las pruebas de toxicidad: una vida corta, fácil cultivo y reproducción eficiente. Aquí, describimos un protocolo para la automática perfiles fenotípicos de C. elegans en una placa de 384 pozos. Los gusanos nematodos son cultivados en una placa de 384 pozos con líquido medio tratamiento físico-químico, y videos se toman de cada pozo para cuantificar la influencia química de 33 características de gusano. Resultados experimentales demuestran que las características de fenotipo cuantificada pueden clasificar y predecir la toxicidad aguda de compuestos químicos diferentes y establecer una lista de prioridades para más pruebas de la evaluación de la toxicidad química tradicional en un modelo roedor.
Introduction
Junto con el rápido desarrollo de compuestos químicos aplicados a la producción industrial y la vida cotidiana de las personas, es importante estudiar la toxicidad pruebas modelos de los productos químicos. En muchos casos, el modelo animal de roedor se emplea para evaluar la potencial toxicidad de diferentes productos químicos sobre la salud. En general, la determinación de concentraciones letales (es decir, el ensayo 50% dosis letal [DL50] de diferentes productos químicos) se utiliza como parámetro tradicional en un modelo de roedor (rata/ratón) en vivo, que es muy costoso y desperdiciador de tiempo. Además, debido a reducir, afinar, o sustituir (3R) principio fundamental con la ética y el bienestar de los animales, nuevos métodos que permiten la sustitución de los animales superiores son valiosos para la investigación científica1,2,3 . C. elegans es un nematodo de vida libre que se ha aislado del suelo. Ha sido ampliamente utilizado como un organismo de investigación en el laboratorio debido a sus características beneficiosas, tales como una vida útil corta, fácil cultivo y reproducción eficiente. Además, muchos caminos biológicos fundamentales, incluyendo los procesos fisiológicos básicos y las respuestas de estrés en C. elegans, se conservan en el más alto mamíferos4,5,6,7 , 8. en un par de comparaciones entre nosotros y otros hemos hecho, hay una buena concordancia entre la toxicidad de C. elegans y toxicidad en roedores9. Todo esto hace que C. elegans un buen modelo para probar los efectos de toxicidad química en vivo.
Recientemente, algunos estudios cuantifican las características fenotípicas de C. elegans. Las características se pueden utilizar para analizar la toxicidad de productos químicos2,3,10 y la crianza de gusanos11. También se desarrolló un método que combina un líquido gusano cultivo sistema y un sistema de análisis de imagen, en la que los gusanos se cultivan en una placa de 384 pozos bajo diferentes tratamientos químicos12. Esta técnica cuantitativa ha sido desarrollada para analizar automáticamente los 33 parámetros de C. elegans después de 12-24h de tratamiento químico en una placa de 384 pozos con medio líquido. Una platina del microscopio automatizado se utiliza para la adquisición de video experimental. Los videos son procesados por un programa de diseño personalizado, y se cuantifican 33 características relacionadas con el comportamiento de movimiento de los gusanos. El método se utiliza para cuantificar los fenotipos gusano bajo el tratamiento de 10 compuestos. Los resultados muestran que la toxicidad diferente puede alterar los fenotipos de C. elegans. Estos fenotipos cuantificables pueden utilizarse para identificar y predecir la toxicidad aguda de compuestos químicos diferentes. El objetivo general de este método es facilitar la observación y cuantificación fenotípica de experimentos con C. elegans en un cultivo líquido. Este método es útil para el uso de C. elegans en evaluaciones de la toxicidad química y cuantificaciones de fenotipo, que ayudan a predecir la toxicidad aguda de compuestos químicos diferentes y establecer una lista de prioridad para el más tradicional pruebas de evaluación de la toxicidad química en un modelo roedor. Además, este método puede aplicarse a la toxicidad, evaluación y análisis de nuevos productos químicos o el compuesto como la contaminación del agente aditivo de alimentos, farmacéutico compuestos, compuestos exógenos ambientales y así sucesivamente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Las ventajas de la C. elegans han conducido a su creciente uso en toxicología9, para el estudio de mecanismos y métodos de cribado de alto rendimiento. Un papel creciente para C. elegans en complementar otros sistemas modelo en la investigación toxicológica ha sido notable en los últimos años, especialmente para la evaluación rápida de la toxicidad de nuevos productos químicos. Este artículo proporciona un nuevo ensayo de cribado de alto rendimiento, cuantitativa del gu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen la CGC amablemente envío de C. elegans. Este trabajo fue apoyado por nacional clave de investigación y programa de desarrollo de China (#2018YFC1603102, #2018YFC1602705) Fundación Nacional de Ciencias naturales de China Grant (#31401025, #81273108, #81641184), el Capital salud investigación y desarrollo de proyectos especiales en Pekín (#2011-1013-03), el fondo de la abertura del Beijing clave laboratorio de Toxicología Ambiental (# 2015HJDL03) y la Fundación de Ciencias naturales de la provincia de Shandong, China (ZR2017BF041).
Materials
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 59300 | |
| 384-well plates | Throme | 142761 | |
| Agar | Bacto | 214010 | |
| Atropine sulfate | Sigma-Aldrich | PHL80892 | |
| Bleach buffer | 0.5 mL of 10 M NaOH, 0.5 mL of5% NaClO, 9 mL ofultrapure water | ||
| Cadmium chloride | Sigma-Aldrich | 202908 | |
| Calcium chloride | Sigma-Aldrich | 21074 | |
| CCD camera | Zeiss | AxioCam HRm | Zeiss microscopy GmbH |
| Cholesterol | Sigma-Aldrich | C8667 | |
| Copper(II) sulfate | Sigma-Aldrich | 451657 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24105 | |
| Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 324558 | |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
| K-Medium | 3.04 g of NaCl and 2.39 g of KCl in 1 L ultrapure water | ||
| LB Broth | 10 g/L Tryptone, 5 g/L Yeast Extract, 5 g/L NaCl | ||
| Magnesium sulfate heptahydrate | Sigma-Aldrich | 63140 | |
| NGM Plate | 3 g ofNaCl, 17 g ofagar, 2.5 g ofpeptone in 1 L of ultrapure water, after autoclave add 1 mL of cholesterol (5 mg/mL in ethanol), 1 mL of MgSO4 (1 M), 1 mL of CaCl2 (1 M), 25 mL of PPB buffer | ||
| Peptone | Bacto | 211677 | |
| Potassium chloride | Sigma-Aldrich | 60130 | |
| Potassium phosphate dibasic | Sigma-Aldrich | 795496 | |
| Potassium phosphate monobasic | Sigma-Aldrich | 795488 | |
| PPB buffer | 35.6 g of K2HPO4, 108.3 g of KH2PO4 in 1 L ultrapure water | ||
| shaker | ZHICHENG | ZWY-200D | |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | 71382 | |
| Sodium fluoride | Sigma-Aldrich | s7920 | |
| Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 71690 | |
| Sodium hypochlorite solution | Sigma-Aldrich | 239305 | |
| The link of program | https://github.com/weiyangc/ImageProcessForWellPlate | ||
| Tryptone | Sigma-Aldrich | T7293 | |
| Yeast extract | Sigma-Aldrich | Y1625 | |
| Zeiss automatic microscope | Zeiss | AXIO Observer.Z1 | Zeiss automatic microsco with peproprietary software Zen2012 and charge coupled device(CCD) camera |
References
- Anderson, G. L., et al. Assessing behavioral toxicity with Caenorhabditis elegans. Environmental Toxicology and Chemistry. 23 (5), 1235-1240 (2004).
- Boyd, W. A., et al. A high-throughput method for assessing chemical toxicity using a Caenorhabditis elegans reproduction assay. Toxicology and Applied Pharmacology. 245 (2), 153-159 (2010).
- Boyd, W. A., Williams, P. L. Comparison of the sensitivity of three nematode species to copper and their utility in aquatic and soil toxicity tests. Environmental Toxicology and Chemistry. 22 (11), 2768-2774 (2003).
- Dengg, M., van Meel, J. C. Caenorhabditis elegans as model system for rapid toxicity assessment of pharmaceutical compounds. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 50 (3), 209-214 (2004).
- Schouest, K., et al. Toxicological assessment of chemicals using Caenorhabditis elegans and optical oxygen respirometry. Environmental Toxicology and Chemistry. 28 (4), 791-799 (2009).
- Sprando, R. L., et al. A method to rank order water soluble compounds according to their toxicity using Caenorhabditis elegans, a Complex Object Parametric Analyzer and Sorter, and axenic liquid media. Food and Chemical Toxicology. 47 (4), 722-728 (2009).
- Wang, D., Xing, X. Assessment of locomotion behavioral defects induced by acute toxicity from heavy metal exposure in nematode Caenorhabditis elegans. Journal of Environmental Sciences (China). 20 (9), 1132-1137 (2008).
- Leung, M. C., et al. Caenorhabditis elegans: an emerging model in biomedical and environmental toxicology. Toxicological Sciences. 106 (1), 5-28 (2008).
- Li, Y., et al. Correlation of chemical acute toxicity between the nematode and the rodent. Toxicology Research. 2 (6), 403-412 (2013).
- Boyd, W. A., et al. Effects of genetic mutations and chemical exposures on Caenorhabditis elegans feeding: evaluation of a novel, high-throughput screening assay. PLoS One. 2 (12), 1259 (2007).
- Xian, B., et al. WormFarm: a quantitative control and measurement device toward automated Caenorhabditis elegans aging analysis. Aging Cell. 12 (3), 398-409 (2013).
- Gao, S., et al. Classification and prediction of toxicity of chemicals using an automated phenotypic profiling of Caenorhabditis elegans. BMC Pharmacology and Toxicology. 19 (1), 18 (2018).
- Moyson, S., et al. Mixture effects of copper, cadmium, and zinc on mortality and behavior of Caenorhabditis elegans. Environmental Toxicology and Chemistry. 37 (1), 145-159 (2018).
- Wang, X., et al. Lifespan extension in Caenorhabditis elegans by DMSO is dependent on sir-2.1 and daf-16. Biochemical and Biophysical Research Communications. 400 (4), 613-618 (2010).
- Boyd, W. A., et al. Developmental Effect of the ToxCast Phase I and Phase II Chemicals in Caenorhabditis elegans and Corresponding Responses in Zebrafish, Rats, and Rabbits. Environmental Health Perspectives. 124 (5), 586-593 (2016).
