使用黑腹果蝇高通量研究挥发性药物的连续麻醉阵列

摘要

果蝇（黑腹果蝇）广泛用于生物学和毒理学研究。为了扩大苍蝇的效用，我们开发了一种仪器，即连续麻醉阵列，它可以同时将多个苍蝇样本暴露于挥发性全身麻醉剂（VGAs），从而可以研究VGA的附带影响（毒性和保护性）。

摘要

挥发性全身麻醉剂 （VGA） 在全球范围内用于数百万所有年龄和医疗状况的人。高浓度的VGA（数百微摩尔至低毫摩尔）对于实现对观察者呈现为"麻醉"的大脑功能的深刻和非生理抑制是必要的。由如此高浓度的亲脂性试剂引发的附带效应的全部范围尚不清楚，但已经注意到与免疫炎症系统的相互作用，尽管它们的生物学意义尚不清楚。

为了研究VGA在动物中的生物学效应，我们开发了一种称为连续麻醉阵列（SAA）的系统，以利用果蝇（黑腹果蝇）提供的实验优势。SAA由八个串联排列的腔室组成，并连接到一个共同的流入。有些零件可以在实验室中获得，而其他零件则可以轻松制造或购买。汽化器是VGA校准管理所必需的，是唯一商业制造的组件。VGA仅占运行期间流经SAA的大气的一小部分，因为大部分（通常超过95%）是载气;默认承运人为空运。但是，可以研究氧气和任何其他气体。

与以前的系统相比，SAA的主要优势在于它允许多个苍蝇队列同时暴露于精确可滴定剂量的VGA。在所有腔室中，VGA的浓度在几分钟内达到相同的浓度，从而提供难以区分的实验条件。每个房间可以容纳从一只苍蝇到数百只苍蝇。例如，SAA可以同时检查八种不同的基因型或具有不同生物变量（例如，男性与女性，老年人与年轻人）的四种基因型。我们使用SAA研究了VGA的药效学及其在与神经炎症 - 线粒体突变体和创伤性脑损伤（TBI）相关的两个实验性苍蝇模型中的药物遗传学相互作用。

引言

附带麻醉效应（即不能立即观察到但可能具有延迟行为后果）的存在被普遍接受，但对其机制和危险因素的理解仍然很初步^1，2。它们的延迟表现和微妙性限制了在合理的时间范围内以可接受的成本在哺乳动物模型中可以研究的潜在重要变量的数量。果蝇（黑腹果蝇）在神经退行性疾病³ 和毒理学筛查⁴ 的背景下具有独特的优势，迄今为止尚未应用于麻醉附带效应的研究。

我们开发了连续麻醉阵列（SAA），以促进果蝇在麻醉药效学和药物遗传学研究中的使用。SAA的一个关键优势是同时暴露于多个队列的相同实验条件。当与果蝇的实验灵活性相结合时，SAA的高通量允许以哺乳动物模型中不可能的规模探索生物和环境变量。

原则上，SAA 只是一系列连接的麻醉位置（由 50 mL 小瓶制成的腔室），载气通过这些位置输送挥发性药物。该系统的第一个腔室包含蒸馏水，载气通过蒸馏水加湿（苍蝇对脱水敏感），并通过一个简单的流量指示器终止，指示流经系统的气体流量。放置在连接管开口上的细网将腔室分开，以防止苍蝇在腔室之间迁移。"串联"位置的数量受到对非加压气流（管道、网）的阻力的限制。

我们在之前的出版物⁵中描述了该SAA原型的动力学。尽管SAAs之间的确切药代动力学特性会有所不同，但经过实验测试的相关基础知识如下:（i）1.5-2 L / min的初始流量在2分钟内将所有腔室（总体积为±550mL）与所需的麻醉剂浓度平衡;（ii） 输送到腔室的麻醉蒸气浓度在第一个和最后一个位置之间没有明显变化，因为单个腔室气体体积（50 mL）中所含的麻醉剂量远远超过任何数量的苍蝇所吸收的量;（iii）一旦腔室平衡，可以减少载气流（50-100 mL / min或更低），以避免浪费和环境污染（挥发性麻醉剂具有温室气体特性）。保持蒸汽稳态浓度所需的最小流量主要取决于SAA的泄漏性，因为苍蝇对蒸汽的吸收可以忽略不计。在这些标准条件下（2%异氟醚和1.5 L / min载气流），在3-4分钟内在阵列的所有位置麻醉（即不动），位置之间差异不明显。VGA可以施用几分钟到几小时，我们的典型暴露范式在15分钟到2小时的范围内。为了冲洗系统，关闭蒸发器，并保持流量以交换大约 10 倍的阵列体积（1.5 L/min，持续 5 分钟）。麻醉剂消除的速度会随着设定的流速而变化。

挥发性麻醉剂与许多尚未确定的靶标相互作用，包括免疫炎症系统⁶。单个分子靶标对主要结局与附带结局（"麻醉状态"与长期和短期"副作用"）的贡献知之甚少。因此，尽管苍蝇和哺乳动物之间存在明显差异，但灵敏、高通量的苍蝇系统对于高等动物的实验很有^价值7。事实上，有些差异可能是有利的;例如，苍蝇的免疫系统与高等动物的免疫系统不同，因为它缺乏反应的适应性臂⁸。虽然这似乎是理解人类疾病的限制，但它提供了一个独特的机会来研究VGA与先天免疫炎症反应的相互作用，与适应性反应^隔离9。这允许研究VGA对炎症的药理作用及其通过人群中存在的不同遗传背景的调节。

研究方案

注意:有关协议中使用的所有材料的详细信息，请参阅 材料表 。

1. SAA的建设

1. 通过切割木材并使用 图 1A 中的尺寸组装框架来制作框架。
2. 修改 50 mL 锥形管盖。
   1. 用 9/32 in 钻头在每个盖子上钻两个孔。打磨孔以清理破烂的塑料。打磨盖子的顶部以使表面粗糙（这有助于胶水粘附）。
   2. 将 5 mL 血清移液器切割成一定尺寸（流入 3 英寸，流出 1.5 英寸），方法是对塑料进行刻痕，然后在计分线上将其打碎。打磨切割/破碎移液器的末端。
   3. 将网粘在管子上（为粘合剂留出适当的干燥时间）。粘合剂干燥后，将网切割成管子的大小。
   4. 将管子插入锥形盖的孔中，两个管子在盖子上方延伸（3/4 英寸）;确保流入管伸入管的时间比流出管长（图1B）。
   5. 将胶水涂在管子周围的盖子顶部，将零件固定在一起（在继续之前为粘合剂留出适当的干燥时间）。
3. 将盖子连接到框架上，然后布线管路（图1C）。
   1. 将粘性电缆系紧装置连接到框架（相距 3.25，中心到中心）。
   2. 用扎带将盖子固定在框架上;剪短拉链领带标签末端。
   3. 切割长度（9英寸）的Tygon管并将其连接到每个修改的盖子上的流入/流出管（图1D）。从上游端开始，首先连接到流入端，然后将管道从流出连接到下一个位置的流入处。
   4. 将流量指示器添加到最下游的"流入"（位置 10， 图 1E）。
   5. 将一个 50 mL 锥形管放在第一个位置，并将其注水到流入管正下方（图 1F）。
4. 准备汽化器的接口。取出柱塞，从两个 10 mL 分配注射器（1/2 英寸深 x 1/4 英寸宽，图 1G）中切下凹口，然后将它们插入汽化器流入和流出中，凹口直接朝向汽化器前部以与孔对齐（图 1H）。可选:将改装的注射器粘合到位。如果价格合理，请使用商用歧管（有关一个选项，请参阅 材料表 ）。
5. 连接整个系统。使用Tygon管按以下顺序将组件连接在一起:带调节器的载气罐>气体特定流量计>汽化器>SAA（图1C）。
6. 用空的 50 mL 锥形管填充阵列上的空位。打开油箱，将 流量计 打开至 ~2 L/min，将 蒸发器 打开至 0%。通过检查汽化器上游的流量计和 SAA 最后一个腔室下游的流量指示器来确认通过系统的气体流量。或者，将下游管端插入水中，并寻找气泡。
   注意:由于系统未加压，高于几厘米的水柱将停止流动。如果阵列下游端没有流量，请检查以下内容:汽化器需要打开以允许流动;检查储罐调节器和流量计是否允许流量;检查阵列位置以确保管子拧紧;并检查修改后的盖子上的粘合剂周围是否有泄漏。

图1:SAA的构造 。 （A）支撑SAA的木框架的示意图，带有测量值。（B） 带有由 5 mL 血清移液器制成的流入管和流出管的改进盖的示意图横截面和测量值。（C） 组装好的SAA（转载自Olufs等^人5） （D）显示流入管和流出管的改良50 mL锥形帽的详细信息。（E） 下游（位置 10）流出带流量指示器。（六）上游（位置1）充水管加湿载气。红色箭头表示水位。（G） 用于临时歧管的改良 10 mL 分配注射器。红色圆圈突出显示位于 8 mL 和 10 mL 标记（或 1/2 英寸 x 1/4 英寸）之间的切口凹口。（H） Tec7蒸发器的后视图，显示改进注射器的插入和方向。在此视图中只有一个注射器，以显示左侧需要与改进注射器的凹口对齐的孔（红色箭头）。注意:此切口凹口和流出口的错位将破坏麻醉给药。这部分是这个定制系统的潜在弱点。如果有资金，应使用商业歧管。缩写:SAA = 连续麻醉阵列。 请点击此处查看此图的大图。

2. 麻醉剂暴露前

1. 在麻醉剂暴露前 24 小时或更长时间，根据实验需要使用首选方法（例如，CO₂ 或乙醚）对苍蝇队列进行分类。

3. 南非航空的运作

1. 将苍蝇从食品瓶转移到空的 50 mL 锥形管中（不含 CO₂）。
   1. 在暴露前计数并记录任何死苍蝇。
2. 打开盖子并将 50 mL 带苍蝇的锥形管拧到SAA上。
3. 打开载气，并设置为所需的流速。
   注意:我们通常使用 1-2 升/分钟。
4. 将麻醉蒸发器设置为所需浓度。
   注意:我们通常使用2%的异氟烷和3.5%的七氟烷，这是哺乳动物的等效剂量¹⁰。
5. 将苍蝇暴露所需的持续时间（分钟:15分钟）。
   注意:建议最短暴露时间为15分钟，以避免SAA位置之间平衡的可能变化。在这个系统中，麻醉剂需要2-3分钟才能在所有位置平衡。
6. 在暴露结束时，用新鲜气体流量（蒸发器设置为0%）以1.5 L / min冲洗系统5分钟，对应于总SAA体积的约10倍体积。

4. 开始实验前的检查清单

1. 完全打开高压调节器（在空气罐顶部），然后关闭半圈，以确保载气流动。
2. 沿着每条管线的管道到i）流量计和ii）蒸发器（确保流入/流出正确连接），以及iii）检查蒸发器中的麻醉液位。
3. 在装有受试者的腔室中后，检查空气/气体是否随气泡测试或流量指示器一起流动。
   注意:当拨盘处于关闭位置时，某些蒸发器不允许空气流动。
4. 当气体流动时，确认流量计和下游流量指示器都指示流量。
5. 在实验结束时，允许4-5分钟的气流以冲洗麻醉剂。

结果

此处提供SAA视频链接: Perouansky研究方法 - 麻醉学系 - 威斯康星大学麦迪逊分校（wisc.edu） （https://anesthesia.wisc.edu/research/researchers/perouansky-laboratory/perouansky-research-methods/） 我们的实验室已使用SAA来（i）研究基因型对麻醉剂行为敏感性的影响⁵;（ii）筛选线粒体突变体以产生麻醉剂的附带作用¹¹;（iii）研究异氟醚和七氟烷对创伤性脑损伤（TBI）结局的药效学¹²，¹³，^14，15，^16，17。已发表的结果清楚地表明，遗传背景影响临床使用的VGA的药效学，包括麻醉的常规表型和麻醉毒性的附带效应，以及^{组织保护5}，^11，13，^14，15。

代表性示例1（图2）:通过可靠可重复的实验条件检测到异氟醚毒性恢复力的遗传漂移
在单独培养的 ND23⁶⁰¹¹⁴ 果蝇中发现VGA诱导的死亡率逐渐定量变化是使用SAA对实验组进行麻醉药效学可靠比较有用的一个例子。 ND23 是编码mETC复合物I核心亚基的基因（类似于哺乳动物中的 Ndufs8 ）¹⁸。该亚基的突变是Leigh综合征（一种致命的线粒体疾病）的原因。我们观察到在标准实验室条件下（即未暴露于VGAs）同时培养的各种纯合 ND23⁶⁰¹¹⁴ 储液中，异氟醚诱导的死亡率表型随着时间的推移逐渐减弱。这种对异氟醚毒性的进化适应发生在没有任何VGA暴露的情况下，可能是突变种群中"适者生存"的附带效应。如果没有我们对实验条件在测定和时间上相同的信心，异氟醚灵敏度的这种逐渐变化将仍然无法识别。我们的结论是，选择有利于 ND23⁶⁰¹¹⁴作用的修饰剂，巧合的是增加了对异氟醚毒性的恢复力。由于中枢神经系统的炎症在Leigh综合征的发病机制中起重要作用，因此观察到的耐药性演变可能是由于先天免疫炎症反应的适应性变化，对异氟醚毒性的抵抗是偶然的副产物。

图2:ND23⁶⁰¹¹⁴苍蝇进化压力导致异氟醚毒性诱导死亡率的变化。 通过单对交配从单个群体中分离的七个系（A-G），扩增并在暴露于2%异氟醚（10-13天龄）2小时后测试24小时死亡率（PM₂₄）显示单个群体引起的表型存在变异性。数据显示为箱形图和晶须图。这些框表示数据的第二和第三个四分位数，晶须延伸到最小和最大数据点。平均值和中位数分别由"+"和水平线表示。单个重复的死亡率百分比（N）显示为圆圈。N = 3-4 瓶 20-50 只苍蝇/小瓶。普通单因子方差分析的 P 值;p = 0.012 表示均值之间存在显著差异。请点击此处查看此图的大图。

代表性示例2（图3）:SAA的高通量应用图示，以揭示对异氟烷药效学的遗传背景效应
作为系统高通量的一个例子，图3说明了在创伤性脑损伤（TBI）¹⁶之前相同暴露于异氟烷（15分钟2%异氟烷）的影响，这是在该苍蝇模型中测试麻醉预处理（AP）的方案¹³，^15，19。读数是 TBI 校正自然损耗 24 小时后的死亡率 （MI₂₄）。在该模型中，所有苍蝇在TBI后30分钟内恢复活动能力（即活着），MI₂₄中记录的死亡率是继发性脑损伤（sBI）的结果。在4个飞系中，含异氟醚的AP不同程度地降低了MI₂₄，表明对AP的响应性是一个定量性状。由于炎症反应是sBI发病率的重要因素，AP可能涉及免疫系统的调节²⁰。

图3:遗传背景对异氟醚预处理抑制死亡率（MI₂₄）的影响。用2%异氟醚（紫色）预处理苍蝇在w 1118和y¹w¹¹¹⁸菌株中24小时（MI₂₄）降低死亡率指数（分别为p <0.0001和p = 0.036）。MI₂₄在预处理的俄勒冈R（OR）和Canton S（CS）线中没有显着降低（分别为p = 0.16和p = 0.27）。数据显示为箱形图和晶须图。这些框表示数据的第二和第三个四分位数，晶须延伸到最小和最大数据点。平均值和中位数分别由"+"和水平线表示。单个仿行 （N） 的 MI₂₄ 值显示为圆圈。N = 15-33 小瓶 30-40 只苍蝇/小瓶用于 TBI 处理的苍蝇。N = 2-15 小瓶 30-40 只苍蝇/小瓶，用于未经处理的对照。来自未配对的双尾学生 t 检验的 P 值。请点击此处查看此图的大图。

讨论

SAA建造的关键步骤包括确保紧密配合，以避免麻醉气体混合物泄漏。SAA必须安装在通风橱中，以避免污染实验室空间。从载气钢瓶到 SAA 下游流量指示器的所有元素都应按照清单中的概述进行检查。

向苍蝇施用VGA的其他方法操作复杂（不耐力计）21，通量低²²，不允许同时暴露于多个群体23，不允许精确控制麻醉剂浓度²¹，或者读数难以转化为临床接受的术语²⁴。

当前版本的SAA依赖于商业蒸发器，因此毒理学研究仅限于挥发性麻醉剂。如果与其他挥发性物质一起使用，则在校准输出后，可以在"标签外"使用蒸发器。或者，可以应用不同的挥发性物质汽化方法，这需要专门的测量来滴定药物浓度，如前所述²⁵。

除了流量指示器外，没有警报（即，如果油箱是空的，则通过SAA的流量将被中断）。根据使用的强度，SAA可能需要清洁，拧紧并可能更换Tygon管。我们在 7 年的使用中两次对原始 SAA 进行了"维护"。

这种麻醉果蝇的方法允许在高通量系统中使用果蝇研究人员可用的遗传工具箱。不同种群（例如，基因型，年龄，性别）的多个苍蝇队列可以同时暴露于相同的麻醉剂浓度和适合手头研究问题的所需载气（空气，O 2，N₂ O，惰性气体）组合。

我们在这里表明，SAA对于揭示 ND23⁶⁰¹¹⁴ 飞系中异氟醚毒性的恢复力的意外变化是有用的，并且标准实验室飞线对AP的响应性不同。

SAA可用于研究其他挥发性有机化合物（VOC）对昆虫（例如蜜蜂）的影响。对于蒸气压接近挥发性麻醉剂的挥发性有机化合物（异氟烷:20°C时为240mmHg），可以使用传统的汽化器，但必须校准输出。用于地氟醚的商用蒸发器是加热的，可能提供额外的灵活性。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Serial Anesthesia Array:
5 mL Serological Pipettes	Fisher Scientific	13-676-10C	Polystyrene, 5mL serological pipette
50 mL Conical Tubes	Fisher Scientific	1495949A	Polypropylene, 50 mL
Cable Tie Mounting Pad	Grainger	6EEE6	1.25 inch L x 1 inch W x 0.28 inch H
Dispensing Syringe	Grainger	5FVE0	10 mL with Luer-Lock Connection
Fabric Mesh Netting			1 mm mesh
Flow Indicator	Grainger	8RH52	5/16 to 1/2 inch connection size, paddle wheel style
Tygon Tubing	Tygon	E-3603	ID: 5/16, OD: 7/16, wall: 1/16
Wood Frame			10 feet of 2 inch x 3/4 inch
Zip Tie			>5inch
Vaporizer Interface (Budget Alternative to Manifold):
Dispensing Syringe	Grainger	5FVE0	10 mL with Luer-Lock Connection
Commercial Manifold and Vaporizers:
1/4 inch Equal Barbed Y Connector	Somni Scientific	BF-9000
1/8 inch NPT to 1/4 inch Barbed Elbow (Plastic)	Somni Scientific	BF-9004
AIR 0-4 LPM Flowmeter w/ black knob	Somni Scientific	FP-4002
Flowmeter auxiliary mounting bracket	Somni Scientific	NonInvPart
Medical Air, 1/8 inch NPT Male x DISS Male	Somni Scientific	GF-11012
TT-2 Table Top Anesthesia System, built in dual diverter valve system. Includes 6' color coded tubing X2. (Vaporizer not Included)	Somni Scientific	TT-17000
Tec 7 Isoflurane Vaporizer	GE Datex-Ohmeda	1175-9101-000	Agent-specific vaporizer (Isoflurane)
Tec 7 Sevoflurane Vaporizer	GE Datex-Ohmeda	1175-9301-000	Agent-specific vaporizer (Sevoflurane)