Method Article
* Estos autores han contribuido por igual
Zebrafish are an excellent model to study muscle function and disease. During early embryogenesis zebrafish begin regular muscle contractions producing rhythmic swimming behavior, which is altered when the muscle is disrupted. Here we describe a touch-evoked response and locomotion assay to examine swimming performance as a measure of muscle function.
el desarrollo muscular de pez cebra está altamente conservada con sistemas de mamíferos que los hacen un modelo excelente para estudiar la función muscular y la enfermedad. Muchos miopatías que afectan a la función del músculo esquelético se pueden evaluar de forma rápida y fácilmente en el pez cebra en los primeros días de la embriogénesis. Por 24 horas después de la fecundación (HPF), el pez cebra de tipo salvaje contraiga espontáneamente sus músculos de la cola y por 48 HPF, pez cebra controlada exhiben comportamientos de natación. La reducción de la frecuencia de, u otras alteraciones en, estos movimientos pueden indicar una disfunción del músculo esquelético. Para analizar el comportamiento de la natación y evaluar el rendimiento muscular en el desarrollo del pez cebra temprana, utilizamos ambos ensayos de respuesta y la locomoción de escape al tacto evocado.
ensayos de respuesta de escape al tacto evocados se pueden utilizar para evaluar el rendimiento muscular en el movimiento de ráfagas cortas resultantes de la contracción de las fibras musculares de contracción rápida. En respuesta a un estímulo externo, que en este caso es un golpecito enla cabeza, el pez cebra de tipo salvaje a los 2 días después de la fertilización (DPF) muestran típicamente una potente ráfaga de natación, acompañado por las curvas cerradas. Nuestro método cuantifica la función del músculo esquelético mediante la medición de la aceleración máxima durante un movimiento de natación de ráfaga, la aceleración es directamente proporcional a la fuerza producida por la contracción muscular.
En contraste, los ensayos de locomoción durante el desarrollo larvario de pez cebra temprano se utilizan para evaluar el rendimiento muscular durante períodos sostenidos de la actividad muscular. El uso de un sistema de seguimiento para supervisar el comportamiento de natación, se obtiene un cálculo automático de la frecuencia de la actividad y la distancia en 6 días de edad pez cebra, un reflejo de su función del músculo esquelético. Las mediciones de rendimiento de natación son valiosos para la evaluación fenotípica de modelos de enfermedad y cribado de alto rendimiento de mutaciones o tratamientos químicos que afectan la función del músculo esquelético.
Durante la última década de pez cebra se han utilizado cada vez más para estudiar la biología de las células musculares y las enfermedades. El desarrollo externo rápido del embrión de pez cebra, junto con su claridad óptica, permite la visualización directa de la formación de músculo, el crecimiento, y la función. El proceso de desarrollo muscular está altamente conservada en el pez cebra y esto ha permitido el modelado con éxito de una serie de enfermedades musculares incluyendo las distrofias musculares y miopatías congénitas 1-8. Información detallada de los modelos de pez cebra no sólo ha proporcionado nuevos conocimientos sobre la biopatología de estas condiciones sino que también proporcionó una plataforma para el ensayo de terapias adecuadas 6,9-13.
El análisis de los modelos de pez cebra de enfermedades musculares se basa en ensayos fiables y reproducibles para medir el rendimiento muscular. Estudios previos han medido correctamente la capacidad de generación de fuerza del músculo del tronco del pez cebra en el pescado entre 3 y 7 dpf porla estimulación eléctrica de la contracción de un pez inmovilizado unido a un sistema de fuerzas de transducción 14. Esto puede proporcionar mediciones detalladas de la fuerza pero no se adaptan perfectamente a los experimentos de mayor rendimiento y hay ventajas para medir el rendimiento muscular durante la natación. A las 2 dpf músculo del pez cebra es totalmente funcional y los peces pueden provocar movimientos de natación de ráfaga en respuesta a los estímulos. El ensayo de respuesta de escape touch-evocar se utiliza para medir la aceleración durante un movimiento de natación de ráfaga, que puede ser utilizado como una medida de la fuerza contráctil.
Una de las medidas más utilizadas de la función muscular en pacientes con miopatía es la prueba de marcha de 6 min, que registra la distancia total recorrida en una superficie plana y dura 15,16. Hemos aplicado una prueba comparable para medir la función muscular en 6 dpf larvas de pez cebra, por lo que controlamos la distancia total nadado, y el número total de movimientos realizados por cada larva en un período de 10 min. Esto se realizautilizando un sistema de seguimiento automatizado, que proporciona mediciones fiables y de alto rendimiento de rendimiento muscular. Ambas pruebas musculares son altamente reproducibles y se han utilizado para cuantificar las diferencias en el rendimiento muscular en modelos miopatía de pez cebra 8.
1. Ensayo de respuesta al tacto evocados
2. Ensayo Locomotion - 10 min prueba de natación
Provocado por el tacto ensayo de respuesta se puede utilizar para determinar la velocidad y la aceleración de los movimientos de natación que es una medida proporcional de la fuerza muscular. En respuesta a un estímulo mecánico, tal como un pequeño golpe en la cabeza 2 dpf tipo salvaje exhibición pez cebra una acción de natación rápida. Videos fueron capturados y analizados por dos diferentes modelos de pez cebra miopatía: Tg (ACTA1 D286G EGFP), un modelo de miopatía nemalínica que se ha demostrado que tienen debilidad muscular significativa, y un modelo de la distrofia muscular de Duchenne en los que se han descrito defectos musculares graves a 5 dpf 19,20. Las imágenes de un video de un toque típico evocados ensayo están representados en la figura 1A. Aceleración del pez cebra se examinó y se encontró que el pico dentro de la primera 0,2 seg de la respuesta de natación de ráfaga de escape (Figura 1B). Esta aceleración máxima del pico proporciona una medida que es proporcional a la fuerza generacióndelaire capacidad del músculo esquelético. Los valores máximos de aceleración se promediaron para obtener un valor medio máximo de aceleración (± error estándar de la media) para cada cepa: Tg (ACTA1 D286G EGFP): media = 276,0 ± 28,8 m / s 2, n = 3 experimentos replicados independientes que comprende 15 ejemplares; control de tipo salvaje: media = 500,8 ± 50,28 m / s 2, n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 15 ejemplares; DMD PC2 - / - mutante: media = 249,9 ± 19,1 m / s 2, n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 12-19 ejemplares; DMD pc2 +/- heterocigotos: media = 235,9 ± 8,7 m / s 2, n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 16-27 ejemplares; DMD homocigotos PC2 + / + de tipo salvaje: media = 230,9 ± 8,7 m / s 2, n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 8-27 peces individuales (Figura 1C). Como era de esperar, la Tg (D286 ACTA1Se encontró G-EGFP) pescado tener una disminución significativa en la aceleración máxima que indica la función muscular reducida, lo que es coherente con los modelos de ratón y datos del paciente 8,21,22. El pc2 DMD - / - peces mutantes sin embargo, no mostró diferencia en la máxima aceleración, en 2 dpf, consistente con la detección de defectos musculares de 3 dpf 20 (Figura 1D).
Los ensayos se realizaron a Locomotion 6 dpf para determinar la actividad y la distancia nadado por cepas de pez cebra como una indicación del rendimiento muscular. Después de las pruebas, se generó una representación esquemática de los movimientos de natación durante el período de prueba de diez minutos, con líneas rojas y verdes que representan períodos de movimiento lento y rápido, respectivamente, y las líneas negras que representan los periodos de inactividad (Figura 2). Persona de tipo salvaje pez cebra muestran una alta actividad con relativamente sin períodos de inactividad como Oposed a Tg (ACTA1 D286G EGFP) de pescado, que son menos activos en el período de prueba (Figura 2B).
El comportamiento de natación se cuantificó por el promedio de los valores individuales de la cantidad de movimientos y de la distancia nadada por cada pez (Figura 3). Ambos, Tg (ACTA1 D286G EGFP) peces (Figura 3A y 3B) y DMD PC2 - / - peces mutantes (Figura 3C y 3D) se encontró que tenían una disminución significativa en el número medio de movimientos y la distancia nadado en comparación con sus respectivos controles: Tg (ACTA1 D286G EGFP) peces: número medio de movimientos = 94,3 ± 13,6, distancia media nadado = 112,9 ± 18,4 mm, n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 45 peces; controles de tipo salvaje: El número medio de movimientos = 177,4 ± 14,0, significan distancia nadada = 300,2 ± 22,8 mm, n = 3 r independienteeplicate experimentos que comprenden 45 peces; DMD PC2 - / - mutantes: número medio de movimientos = 163,3 ± 30,0, distancia nadado significa: 298,4 ± 60,37 mm, n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 12-20 peces; DMD PC2 +/- heterocigotos: número medio de movimientos = 362,3 ± 38,8, media distancia nadada: 660,3 ± 86.1mm n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 17-27 peces; DMD homocigotos PC2 + / + de tipo salvaje: El número medio de movimientos = 341,9 ± 91,6, significan distancia nadada = 574,3 ± 170.9mm n = 3 experimentos replicados independientes que comprenden 8-25 peces.
Figura 1:. La cuantificación de tacto evocan ensayo de respuesta de 2 dpf embriones de pez cebra imágenes (A) instantánea de un pez cebra de control durante al tacto evocar ensayos a las 2 dpf. (B) Perfil de aceleración por primera 0,2 seg de unasola Tg (ACTA1 D286G-EGFP) (rojo) y el pez cebra de control único (azul) después de la aplicación del estímulo táctil. La aceleración máxima está representada por las líneas de puntos. (C, D) La cuantificación de la aceleración máxima (m / seg 2) registrados a partir de ensayos de respuesta al tacto evocado de (C) Tg (ACTA1 D286G EGFP) y el pez cebra (D) pc2 DMD - / - peces mutantes en comparación con el control de pez cebra a las 2 dpf. Las barras de error representan ± SEM de 3 experimentos replicados, * p <0,05. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2:. Representación de los ensayos de locomoción para embriones de pez cebra (A) embriones de pez cebra se colocan en placas de 48 pocillos y la locomoción se registra desde arriba utilizando una cámara digital de infrarrojos. (B) Esquema del movimiento de pez cebra durante el período de pruebas con líneas rojas que representa los movimientos rápidos, líneas verdes representan los movimientos lentos y líneas negras representan la inactividad (según lo determinado por los umbrales de detección introducidas en el software). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3:. La cuantificación de los ensayos de locomoción de 6 dpf larvas de pez cebra La cuantificación de la (A) número de movimientos y (B) la distancia recorrida por Tg pez cebra (ACTA1 D286G EGFP) en comparación con el control de pez cebra a las 6 dpf.La cuantificación de la cantidad (C) de los movimientos y (D) la distancia recorrida por el PC2 DMD - / - peces mutantes en comparación con el control de pez cebra a las 6 dpf. Las barras de error representan ± SEM de 3 experimentos replicados, * p <0,05, ** p <0,01. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Muchos diferentes modelos animales, incluyendo ratones, perros, peces cebra, moscas y gusanos han contribuido a nuestra comprensión de las bases genéticas y moleculares de las enfermedades musculares, y con la asistencia en el desarrollo de enfoques terapéuticos para combatirlas. El pez cebra cuenta con varias ventajas para el estudio de la enfermedad muscular. El pez cebra ofrece un sistema genéticamente manipulable para evaluar patrones músculo complejo en un entorno fisiológico adecuado, que no es posible en sistemas de cultivo in vitro. A diferencia de otros modelos animales vertebrados, la gran cantidad de peces producidos, junto con su claridad óptica, facilita la rápida y de alto rendimiento en la industria química y la detección genética in vivo.
A continuación se describe el desarrollo de ensayos de movimiento de pez cebra para proporcionar un alto rendimiento y un método automatizado para evaluar el rendimiento muscular durante la embriogénesis pez cebra. Para ambos ensayos, hay que reconocer que los ritmos circadianos yestímulos ambientales externos afectarán de manera significativa el comportamiento de natación pez cebra 17,18. Pruebas repetidas del mismo pez cebra también conducirá a la habituación causando una disminución en respuesta a la táctil estímulo 23. Por lo tanto, con el fin de obtener resultados reproducibles entre los experimentos cada embrión de pez cebra sólo debe ser probado una vez, el tiempo de las condiciones de iluminación de día y debe ser estandarizado, y la temperatura del agua debe ser estrictamente regulado.
Utilizando el análisis provocado por el tacto en 2 dpf podemos medir directamente la aceleración máxima de una acción de natación de ráfaga, que es proporcional a la fuerza muscular. Las técnicas anteriores en el pez cebra han examinado la fuerza muscular mediante la vinculación de los dos extremos de los embriones a equipo experimental después de lo cual la contracción del músculo es estimulado usando un campo eléctrico y la capacidad de generación de fuerza del músculo 14 se mide. Si bien este método mide la fuerza de la capacidad de generación de tél muscular larval, que no mide la fuerza real generada por el músculo larval durante la natación. Por lo tanto, hemos desarrollado un método para evaluar indirectamente la fuerza generada durante el movimiento normal de la natación de las larvas para proporcionar una medida general de la salud del músculo. El sistema de vídeo de alta velocidad, capaz de registrar los movimientos de pez cebra individuales a una velocidad de 1.000 cuadros / seg se puede utilizar para identificar pequeñas pero significativas diferencias en la función muscular, que no son directamente distinguibles a simple vista. Será interesante ver cómo se informó anteriormente los cambios en la fuerza estimulado eléctricamente generación se correlacionan con los cambios en el rendimiento de natación.
Además, el provocado por el tacto ensayos de respuesta también se pueden utilizar para evaluar la cinemática de natación, tales como la forma y la velocidad de la onda del cuerpo durante el movimiento de natación 24, para dar una medición cuantitativa del comportamiento locomotor.
Debido al movimiento espontáneo de zebrafish larvas después de 3 dpf, no fuimos capaces de realizar los ensayos de evocar al tacto para medir la función muscular. A la inversa, que mide el rendimiento muscular durante un período más largo mediante la determinación de la distancia nadada por las larvas de pez cebra a las 6 dpf. Esta prueba, a pesar de una medida indirecta de la función muscular, se puede utilizar para identificar peces presentan deterioro de rendimiento muscular 8 o la neurodegeneración 25,26. Esta prueba no sólo proporciona una medida análoga a la prueba de marcha de 6 minutos, pero también es adecuado para automatizada de alto rendimiento en las pantallas de drogas o de mutagénesis in vivo.
The authors have nothing to disclose.
We thank Viewpoint for their kind sponsorship of this manuscript. This work was funded by an Australian National Health and Medical Research Council (NHMRC) Project Grant (APP1010110).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
21 G x 1' Blunt Needle | Terumo/Admiral Medical Supplies | TE2125 | |
48-well plates | Sigma | M8937 | |
90 mm Petri Dishes | Pacific Laboratory Products PT | S90001 | |
High Speed Camera | Baumer | HXC20 | |
http://www.randomization.com | N/A | Steps 1.1.2, 2.1.3 | |
Incubator | Thermoline Scientific | TEI-43L | |
Plastic Pipette | VWR | 16001-188 | |
StreamPix5 | NorPix | Step 1.2.3 | |
Temperature Control Unit | Viewpoint | ||
Tweezers, style 8 | ProSciTech | T04-821 | |
Zebrabox System | Viewpoint | ||
Zebralab | Viewpoint | Steps 1.3.1, 2.2.1 |
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