Agradecemos la excelente asistencia técnica del personal de apoyo en las instalaciones de peces y el centro de selección de peces de IBCS-BIP. Este trabajo ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de Subvención n.º 965406 (PrecisionTox). Este resultado refleja únicamente la opinión de los autores, y la Unión Europea no se hace responsable del uso que pueda hacerse de la información contenida en él.

Toda la cría y manipulación del pez cebra se realizó de acuerdo con las normas alemanas de protección animal y fue aprobada por el Gobierno de Baden-Württemberg, Regierungspräsidium Karlsruhe, Alemania (Aktenzeichen 35-9185.64/BH KIT).
1. Preparación de soluciones madre de productos químicos que se van a probar
<ol><li>Etiquete el frasco de vidrio (o la alícuota química) con el nombre/abreviatura del compuesto, la concentración de existencias y la fecha de preparación. Por ejemplo, CdCl2_2.5 g· L-1_210813.</li>
	<li>Centrifugar la alícuota química a 2000 x g durante 1 min a temperatura ambiente (RT).</li>
	<li>Bajo una campana extractora, pesar el compuesto (si es necesario) en una báscula sensible a 0,001 g y transferirlo al vial etiquetado. Si el compuesto es líquido, agréguelo al vial con una pipeta y una punta de pipeta de plástico. NOTA: Por ejemplo, para el caldo de metanosulfonato de tricaína utilizado en el ejemplo resultante que se muestra en la Figura 2, se pesaron 400 mg en el vial etiquetado.</li>
	<li>Añada disolvente (p. ej., agua pura estéril o dimetilsulfóxido (DMSO), dependiendo de las propiedades fisicoquímicas de los compuestos) utilizando una pipeta y una punta de pipeta de plástico. Si es posible, el agua es el disolvente preferido. NOTA: Por ejemplo, para el stock de tricaína, se preparó una solución de 15,3 mM en 100 mL de agua.</li>
	<li>Selle el vial, agite suavemente y verifique si hay precipitaciones.</li>
	<li>Prepare soluciones madre diluidas (si es necesario) en viales de vidrio utilizando pipetas y puntas de pipeta de plástico. NOTA: Por ejemplo, no fue necesaria una dilución adicional para el stock de tricaína.</li>
	<li>Almacenar la(s) solución(es) madre(s) a -20 °C hasta su uso.</li>
	<li>Almacene la alícuota química restante en las mismas condiciones que antes.</li>
	<li>Registre la información de las alícuotas de existencias en el cuaderno de laboratorio.</li>
</ol>2. Recolección y cría de embriones de pez cebra
<ol><li>Recolecta embriones en etapas de escisión (etapa de 2-8 células) a partir del desove natural de apareamientos grupales en placas de cultivo de tejidos de 10 cm.</li>
	<li>Seleccione un lote de calidad adecuada: menos del 10% de óvulos no fertilizados/muertos.</li>
	<li>Limpie los platos (retire los huevos no fertilizados, los escombros, las escamas, etc.).</li>
	<li>Colocar 60 embriones por placa de cultivo de tejidos de 10 cm en 15 mL de medio E3 (5 mM de NaCl, 0,17 mM de KCl, 0,33 mM de CaCl2, 0,33 mM de MgSO4)25.</li>
	<li>Coloque los platos en una cámara humidificada preparada colocando toallas de papel empapadas en agua.</li>
	<li>Criar embriones hasta 72 hpf en una incubadora a 28,5 °C.</li>
</ol>3. Preparación de la dilución de trabajo de los productos químicos que se van a probar
<ol><li>Retire la solución madre del congelador a -20 °C y déjela descongelar.</li>
	<li>Si la solubilidad del compuesto es lo suficientemente alta, prepare diluciones seriadas en medio E3 en frascos de vidrio, 1 mL por réplica por concentración. Asegúrese de que la concentración sea 10 veces mayor que la concentración de exposición deseada. Esto evita tener que cambiar todo el medio de los embriones al inicio de la exposición. En caso de baja solubilidad, preparar las diluciones seriadas directamente a las concentraciones de exposición deseadas, 10 mL por réplica por concentración.</li>
	<li>Compruebe si hay precipitaciones (si es necesario). Si la solución se ha precipitado, registre esto y luego diluya aún más para lograr la siguiente concentración más alta. Compruebe de nuevo si hay precipitaciones. Repita hasta que no haya precipitaciones.</li>
	<li>Compruebe el pH de la solución de exposición. Si está fuera del rango de pH 7.0-8.5, registre esto y prepare las soluciones en E3 que contengan 5 mM de HEPES/pH 7.4, ajustando el pH con HCl o NaOH.</li>
	<li>Deseche los medios de exposición no utilizados de acuerdo con las regulaciones locales.</li>
</ol>4. Exposición de los embriones a los productos químicos que se van a analizar
<ol><li>Revise las placas con los embriones viejos de 72 hpf en busca de embriones muertos/no eclosionados y retírelos. Si un lote de embriones contiene más del 5% de huevos sin eclosionar, retire el lote.</li>
	<li>Colocar 10 embriones por placa de cultivo de tejidos de 6 cm en 9 mL de medio E3 (placa de exposición).</li>
	<li>Etiquete las placas de exposición con el nombre del compuesto, la concentración de exposición y el número de réplica. Por ejemplo, "CdCl2 1 mg· L-1 01". Incluya suficientes placas E3 solamente y una placa de control de disolvente, si es necesario (ver sección 5).</li>
	<li>Agregue 1 ml de solución de exposición a cada placa, comenzando con la concentración más baja, y agite la placa. Para compuestos con baja solubilidad, sustituya los 10 ml completos de la placa por la solución de exposición (véase el paso 3.2).</li>
	<li>Registre el orden temporal en el que se agregaron soluciones compuestas a los embriones.</li>
	<li>Incubar las placas en la cámara humidificada en una incubadora a 28,5 °C durante 48 h hasta que alcancen los 120 hpf.</li>
</ol>5. Realización del ensayo de sobresalto por vibración
NOTA: Analice las placas en el mismo orden que se registró en el paso 4.5. Cada ejecución debe incluir una placa de control E3.
<ol><li>Encienda la computadora y el dispositivo de vibración (la luz LED azul debe estar encendida).</li>
	<li>Prepare el archivo de configuración en una hoja de cálculo, como se ve en la Figura 1D y se adjunta como Archivo complementario 1. Registre la información de exposición para cada una de las 5 posiciones de la placa (compuesto, concentración, réplica).</li>
	<li>Abra el programa de interfaz de usuario general (GUI) (disponible en https://git.scc.kit.edu/xk4962/vibration-startle-assay-kit , ID de proyecto 43215).</li>
	<li>Compruebe el movimiento de la cámara seleccionando las diferentes posiciones en el programa GUI y observando el movimiento de la cámara.</li>
	<li>Saque las placas de muestra que se van a medir de la incubadora. Coloque las placas de muestra en las 5 posiciones (ver Figura 1A, "altavoces") y deje que los embriones se asienten durante varios minutos.</li>
	<li>Haga clic en Grabar; Se abrirá una ventana para seleccionar el archivo de configuración.</li>
	<li>Seleccione el archivo de configuración adecuado preparado en el paso 5.2 para esta ejecución.</li>
	<li>Compruebe que la descripción de la muestra se corresponde con las muestras de cada posición (1-5).</li>
	<li>La medición se realizará automáticamente (10 s / posición). Cuando el programa aplica el pulso de sonido, se enciende un LED. El registro durante 10 s/posición permite adquirir datos suficientes para estimar la velocidad de natación y la distancia recorrida tanto antes como después de aplicar el estímulo y evita la habituación a estímulos posteriores.</li>
	<li>Cuando se completa la grabación, la cámara vuelve a la posición 1 y el software comienza a comprimir los archivos. Durante este tiempo, reemplace las muestras con el siguiente conjunto que deba medirse.</li>
	<li>Vaya al paso 5.2. para grabar la siguiente ejecución.</li>
	<li>Cuando se hayan medido todas las placas, recoja las soluciones de exposición. Usa un colador para retener los embriones.</li>
	<li>Sacrificar los embriones mediante enfriamiento rápido en un baño de hielo/isopropanol (5%).</li>
	<li>Deseche las soluciones de exposición y los embriones muertos de acuerdo con las regulaciones locales.</li>
</ol>6. Análisis de datos
<ol><li>Abra los datos de vídeo con VirtualDub (1.10.4).</li>
	<li>Puntúe visualmente el número de embriones que responden al pulso de sonido (cuando el LED de control está encendido).</li>
	<li>Introduce los datos en una hoja de cálculo. Registre el nombre del compuesto, la réplica, la concentración del compuesto y el porcentaje de embriones inmóviles de acuerdo con la plantilla proporcionada en el Archivo Suplementario 2, que incluye el conjunto de datos de ejemplo que se muestra en la Figura 2C. NOTA: La plantilla tiene una estructura flexible y permite principalmente la aplicación de datos de otros organismos y puntos finales. Describe las respuestas para cada concentración y también proporciona descripciones de los puntos finales, así como definiciones de los parámetros generados en el posterior modelado de concentración-respuesta.</li>
	<li>Realice el análisis de concentración de referencia (BMC) utilizando un flujo de trabajo KNIME (KNIME analytics 4.626) con scripts de R integrados (R versión 3.6., paquetes de R plotrix, drc y bmd 27,28). NOTA: En principio, la evaluación también podría realizarse directamente en R. Sin embargo, para mayor comodidad y para permitir la evaluación como un servicio basado en la web, el análisis se ha organizado en un flujo de trabajo compatible con el servidor KNIME. El resultado del flujo de trabajo de KNIME se proporciona en el archivo complementario 3. Para obtener más información sobre los parámetros estadísticos generados por el flujo de trabajo de KNIME, consulte esta plantilla. En la Tabla 1 se muestran los parámetros estadísticos para estimar la bondad de ajuste y los umbrales para aceptar los valores de CMO determinados. El flujo de trabajo de KNIME en sí está disponible a través de GitHub (https://github.com/precisiontox/range-finding-drc). La concentración-respuesta se modela utilizando un modelo log-logístico de 4 parámetros. Dos de los parámetros de ajuste de la curva se pueden fijar. Normalmente, se fijaría el máximo en 100 en el caso de los datos porcentuales. En caso de que no se observen efectos de fondo, el mínimo puede fijarse en 0%.</li>
</ol>

Ensayo de sobresalto para la evaluación de la toxicidad en embriones de pez cebra

No tenemos nada que revelar.

Presentamos el flujo de trabajo y el análisis de datos para la evaluación de compuestos químicos utilizando una configuración de ensayo de sobresalto por vibración de embriones de pez cebra hecha a medida. El flujo de trabajo genera datos sólidos que permiten el cálculo de parámetros típicos que especifican la toxicidad de los compuestos, como la concentración/dosis de referencia (BMC/BMD). La modularidad de la configuración permite la adaptación a diferentes necesidades de rendimiento y requisitos de espacio. Como el sistema está hecho de componentes basales de bajo costo, siguiendo una configuración relativamente simple, proporciona una alternativa barata a los sistemas comerciales existentes, que generalmente están diseñados para varios tipos de ensayo a la vez, dependen de software propietario y siguen siendo relativamente costosos.
Tanto estos sistemas comerciales como otros sistemas hechos a medida permiten la evaluación de embriones individuales o larvas en placas de pocillos múltiples (por ejemplo,34 pocillos de 12 pocillos,32,35 de 16 pocillos, 20,33,36 de 24 pocillos,37 pocillos de 48 pocillos,38,39,40,41,42 e incluso 384 pocillos [como pocillos 4x96]43), pero la restricción espacial en los pozos hace que el análisis de algunos parámetros de datos de la respuesta de escape (por ejemplo, la distancia recorrida) sea más difícil. Además, en algunas de estas configuraciones, la obtención de imágenes se restringe a un subconjunto de los pocillos de la placa, lo que reduce el rendimiento36,39. La obtención de imágenes de embriones en placas permite una mejor evaluación de los parámetros de respuesta de escape y permite registrar el comportamiento de varios embriones a la vez (hasta 30 en una placa de 6 cm, por ejemplo). Por lo general, la imagen basada en placas se limita a una placa por corrida 44,45,46,47,48 (las excepciones realizan imágenes en paralelo en 6 placas con una larva cada49 o en 4 larvas en 2 placas divididas50), un inconveniente que puede resolverse con diseños paralelos como en nuestro caso. Hemos resumido algunas características del sistema utilizado en este estudio y otras soluciones comerciales y a medida en la Tabla 2 20,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43, 44,45,46,47,48,49,50, 51,52.
Una ventaja del método es una lectura que captura tanto la letalidad como los cambios de comportamiento, lo que puede aumentar el rendimiento de las evaluaciones de toxicidad. Por ejemplo, si bien se ha demostrado que la prueba de toxicidad aguda (FET) del embrión de pez cebra5 predice bastante bien la toxicidad en la prueba de toxicidad aguda del pez adulto53 , su precisión de predicción se mejoró al incluir lecturas de comportamiento54. La razón de esto es la débil mortalidad inducida por los compuestos neuroactivos observados en los embriones de peces, probablemente debido a la falta del síndrome de insuficiencia respiratoria que causa una mayor toxicidad en peces jóvenes o adultos. Sin embargo, la neuroactividad puede identificarse mediante la evaluación de la conducta. Además, las lecturas conductuales también pueden capturar efectos miotóxicos y ototóxicos, así como otros efectos tóxicos más sutiles sobre la fisiología, que son subletales pero influyen en el rendimiento conductual del organismo.
Al realizar el ensayo, es fundamental garantizar el manejo adecuado de los compuestos, así como el uso de un lote homogéneo de embriones de pez cebra. Por lo tanto, el uso de viales de vidrio para el almacenamiento de compuestos debería minimizar la disminución de las concentraciones de productos químicos, en particular los compuestos hidrofóbicos, debido a la absorbancia del material plástico. En el caso de compuestos de alto potencial de absorción para el poliestireno "plástico", también se pueden utilizar placas de vidrio para la incubación. La limpieza de los óvulos en las placas de cultivo de tejidos utilizadas para la recolección y extracción de embriones muertos es un paso crítico para garantizar el desarrollo estándar. La velocidad normal del desarrollo es importante, ya que los retrasos en el desarrollo pueden afectar la madurez de las redes neuronales que subyacen a la conducta evaluada14,33. Además, para permitir la comparación de los efectos compuestos, los huevos deben derivarse de la misma cepa, ya que se ha reportado que diferentes cepas presentan diferentes perfiles de comportamiento 38,55,56,57. Durante la exposición, es importante incubar los embriones en una cámara humidificada para evitar la evaporación excesiva del medio E3, que alteraría las concentraciones ensayadas.
Los controles E3 deben incorporarse en cada ciclo para determinar el nivel de respuesta basal del lote concreto de embriones utilizados en la serie de ensayos. Por lo general, ejecutamos una placa de controles a lo largo de cada conjunto de 5 mediciones. Como se ilustra en la Figura 2D, este enfoque también permite la detección de lotes con respuestas subóptimas debido a un retraso en el desarrollo o por otras razones, como efectos genéticos de fondo. En caso de una falta inesperada de respuesta al estímulo, también tenga cuidado con la posible falla del transductor. Típicamente, las respuestas de sobresalto muestran un comportamiento sigmoidal de concentración-respuesta que permite el ajuste de la curva utilizando un modelo logarítmico. Sin embargo, en casos raros con respuestas bifásicas, es posible que sea necesario emplear otros modelos, como los modelos gaussianos o de Cedergreen. Están disponibles dentro de los paquetes R drc y bdm27,28.
La falta de respuesta al estímulo vibracional puede indicar simplemente la muerte de los embriones o un deterioro grave de las funciones vitales debido a la citotoxicidad general, pero también puede reflejar una toxicidad más específica dirigida a los circuitos neuronales de la percepción, la integración y la producción locomotora del estímulo. Otros posibles efectos compuestos son la interferencia con la interfaz neuromuscular o con la estructura y función muscular. Para distinguir entre estas posibilidades, son necesarios más ensayos. Por ejemplo, la integridad estructural de los músculos puede evaluarse con un ensayo de birrefringencia58,59, y se dispone de líneas transgénicas para evaluar la perturbancia de la función muscular y neural60,61. Sin embargo, los datos de vídeo grabados ya permiten un análisis más detallado de la morfología y la respuesta conductual de los embriones que puede proporcionar una primera información adicional. ¿Solo la curva C está afectada o toda la motilidad? ¿Todavía hay restos de actividad neuromuscular, como lo indican los movimientos débiles o temblorosos de la cola? ¿Estos comportamientos alterados van acompañados de cambios en la morfología, como edema o aumento de la curvatura corporal? Además, se pueden evaluar parámetros como el tiempo de latencia hasta la curva en C o la distancia recorrida durante la respuesta de escape (véase, por ejemplo, la Ref. 44).
El protocolo de cribado aquí descrito permite realizar evaluaciones rápidas y robustas de la toxicidad de los compuestos, con el valor añadido de detectar específicamente compuestos neurotóxicos, ototóxicos y miotóxicos no letales. El flujo de trabajo de análisis proporcionado es fácil de implementar y proporciona una lectura sólida. Las modificaciones de los protocolos de estímulo utilizados en el ensayo de sobresalto por vibración también se han utilizado para abordar los efectos compuestos en aspectos más complejos del comportamiento de sobresalto, como la inhibición prepulso (IBP)39,44 y la habituación32,33, y podrían adaptarse a la configuración de estímulo basada en transductores electrodinámicos utilizada en este estudio.
Una de las principales aplicaciones de los sistemas de cribado basados en la respuesta al sobresalto es la evaluación de los efectos de los compuestos en cribados químicos, que es relevante tanto para la evaluación de la toxicidad humana como para el desarrollo de fármacos 1,4,62. Al mismo tiempo, al analizar las primeras etapas de la vida de un organismo acuático, los resultados obtenidos tienen relevancia directa para la evaluación del riesgo ecotoxicológico63,64. Además, los sistemas de respuesta de sobresalto se pueden utilizar para el fenotipado conductual en cribados genéticos 65,66,67,68,69. Nuestro sistema, fácilmente implementable y adaptable, proporciona una configuración asequible a los laboratorios más pequeños que pretenden llevar a cabo sus propios proyectos de cribado específicos en estos diversos ámbitos de aplicación.

En los últimos años, el pez cebra se ha convertido en un organismo modelo muy popular para la evaluación de los efectos de los compuestos químicos, abarcando áreas de investigación que van desde el desarrollo de fármacos hasta latoxicología ambiental. Como vertebrados, el pez cebra comparte muchos aspectos de su composición genética y fisiología general con los humanos 2,3. Por lo tanto, los resultados obtenidos en este modelo a menudo son directamente relevantes para la salud humana. Varios candidatos a fármacos actualmente en ensayos clínicos han sido identificados en cribados compuestos utilizando pez cebra4.
La evaluación de la toxicidad es una de las principales aplicaciones en las que las pruebas con estadios embrionarios de pez cebra son de interés. Existen varias directrices de ensayo de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) para el uso del pez cebra en los ensayos de toxicidad ambiental 5,6. El pequeño tamaño y el rápido desarrollo de los embriones de pez cebra los hacen muy adecuados para los enfoques de cribado en una escala de rendimiento medio a alto 1,3,4. Los criterios de valoración toxicológicos a los que se dirigen estos cribados incluyen las malformaciones embrionarias y la letalidad7, la disrupción endocrina8, la toxicidad orgánica9 y las evaluaciones conductuales indicativas de toxicidad neuronal10,11. Los ensayos conductuales son posibles porque los embriones de pez cebra muestran varios tipos de respuestas locomotoras a diferentes estímulos dependiendo de su etapa de desarrollo. Por ejemplo, los embriones 1 día después de la fecundación (dpf) muestran un enrollamiento espontáneo de la cola12 y responden a una secuencia de pulsos de luz con una secuencia típica de movimientos, la llamada respuesta fotomotora (PMR)10. Después de la eclosión, que suele ocurrir alrededor de 48-72 horas después de la fertilización (hpf), los eleuteroembriones que nadan libremente13 desarrollan gradualmente respuestas de sobresalto y escape a los estímulos vibratorios a partir de alrededor de 4 dpf14. Estas respuestas se caracterizan por una curvatura distintiva hacia la dirección opuesta a la dirección del estímulo (la llamada curva C o inicio en C), que es seguida por una contracurva más pequeña y un comportamiento de natación 14,15,16,17. En particular, los comportamientos embrionarios están gobernados por circuitos neuronales que utilizan varios sistemas de neurotransmisores, lo que permite sondear los efectos de los compuestos químicos dirigidos a estos sistemas. Por ejemplo, el ensayo PMR reveló los efectos de compuestos que interfieren con la señalización colinérgica, adrenérgica y dopaminérgica10, mientras que la respuesta de sobresalto involucra a las neuronas colinérgicas, glutamatérgicas y glicinérgicas 16,18. Además, los compuestos que dañan los músculos o la interfaz neuromuscular también afectarán estos comportamientos, al igual que los compuestos tóxicos para las células ciliadas del oído interno/línea lateral19,20. Por lo tanto, observar el comportamiento locomotor del pez cebra en respuesta a un estímulo es un medio adecuado para evaluar no solo la neurotoxicidad, sino también la ototoxicidad y la miotoxicidad. La puntuación del comportamiento locomotor también sirve como un indicador para la evaluación general de la toxicidad/letalidad, ya que los embriones muertos no se mueven. Por lo tanto, los comportamientos de locomoción embrionaria representan una lectura integradora para un enfoque de detección de toxicidad de primer nivel, que indica efectos letales y compuestos neuromusculares en una sola configuración. Dado que los eleuteroembriones ya son capaces de metabolizar compuestos, el abordaje también puede detectar los efectos de los productos de transformación metabólica 7,21,22. Es importante destacar que los embriones de pez cebra no se consideran una etapa de vida protegida según algunas legislaciones de protección animal hasta la etapa de alimentación libre después de 120 hpf13. Por lo tanto, se consideran una alternativa a los ensayos de toxicidad en animales.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66153/66153fig01.jpg"> Figura 1: Configuración del sistema de respuesta a sobresaltos por vibración. (A) Descripción general del sistema. Las placas con embriones expuestos a los compuestos de prueba se colocan en el conjunto de transductores electrodinámicos ("altavoces"). La cámara se mueve secuencialmente mediante el accionamiento lineal accionado por correa hasta la posición de grabación por encima del transductor de destino. (B) Vista detallada del transductor/altavoz con placa de cultivo de tejidos insertada en la parte superior. Las placas están iluminadas desde abajo por una lámina de luz LED a 4000-5000 lux. Una luz LED junto al altavoz se enciende mientras se administra el estímulo. (C) Imagen fija de video grabada por la cámara sobre la estimulación de los embriones. (D) Captura de pantalla del archivo de configuración. (E) Captura de pantalla de la interfaz del software de grabación. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/66153fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Aquí, describimos un protocolo de prueba para la evaluación de los efectos de los compuestos en la respuesta de sobresalto por vibración utilizando un dispositivo de prueba simple construido internamente basado en estímulos de vibración generados por transductores electrodinámicos junto con una grabación de video automatizada de varios embriones que se mueven libremente en una placa de cultivo de tejidos23. El sistema es modular y permite el registro secuencial de varias placas de cultivo de tejidos en paralelo. En la configuración utilizada actualmente, cinco transductores electrodinámicos proporcionan un estímulo vibracional (500 Hz, duración 1 ms) a las placas de cultivo de tejidos que contienen 20 embriones colocados encima de ellas (Figura 1). Las placas se iluminan desde abajo a 4000-5000 lux con láminas de luz LED. Una luz LED al lado de cada transductor indica los períodos de aplicación del estímulo, y un osciloscopio indica las formas de onda y la frecuencia del estímulo aplicado (para más detalles, consulte la Ref. 23). El comportamiento de los embriones es registrado por una cámara de alta velocidad (Tabla de Materiales) a 1000 fotogramas por segundo (fps), que se mueve por encima del altavoz objetivo mediante un accionamiento lineal accionado por correa. Esta velocidad de grabación es necesaria para resolver de forma fiable la respuesta de sobresalto. El sistema proporciona una alternativa de bajo costo y adaptable individualmente a los sistemas comerciales actuales. El flujo de trabajo preciso que se detalla a continuación se realiza actualmente en el marco de la iniciativa de Toxicología de Precisión24 con el fin de determinar las condiciones de exposición adecuadas para la adquisición de datos OMICS de embriones de pez cebra tratados con un conjunto seleccionado de sustancias tóxicas.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Fine test sieves, Brass frame, pore size 250 &#956;m</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z289744-1EA</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>XIMEA</td>
			<td>&#160;MQ013MG-ON USB 3&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory Bottles, Narrow Neck, with Screw Cap</td>
			<td>VWR</td>
			<td>215-3261</td>
			<td>Reference number for 50 mL, available up to 20 L. Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tip, working volume: 10 &#181;L</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>70.3010.210</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tip, working volume: 1000 &#181;L</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>70.3050.100</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tip, working volume: 20 &#181;L</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>70.3020.210</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tip, working volume: 200 &#181;L</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>70.3030.100</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Serological pipette 10 mL</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>86.1254.001</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Serological pipette 25 mL</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>86.1685.001</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Serological pipette 5 mL</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>86.1253.001</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue culture dish 60,0 mm/15,0 mm vented (Polystyrene)</td>
			<td>Greiner bio-one</td>
			<td>628102</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue culture dish 100, suspension (Polystyrene)</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>83.3902.500</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transfer pipette 6 mL</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>86.1175</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube 15 mL 120 mm x 17 mm PP</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>62.554.502</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube 50 mL 114mm x 28 mm PP</td>
			<td>SARSTEDT</td>
			<td>62.5472.54</td>
			<td>Or comparable material</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evaluating toxicity of chemicals using a zebrafish vibration startle response screening system

Desarrollamos un sistema de cribado sencillo para la evaluación de la toxicidad neuromuscular y general en embriones de pez cebra. El sistema modular consta de transductores electrodinámicos sobre los que se pueden colocar placas de cultivo de tejidos con embriones. Se pueden combinar varios pares de placas de cultivo de tejidos de este tipo. Los estímulos vibracionales generados por los transductores electrodinámicos inducen una respuesta característica de sobresalto y escape en los embriones. Un accionamiento lineal accionado por correa coloca secuencialmente una cámara encima de cada altavoz para registrar el movimiento de los embriones. De esta forma, se pueden visualizar y cuantificar las alteraciones en la respuesta de sobresalto debidas a la letalidad o toxicidad neuromuscular de los compuestos químicos. Presentamos un ejemplo del flujo de trabajo para el cribado de compuestos químicos utilizando este sistema, incluyendo la preparación de embriones y soluciones de tratamiento, el funcionamiento del sistema de registro y el análisis de datos para calcular los valores de concentración de referencia de los compuestos activos en el ensayo. El montaje modular basado en componentes simples disponibles en el mercado hace que este sistema sea económico y se adapte de manera flexible a las necesidades de configuraciones particulares de laboratorio y fines de detección.

In recent years, zebrafish have become highly popular model organisms for the evaluation of chemical compound effects, encompassing research areas from drug development to environmental toxicology1. As vertebrates, zebrafish share many aspects of their genetic makeup and overall physiology with humans2,3. Therefore, results obtained in this model often are directly relevant to human health. Several drug candidates currently in clinical trials have been identified in compound screens using zebrafish4.
Toxicity assessment is one major application where tests using zebrafish embryonic stages are of interest. Various Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) test guidelines exist for the use of zebrafish in environmental toxicity testing5,6. The small size and rapid development of zebrafish embryos make them highly suitable for screening approaches on a medium to high throughput scale1,3,4. Toxicological endpoints targeted by such screens include embryonic malformations and lethality7, endocrine disruption8, organ toxicity9, and behavioral assessments indicative of neural toxicity10,11. The behavioral assays are possible because zebrafish embryos show various types of locomotor responses to different stimuli depending on their stage of development. For example, 1 day post fertilization (dpf) embryos show spontaneous tail coiling12 and respond to a sequence of light pulses with a typical sequence of movements, the so-called photomotor response (PMR)10. After hatching, typically occurring around 48-72 hours post fertilization (hpf), the freely swimming eleutheroembryos13 gradually develop startle and escape responses to vibrational stimuli starting around 4 dpf14. These responses are characterized by a distinctive bend to the direction opposite the direction of the stimulus (the so-called C-bend or C-start), which is followed by a smaller counter bend and swimming behavior14,15,16,17. Notably, embryonic behaviors are governed by neural circuits using various neurotransmitter systems, allowing for probing chemical compound effects targeting these systems. For example, the PMR assay revealed the effects of compounds interfering with cholinergic, adrenergic, and dopaminergic signaling10, while the startle response involves cholinergic, glutamatergic, and glycinergic neurons16,18. Furthermore, compounds that damage the muscles or the neuro-muscular interface will also affect these behaviors, as will compounds toxic to the inner ear/lateral line hair cells19,20. Observing zebrafish locomotor behavior in response to a stimulus is thus a suitable means to assess not only neurotoxicity but equally ototoxicity and myotoxicity. Scoring locomotor behavior also serves as a proxy for general toxicity/lethality assessment since dead embryos do not move. Thereby, embryonic locomotion behaviors represent an integrative readout for a first-tier toxicity screening approach, which indicates lethal and neuromuscular compound effects in one setup. Given that the eleutheroembryos are already capable of metabolizing compounds, the approach may also detect the effects of metabolic transformation products7,21,22. Importantly, zebrafish embryos are not considered as protected life stage under some animal protection legislations until the stage of free feeding after 120 hpf13. Therefore, they are regarded as an alternative to animal toxicity testing.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66153/66153fig01.jpg" /> 
Figure 1: Vibration startle response system setup. (A) Overview of the system. Plates with embryos exposed to the test compounds are placed on the electrodynamic transducer array (&#34;loudspeakers&#34;). The camera is sequentially moved by the belt-driven linear drive into the recording position above the targeted transducer. (B) Detailed view of the transducer/loudspeaker with tissue culture dish inserted on top. The plates are illuminated from below by an LED light sheet at 4000-5000 lux. An LED light next to the speaker lights up while the stimulus is given. (C) Still image of video recorded by the camera upon stimulation of the embryos. (D) Screenshot of the configuration file. (E) Screenshot of the recording software interface. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/66153fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
Here, we describe a testing protocol for the evaluation of compound effects on the vibration startle response using an in-house build simple testing device based on vibration stimuli generated by electrodynamic transducers coupled with an automated video recording of several freely moving embryos in a tissue culture dish23. The system is modular and allows for sequential recording from several tissue culture dishes in parallel. In the setup currently used, five electrodynamic transducers provide a vibrational stimulus (500 Hz, duration 1 ms) to tissue culture dishes containing 20 embryos placed on top of them (Figure 1). The plates are illuminated from below at 4000-5000 lux with LED light sheets. An LED light next to each transducer indicates periods of stimulus application, and an oscilloscope indicates waveforms and frequency of the applied stimulus (for details, see Ref. 23). The behavior of the embryos is recorded by a high-speed camera (Table of Materials) at 1000 frames per second (fps), which is moved above the targeted speaker by a belt-driven linear drive. This recording speed is required to reliably resolve the startle response. The system provides a low-cost, individually adaptable alternative to current commercial systems. The precise workflow detailed below is currently performed in the framework of the Precision Toxicology initiative24 in order to determine suitable exposure conditions for OMICS data acquisition from zebrafish embryos treated with a selected set of toxicants.

Autor destacado: Cribado de toxicidad de alto rendimiento mediante el ensayo de respuesta de sobresalto de embriones de pez cebra

Evaluación de la toxicidad de los productos químicos mediante un sistema de detección de la respuesta al sobresalto por vibración del pez cebra

When screening chemicals for toxicity, a current experimental challenge is the determination of toxic effects in vivo, taking into account the complexity of a whole organism, and to do this in a rapid high-throughput manner. By using a behavioral readout that monitors the escape response of zebrafish embryos to a vibration stimulus, our system allows us to identify compounds that interfere with neural or muscular function. Because dead embryos don't move, we also capture compounds that cause lethality by unspecific toxicity.The system we present can be built for a modest price and is customizable. It is also easy to maintain and all pieces can be replaced. We are currently employing the startle assay system within the PrecisionTox Consortium to determine a chemical compound dose for OMICS data acquisition.The data are generated across five model organisms and human cell lines. They will be used to derive toxicity pathways and biomarkers for human toxicity prediction.

La Figura 2A muestra el porcentaje de embriones inmóviles en 48 nidadas de embriones salvajes no tratados (cepa AB2O2). En promedio, el 14,33% de los embriones de tipo salvaje no tratados no reaccionan al estímulo de vibración. En 4 nidadas, el porcentaje de larvas inmóviles alcanzó el 50%, pero el 75% de las nidadas tenían un porcentaje de larvas inmóviles por debajo del 20%.
La Figura 2B,C muestra un ejemplo de un cálculo típico de una concentración/dosis de referencia (BMC/BMD29,30) para los efectos de los compuestos sobre la motilidad con el flujo de trabajo del ensayo de sobresalto por vibración, tal como se realiza actualmente en el consorcio PrecisionTox24. Los valores de BMC10, BMC25 y BMC50 corresponden a las concentraciones en las que el 10%, 25% y 50% de los embriones presentan niveles de inmotilidad superiores a los de fondo, respectivamente. En este cálculo solo se incluyen los embriones que son completamente inmóviles, no los que todavía muestran respuestas parciales, como solo una flexión en C sin natación de escape posterior o solo movimientos de cola (Figura 2B). Los embriones fueron expuestos a 8 concentraciones del inhibidor de los canales de sodio metanosulfonato de tricaína, que se utiliza con frecuencia para la anestesia de peces31. Los datos indican un nivel de fondo de alrededor del 25% de inmovilidad en respuesta al estímulo de vibración. A partir del 1% de tricaína, la motilidad se reduce y luego cesa por encima del 2,5%. El flujo de trabajo de KNIME calcula el BMC50 como 164,9 μM, lo que corresponde a un 1,07 % de tricaína y un nivel de inmotilidad del 75 % (Figura 2C). Los pequeños intervalos de confianza del 95% (indicados por los tonos grises de la curva) indican una robusta reproducibilidad de los valores de motilidad en este ensayo.
La Figura 2D muestra un ejemplo de una ejecución de ensayo subóptima, cuyos datos no deben utilizarse para los cálculos de BMC. Se muestran cinco grupos control tratados con E3 con diferentes embriones derivados de la misma nidada (AB2O2 [cepa de tipo salvaje] se replica 1-5). Solo el primer grupo muestra una respuesta cercana a la normalidad, mostrando alrededor de un 25% de inmotilidad que es consistente con los valores de la literatura32 y los obtenidos en el ensayo aquí descrito, como se muestra en la Figura 2A, mientras que todos los demás grupos muestran respuestas conductuales reducidas y/o incompletas (p. ej., mostrando solo una flexión en C no seguida de actividad de natación, o motilidad sin una curva en C clara al principio). Tal respuesta puede ocurrir cuando los embriones no se desarrollan adecuadamente y se encuentran en un estado inmaduro debido a un retraso en el desarrollo, lo que afecta la robustez de la respuesta de sobresalto14,33.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66153/66153fig02v2.jpg"> Figura 2: Ejemplo de un resultado típico, incluido el cálculo de la dosis de referencia. (A) Porcentaje de embriones que no responden después del pulso de sonido para larvas de tipo salvaje no tratadas durante 48 nidadas (n = 10 por nidada). La media (14,33%) y la desviación estándar (±16,19%) se indican en rojo. (B) Evaluación del comportamiento de respuesta de sobresalto de embriones (n = 20 por condición) tratados con la concentración indicada de tricaína en medio E3 o con E3 solo como control. El comportamiento se clasifica de acuerdo con el esquema de colores y las caricaturas indicadas a la derecha del gráfico, con cada embrión asignado a una sola de las siguientes clases: "inmóvil": embrión no muestra ningún movimiento; "movimiento de la cola": el embrión muestra movimiento de la cola, pero no se dobla en C ni se comporta nadando; "móvil": el embrión muestra movimiento de natación, pero no una flexión en C en respuesta al estímulo vibratorio; "C-bend only": el embrión muestra C-bend, pero no escapa de la natación; "C-bend + móvil": el embrión muestra un comportamiento típico de C-bend seguido de natación de escape (la típica respuesta de sobresalto completo). Los diferentes comportamientos se muestran como un porcentaje del número total de embriones para cada tratamiento. (C) Gráfico de cálculo de BMC generado por el flujo de trabajo KNIME, que indica el porcentaje de embriones "inmóviles" para cada concentración de tratamiento. Las líneas azules, rojas y negras indican los valores de BMC10, BMC25 y BMC50, es decir, las concentraciones a las que el 10%, 25% y 50% de los embriones muestran niveles de inmotilidad superiores a los del fondo, respectivamente. (D) Ejemplo de una ejecución de ensayo descartada. Se muestran cinco series de control tratadas con E3 con diferentes embriones de tipo salvaje AB2O2 derivados de la misma nidada (replicación 1-5). Solo la réplica 1 muestra una respuesta casi normal, mientras que los embriones de las carreras restantes no muestran la respuesta típica de flexión en C + natación de escape. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/66153fig02largev2.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Tabla 1: Parámetros estadísticos para estimar la bondad de ajuste y umbrales para aceptar los valores de CMO determinados. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/Table%201.xlsx" target="_blank">Haga clic aquí para descargar esta tabla.</a>
Tabla 2: Propiedades de una selección de sistemas de ensayo de respuesta vibracional a sobresaltos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/Table%202.xlsx" target="_blank">Haga clic aquí para descargar esta tabla.</a>
Archivo complementario 1: Plantilla de Excel para el archivo de configuración. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/Supplementary%20File%201.zip" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>
Archivo complementario 2: Plantilla de entrada KNIME con un conjunto de datos de ejemplo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/Supplementary%20File%202.zip" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>
Archivo complementario 3: Ejemplo de archivo de salida KNIME. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66153/Supplementary%20File%203.zip" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>

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Describimos el flujo de trabajo y el análisis de datos de un sistema de cribado para evaluar la toxicidad de compuestos químicos en función de la respuesta de sobresalto por vibración del embrión de pez cebra. El sistema registra los movimientos de los embriones de pez cebra tras la exposición a un estímulo vibratorio y permite una evaluación integrada de la toxicidad/letalidad general y la toxicidad neuromuscular.

We developed a simple screening system for the evaluation of neuromuscular and general toxicity in zebrafish embryos. The modular system consists of ...

A la hora de examinar la toxicidad de los productos químicos, un reto experimental actual es la determinación de los efectos tóxicos in vivo, teniendo en cuenta la complejidad de todo un organismo, y hacerlo de una manera rápida y de alto rendimiento. Mediante el uso de una lectura del comportamiento que monitorea la respuesta de escape de los embriones de pez cebra a un estímulo de vibración, nuestro sistema nos permite identificar compuestos que interfieren con la función neuronal o muscular. Debido a que los embriones muertos no se mueven, también capturamos compuestos que causan letalidad por toxicidad inespecífica.El sistema que presentamos se puede construir por un precio módico y es personalizable. También es fácil de mantener y todas las piezas se pueden reemplazar. Actualmente estamos empleando el sistema de ensayo de sobresalto dentro del Consorcio PrecisionTox para determinar una dosis de compuesto químico para la adquisición de datos OMICS.Los datos se generan a través de cinco organismos modelo y líneas celulares humanas. Se utilizarán para derivar vías de toxicidad y biomarcadores para la predicción de la toxicidad humana.

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Research

JoVE Journal

Biology

Evaluating Toxicity of Chemicals using a Zebrafish Vibration Startle Response Screening System

799 vistas.  Karlsruhe Institute of Technology - Campus Nord. A la hora de examinar la toxicidad de los productos químicos, un reto experimental actual es la determinación de los efectos tóxicos in vivo, teniendo en cuenta la complejidad de todo un organismo, y hacerlo de una manera rápida y de alto rendimiento. Mediante el uso de una lectura del comportamiento que monitorea la respuesta de escape de los embriones de pez cebra a un estímulo de vibración, nuestro sistema nos permite identificar compuestos que interfieren con la función neuronal o ...

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We developed a simple screening system for the evaluation of neuromuscular and general toxicity in zebrafish embryos. The modular system consists of electrodynamic transducers above which tissue culture dishes with embryos can be placed. Multiple such loudspeaker-tissue culture dish pairs can be combined. Vibrational stimuli generated by the electrodynamic transducers induce a characteristic startle and escape response in the embryos. A belt-driven linear drive sequentially positions a camera above each loudspeaker to record the movement of the embryos. In this way, alterations to the startle response due to lethality or neuromuscular toxicity of chemical compounds can be visualized and quantified. We present an example of the workflow for chemical compound screening using this system, including the preparation of embryos and treatment solutions, operation of the recording system, and data analysis to calculate benchmark concentration values of compounds active in the assay. The modular assembly based on commercially available simple components makes this system both economical and flexibly adaptable to the needs of particular laboratory setups and screening purposes.

We describe a screening system's workflow and data analysis for evaluating chemical compound toxicity based on the zebrafish embryo vibration startle response. The system records the movements of zebrafish embryos upon exposure to a vibration stimulus and allows for an integrated evaluation of general toxicity/lethality and neuromuscular toxicity.

Investigación

Biología

Preparation of Zebrafish Embryos and Chemicals for Testing Neuromuscular and General Toxicity on Embryos

Preparación de embriones de pez cebra y productos químicos para pruebas de toxicidad neuromuscular y general en embriones

Evaluating Lethality and Neuromuscular Toxicity of Chemicals in Zebrafish Embryos Using Vibration Startle Assay

Evaluación de la letalidad y la toxicidad neuromuscular de sustancias químicas en embriones de pez cebra mediante el ensayo de sobresalto por vibración