Нематода Caenorhabditis elegans как объект для тестирования генотоксичности химических соединений
- Авторы: Абилев С.К.1, Мачигов Э.М.1, Смирнова С.В.1, Марсова М.В.1
-
Учреждения:
- Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
- Выпуск: Том 60, № 9 (2024)
- Страницы: 10-15
- Раздел: ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА
- URL: https://bakhtiniada.ru/0016-6758/article/view/272544
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0016675824090027
- EDN: https://elibrary.ru/afavql
- ID: 272544
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В связи с требованиями международных и национальных организаций к соблюдению принципов гуманизации экспериментов с использованием животных проводится поиск и апробация альтернативных тест-систем для замены животных в эколого-токсикологических и генотоксикологических исследованиях. Одной из таких альтернатив может быть нематода Caenorhabditis elegans, которая обладает системой биотрансформации химических соединений, аналогичной системе млекопитающих. Проведено изучение генотоксичности пестицида параквата и антибактериального средства фурацилина на C. elegans методом горизонтального гель-электрофореза тотальной ДНК с целью оценки ее целостности. Показано, что паракват в концентрациях 0,01 моль/л и фурацилин в концентрациях 0,0001 и 0,00025 моль/л индуцировали разрывы ДНК в клетках нематоды. Антиоксидант N-ацетилцистеин в концентрации 0,01 моль/л снижал генотоксичность обоих соединений.
Ключевые слова
Полный текст
В биомедицинских исследованиях основными модельными объектами являются лабораторные животные. С их помощью исследователи изучают функционирование организма как в норме, так и при развитии патологий, разрабатывают эффективные методы лечения и лекарственные препараты, моделируя болезни человека на релевантных животных тест-системах. Такое использование животных вызывает беспокойство в обществе, обращая внимание на этичность проводимых исследований из-за потенциальной возможности причинения боли и дистресса вовлеченным животным. В этой связи в 1959 г. была предложена концепция гуманного использования лабораторных животных в экспериментах, получившая название 3Rs: Replacement (замена), Reduction (сокращение), Refinement (усовершенствование) [1].
«Замена» включает методы, позволяющие заменить использование животных тест-системами insilico, invitro, exvivo, inovo или invivo, но с использованием животных более низкого филогенетического уровня и социальной значимости, например, беспозвоночных. «Сокращение» предполагает применение методов, позволяющих получить максимальный результат при использовании минимального (но достаточного) количества животных, например, совершенствованный дизайн экспериментов, применение современных методов визуализации, обмен данными и ресурсами. «Усовершенствование» относится к процедурам, которые сводят к минимуму боль, страдание, дистресс или причинение длительного вреда животным путем обучения персонала, мониторинга состояния животных, применения анальгезии и др.
Растет обеспокоенность по поводу ненадлежащего качества дизайна экспериментов и отсутствия прозрачной отчетности, которые способствуют частым неудачам доклинических исследований на животных в разработке методов лечения заболеваний человека. В 2010 г. были введены руководящие принципы «Исследования на животных: отчетность об экспериментах in vivo» (ARRIVE-Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments), помогающие улучшить стандарты отчетности в этой области [2].
Для понимания степени внедрения этих принципов гуманизации экспериментов на животных в практику предклинических исследований был проведен анализ 3Rs-отчетности 500 доклинических исследований на животных за период с 2009 по 2018 гг. [3]. Только в двадцать одном исследовании было указано на соответствие руководящим принципам ARRIVE или аналогичным без раскрытия деталей. Авторы данного анализа утверждают, что принципы 3Rs в процедуры доклинических исследований внедряются крайне недостаточно и поэтому нужны другие стратегии их внедрения в практику доклинических исследований, например, образование, междисциплинарное сотрудничество и инициативы по финансированию 3Rs.
В качестве замены животных в эколого-токсикологических и генотоксикологических исследованиях предложено использовать Caenorhabditis elegans для выяснения потенциальной токсичности и генотоксичности исследуемого фактора или химического соединения для млекопитающих [4, 5].
Caenorhabditis elegans – свободноживущая нематода размером около 1 мм в длину, предпочтительно обитающая в почве, богатой бактериями, которыми она питается. В лабораторных условиях она культивируется на плотной питательной среде с E. coli в качестве питательного субстрата. Ряд открытий, сделанных при помощи C. elegans, были удостоены трех Нобелевских премий: в 2002 г. за работы, посвященные генетической регуляции развития органов и программированной клеточной гибели, в 2006 г. за открытие РНК-интерференции – эффекта гашения активности определенных генов и в 2008 г. за работу по исследованию зеленого флуоресцентного белка (GFP) [5]. Геном нематоды был полностью секвенирован в 1998 г. [6]. Установлено, что 12 из 17 известных сигнальных путей, среди которых тирозинкиназный, серин-треониновый пути и другие, консервативны как у человека, так и у C. elegans [4].
Для генотоксикологических исследований “метод Комет” (Comet assay), который широко используется на мышах, был адаптирован для изучения повреждений ДНК в клетках генеративной линии C. elegans генотоксичными химическими соединениями [7]. Это связано с тем, что она является многоклеточным эукариотическим организмом и обладает системой биотрансформации химических соединений, аналогичной системе млекопитающих [8, 9]. Ранее нами было показано, что воздействие на C. elegans алкилирующим агентом бета-пропиолактоном (БПЛ) в диапазоне концентраций 0,00015–0,015 моль/л в течение 2 ч вызывает разрывы ДНК, начиная с концентрации 0,0015 моль/л. В свою очередь, антиоксидант N-ацетилцистеин (АЦЦ) снижал ДНК-повреждающую активность БПЛ в клетках нематоды [10].
Цель настоящей работы – изучение индукции паракватом и фурацилином разрывов ДНК в клетках C. elegans Bristol N2 и влияния антиоксиданта АЦЦ на уровень генотоксических воздействий.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Химические препараты. Все использованные химические вещества были аналитической чистоты. Паракват (N,N’-диметил-4,4’-дипиридилия дихлорид) производства компании Sigma Aldrich (США), N-ацетилцистеин (АЦЦ) – компании Serva и фурацилин (семикарбазон 5-нитрофурфурола) фармакопейный – ОАО “Ирбитский химфармзавод”. Все необходимые разведения веществ готовили ex tempore.
Культивирование нематод. В работе использовали нематоду C. elegans Bristol N2, которую выращивали при 21 оС на твердой агарозной NGM-среде. В качестве питания использовали штамм E. coli ОР50 в виде газона по описанному методу [11].
Для синхронизации поколения разросшуюся на чашке Петри популяцию нематод пипетировали в стерильной воде до получения взвеси нематод и яиц. Переносили 3,5 мл взвеси в пробирку и добавляли 1,5 мл свежеприготовленной смеси (0,5 мл 5М NaOH + 1 мл 5% HClO4). Перемешивали и вортексировали 10 мин, затем центрифугировали 30 с при 1300g и удаляли супернатант. Затем промывали осадок, добавляя 5 мл воды, центрифугируя и удаляя супернатант, промывку повторяли три раза. Затем 0,1 мл суспензии яиц нематод переносили на чашку с NGM-агаром и газоном бактерий E. coli ОР50. Выращивание синхронизированных нематод проводили при 21 оС в течение трех суток до достижения стадии L4 (“young adult”).
Проведение эксперимента и выделение ДНК нематод. Для проведения эксперимента червей смывали с чашек стерильной водой в 1,5 мл пробирки, осаждали на вортексе и сливали супернатант. К осадку добавляли паракват или фурацилин в разных концентрациях, пипетировали до образования взвеси и инкубировали 120 мин при 21 оС. Затем взвесь нематод центрифугировали 5 мин при 2300g и удаляли супернатант, добавляли 1 мл стерильной воды и пипетировали до получения взвеси. Далее нематод промывали 10 раз с целью освобождения кишечника червей от бактерий по ранее описанному методу [7, 11]. При последней промывке избыток воды удаляли, оставляя 1 мл смеси вода/нематоды, затем переносили в 1,5 мл микроцентрифужные пробирки и центрифугировали при 12100g в течение 10 мин. Супернатант сливали, а гранулу подвергали заморозке при –20 оС, после чего механически измельчали палочкой с абразивной поверхностью наконечника. Далее выделение ДНК проводили с использованием специального набора реагентов по протоколу Genomic DNA Purification Kit (Thermo Scientific). Все этапы выделения ДНК нематод для электрофореза подробно описаны [10, 11]. Для электрофореза 1%-ный агарозный гель (0,01% бромида этидия) помещали в камеру с 10%-ным TBE-буфером и переносили в лунки геля по 20 мкл выделенной ДНК нематоды. Электрофорез проводили при 100 мА, 120 В, 80 Вт. Визуализацию результатов электрофореза ДНК нематоды осуществляли с помощью трансиллюминатора.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Паракват, четвертичный азотный гербицид, является высокотоксичным соединением для людей и животных, за последние несколько десятилетий было зарегистрировано много случаев острого отравления им и смерти. Основной причиной смерти при отравлении паракватом является дыхательная недостаточность из-за окислительного повреждения альвеолярного эпителия с последующим облитерирующим фиброзом [12]. При накоплении в клетках паракват подвергается NADPH-зависимому одноэлектронному восстановлению с образованием свободного радикала, который почти мгновенно вступает в реакцию с молекулярным кислородом, преобразуя катион и одновременно образуя супероксид-анион радикал. Дальнейшее восстановление супероксида в конечном итоге приводит к образованию наиболее реакционноспособного гидроксильного радикала, способного повреждать жизненно важные клеточные компоненты [13, 14].
В наших экспериментах (рис. 1) паракват индуцировал разрывы ДНК в клетках C. еlegans при 90 мин воздействия в концентрациях 0,01, 0,025 и 0,05 моль/л (дорожки 7–9). В качестве позитивного контроля была использована перекись водорода (дорожка 10), вызывающая однонитевые разрывы в ДНК.
Рис. 1. Результаты гель-электрофореза генетического материала нематоды C. elegans, подвергнутой воздействию параквата в разных концентрациях (моль/л). 1 – маркер, 2 – вода (контроль), 3 – 0,0005, 4 – 0,001, 5 – 0,0025, 6 – 0,005, 7 – 0,01, 8 – 0,025, 9 – 0,05, 10 – перекись водорода 0,1 моль/л (положительный контроль).
Паракват при низких концентрациях 0,0005, 0,001, 0,0025 и 0,005 моль/л не показал заметного влияния на целостность генетического материала нематоды, тогда как увеличение его концентрации от 0,01 до 0,05 моль/л последовательно усиливало картину фрагментации ДНК, что проявлялось в увеличении пути, пройденного фрагментированным генетическим материалом. Перекись водорода, использованная в качестве позитивного контроля в концентрации 0,1 моль/л, вызывала разрывы ДНК в наибольшей степени. Токсичность и генотоксичность параквата связана с генерацией им активных форм кислорода в клетках в результате циклического окисления и восстановления [14, 15]. В настоящее время не существует фармакологических антагонистов параквата и хелатирующих агентов, способных связывать его в крови или в других тканях. Поэтому лечение отравления паракватом до сих пор остается в основном поддерживающим и направлено на ослабление его токсических эффектов с помощью антиоксидантов [12]. В нашей работе антиоксидант АЦЦ снижал количество разрывов ДНК нематоды, вызываемых паракватом в концентрации 0,05 моль/л (рис. 2).
Рис. 2. Результаты гель-электрофореза генетического материала нематоды C. elegans, подвергнутой воздействию параквата в концентрации 0,05 и АЦЦ в концентрациях 0,01 и 0,001 моль/л: 1 – маркер, 2 – вода (отрицательный контроль), 3 – паракват 0,05 + АЦЦ 0,01, 4 – паракват 0,05 + АЦЦ 0,001, 5 – паракват 0,05 моль/л.
Фурацилин – антисептическое средство, действующим веществом которого является нитрофурал, относящийся к группе нитрофуранов. Противомикробными свойствами обладают только соединения, содержащие нитрогруппу (NO2) строго в пятом положении фуранового цикла. Активный фрагмент представляет собой 5-нитро-2-фурил, который восстанавливается бактериальными нитроредуктами с образованием гироксиламинового соединения [16]. Последнее в результате ряда ферментативных реакций образует супероксид-анион радикал, являющийся начальным звеном образования в клетке других свободных радикалов, способных легко реагировать с клеточными макромолекулами. В результате нарушается процесс клеточного дыхания бактерий и биосинтез нуклеиновых кислот. Нитрофурановые соединения проявляют мутагенную активность на бактериях в тесте Эймса Salmonella/микросомы и в клеточных культурах млекопитающих и человека in vitro [17].
Процесс биотрансформации нитрофуранов в клетках млекопитающих начинается с восстановления нитрогруппы различными ферментными системами, включающими нитроредуктазы, ксатиноксидазу, НАДФН-цитохром 450-редуктазу и другие. В процессе биотрансформации нитрофуранов образуется широкий спектр высокореакционно-способных соединений: супероксид-анион, нитрильный и гидроксильный радикалы, а также электрофильные соединения, способные образовывать аддукты с ДНК [18]. Это означает, что нитрофураны могут проявлять генотоксичность как путем генерации свободных радикалов, способных вызывать разрывы нитей ДНК, так и образованием аддуктов с ДНК, приводящих к блокировке репликации ДНК.
В наших экспериментах фурацилин индуцировал разрывы ДНК в клетках C. еlegans в концентрациях 0,0001 и 0,00025 моль/л (рис. 3). При проведении экспериментов в качестве позитивного контроля использовали два вещества: бета-пропиолактон (БПЛ) и перекись водорода в концентрациях 0,015 и 0,1 моль/л соответственно. Выбор двух веществ для позитивного контроля был обусловлен тем, что фурацилин после восстановления нитроредуктазой образует гидроксиламиновое производное, которое впоследствии образует аддукт с ДНК [16], что может привести к образованию крупных фрагментов ДНК. С другой стороны, при многоступенчатой биотрансформации фурацилина образуются такие оксидативные соединения, как супероксид-анион радикал и пероксид водорода, которые могут индуцировать разрывы ДНК. В случае перекиси водорода в ДНК образуются однонитевые разрывы, приводящие к мелким фрагментам.
Рис. 3. Результаты гель-электрофореза генетического материала нематоды С. elegans, подвергнутой воздействию фурацилина в разных концентрациях (моль/л): 1 – маркер, 2 – вода (контроль), 3 – 0,000005, 4 – 0,00001, 5 – 0,00002, 6 – 0,00005, 7 – 0,0001, 8 – 0,00025; положительные контроли: 9 – БПЛ 0,015 моль/л и 10 – перекись водорода 0,1 моль/л.
Антиоксидант АЦЦ в концентрациях 0,001 и 0,01 моль/л снижал уровень разрывов ДНК нематоды, вызванных фурацилином в концентрации 0,00025 моль/л. Наиболее эффективная защита от генотоксического воздействия фурацилина показана в концентрации АЦЦ 0,01 моль/л (рис. 4).
Рис. 4. Результаты гель-электрофореза генетического материала нематоды C. elegans, подвергнутой воздействию фурацилина в концентрации 0,00025 и АЦЦ в концентрациях 0,01 и 0,001 моль/л: 1 – маркер, 2 – вода (контроль), 3 – фурацилин 0,00025 + АЦЦ 0,01, 4 – фурацилин 0,00025 + АЦЦ 0,001, 5 – фурацилин 0,00025 моль/л.
Таким образом, в настоящей работе впервые проведено изучение генотоксичности пестицида параквата и антибактериального средства фурацилина на нематоде C. elegans. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что C. elegans может быть с успехом использована для первичной оценки генотоксичности химических соединений вместо мышей. Данный метод позволяет также изучать влияние антиоксидантов на генотоксичность исследуемого соединения. Для более эффективной работы в области генетической токсикологии необходимы тест-системы, которые бы сочетали в себе простоту в применении, дешевизну ресурсов и быстроту в выполнении. C. elegans, как и все эукариоты, имеет в геноме большую группу генов системы детоксикации ксенобиотиков цитохром-Р450, исследование особенностей функционирования которых у C. еlegans позволяет с некоторой степенью уверенности экстраполировать на человека результаты опытов по генотоксичности на данном организме.
Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.
Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Работа выполнена в рамках исследований по Государственному заданию 122022600163-7.
Об авторах
С. К. Абилев
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: abilev@vigg.ru
Россия, Москва, 119991
Э. М. Мачигов
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
Email: abilev@vigg.ru
Россия, Москва, 119991
С. В. Смирнова
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
Email: abilev@vigg.ru
Россия, Москва, 119991
М. В. Марсова
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
Email: abilev@vigg.ru
Россия, Москва, 119991
Список литературы
- Russell, W.M.S. , Burch, R.L. The Principles of Humane Experimental Technique. Methuen, 1959. London: Reprinted by UFAW, 1002: 8 Hamilton Close, South Mimms, Potters Bar, Herts EN6 3QD England. ISBN 0 900767 78 2.
- Kilkenny C., Browne W.J., Cuthill I.C. et al. Improving bioscience research reporting: The ARRIVE guidelines for reporting animal research // PLoS Biol. 2010. V.. 8. doi: 10.1371/journal.pbio.1000412
- Kousholt B.S., Præstegaard K.F., Stone J.C. et al. Reporting of 3Rs approaches in preclinical animal experimental studies. A nationwide study // Animals (Basel). 2023. V. 13(19). doi: 10.3390/ani13193005
- Leung M.C.K., Williams F.L., Benedetto A. et al. Caenorhabditis elegans: An emerging model in biomedical and environmental toxicology // Toxicol. Sci. 2008. V. 106. P. 5–28. doi: 10.1093/toxsci/kfn121
- Минуллина Р.Т., Фахруллин Р.Ф., Ишмухаметова Д.Г. Сaenorhabditis elegans в токсикологии и нанотоксикологии // Вестник ВГУ. Серия химия, биология, фармация. 2012. № 2. С. 172–282.
- Consortium (The C. elegans Sequencing Consortium) Genome sequence of the nematode С. elegans: A platform for investigating biology // Scienсe. 1998. V. 282. P. 2012–2018.
- Imanikia S., Galea F., Nagy E. et al. The application of the comet assay to assess the genotoxicity of environmental pollutants in the nematode Caenorhabditis elegans // Environ. Toxicol. Pharmacol. 2016. V. 7(45) P. 356–361. doi: 10.1016/j.etap
- Hartman J.H., Widmayer S.J., Christina M. et al. Xenobiotic metabolism and transport in Caenorhabditis elegans // J. Toxicol. Envir. Health. 2021. Part B. V. 24(2). P. 51–94. doi: 10.1080/10937404.2021.1884921
- Harlow P.H., Perry S.J., Alexander J. et al. Comparative metabolism of xenobiotic chemicals by cytochrome P450s in the nematode Caenorhabditis elegans // Nat. Sci. Reports. 2018. V. 8. P. 13333. doi: 10.1038/ s41598-018-31215-w
- Мачигов Э.А., Абилев С.К., Игонина Е.В., Марсова М.В. Изучение генотоксичности бета-пропиолактона с помощью Iux-биосенсоров E. coli и нематоды Сaenorhabditis elegans // Генетика. 2023. Т. 59. № 5. С. 507–516. doi: 10.31857/S0016675823040070
- Meneely P.M., Dahlberg C.L., Rose J.K. Working with worms: Caenorhabditis elegans asamodel organism // Curr.. Prot. Ess. Lab. Techn. 2019. V.. 19. doi: 10.1002/cpet.35
- Iyyadurai R., Mohan J., Jose A. et al. Paraquat poisoning management // Curr.. Med. Issues. 2019. V. 17. P. 34–37. doi: 10.4103/cmi.cmi_29_19
- Bus J.S, Aust S.D., Gibson J.E. Superoxide-and singlet oxygen-catalyzed lipid peroxidation as a possible mechanism for paraquat (methyl viologen) toxicity // Biochem. Biophys. Res. Commun. 1974. V. 58. P. 749–755.
- Fukushima T., Tanaka K., Lim H. et al. Mechanism of сytotoxicity of рaraquat // Environ. Health and Preven. Med. 2002. V. 7. P. 89–94.
- Onur B., Çavuşoğlu K., Yalçin E. et al. Paraquat toxicity in diferent cell types of Swiss albino mice // Nat. Sci. Rep. 2022. V. 12. Р. 4818. doi: 10.1038/s41598-022-08961-z
- Roldan M.D., Perez-Reinado E., Castillo F. et al. Reduction of polynitroaromatic compounds: Тhe bacterial nitroreductases // FEMS Microbiol. Rev. 2008. V. 38. P. 474–500. doi: 10.1111/j.1574-6976.2008.00107.x
- McCalla D.R. Mutagenicity of nitrofuran derivatives: Review // Environ. Mutagenes. 1983. V.5. P. 745–765.
- Anderson D. & Philips B.J. Nitrofurazone-genotoxicity studies in mammalian cells in vitro and in vivo // Food. Chem. Toxicol. 1985. V. 23. P. 1091–1098.
Дополнительные файлы
