Zebrafish Models for Human Acute Organophosphorus Poisoning - PowerPoint PPT Presentation

Zebrafish ¡Models ¡for ¡Human ¡ ¡ Acute ¡Organophosphorus ¡Poisoning ¡ Presen&ng ¡author: ¡ Demetrio ¡Raldúa ¡(IDAEA ¡– ¡CSIC) ¡

Acute ¡organophosphorus ¡poisoning ¡(OPP): ¡ ¡ a ¡worldwide ¡clinical ¡and ¡public ¡health ¡problem ¡ Developing ¡countries ¡ ¡ Self-­‑poisoning ¡ around ¡ 3 ¡million ¡ cases ¡ ¡ 300,000 ¡deaths ¡ Developed ¡countries ¡ ¡ Inten&onally ¡ ( terrorist ¡ aBack )/ ¡ chemicals ¡ released ¡ from ¡ transporta&on ¡ or ¡ storage ¡ facili&es ¡ ¡ aXer ¡ an ¡ accident ¡ or ¡ a ¡ natural ¡ disaster ¡ Eddleston, ¡M., ¡Buckley, ¡N. ¡A., ¡Eyer, ¡P., ¡& ¡Dawson, ¡A. ¡H. ¡(2008). ¡ The ¡Lancet , ¡ 371 , ¡597-­‑607; ¡Gunnell, ¡D., ¡Eddleston, ¡M., ¡Phillips, ¡M. ¡R., ¡& ¡Konradsen, ¡ F. ¡(2007). ¡ BMC ¡public ¡health , ¡ 7 , ¡357. ¡

Brain ¡toxicity ¡in ¡severe ¡OPP: ¡looking ¡for ¡new ¡ therapeuMc ¡strategies ¡ Excitotoxicity ¡ Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca 2+ ¡ dysregula&on ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡ Immune ¡response ¡ Cell ¡death ¡ Inflammatory ¡response ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ é ROS ¡ ... ¡standard ¡therapy ¡mainly ¡targets: ¡ Muscarinic ¡AChR ¡antagonist ¡ An&convulsants ¡ AChE ¡reacMvators ¡ “MulMfuncMonal ¡drug ¡therapies” ¡

Brain ¡injury ¡in ¡severe ¡OPP: ¡looking ¡for ¡new ¡ therapeuMc ¡strategies ¡ Excitotoxicity ¡ Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca 2+ ¡ dysregula&on ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡ Immune ¡response ¡ Cell ¡death ¡ Inflammatory ¡response ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ é ROS ¡ ... ¡standard ¡therapy ¡mainly ¡targets: ¡ Muscarinic ¡AChR ¡antagonist ¡ An&convulsants ¡ AChE ¡reacMvators ¡ “MulMfuncMonal ¡drug ¡therapies” ¡

Development ¡of ¡predicMve ¡ in ¡vivo ¡ OPP ¡models ¡ Iden&fica&on ¡ of ¡ new ¡ medical ¡ countermeasures ¡ against ¡ OPP ¡ by ¡ the ¡ development ¡and ¡ validaMon ¡of ¡ in ¡vivo ¡ animal ¡models ¡ for ¡rapid ¡ screening ¡of ¡ molecular ¡libraries ¡ ¡ NIH ¡CounterACT ¡program ¡ Zebrafish, ¡ vertebrate ¡ model ¡ of ¡ human ¡ diseases ¡suitable ¡to ¡ in ¡vivo ¡ medium ¡and ¡ high-­‑throughput ¡screening ¡of ¡chemicals ¡ MechanisMc ¡ zebrafish ¡ models, ¡ an ¡ intermediate ¡ step ¡between ¡cell-­‑based ¡and ¡mammalian ¡tesMng. ¡

ObjecMves ¡ To ¡ develop ¡new ¡OPP ¡ mechanisMc ¡models ¡suitable ¡for ¡ in ¡vivo ¡ medium ¡and ¡ high ¡throughput ¡screening ¡with ¡drugs ¡of ¡therapeu&c ¡value. ¡ ¡ 1.-­‑ Development ¡of ¡chemical ¡models ¡of ¡OPP, ¡with ¡different ¡grades ¡of ¡severity, ¡ in ¡zebrafish ¡larvae ¡by ¡using ¡chlorpyrifos-­‑oxon ¡as ¡a ¡prototypic ¡OP ¡compound. ¡ 2.-­‑ CharacterizaMon ¡of ¡the ¡models, ¡by ¡analysing ¡the ¡adverse ¡effects ¡at ¡different ¡ levels ¡of ¡organiza&on ¡(transcrip&onal, ¡biochemical, ¡ultrastructural, ¡cellular ¡& ¡ &ssular, ¡organismal ¡and ¡behavioural). ¡ ¡ 3.-­‑Deciphering ¡the ¡ pathophysiological ¡pathways ¡ involved ¡in ¡OPP ¡development ¡ in ¡ our ¡ models ¡ by ¡ using ¡ a ¡ pharmacological ¡ approach ¡ and ¡ the ¡ analysis ¡ of ¡ the ¡ perturbed ¡KEGG ¡pathways. ¡

Developing ¡OPP ¡models ¡in ¡zebrafish ¡ IC50: ¡9.6 ¡nM ¡ LC50: ¡3.97 ¡ µ M ¡ AChE: ¡4.18% ¡ AChE: ¡0.13% ¡ AChE: ¡0.02% ¡

Severe ¡poisoning ¡ Central ¡Nervous ¡System : ¡ Severe ¡necro&c ¡changes ¡(liquefac&ve ¡necrosis) ¡ ¡ Control ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Brain ¡toxicity!! ¡ Profound ¡structural ¡changes ¡in ¡the ¡brain ¡

Severe ¡poisoning ¡ ¡ ReMnotoxicity : ¡ generalized ¡cell ¡death ¡and ¡re&nal ¡detachment ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡

Severe ¡poisoning ¡ Muscular ¡system : ¡ generalized ¡degenera&on ¡and ¡necrosis ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Grade ¡3 ¡

Severe ¡poisoning ¡ Large-­‑scale ¡transcriptomic ¡analysis ¡ (RNAseq): ¡4,996 ¡DEGs ¡(FDR ¡adjusted ¡p≤0.05) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 9 ¡down-­‑regulated ¡KEGG ¡pathways ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡34 ¡up-­‑regulated ¡KEGG ¡pathways ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Immune ¡and ¡inflammatory ¡response ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Proteosome ¡(dre03050) ¡ Salmonella ¡infec&on ¡(dre05132) ¡ Cytokine-­‑cytokine ¡receptor ¡interac&on ¡(dre04060) ¡ Toll-­‑like ¡receptor ¡signaling ¡pathway ¡(dre04620) ¡ NOD-­‑like ¡receptor ¡signaling ¡pathway ¡(dre04621) ¡ RIG-­‑I ¡like ¡receptor ¡(dre04622) ¡ MAPK ¡signaling ¡pathway ¡(dre04010) ¡ Grade ¡1 ¡ Grade ¡2 ¡ Grade ¡1 ¡ Grade ¡2 ¡ Grade ¡3 ¡ Grade ¡1 ¡ Grade ¡2 ¡ Grade ¡3 ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Control ¡ Control ¡ dre04744 ¡ dre04020 ¡ dre04080 ¡ NeuroacMve ¡ PhototransducMon ¡ Ca 2+ ¡ signaling ¡ ligand-­‑receptor ¡ interacMon ¡

Severe ¡poisoning ¡ OxidaMve ¡stress: ¡a ¡non-­‑cholinergic ¡secondary ¡target ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ ROS ¡generaMon ¡ AnMoxidant ¡Defence ¡Systems ¡ ROS ¡genera&on, ¡LPO ¡ OxidaMve ¡stress ¡

Severe ¡poisoning ¡ Is ¡mitochondrial ¡funcMon ¡disrupted? ¡ A � B � C � D � Mitochondrial ¡respiratory ¡chain ¡complex ¡I ¡and ¡III ¡ ROS ¡genera&on ¡

Severe ¡poisoning ¡ Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡ Excitotoxicity ¡ Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca 2+ ¡ dysregula&on ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡ Immune ¡response ¡ Cell ¡death ¡ Inflammatory ¡response ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ é ROS ¡

Severe ¡poisoning ¡ Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡ Excitotoxicity ¡ Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca 2+ ¡ dysregula&on ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡ Immune ¡response ¡ Cell ¡death ¡ Inflammatory ¡response ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ é ROS ¡

Severe ¡poisoning ¡ Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡ Excitotoxicity ¡ Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca 2+ ¡ dysregula&on ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡ Immune ¡response ¡ Cell ¡death ¡ Inflammatory ¡response ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ é ROS ¡

Severe ¡poisoning ¡ Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡ Excitotoxicity ¡ Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca 2+ ¡ dysregula&on ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡ Immune ¡response ¡ Cell ¡death ¡ Inflammatory ¡response ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ é ROS ¡

Severe ¡poisoning ¡ Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca 2+ ¡ dysregula&on ¡ N-­‑methyl-­‑D-­‑aspartate ¡(NMDA)-­‑receptor ¡ antagonist ¡meman&ne ¡induces ¡an ¡almost ¡total ¡ rescue ¡of ¡grade ¡3 ¡phenotype ¡ NMDA-­‑receptor ¡ acMvaMon ¡ is ¡ a ¡ key ¡ event ¡ in ¡ the ¡severe ¡OPP ¡pathophysiology ¡in ¡zebrafish ¡