Zebrafish Models for Human Acute Organophosphorus Poisoning - - PowerPoint PPT Presentation

Presen&ng ¡author: ¡Demetrio ¡Raldúa ¡(IDAEA ¡– ¡CSIC) ¡

Zebrafish ¡Models ¡for ¡Human ¡ ¡ Acute ¡Organophosphorus ¡Poisoning ¡

Acute ¡organophosphorus ¡poisoning ¡(OPP): ¡ ¡ a ¡worldwide ¡clinical ¡and ¡public ¡health ¡problem ¡

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. ¡

Developing ¡countries ¡ ¡ Developed ¡countries ¡ ¡

Inten&onally ¡ (terrorist ¡ aBack)/ ¡ chemicals ¡ released ¡ from ¡ transporta&on ¡ or ¡ storage ¡ facili&es ¡ ¡ aXer ¡ an ¡ accident ¡ or ¡ a ¡ natural ¡ disaster ¡ Self-­‑poisoning ¡ around ¡3 ¡million ¡cases ¡ ¡

300,000 ¡deaths ¡

Brain ¡toxicity ¡in ¡severe ¡OPP: ¡looking ¡for ¡new ¡ therapeuMc ¡strategies ¡

Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ Cell ¡death ¡ Immune ¡response ¡ Inflammatory ¡response ¡

... ¡standard ¡therapy ¡mainly ¡targets: ¡

AChE ¡reacMvators ¡ Muscarinic ¡AChR ¡antagonist ¡ An&convulsants ¡

“MulMfuncMonal ¡drug ¡therapies” ¡

éROS ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡

Excitotoxicity ¡

Brain ¡injury ¡in ¡severe ¡OPP: ¡looking ¡for ¡new ¡ therapeuMc ¡strategies ¡

Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ Cell ¡death ¡ Immune ¡response ¡ Inflammatory ¡response ¡

... ¡standard ¡therapy ¡mainly ¡targets: ¡

AChE ¡reacMvators ¡ Muscarinic ¡AChR ¡antagonist ¡ An&convulsants ¡

“MulMfuncMonal ¡drug ¡therapies” ¡

éROS ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡

Excitotoxicity ¡

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 ¡ ¡

Zebrafish, ¡ vertebrate ¡ model ¡ of ¡ human ¡ diseases ¡suitable ¡to ¡in ¡vivo ¡medium ¡and ¡ high-­‑throughput ¡screening ¡of ¡chemicals ¡

NIH ¡CounterACT ¡program ¡

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 ¡µM ¡

AChE: ¡4.18% ¡ AChE: ¡0.13% ¡ AChE: ¡0.02% ¡

Profound ¡structural ¡changes ¡in ¡the ¡brain ¡

Severe ¡poisoning ¡

Control ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡

Central ¡Nervous ¡System: ¡Severe ¡necro&c ¡changes ¡(liquefac&ve ¡necrosis) ¡

¡ Brain ¡toxicity!! ¡

¡ReMnotoxicity: ¡generalized ¡cell ¡death ¡and ¡re&nal ¡detachment ¡

Severe ¡poisoning ¡

Control ¡ Grade ¡3 ¡

Severe ¡poisoning ¡

Muscular ¡system: ¡generalized ¡degenera&on ¡and ¡necrosis ¡

Control ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡ Control ¡ Grade ¡3 ¡

Immune ¡and ¡inflammatory ¡response ¡

Control ¡ Control ¡ Grade ¡1 ¡ Grade ¡1 ¡ Grade ¡2 ¡ Grade ¡2 ¡ Grade ¡3 ¡ Grade ¡3 ¡

dre04080 ¡ dre04020 ¡ dre04744 ¡

Control ¡ Grade ¡1 ¡ Grade ¡2 ¡ Grade ¡3 ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 9 ¡down-­‑regulated ¡KEGG ¡pathways ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡34 ¡up-­‑regulated ¡KEGG ¡pathways ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

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) ¡

Large-­‑scale ¡transcriptomic ¡analysis ¡(RNAseq): ¡4,996 ¡DEGs ¡(FDR ¡adjusted ¡p≤0.05) ¡

Severe ¡poisoning ¡

NeuroacMve ¡ ligand-­‑receptor ¡ interacMon ¡ PhototransducMon ¡ Ca2+ ¡signaling ¡

ROS ¡genera&on, ¡LPO ¡ OxidaMve ¡stress ¡

Severe ¡poisoning ¡

ROS ¡generaMon ¡

OxidaMve ¡stress: ¡a ¡non-­‑cholinergic ¡secondary ¡target ¡

Control ¡ Grade ¡3 ¡

AnMoxidant ¡Defence ¡Systems ¡

Mitochondrial ¡respiratory ¡chain ¡complex ¡I ¡and ¡III ¡

A B C D

Severe ¡poisoning ¡

Is ¡mitochondrial ¡funcMon ¡disrupted? ¡

ROS ¡genera&on ¡

Severe ¡poisoning ¡

Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡

Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ Cell ¡death ¡ Immune ¡response ¡ Inflammatory ¡response ¡

éROS ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡

Excitotoxicity ¡

Severe ¡poisoning ¡

Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡

Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ Cell ¡death ¡ Immune ¡response ¡ Inflammatory ¡response ¡

éROS ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡

Excitotoxicity ¡

Severe ¡poisoning ¡

Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡

Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ Cell ¡death ¡ Immune ¡response ¡ Inflammatory ¡response ¡

éROS ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡

Excitotoxicity ¡

Severe ¡poisoning ¡

Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡

Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ Cell ¡death ¡ Immune ¡response ¡ Inflammatory ¡response ¡

éROS ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡

Excitotoxicity ¡

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 ¡

Severe ¡poisoning ¡

NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡

Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡

NMDA-­‑receptor ¡ acMvaMon ¡ is ¡ a ¡ key ¡ event ¡ in ¡ the ¡severe ¡OPP ¡pathophysiology ¡in ¡zebrafish ¡ Permeable ¡Ca2+ ¡chelator ¡BAPTA-­‑AM ¡induces ¡a ¡ par&al ¡rescue ¡of ¡severe ¡OPP ¡phenotype ¡(48% ¡ decrease) ¡ Intracellular ¡ Ca2+ ¡ levels ¡ are ¡ relevant ¡ for ¡ the ¡ pathophysiology ¡of ¡severe ¡OPP ¡in ¡zebrafish ¡

*** ¡

Severe ¡poisoning ¡

NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡

Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡

Severe ¡poisoning ¡

Similar ¡pathophysiological ¡pathways ¡in ¡zebrafish ¡and ¡humans? ¡

Cholinergic ¡oversMmulaMon ¡ NMDA-­‑receptor ¡ac&va&on ¡ Ca2+ ¡dysregula&on ¡ Mitochondrial ¡respira&on ¡ Oxida&ve ¡stress ¡ Cell ¡death ¡ Immune ¡response ¡ Inflammatory ¡response ¡

éROS ¡ Glutamate ¡ Aspartate ¡

Excitotoxicity ¡

Conclusions ¡

Chemical ¡models ¡of ¡mild, ¡moderate ¡and ¡severe ¡OPP ¡can ¡be ¡easily ¡generated ¡ in ¡zebrafish ¡by ¡exposing ¡larvae ¡from ¡7 ¡to ¡8 ¡dpf ¡to ¡different ¡concentra&ons ¡of ¡ the ¡prototypic ¡OP ¡compound ¡chlorpyrifos-­‑oxon. ¡ Zebrafish ¡ model ¡ of ¡ severe ¡ OPP ¡ mimics ¡ most ¡ of ¡ the ¡ pathophysiological ¡ mechanisms ¡ behind ¡ human ¡ OPP, ¡ including ¡ AChE ¡ inhibi&on, ¡ NMDA-­‑receptor ¡ ac&va&on, ¡Ca2+ ¡dysregula&on ¡as ¡well ¡as ¡inflammatory ¡and ¡immune ¡response. ¡ Developed ¡zebrafish ¡models ¡of ¡OPP ¡can ¡be ¡used ¡for ¡the ¡iden&fica&on ¡of ¡new ¡ an&dotes ¡or ¡combina&ons ¡of ¡an&dotes ¡to ¡fight ¡against ¡this ¡toxidrome. ¡ ✓ ¡ ✓ ¡ ✓ ¡

Conclusions ¡

Chemical ¡models ¡of ¡mild, ¡moderate ¡and ¡severe ¡OPP ¡can ¡be ¡easily ¡generated ¡in ¡ zebrafish ¡by ¡exposing ¡larvae ¡from ¡7 ¡to ¡8 ¡dpf ¡to ¡different ¡concentra&ons ¡of ¡the ¡ prototypic ¡OP ¡compound ¡chlorpyrifos-­‑oxon ¡ Zebrafish ¡ model ¡ of ¡ severe ¡ OPP ¡ mimics ¡ most ¡ of ¡ the ¡ pathophysiological ¡ mechanisms ¡ behind ¡ human ¡ OPP, ¡ including ¡ AChE ¡ inhibi&on, ¡ NMDA-­‑receptor ¡ ac&va&on, ¡Ca2+ ¡dysregula&on ¡as ¡well ¡as ¡inflammatory ¡and ¡immune ¡response. ¡ Developed ¡zebrafish ¡models ¡of ¡OPP ¡can ¡be ¡used ¡for ¡the ¡iden&fica&on ¡of ¡new ¡ an&dotes ¡or ¡combina&ons ¡of ¡an&dotes ¡to ¡fight ¡against ¡this ¡toxidrome. ¡ ✓ ¡ ✓ ¡ ✓ ¡

Conclusions ¡

Chemical ¡models ¡of ¡mild, ¡moderate ¡and ¡severe ¡OPP ¡can ¡be ¡easily ¡generated ¡in ¡ zebrafish ¡by ¡exposing ¡larvae ¡from ¡7 ¡to ¡8 ¡dpf ¡to ¡different ¡concentra&ons ¡of ¡the ¡ prototypic ¡OP ¡compound ¡chlorpyrifos-­‑oxon ¡ Zebrafish ¡ model ¡ of ¡ severe ¡ OPP ¡ mimics ¡ most ¡ of ¡ the ¡ pathophysiological ¡ mechanisms ¡ behind ¡ human ¡ OPP, ¡ including ¡ AChE ¡ inhibi&on, ¡ NMDA-­‑receptor ¡ ac&va&on, ¡Ca2+ ¡dysregula&on ¡as ¡well ¡as ¡inflammatory ¡and ¡immune ¡response. ¡ Developed ¡zebrafish ¡models ¡of ¡OPP ¡can ¡be ¡used ¡for ¡the ¡idenMficaMon ¡of ¡new ¡ anMdotes ¡or ¡combina&ons ¡of ¡an&dotes ¡to ¡fight ¡against ¡this ¡toxidrome. ¡ ✓ ¡ ✓ ¡ ✓ ¡

S02-­‑15 ¡– ¡A ¡proposal ¡for ¡prophylaxis ¡and ¡treatments ¡for ¡acute ¡organophosphorus ¡poisoning ¡using ¡the ¡ vertebrate ¡model ¡zebrafish ¡(Presen&ng ¡Author: ¡Melissa ¡Faria) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡19:10-­‑19:20 ¡

US ¡Army ¡ERDC-­‑IRO ¡(W912HZ-­‑13-­‑BAA-­‑01)/ ¡Environmental ¡Quality ¡Research ¡Program/ ¡NATO ¡SfP ¡project ¡ MD.SFPP ¡984777/ ¡Na&onal ¡Science ¡Founda&on ¡EPSCOR ¡Grant ¡EPS-­‑0903787/ ¡Portuguese ¡Founda&on ¡ for ¡Science ¡and ¡Technology ¡(SFRH/BPD/78342/2011)/ ¡Advanced ¡Grant ¡ERC-­‑2012-­‑AdG-­‑320737 ¡/ ¡Spanish ¡ Government ¡(CTM2014-­‑51985-­‑R) ¡

This ¡work ¡was ¡supported ¡in ¡part ¡by: ¡

MRGM ¡ Patrick ¡J ¡Babin ¡ Anja ¡Knoll-­‑Gellida ¡ Guilaine ¡Mathiu ¡ ¡ EPOC, ¡UMR ¡CNRS ¡5805 ¡ Jerome ¡Cachot ¡ Florane ¡Le ¡Bihanic ¡ ¡ Natalia ¡Garcia-­‑Reyero ¡ Lynn ¡Escalon ¡ Mark ¡Arick ¡II ¡ Antonio ¡Zorzano ¡ David ¡Sebas&an ¡

• Prof. ¡Amadeu ¡Soares ¡

Melissa ¡Faria ¡ CID ¡-­‑ ¡CSIC ¡ Eva ¡Prats ¡ CIB ¡-­‑ ¡CSIC ¡ Eduardo ¡Rial ¡ Francesc ¡Padros ¡