大规模培养线虫以研究其集体行为
2023年8月25日
本文报道了一种通过使用狗粮琼脂培养基大规模培养线虫以研究其群体行为的系统。该系统可使研究人员大量繁殖滞育幼虫，并可应用于秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）及其他相关物种。
我们正从活性形而上学和神经科学的角度研究集体行为背后的机制。在集体行为研究领域，已利用非生命物质和细胞水平建立了实验系统。然而，在实验室中设计用于研究集体行为的动物劳动实验系统仍然具有挑战性。
我们利用常用的模式动物——秀丽线虫（nematodes aeris），成功重建了其群体行为。该系统使得通过数学模型调控整个动物群体行为的参数成为可能，并可利用分子遗传学研究群体行为背后的神经机制。首先，在接种了大肠杆菌OP50的线虫生长培养基（NGM）琼脂平板上放置四条成虫。
在23摄氏度下，将第一代线虫在NGM平板上培养七天至饥饿状态。接着，将少量狗粮琼脂（DFA培养基）转移至接种有大肠杆菌OP50的新NGM平板中央。进行光遗传学实验时，在接种线虫前，向DFA上加入40微升全反式视黄醛。
接下来，将0.5毫克狗粮放置于DFA培养基上，位置距离培养皿盖约2毫米。为避免污染，将NGM培养皿用紫外线照射15分钟。使用无菌水从NGM培养皿中收集饥饿状态的线虫，然后将收集到的线虫接种至位于NGM上的DFA培养基中。
在23摄氏度下培养线虫，使其在10至14天内向培养皿盖爬行。较高湿度条件下，线虫网络结构的腔室尺寸更大，但最终会坍塌，仅在皿盖内表面留下休眠的线虫簇。首先，将一个不含大肠杆菌（E.coli）和DFA的新NGM平板放置在宏观变焦显微镜载物台上的铝板上。
使用珀尔帖温度控制器将培养皿底部温度维持在23摄氏度，至少持续五分钟。随后，将培养皿替换为线虫已爬附其上的培养皿盖。将培养皿底部温度升至26摄氏度，以改变内部湿度。
现在使用显微镜相机以每秒20帧的速度拍摄培养皿盖内表面的图像。将ZX 899线虫保持在DFA上，并在光照前维持该条件5分钟。随后，对附着在维持于23°C的培养皿盖上的ZX 899线虫进行光照。
以每秒20帧的速度拍摄内板表面的图像。湿度升高时，蠕虫网络结构的区室尺寸增大，随后最终崩塌，在盖子内表面留下休眠的蠕虫簇。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究探讨了线虫的群体行为，重点是利用新开发的狗粮琼脂培养基大规模培养系统来扩增dauer幼虫。该方法可提供一个受控环境，用于分析秀丽隐杆线虫及相关物种群体行为背后的神经机制。
关键研究组成部分
研究领域
- 群体行为
- 神经科学
- 分子遗传学
背景
- 在实验室条件下研究动物集体行为的挑战
- 需要能够处理活体生物的实验系统
- 利用线虫作为模式生物
使用的方法
- 利用线虫重建群体行为
- 秀丽隐杆线虫及相关线虫物种
- 利用数学模型、成像技术和光遗传学方法控制参数
主要结果
- 该系统可用于观察饥饿状态下线虫的集体行为模式
- 湿度升高会影响蠕虫网络模式的规模
- 特定环境条件会导致休眠蠕虫形成簇状聚集
结论
- 本研究展示了一种在受控环境中分析线虫群体行为的有效方法
- 该发现有助于深入理解生物系统中的行为动力学
常见问题
行业重要性概述
用于群体行为研究的秀丽隐杆线虫大规模培养，可对群体动态的神经和环境驱动因素进行可控探究。该系统通过精确操控环境变量和遗传背景，支持早期发现阶段的机制性风险降低和预测信心建立。该方法适用于靶点验证和表型筛选，其中涌现行为可为通路和网络水平的假设提供依据。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 通过将遗传扰动与可观察的群体表型相关联，支持功能靶点的验证。
- 通过环境和光遗传学调控，促进机制层面的风险排除。
- 实现对集体行为神经回路的假设驱动型研究。
筛选与检测方法开发
- 提供一种可扩展的系统，用于行为表型的定量评估。
- 标准化环境和遗传变量，以实现可重复的检测方法开发。
- 支持对群体水平对扰动的响应进行高通量成像与分析。
转化与临床前研究
- 与疾病相关的系统相一致，其中集体行为可模拟神经或行为障碍。
- 通过实现跨条件比较，支持从发现到临床前验证的连续性研究。
- 在行为表型分析中，对转化生物标志物的识别具有预测价值。
流程与工作流整合
该培养与行为分析系统适用于从早期发现到先导化合物鉴定的整个研究流程，可同时支持假设验证和定量表型筛选。
- 发现生物学：在遗传上易于操作的模型中，实现对神经和环境假设的受控测试。
- 筛选：提供可重复、定量的行为输出，适用于化合物或遗传筛选。
- 分析：提供高帧率成像和网络模式量化，以支持可靠的统计分析。
- 转化研究：通过模拟与神经系统疾病相关的复杂行为，连接发现研究与临床前研究阶段。
- 企业级复用：为研发团队中多样化的行为与遗传研究建立可重复使用的平台。
运营与企业影响
- 科学价值：提高行为靶点验证的预测可信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：标准化培养与成像方案，以实现可重复性和可扩展性。
- 战略价值：通过将遗传和环境因素与可量化的群体行为关联，优化“推进/终止”决策。
- 项目组合影响：实现基于风险调整的靶点和表型优先排序，推动后续研发。
实施注意事项
- 需要具备线虫遗传学、行为分析和环境控制方面的专业知识。
- 需要具备宏观变焦显微镜以及温度和湿度调控设施的使用条件。
- 要求跨团队对培养和成像方案进行标准化。
- 针对不同的线虫品系或行为终点可能需要进行方法调整。
- 局限性包括环境响应的潜在变异性以及成像通量的限制。
