Drosophila melanogaster ve výzkumu výživy – význam standardizace experimentálních diet

Kvalita nutričních studií do značné míry závisí na řešené výzkumné otázce, experimentálním designu, statistické síle a složení experimentálních diet. Převážná většina studií výživy na modelových organismech byla provedena na laboratorních hlodavcích, jako jsou myši a potkani. Požadavky hlodavců na živiny jsou poměrně dobře stanoveny, včetně energie, lipidů, mastných kyselin, sacharidů, bílkovin a aminokyselin, jakož i vitaminů, minerálních látek a stopových prvků .

Ovocná muška Drosophila melanogaster je dlouhodobě hojně využívána jako robustní modelový organismus v genetice, vývojové biologii, stárnutí a dalších oblastech biomedicínského výzkumu. Teprve nedávno začali odborníci na experimentální výživu považovat drozofilu za univerzální modelový organismus ve výzkumu potravin a výživy . Není tedy překvapivé, že požadavky na výživu mušek dosud nebyly vyladěny ve stejném rozsahu jako u laboratorních hlodavců. Co se týče komplexních diet pro drozofily, je zajímavé, že v literatuře bylo popsáno mnoho různých receptur pro komplexní média.

V tomto přehledu kriticky zkoumáme rozmanitost diet – včetně předběžného stavu chemicky definovaných diet – používaných ve výzkumu drozofil. Navíc poukazujeme na to, že standardizovaná dieta bude nezbytná pro zavedení ovocné mušky jako slibného modelového organismu ve studiích interakce mezi dietou a nemocí.

Experimentální diety ve výzkumu drozofily

Diety pro drozofilu jsou často sestavovány na základě kvasnic, kukuřice, sacharózy a agaru . Složení živin se však může u těchto receptur značně lišit. Kromě toho se někdy používají další složky včetně glukózy, ječmene, sóji, peptonu a banánu. Diety se mohou lišit také z hlediska konzervačních látek pro prodloužení stability a trvanlivosti. Většina receptur obsahuje metylester kyseliny p-hydroxy-benzoové (nipagin) a kyselinu propionovou; jiné však používají pouze jeden z těchto konzervantů, zatímco v některých případech se přidávají antibiotika, jako je penicilin-streptomycin nebo směs kyseliny fosforečné a propionové . Kromě toho se u D. melanogaster používají také tzv. diety s vysokým obsahem tuků a/nebo cukrů k vyvolání diabetického nebo obézního fenotypu. Složení diet s „vysokým obsahem tuku“ nebo „vysokým obsahem cukru“ však není dostatečně definováno, což opět komplikuje porovnávání údajů mezi různými studiemi a laboratořemi. Například v některých studiích se k vyvolání obézního fenotypu používá sádlo (obvykle 15 %), zatímco v jiných studiích se podává kokosový olej (asi 20-30 %) . V tomto ohledu je pozoruhodné, že tyto dva hlavní zdroje tuku se nejen podstatně liší svým složením, ale příslušné rozdíly jsou pozorovány i mezi různými šaržemi sádla a kokosového oleje . Sádlo obsahuje přibližně 40 % nasycených, 45 % mononenasycených a 15 % polynenasycených mastných kyselin, přičemž tři dominantní mastné kyseliny jsou kyselina palmitová, olejová a stearová a linolová. Naproti tomu kokosový olej obsahuje převážně nasycené mastné kyseliny (přibližně 90 %) a pouze malé množství mononenasycených a polynenasycených mastných kyselin (přibližně 6 % a 2 %). Vyznačuje se vysokým množstvím kyseliny laurové, myristové, kaprinové a kaprylové, které se významně liší od sádla .

Podle toho obsahuje strava s vysokým obsahem cukrů buď různé množství glukózy, fruktózy nebo sacharózy , což komplikuje mezilaboratorní srovnání. Navíc protokoly pro omezení energie, o nichž je známo, že ovlivňují délku života a zdraví modelových organismů, nebyly dosud pro experimentální výzkum D. melanogaster standardizovány. Například ve většině studií na mouchách zaměřených na omezení příjmu potravy bylo omezení příjmu bílkovin/aminokyselin vyvoláno snížením příjmu kvasinek , aniž by byla zohledněna skutečnost, že ve většině diet Drosophila jsou kvasinky také jediným zdrojem dalších důležitých živin. Rozdíly ve složení stravy mohou také přispívat k vysokým rozdílům v pozorovaných účincích mimetik energetické restrikce na délku života a zdraví u D. melanogaster . K překonání omezení komplexní stravy byly podniknuty různé pokusy o vytvoření polodefinovaného nebo plně definovaného média pro ovocné mušky . Piper a jeho spolupracovníci vytvořili holidickou dietu pro D. melanogaster . Tato holidická strava je plně definovaná z hlediska svého energetického, makro- a mikroživinového složení. Nejdůležitější je, že chemicky definovaná polosyntetická dieta podporuje vývoj drozofil, ale ve srovnání s komplexní dietou se vyznačuje výrazně sníženou úspěšností a drasticky prodlouženou dobou vývoje. Kromě toho je plodnost mušek chovaných na holidickém médiu ve srovnání s komplexním médiem výrazně snížena. Podobná omezení byla zaznamenána i u jiných semidefinovaných nebo plně definovaných diet . Holidická strava tedy může postrádat dosud neidentifikované živiny, které jsou přítomny v komplexní stravě. Proto se jen málo studií zabývá přesnými požadavky D. melanogaster na mastné kyseliny, vitaminy a stopové prvky. Therefore, future studies are needed which may improve the nutritional quality of holidic experimental diets.

Drosophila phenotyping and diet-disease interactions

D. melanogaster can undergo a comprehensive phenotyping also in response to dietary factors. Z hlediska výživy jsou důležité údaje o příjmu potravy, výběru potravy, složení těla, energetickém výdeji a složení mikrobioty . Tyto údaje jsou dále doplněny dalšími funkčními testy, jako je pohybová aktivita a spánek, poznávání, reakce na stres a infekce, délka života a plodnost v závislosti na experimentálním prostředí . Podobně jako u laboratorních myší jsou tedy i u ovocných mušek k dispozici komplexní platformy pro fenotypizaci, jak je shrnuje obr. 1.

D. melanogaster umožňuje také možnost provádět studie na modelech souvisejících s nemocemi. K dispozici jsou tak různí mutanti i transgenní modely, které se částečně podobají chronickým onemocněním rozšířeným u lidí . Ve skutečnosti je D. melanogaster se používá ke studiu patologií souvisejících s funkcí mozku (A beta a tau patologie, Parkinsonova choroba, Huntingtonova choroba) , funkcí dýchacích cest (astma, chronická obstrukční plicní nemoc (CHOPN)) , motorických funkcí (svalová dystrofie, amylotrofická laterální skleróza), funkcí ledvin (nefrolitiáza) , střevních poruch, diabetu a funkcí srdce (kardiomyopatie) a také psychických poruch (ADHD, alkohol a jiné závislosti) .

Pro studium těchto složitých a často multifaktoriálních onemocnění u ovocné mušky jsou použitelné dva různé přístupy v závislosti na samotné povaze onemocnění: (i) Heterologní transgenní modely D. melanogaster se používají ke studiu klíčových patogenních proteinů, které v mouše obvykle nejsou přítomny. Typickým příkladem jsou modely neurodegenerace, kdy jsou v mouše exprimovány např. lidské geny Alzheimerovy choroby (jako je amyloidní prekurzorový protein, A-β peptidy nebo tau proteiny), lidské geny Parkinsonovy choroby (α-synuklein, parkin) nebo geny polyQ choroby. Tato zvířata byla úspěšně analyzována za účelem posouzení biologických účinků a drah zapojených do procesu onemocnění . (ii) Homologní/analogické modely muších onemocnění se používají ke studiu evolučně konzervovaných genů onemocnění, které se vyskytují jak u much, tak u lidí. Odhaduje se, že přibližně dvě třetiny genů způsobujících lidská onemocnění mají funkční homolog u mouchy. Charakteristický příklad druhého typu drozofilních modelů využívajících funkční muší homology lze nalézt v oblasti výzkumu plicních chorob. Většina genů náchylnosti ke komplexním plicním onemocněním, jako je astma, má homology u mouchy , a tímto přístupem bylo možné objasnit funkční úlohu genu náchylnosti k astmatu ORMDL3 . Rádi bychom zde zdůraznili, že ačkoli tyto modely mouchy mohou být užitečné pro objasnění nových informací o základních genetických a buněčných procesech, které jsou základem určitých onemocnění, jsou obvykle schopny modelovat pouze některé aspekty výše uvedených komplexních a multifaktoriálních lidských onemocnění.

Modely napodobující onemocnění u drozofil mohou být podrobeny různým dietním režimům, aby se vyčlenily interakce mezi dietou a onemocněním. Konečným cílem takových studií je identifikace živin nebo dietních režimů, které zmírňují nebo urychlují proces onemocnění. Interakce mezi stravou a nemocí již byly zkoumány v omezeném počtu studií na mouchách. Zejména modely Parkinsonovy choroby byly použity k identifikaci nových přístupů k terapii založené na živinách a dietě. Bylo prokázáno, že zejména dietní faktory, jako je kyselina askorbová, polyfenoly, allyldisulfid a sulforafan, a také dietní zinek mají pozitivní účinky na několika různých modelech muší Parkinsonovy choroby . Dalšími příklady jsou studie o vlivu stravy s vysokým obsahem cukrů nebo tuků na zdraví srdce. Signální a metabolické dráhy, které regulují fyziologii mušího srdce, vykazují pozoruhodně vysokou míru konzervace s lidským srdcem. Proto byly mutanty a transgeny příslušných drozofilních genů použity ke zkoumání kanálopatií a kardiomyopatií. Podobně jako u lidí, kde je metabolický syndrom spojen se zvýšeným výskytem kardiomyopatií, vedla strava s vysokým obsahem cukrů nebo tuků ke zvýšené arytmii a zhoršení stavu mušího srdce . Spojení komplexních fenotypovacích platforem s modely drozofil souvisejících s onemocněním (v reakci na dietní faktor) tak položilo základ pro vytvoření tzv. muší kliniky (obr. 1). Nicméně je třeba mít na paměti, že modely související s onemocněním u drozofil mají své přednosti i omezení. Studie na drozofilách by proto měly být v konečném důsledku ověřeny na jiných organismech s rostoucí biologickou složitostí, včetně savčích druhů.