Drosophila melanogaster i ernæringsforskning – vigtigheden af at standardisere eksperimentelle diæter

Kvaliteten af ernæringsundersøgelser afhænger i høj grad af det undersøgte forskningsspørgsmål, det eksperimentelle design, den statistiske styrke og sammensætningen af de eksperimentelle diæter. Langt størstedelen af ernæringsundersøgelser i modelorganismer er blevet udført på laboratorie-gnavere såsom mus og rotter. Næringsstofbehovet for gnavere er relativt veletableret, herunder energi, lipider, fedtsyrer, kulhydrater, proteiner og aminosyrer samt vitaminer, mineraler og sporstoffer .

Frugtfluen Drosophila melanogaster er gennem en lang årrække blevet anvendt i vid udstrækning som en robust modelorganisme inden for genetik, udviklingsbiologi, aldring og andre områder af biomedicinsk forskning. Først for nylig er eksperimentelle ernæringsforskere begyndt at betragte Drosophila som en alsidig modelorganisme inden for fødevare- og ernæringsforskning . Det er derfor ikke overraskende, at fluernes ernæringsbehov endnu ikke er blevet finjusteret i samme omfang som for gnavere i laboratoriet. Hvad angår komplekse Drosophila-diæter, er det interessant at bemærke, at mange forskellige opskrifter på komplekse medier er blevet beskrevet i litteraturen.

I denne gennemgang foretager vi en kritisk gennemgang af de mange forskellige diæter – herunder den foreløbige status for kemisk definerede diæter – der anvendes i Drosophila-forskning. Desuden påpeger vi, at en standardiseret diæt vil være nødvendig for at implementere frugtfluen som en lovende modelorganisme i kost-sygdom interaktionsstudier.

Eksperimentelle diæter i Drosophila forskning

Drosophila diæter er ofte formuleret på basis af gær, majs, saccharose og agar . Næringsstofsammensætningen kan dog variere betydeligt mellem disse opskrifter. Desuden anvendes der undertiden andre ingredienser, herunder glukose, byg, soja, pepton og banan. Diæterne kan også variere med hensyn til konserveringsmidler for at forlænge stabiliteten og holdbarheden. De fleste opskrifter indeholder både p-hydroxybenzoesyremethylester (nipagin) og propionsyre; andre anvender dog kun et af disse konserveringsmidler, mens der i nogle tilfælde tilsættes antibiotika som penicillin-streptomycin eller en blanding af phosphorsyre og propionsyre . Endvidere anvendes også de såkaldte fedtholdige og/eller sukkerholdige diæter i D. melanogaster for at fremkalde diabetiske eller fede fænotyper. Sammensætningen af “fedtholdige” eller “sukkerholdige” diæter er imidlertid ikke tilstrækkeligt defineret, hvilket igen vanskeliggør sammenligning af data mellem forskellige undersøgelser og laboratorier. I nogle undersøgelser anvendes f.eks. svinefedt (normalt 15 %) til at fremkalde en fedmefænotype, mens der i andre undersøgelser gives kokosolie (ca. 20-30 %) . I den forbindelse er det bemærkelsesværdigt, at disse to store fedtkilder ikke blot er meget forskellige i deres sammensætning, men at der også observeres relevante variationer mellem forskellige batcher af svinefedt og kokosolie . Spæk består af ca. 40 % mættede, 45 % enkeltumættede og 15 % flerumættede fedtsyrer, hvoraf de tre dominerende fedtsyrer er palmitinsyre, oliesyre samt stearinsyre og linolsyre. Kokosolie indeholder derimod hovedsagelig mættede fedtsyrer (ca. 90 %) og kun mindre mængder af enkeltumættede og flerumættede fedtsyrer (henholdsvis ca. 6 % og 2 %). Den er kendetegnet ved store mængder laurinsyre, myristsyre, caprinsyre og caprylsyre, som adskiller sig væsentligt fra svinefedt.

Der er således tale om diæter med højt sukkerindhold, som enten indeholder varierende mængder glukose, fruktose eller saccharose , hvilket komplicerer sammenligninger mellem laboratorier. Desuden er protokoller for energibegrænsning, som vides at påvirke modelorganismers levetid og sundhedsspændvidde, endnu ikke blevet standardiseret til eksperimentel D. melanogaster-forskning. For eksempel er der i de fleste flueundersøgelser, der fokuserer på kostrestriktion, blevet fremkaldt en protein/aminosyrerestriktion ved en reduktion af gær , idet der ikke er taget hensyn til, at gær i de fleste Drosophila-diæter også er den eneste kilde til andre vigtige næringsstoffer. Forskelle i kostsammensætningen kan også bidrage til den store varians i de observerede virkninger af mimetiske energirestriktioner på levetid og sundhedsspændvidde hos D. melanogaster . For at overvinde begrænsningerne ved komplekse diæter er der blevet gjort forskellige forsøg på at skabe et semi-defineret eller fuldt defineret medium til frugtfluer . Piper og medarbejdere har etableret en holidisk diæt til D. melanogaster. Denne holidiske diæt er fuldt defineret med hensyn til dens energi-, makro- og mikronæringsstofsammensætning. Det vigtigste er, at den kemisk definerede semisyntetiske diæt understøtter Drosophila-udviklingen, men sammenlignet med komplekse diæter er den kendetegnet ved en betydeligt reduceret succesrate og en drastisk forlænget udviklingstid. Desuden er flyenes frugtbarhed, der er opdrættet på det holidiske medium, betydeligt reduceret sammenlignet med komplekse medier. Lignende begrænsninger er blevet rapporteret for andre semi-definerede eller fuldt definerede diæter . Det holidiske foder kan således mangle endnu uidentificerede næringsstoffer, som findes i komplekse fodertyper. Derfor er der kun få undersøgelser, der behandler D. melanogaster’s nøjagtige behov for fedtsyrer, vitaminer og sporstoffer. Derfor er der behov for fremtidige undersøgelser, som kan forbedre den ernæringsmæssige kvalitet af holidiske forsøgsdiæter.

Drosophila-fænotyping og interaktioner mellem diæt og sygdom

D. melanogaster kan gennemgå en omfattende fænotyping også som reaktion på diætfaktorer. Fra et ernæringsmæssigt perspektiv er fødeindtagelse, fødevalg, kropssammensætning, energiforbrug og mikrobiota-sammensætning vigtige aflæsninger . Disse målinger suppleres yderligere af andre funktionelle analyser såsom lokomotorisk aktivitet og søvn, kognition, stress- og infektionsrespons, levetid og fertilitet afhængigt af forsøgssituationen . I lighed med laboratoriemus er der således omfattende fænotypingsplatforme til rådighed for frugtfluer, som opsummeret i fig. 1.

D. melanogaster giver også mulighed for at gennemføre undersøgelser i sygdomsrelaterede modeller. Der er således forskellige mutanter samt transgene modeller til rådighed, som til dels ligner kroniske sygdomme, der er udbredt hos mennesker . Faktisk er D. melanogaster blevet brugt til at undersøge patologier i forbindelse med hjernefunktion (A beta og tau-patologi, Parkinsons sygdom, Huntingtons sygdom) , åndedrætsfunktion (astma, kronisk obstruktiv lungesygdom (COPD)) , motorisk funktion (muskeldystrofi, amylotrofisk lateralsklerose) , nyrefunktion (nefrolithiasis) , tarmforstyrrelser , diabetes og hjertefunktion (kardiomyopati) samt psykiatriske lidelser (ADHD, alkohol og andre afhængigheder) .

For at studere disse komplekse og ofte multifaktorielle sygdomme i frugtfluen kan der anvendes to forskellige fremgangsmåder afhængigt af selve sygdommens karakter: (i) Heterologe transgene D. melanogaster-modeller anvendes til at studere centrale patogene proteiner, som normalt ikke er til stede i fluen. Et typisk eksempel herpå er neurodegenerationsmodellerne, hvor f.eks. humane Alzheimer-sygdomsgener (såsom amyloidprækursorprotein, A-β-peptider eller tau-proteiner), humane Parkinson-sygdomsgener (α-synuclein, parkin) eller polyQ-sygdomsgener udtrykkes i fluen. Disse dyr er blevet analyseret med succes for at vurdere biologiske virkninger og veje, der er involveret i sygdomsprocessen . (ii) Homologe/analoge fluesygdomsmodeller anvendes til at undersøge evolutionært bevarede sygdomsgener, som findes både hos fluer og mennesker. Det er blevet anslået, at omkring to tredjedele af de menneskelige sygdomsfremkaldende gener har en funktionel homolog i fluen. Et karakteristisk eksempel på den anden type Drosophila-modeller, hvor der anvendes funktionelle fluehomologer, findes inden for forskning i lungesygdomme. De fleste modtagelighedsgener for komplekse lungesygdomme som f.eks. astma har homologer i fluen , og det var muligt at klarlægge den funktionelle rolle af astma-modtagelighedsgenet ORMDL3 ved hjælp af denne metode . Vi vil gerne understrege her, at selv om disse fluemodeller kan være nyttige til at klarlægge nye oplysninger om grundlæggende genetiske og cellulære processer, der ligger til grund for visse sygdomme, er de normalt kun i stand til at modellere visse aspekter af de ovennævnte komplekse og multifaktorielle sygdomme hos mennesker.

Sygdomslignende Drosophila-modeller kan udsættes for forskellige diætregimer for at udpege kost-sygdomsinteraktioner. Det endelige mål med sådanne undersøgelser er at finde frem til næringsstoffer eller diætordninger, der mindsker eller fremskynder sygdomsprocessen. Interaktioner mellem kost og sygdom er allerede blevet undersøgt i et begrænset antal flueundersøgelser. Især Parkinsons sygdomsmodeller er blevet anvendt til at identificere nye næringsstof- og kostbaserede behandlingsmetoder. Navnlig er det blevet påvist, at kostfaktorer som ascorbinsyre, polyfenoler, allyldisulfid og sulforaphane samt zink i kosten har positive virkninger i flere forskellige fluemodeller for Parkinsons sygdom . Andre eksempler er undersøgelser af virkningen af sukker- eller fedtholdige kostvaner på hjertesundheden. De signal- og stofskifteveje, der regulerer fluehjerternes fysiologi, viser en bemærkelsesværdig høj grad af bevarelse i forhold til det menneskelige hjerte. Derfor er mutanter og transgener af de respektive Drosophila-gener blevet anvendt til at undersøge kanalopatier og kardiomyopatier. I lighed med situationen hos mennesker, hvor det metaboliske syndrom er forbundet med en øget forekomst af kardiomyopatier, har diæter med højt sukker- eller fedtindhold ført til øget arytmi og forringelse af fluehjertet . Ved at kombinere omfattende fænotypingsplatforme med sygdomsrelaterede Drosophila-modeller (som reaktion på en kostfaktor) lægges der således grundlaget for etablering af en såkaldt flueklinik (Fig. 1). Ikke desto mindre skal man huske på, at Drosophila-sygdomsrelaterede modeller har fordele og begrænsninger. Undersøgelser i Drosophila bør derfor i sidste ende verificeres i andre organismer med stigende biologisk kompleksitet, herunder pattedyrarter.