Drosophila melanogaster w badaniach żywieniowych-znaczenie standaryzacji diet eksperymentalnych

Jakość badań żywieniowych w dużej mierze zależy od pytania badawczego skierowanego, projektu eksperymentalnego, mocy statystycznej i składu diet eksperymentalnych. Zdecydowana większość badań żywieniowych w organizmie modelu zostały przeprowadzone w gryzoni laboratoryjnych, takich jak myszy i szczury. Wymagania żywieniowe dla gryzoni są stosunkowo dobrze ustalone, w tym energii, lipidów, kwasów tłuszczowych, węglowodanów, białek i aminokwasów, jak również witamin, minerałów i pierwiastków śladowych .

Muszka owocowa Drosophila melanogaster został szeroko stosowany jako solidny organizm modelowy w genetyce, biologii rozwojowej, starzenia się, i innych dziedzinach badań biomedycznych w długim okresie czasu. Dopiero niedawno eksperymentalni dietetycy zaczęli traktować Drosophilę jako wszechstronny organizm modelowy w badaniach nad żywnością i żywieniem. Tak więc, nie jest zaskakujące, że wymagania dietetyczne dla much jeszcze nie zostały dostrojone do tego samego stopnia, jak dla gryzoni laboratoryjnych. Jeśli chodzi o złożone diety Drosophila, ciekawe jest to, że wiele różnych receptur dla złożonych mediów zostały opisane w literaturze.

W tym przeglądzie, krytycznie przeglądu różnorodność diet-w tym wstępny stan chemicznie zdefiniowanych diet-zatrudnionych w badaniach Drosophila. Ponadto wskazujemy, że znormalizowana dieta będzie konieczne do wdrożenia muszki owocowej jako obiecujący organizm modelowy w diet-disease interaction studies.

Diety eksperymentalne w badaniach Drosophila

Drosofila diety są często formułowane na podstawie drożdży, kukurydzy, sacharozy i agar . Jednakże, skład odżywczy może się znacznie różnić wśród tych receptur. Ponadto, czasami stosowane są inne składniki, w tym glukoza, jęczmień, soja, pepton i banan. Diety mogą również różnić się pod względem środków konserwujących, aby przedłużyć stabilność i okres przydatności do spożycia. Większość receptur zawiera zarówno ester metylowy kwasu p-hydroksy-benzoesowego (nipagin), jak i kwas propionowy; inne jednak używają tylko jednego z tych konserwantów, a w niektórych przypadkach dodawane są antybiotyki, takie jak penicylina-streptomycyna lub mieszanina kwasu fosforowego i propionowego. Ponadto, również tak zwane diety wysokotłuszczowe i/lub wysokocukrowe są stosowane u D. melanogaster w celu wywołania fenotypu cukrzycy lub otyłości. Jednakże, skład diet „wysokotłuszczowych” lub „wysokocukrowych” nie jest wystarczająco zdefiniowany, co ponownie komplikuje porównanie danych pomiędzy różnymi badaniami i laboratoriami. Na przykład, w niektórych badaniach, smalec (zwykle 15%) jest używany do indukowania fenotypu otyłości, podczas gdy w innych badaniach podawany jest olej kokosowy (około 20-30%). W związku z tym warto zauważyć, że te dwa główne źródła tłuszczu nie tylko znacznie różnią się składem, ale także obserwuje się istotne różnice między różnymi partiami smalcu i oleju kokosowego. Smalec składa się z około 40% nasyconych, 45% jednonienasyconych i 15% wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, przy czym trzy dominujące kwasy tłuszczowe to kwas palmitynowy, kwas oleinowy oraz kwas stearynowy i linolowy. Z kolei olej kokosowy zawiera głównie nasycone kwasy tłuszczowe (ok. 90%) i tylko niewielkie ilości jednonienasyconych i wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (odpowiednio ok. 6% i 2%). Charakteryzuje się dużą ilością kwasu laurynowego, mirystynowego, kaprylowego i kaprynowego, które znacznie różnią się od smalcu .

Odpowiednio, diety wysokocukrowe zawierają albo zmienne ilości glukozy, fruktozy lub sacharozy, co komplikuje porównania międzylaboratoryjne. Ponadto, protokoły ograniczenia energii, o których wiadomo, że wpływają na długość życia i zdrowia organizmów modelowych, nie zostały jeszcze znormalizowane dla eksperymentalnych badań D. melanogaster. Na przykład, w większości badań na muchach koncentrujących się na ograniczeniu diety, ograniczenie białka / aminokwasów zostało sprowokowane przez redukcję drożdży, pomijając fakt, że w większości diet Drosophila drożdże są również jedynym źródłem innych kluczowych składników odżywczych. Różnice w składzie diety mogą również przyczyniać się do dużej zmienności obserwowanego wpływu mimetyków restrykcji energetycznej na długość życia i zdrowia u D. melanogaster . Aby przezwyciężyć ograniczenia złożonych diet, podjęto różne próby stworzenia pół- lub w pełni zdefiniowanej pożywki dla muszek owocowych. Piper i współpracownicy stworzyli dietę holidic dla D. melanogaster. Dieta ta jest w pełni zdefiniowana pod względem składu energetycznego, makro- i mikroelementów. Co najważniejsze, chemicznie zdefiniowana półsyntetyczna dieta wspiera rozwój Drosophila, ale w porównaniu z dietami złożonymi charakteryzuje się znacznie obniżonym wskaźnikiem sukcesu i drastycznie wydłużonym czasem rozwoju. Ponadto, płodność muszek hodowanych na pożywce holidic jest znacznie obniżona w porównaniu z pożywkami złożonymi. Podobne ograniczenia odnotowano dla innych pół- lub w pełni zdefiniowanych diet. Tak więc, dieta holidic może zawierać niezidentyfikowane jeszcze składniki odżywcze, które są obecne w dietach złożonych. W związku z tym, tylko kilka badań dotyczy dokładnego zapotrzebowania D. melanogaster na kwasy tłuszczowe, witaminy i pierwiastki śladowe. Dlatego też przyszłe badania są potrzebne, które mogą poprawić jakość odżywczą eksperymentalnych diet holidic.

Drosophila fenotypowania i diety-choroby interakcji

D. melanogaster może ulegać kompleksowej fenotypowania również w odpowiedzi na czynniki dietetyczne. Z perspektywy żywieniowej, spożycie żywności, wybór żywności, skład ciała, wydatek energetyczny i skład mikrobioty są ważne odczyty. Te odczyty są dalej uzupełniane przez inne funkcjonalne testy, takie jak aktywność lokomotoryczna i sen, poznanie, odpowiedź na stres i infekcje, długość życia i płodność w zależności od warunków eksperymentalnych. Tak więc, podobnie jak w przypadku myszy laboratoryjnych, kompleksowe platformy fenotypowania są dostępne dla muszek owocowych, jak podsumowano na ryc. 1.

D. melanogaster umożliwia również możliwość prowadzenia badań w chorobach związanych modeli. Dlatego też dostępne są różne mutanty, jak również modele transgeniczne, które częściowo przypominają przewlekłe choroby występujące u ludzi. W rzeczywistości, D. melanogaster był wykorzystywany do badania patologii związanych z funkcjonowaniem mózgu (patologia A beta i tau, choroba Parkinsona, choroba Huntingtona), funkcjonowaniem układu oddechowego (astma, przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP)), funkcjonowaniem motorycznym (dystrofia mięśniowa, stwardnienie zanikowe boczne), funkcjonowaniem nerek (kamica nerkowa), zaburzeniami jelitowymi, cukrzycą, funkcjonowaniem serca (kardiomiopatia) oraz zaburzeniami psychicznymi (ADHD, alkohol i inne uzależnienia).

Do badania tych złożonych i często wieloczynnikowych chorób u muszki owocowej stosuje się dwa różne podejścia, w zależności od charakteru choroby: (i) Heterologiczne transgeniczne modele D. melanogaster są wykorzystywane do badania kluczowych białek patogennych, które zwykle nie są obecne w muszce. Typowym przykładem są modele neurodegeneracji, w których np. ludzkie geny choroby Alzheimera (takie jak białko prekursorowe amyloidu, peptydy A-β lub białka tau), ludzkie geny choroby Parkinsona (α-synukleina, parkina) lub geny choroby polyQ ulegają ekspresji u muchy. Zwierzęta te były z powodzeniem analizowane w celu oceny efektów biologicznych i szlaków zaangażowanych w proces chorobowy. (ii) Homologiczne/analogiczne modele chorób much są wykorzystywane do badania ewolucyjnie konserwowanych genów chorobowych, które występują zarówno u much, jak i u ludzi. Oszacowano, że około dwie trzecie genów wywołujących choroby u ludzi ma funkcjonalnego homologa u muchy. Charakterystyczny przykład drugiego typu modeli Drosophila wykorzystujących funkcjonalne homologi muchy znajduje się w dziedzinie badań nad chorobami płuc. Większość genów podatności na złożone choroby płuc, takie jak astma, ma swoje homologi u muchy i dzięki temu możliwe było wyjaśnienie funkcjonalnej roli genu podatności na astmę ORMDL3. Chcielibyśmy podkreślić tutaj, że chociaż te modele much mogą być pomocne w wyjaśnianiu nowych informacji na temat podstawowych procesów genetycznych i komórkowych leżących u podstaw niektórych chorób, są one zazwyczaj w stanie modelować tylko niektóre aspekty wyżej wymienionych złożonych i wieloczynnikowych chorób ludzkich.

Disease naśladowania Drosophila modele mogą być poddawane różnych reżimów diety do pojedynczych diet-disease interakcji. Ostatecznym celem takich badań jest identyfikacja składników odżywczych lub schematów żywieniowych, które łagodzą lub przyspieszają proces chorobowy. Diet-disease interakcje zostały już zbadane w ograniczonej liczbie badań much. Szczególnie modele choroby Parkinsona zostały wykorzystane do identyfikacji nowych metod terapii opartych na składnikach odżywczych i diecie. W szczególności czynniki żywieniowe, takie jak kwas askorbinowy, polifenole, disulfid allilu i sulforafan, jak również dietetyczny cynk okazały się mieć pozytywny wpływ na kilka różnych modeli much w chorobie Parkinsona. Innym przykładem są badania nad wpływem diety wysokocukrowej lub wysokotłuszczowej na zdrowie serca. Ścieżki sygnalizacyjne i metaboliczne, które regulują fizjologię serca muchy wykazują niezwykle wysoki stopień zachowania w stosunku do serca ludzkiego. Dlatego też, mutanty i transgeny odpowiednich genów Drosophila zostały wykorzystane do badań nad kanałopatiami i kardiomiopatiami. Podobnie jak u ludzi, gdzie zespół metaboliczny wiąże się ze zwiększoną częstością występowania kardiomiopatii, dieta wysokocukrowa lub wysokotłuszczowa prowadziła do nasilenia arytmii i pogorszenia stanu serca muchy. Tak więc, połączenie kompleksowych platform fenotypowania z modelami Drosophila związanymi z chorobami (w odpowiedzi na czynnik dietetyczny) daje podstawy do stworzenia tzw. kliniki much (Rys. 1). Należy jednak pamiętać, że modele Drosophila związane z chorobami mają swoje zalety i ograniczenia. Dlatego badania w Drosophila powinny być ostatecznie weryfikowane w innych organizmach o rosnącej złożoności biologicznej, w tym u ssaków.

.