Ravitsemustutkimusten laatu riippuu pitkälti tutkimuskysymyksestä, koeasetelmasta, tilastollisesta tehosta ja koerehujen koostumuksesta. Valtaosa malliorganismeilla tehdyistä ravitsemustutkimuksista on tehty laboratoriojyrsijöillä, kuten hiirillä ja rotilla. Jyrsijöiden ravintoainevaatimukset ovat suhteellisen hyvin tiedossa, mukaan lukien energia, lipidit, rasvahapot, hiilihydraatit, proteiinit ja aminohapot sekä vitamiinit, kivennäisaineet ja hivenaineet.
Hedelmäkärpästä Drosophila melanogasteria on pitkään käytetty laajalti vankkana malliorganismina genetiikassa, kehitysbiologiassa, ikääntymisessä ja muilla biolääketieteellisen tutkimuksen aloilla. Vasta äskettäin kokeelliset ravitsemustieteilijät ovat alkaneet pitää Drosofilaa monipuolisena malliorganismina elintarvike- ja ravitsemustutkimuksessa. Näin ollen ei ole yllättävää, että kärpästen ravitsemusvaatimuksia ei ole vielä hienosäädetty samassa määrin kuin laboratoriojyrsijöiden. Monimutkaisten Drosophila-ruokavalioiden osalta on mielenkiintoista huomata, että kirjallisuudessa on kuvattu monia erilaisia reseptejä monimutkaisille väliaineille.
Tässä katsauksessa tarkastelemme kriittisesti Drosophila-tutkimuksessa käytettävien ruokavalioiden moninaisuutta – mukaan lukien kemiallisesti määriteltyjen ruokavalioiden alustava tilanne. Lisäksi huomautamme, että standardoitu ruokavalio on välttämätön, jotta hedelmäkärpänen voidaan ottaa käyttöön lupaavana malliorganismina ruokavalion ja sairauden vuorovaikutustutkimuksissa.
Kokeelliset ruokavaliot Drosophila-tutkimuksessa
Drosophila-ruokavaliot on usein muotoiltu hiivan, maissin, sakkaroosin ja agarin pohjalta . Ravintoaineiden koostumus voi kuitenkin vaihdella huomattavasti näiden reseptien välillä. Lisäksi joskus käytetään muita ainesosia, kuten glukoosia, ohraa, soijaa, peptonia ja banaania. Ruokavaliot voivat poiketa toisistaan myös säilöntäaineiden osalta, joilla pyritään pidentämään säilyvyyttä ja säilyvyysaikaa. Useimmat reseptit sisältävät sekä p-hydroksibentsoehappometyyliesteriä (nipagiini) että propionihappoa; toisissa käytetään kuitenkin vain jompaakumpaa näistä säilöntäaineista, ja joissakin tapauksissa lisätään antibiootteja, kuten penisilliini-streptomysiiniä tai fosfori-propionihapposeosta. Lisäksi D. melanogasterissa käytetään myös niin sanottua runsasrasvaista ja/tai runsassokerista ruokavaliota diabeettisen tai lihavan fenotyypin aikaansaamiseksi. Runsaasti rasvaa tai sokeria sisältävän ruokavalion koostumusta ei kuitenkaan ole määritelty riittävästi, mikä taas vaikeuttaa eri tutkimusten ja laboratorioiden välisten tietojen vertailua. Esimerkiksi joissakin tutkimuksissa käytetään laardia (yleensä 15 %) lihavan fenotyypin aikaansaamiseksi, kun taas toisissa tutkimuksissa käytetään kookosöljyä (noin 20-30 %). Tässä yhteydessä on huomionarvoista, että näiden kahden tärkeimmän rasvanlähteen koostumuksessa on huomattavia eroja, ja lisäksi eri sianliha- ja kookosöljyerien välillä on havaittavissa merkittäviä eroja. Laardi koostuu noin 40-prosenttisesti tyydyttyneistä, 45-prosenttisesti kertatyydyttymättömistä ja 15-prosenttisesti monityydyttymättömistä rasvahapoista, joista kolme hallitsevaa rasvahappoa ovat palmitiinihappo, öljyhappo sekä steariini- ja linolihappo. Sitä vastoin kookosöljy sisältää enimmäkseen tyydyttyneitä rasvahappoja (noin 90 %) ja vain vähäisiä määriä kertatyydyttymättömiä ja monityydyttymättömiä rasvahappoja (noin 6 % ja 2 %). Kookosöljylle on ominaista suuri määrä lauriini-, myristiini-, kapriini- ja kapryylihappoa, jotka eroavat merkittävästi laardista.
Sokeripitoiset ruokavaliot sisältävät joko vaihtelevia määriä glukoosia, fruktoosia tai sakkaroosia, mikä vaikeuttaa laboratorioiden välisiä vertailuja. Lisäksi energian rajoittamista koskevia protokollia, joiden tiedetään vaikuttavan malliorganismien elinikään ja terveyteen, ei ole vielä standardoitu D. melanogasterin kokeellista tutkimusta varten. Esimerkiksi suurimmassa osassa ruokavalion rajoittamiseen keskittyviä kärpästutkimuksia proteiinien/aminohappojen rajoitus on aiheutettu vähentämällä hiivan määrää, ottamatta huomioon sitä tosiasiaa, että useimmissa Drosophilan ruokavalioissa hiiva on myös muiden tärkeiden ravintoaineiden ainoa lähde. Erot ruokavalion koostumuksessa voivat myös osaltaan vaikuttaa siihen, että energiarajoitteita jäljittelevien aineiden havaitut vaikutukset D. melanogasterin elinikään ja terveyteen vaihtelevat suuresti. Monimutkaisten ruokavalioiden rajoitusten voittamiseksi on tehty useita yrityksiä luoda hedelmäperhosille puolimääritelty tai täysin määritelty elatusaine . Piper ja työtoverit ovat luoneet D. melanogasterille holidisen ruokavalion. Tämä holidinen ruokavalio on täysin määritelty energian sekä makro- ja mikroravintoaineiden koostumuksen osalta. Tärkeintä on, että kemiallisesti määritelty puolisynteettinen ruokavalio tukee Drosophilan kehitystä, mutta monimutkaisiin ruokavalioihin verrattuna sille on ominaista huomattavasti alhaisempi onnistumisprosentti ja dramaattisesti pidentynyt kehitysaika. Lisäksi holidisella elatusaineella kasvatettujen kärpästen hedelmällisyys on huomattavasti alhaisempi kuin monimutkaisella elatusaineella kasvatettujen kärpästen. Samankaltaisia rajoituksia on raportoitu muiden puolimääriteltyjen tai täysin määriteltyjen ruokavalioiden osalta. Näin ollen holidisesta ruokavaliosta saattaa puuttua vielä tunnistamattomia ravintoaineita, joita on monimutkaisessa ruokavaliossa. Vastaavasti vain harvat tutkimukset käsittelevät D. melanogasterin tarkkaa rasvahappo-, vitamiini- ja hivenainetarvetta. Siksi tarvitaan tulevia tutkimuksia, jotka voivat parantaa holidisen kokeellisen ruokavalion ravitsemuksellista laatua.
Drosophilan fenotyypitys ja ruokavalion ja sairauksien vuorovaikutukset
D. melanogaster voi kokea kattavan fenotyypityksen myös vasteena ruokavalion tekijöille. Ravitsemuksellisesta näkökulmasta ruoan saanti, ruoan valinta, kehon koostumus, energiankulutus ja mikrobiston koostumus ovat tärkeitä lukemia . Näitä lukemia täydennetään edelleen muilla toiminnallisilla testeillä, kuten liikunta-aktiivisuudella ja unella, kognitiolla, stressi- ja infektiovasteella, eliniällä ja hedelmällisyydellä koeasetelmasta riippuen. Näin ollen laboratoriohiirien tapaan hedelmäkärpäsille on käytettävissä kattavat fenotyypinmääritysalustat, jotka on esitetty tiivistetysti kuvassa 1.
Kärpäsklinikka. Kattava fenotyypitys Drosophila melanogasterissa muodostaa perustan kärpäsklinikalle, jossa käytetään sairauksiin liittyviä Drosophila-malleja ruokavalion ja sairauden vuorovaikutusten tutkimiseen
D. melanogaster mahdollistaa myös tutkimukset sairauksiin liittyvissä malleissa. Käytettävissä on siis erilaisia mutantteja sekä siirtogeenisiä malleja, jotka osittain muistuttavat ihmisillä esiintyviä kroonisia sairauksia . Itse asiassa D. melanogasteria on käytetty aivotoimintaan (A-beta- ja tau-patologia, Parkinsonin tauti, Huntingtonin tauti) , hengityselinten toimintaan (astma, krooninen obstruktiivinen keuhkosairaus (COPD)) , motoriseen toimintaan (lihasdystrofia, amylotrofinen lateraaliskleroosi) , munuaistoimintaan (munuaiskivettumatauti) , suolistohäiriöihin , diabetekseen ja sydämen toimintaan (kardiomyopatia) sekä psykiatrisiin häiriöihin (ADHD, alkoholi- ja muut addiktiot) liittyviin sairauksiin .
Tutkittaessa näitä monimutkaisia ja usein monitekijäisiä sairauksia hedelmäkärpäsellä voidaan soveltaa kahta erilaista lähestymistapaa riippuen sairauden luonteesta: (i) Heterologisia siirtogeenisiä D. melanogaster -malleja käytetään keskeisten patogeenisten proteiinien tutkimiseen, joita ei yleensä esiinny kärpäsessä. Tyypillinen esimerkki tästä ovat neurodegeneraatiomallit, joissa esimerkiksi ihmisen Alzheimerin taudin geenit (kuten amyloidin esiaste-proteiini, A-β-peptidit tai tau-proteiinit), ihmisen Parkinsonin taudin geenit (α-synukleiini, parkiini) tai polyQ-taudin geenit ilmentyvät kärpäsessä. Näitä eläimiä on menestyksekkäästi analysoitu biologisten vaikutusten ja tautiprosessiin osallistuvien reittien arvioimiseksi. (ii) Homologisia/analogisia kärpästen tautimalleja käytetään tutkimaan evolutiivisesti konservoituneita tautigeenejä, joita esiintyy sekä kärpäsissä että ihmisissä. On arvioitu, että noin kahdella kolmasosalla ihmisen sairauksia aiheuttavista geeneistä on toiminnallinen homologi kärpäsessä. Tyypillinen esimerkki toisentyyppisistä Drosophila-malleista, joissa käytetään funktionaalisia kärpäsen homologeja, löytyy keuhkosairauksien tutkimuksen alalta. Useimmilla monimutkaisten keuhkosairauksien, kuten astman, alttiusgeeneillä on homologeja kärpäsessä , ja astman alttiusgeenin ORMDL3:n toiminnallista roolia voitiin selvittää tämän lähestymistavan avulla. Haluamme tässä yhteydessä korostaa, että vaikka nämä kärpäsmallit voivat olla avuksi selvitettäessä uutta tietoa tiettyjen sairauksien taustalla olevista perustavanlaatuisista geneettisistä ja soluprosesseista, ne kykenevät yleensä mallintamaan vain tiettyjä näkökohtia edellä mainituista monimutkaisista ja monitekijäisistä ihmisperäisistä sairauksista.
Tauteja jäljitteleviin Drosophila-malleihin voidaan soveltaa erilaisia ruokavalio-ohjelmia, jotta voidaan yksilöidä ruokavalion ja sairauden välisiä vuorovaikutuksia. Tällaisten tutkimusten perimmäisenä tavoitteena on sellaisten ravintoaineiden tai ruokavalio-ohjelmien tunnistaminen, jotka lieventävät tai nopeuttavat tautiprosessia. Ruokavalion ja sairauden välistä vuorovaikutusta on jo tutkittu muutamissa kärpästutkimuksissa. Erityisesti Parkinsonin taudin malleja on käytetty uusien ravintoaineisiin ja ruokavalioon perustuvien hoitokeinojen tunnistamiseen. Erityisesti ruokavaliotekijöillä, kuten askorbiinihapolla, polyfenoleilla, allyylidisulfidilla ja sulforafaanilla sekä ruokavaliosta saatavalla sinkillä on osoitettu olevan myönteisiä vaikutuksia useissa eri Parkinsonin taudin kärpäsmalleissa. Muita esimerkkejä ovat tutkimukset runsaasti sokeria tai rasvaa sisältävän ruokavalion vaikutuksesta sydämen terveyteen. Kärpäsen sydämen fysiologiaa säätelevät signalointi- ja aineenvaihduntareitit ovat huomattavan pitkälle samanlaisia kuin ihmisen sydämessä. Näin ollen Drosophilan vastaavien geenien mutantteja ja transgeenejä on käytetty kanavapatioiden ja kardiomyopatioiden tutkimiseen. Samoin kuin ihmisillä, joilla metabolinen oireyhtymä liittyy kardiomyopatioiden lisääntyneeseen esiintyvyyteen, runsaasti sokeria tai rasvaa sisältävä ruokavalio johti rytmihäiriöiden lisääntymiseen ja kärpäsen sydämen heikkenemiseen. Näin ollen kattavien fenotyyppien määritysalustojen yhdistäminen tautiin liittyviin Drosophila-malleihin (vasteena ravintotekijälle) luo perustan niin sanotun kärpäsklinikan perustamiselle (kuva 1). On kuitenkin pidettävä mielessä, että Drosophilan sairauksiin liittyvillä malleilla on hyvät puolensa ja rajoituksensa. Näin ollen Drosofilalla tehdyt tutkimukset olisi viime kädessä todennettava muissa biologisesti yhä monimutkaisemmissa organismeissa, myös nisäkäslajeissa.
