A táplálkozási vizsgálatok minősége nagyban függ a kutatási kérdéstől, a kísérleti tervtől, a statisztikai erősségtől és a kísérleti étrend összetételétől. A modellszervezeteken végzett táplálkozási vizsgálatok túlnyomó többségét laboratóriumi rágcsálókon, például egereken és patkányokon végezték. A rágcsálók tápanyagigénye viszonylag jól meghatározott, beleértve az energiát, a lipideket, a zsírsavakat, a szénhidrátokat, a fehérjéket és az aminosavakat, valamint a vitaminokat, ásványi anyagokat és nyomelemeket.
A Drosophila melanogaster gyümölcslégyet hosszú idő óta széles körben használják robusztus modellszervezetként a genetika, a fejlődésbiológia, az öregedés és az orvosbiológiai kutatás más területein. A kísérleti táplálkozástudományi szakemberek csak a közelmúltban kezdték a Drosophilát sokoldalú modellszervezetnek tekinteni az élelmiszer- és táplálkozáskutatásban. Így nem meglepő, hogy a legyek táplálkozási igényeit még nem sikerült olyan mértékben finomhangolni, mint a laboratóriumi rágcsálókét. Ami a komplex Drosophila-táplálékokat illeti, érdekes, hogy a szakirodalomban számos különböző összetett táptalaj-receptet írtak le.
Ebben az áttekintésben kritikusan áttekintjük a Drosophila-kutatásban alkalmazott tápok sokféleségét – beleértve a kémiailag meghatározott tápok előzetes állapotát -. Rámutatunk továbbá, hogy egy standardizált étrendre lesz szükség ahhoz, hogy a gyümölcslégy mint ígéretes modellorganizmus megvalósulhasson az étrend-betegség kölcsönhatás vizsgálatokban.
Kísérleti étrendek a Drosophila-kutatásban
A Drosophila étrendeket gyakran élesztő, kukorica, szacharóz és agar alapján állítják össze . A tápanyag-összetétel azonban jelentősen eltérhet ezekben a receptúrákban. Sőt, néha más összetevőket, például glükózt, árpát, szóját, peptont és banánt is használnak. Az étrendek a stabilitás és az eltarthatósági idő meghosszabbítása érdekében a tartósítószerek tekintetében is különbözhetnek. A legtöbb recept tartalmazza mind a p-hidroxi-benzoesav-metilésztert (nipagin), mind a propionsavat; mások azonban csak az egyik tartósítószert használják, míg egyes esetekben antibiotikumokat, például penicillin-streptomicint vagy foszfor-propionsav keveréket adnak hozzá. Továbbá a D. melanogasterben az úgynevezett magas zsírtartalmú és/vagy magas cukortartalmú diétákat is alkalmazzák a diabéteszes vagy elhízott fenotípusok kiváltására. A “magas zsírtartalmú” vagy “magas cukortartalmú” étrendek összetétele azonban nem eléggé meghatározott, ami ismét megnehezíti a különböző vizsgálatok és laboratóriumok adatainak összehasonlítását. Például egyes vizsgálatokban zsíradékot (általában 15%) használnak az elhízott fenotípus kiváltására, míg más vizsgálatokban kókuszolajat (kb. 20-30%) adnak. Ebben a tekintetben figyelemre méltó, hogy ez a két fő zsírforrás nemcsak összetételükben különbözik jelentősen, hanem a különböző sertészsír- és kókuszolaj-tételek között is releváns eltérések figyelhetők meg. A sertészsír körülbelül 40%-ban telített, 45%-ban egyszeresen telítetlen és 15%-ban többszörösen telítetlen zsírsavakból áll, amelyek közül a három domináns zsírsav a palmitinsav, az olajsav, valamint a sztearin- és linolsav. Ezzel szemben a kókuszolaj főként telített zsírsavakat tartalmaz (kb. 90%), és csak kis mennyiségben egyszeresen telítetlen és többszörösen telítetlen zsírsavakat (kb. 6%, illetve 2%). Nagy mennyiségű laurinsav, mirisztinsav, kaprinsav és kaprilsav jellemzi, amelyek jelentősen különböznek a sertészsírtól .
A magas cukortartalmú étrendek változó mennyiségű glükózt, fruktózt vagy szacharózt tartalmaznak, ami megnehezíti a laboratóriumok közötti összehasonlításokat. Továbbá az energiakorlátozásra vonatkozó protokollokat, amelyekről ismert, hogy befolyásolják a modellorganizmusok életét és egészségi állapotát, még nem szabványosították a kísérleti D. melanogaster-kutatásban. Például a táplálékkorlátozásra összpontosító légyvizsgálatok többségében a fehérje/aminosav-korlátozást az élesztő csökkentésével idézték elő, figyelmen kívül hagyva azt a tényt, hogy a legtöbb Drosophila étrendjében az élesztő az egyetlen forrása más létfontosságú tápanyagoknak is. A táplálék összetételében mutatkozó különbségek is hozzájárulhatnak az energiakorlátozás mimetikumok D. melanogasterben megfigyelt, az élet- és egészségi élettartamra gyakorolt hatásainak nagyfokú eltéréséhez. Az összetett étrend korlátainak leküzdésére különböző kísérleteket tettek a gyümölcslegyek félig vagy teljesen meghatározott közegének létrehozására . Piper és munkatársai holidikus étrendet állítottak össze a D. melanogaster számára. Ez a holidikus étrend teljesen meghatározott az energia-, makro- és mikrotápanyag-összetételét tekintve. A legfontosabb, hogy a kémiailag definiált félszintetikus étrend támogatja a Drosophila fejlődését, de a komplex étrendekhez képest jelentősen csökkent sikerességi arány és drasztikusan meghosszabbodott fejlődési idő jellemzi. Továbbá a holidikus táptalajon nevelt legyek termékenysége jelentősen csökken a komplex táptalajokhoz képest. Hasonló korlátozásokról számoltak be más félig vagy teljesen meghatározott tápok esetében is. Így a holidikus táplálékból hiányozhatnak olyan, még nem azonosított tápanyagok, amelyek a komplex táplálékban jelen vannak. Ennek megfelelően csak kevés tanulmány foglalkozik a D. melanogaster pontos zsírsav-, vitamin- és nyomelem-szükségletével. Ezért olyan jövőbeli vizsgálatokra van szükség, amelyek javíthatják a holidikus kísérleti étrend táplálkozási minőségét.
Drosophila fenotipizálás és étrend-betegség kölcsönhatások
A D. melanogaster átfogó fenotipizáláson mehet keresztül az étrendi tényezők hatására is. Táplálkozási szempontból a táplálékfelvétel, a táplálékválasztás, a testösszetétel, az energiafelhasználás és a mikrobióta összetétele fontos leolvasható . Ezeket a leolvasásokat a kísérleti környezettől függően egyéb funkcionális vizsgálatok egészítik ki, mint például a mozgásszervi aktivitás és az alvás, a kogníció, a stressz- és fertőzésválasz, az élettartam és a termékenység . Így a laboratóriumi egerekhez hasonlóan a gyümölcslegyek esetében is rendelkezésre állnak átfogó fenotipizálási platformok, amelyeket az 1. ábra foglal össze.
A légyklinika . A Drosophila melanogasterben végzett átfogó fenotipizálás képezi a légyklinika alapját, ahol betegségekkel kapcsolatos Drosophila-modelleket alkalmaznak a táplálkozás-betegség kölcsönhatások tanulmányozására
A D. melanogaster lehetővé teszi a betegségekkel kapcsolatos modelleken történő vizsgálatokat is. Így különböző mutánsok, valamint transzgenikus modellek állnak rendelkezésre, amelyek részben hasonlítanak az emberben előforduló krónikus betegségekre . Valójában a D. melanogastert az agyműködéssel (A béta- és tau-kór, Parkinson-kór, Huntington-kór) , a légzőszervi működéssel (asztma, krónikus obstruktív tüdőbetegség (COPD)) , a motoros működéssel (izomdisztrófia, amilotrófiás laterális szklerózis) , a vesefunkcióval (neftrakilitia) , a bélműködéssel, a cukorbetegséggel és a szívműködéssel (kardiomiopátia), valamint a pszichiátriai zavarokkal (ADHD, alkohol és más függőségek) kapcsolatos kórképek vizsgálatára használták.
Az ilyen összetett és gyakran multifaktoriális betegségek tanulmányozására a gyümölcslégyben két különböző megközelítés alkalmazható, a betegség természetétől függően: (i) Heterológ transzgenikus D. melanogaster modelleket alkalmaznak a kulcsfontosságú patogén fehérjék tanulmányozására, amelyek általában nincsenek jelen a légyben. Tipikus példa erre a neurodegenerációs modellek, ahol pl. humán Alzheimer-kór géneket (mint amiloid prekurzor fehérje, A-β peptidek vagy tau fehérjék), humán Parkinson-kór géneket (α-szinuklein, parkin) vagy poliQ betegség génjeit expresszálják a légyben. Ezeket az állatokat sikeresen elemezték a biológiai hatások és a betegség folyamatában részt vevő útvonalak felmérésére . (ii) Homológ/analóg légybetegségi modelleket használnak az evolúciósan konzervált, a legyekben és az emberekben egyaránt megtalálható betegséggének tanulmányozására. Becslések szerint az emberi betegséget okozó gének mintegy kétharmadának van funkcionális homológja a légyben. A funkcionális légyhomológokat alkalmazó Drosophila-modellek második típusának jellegzetes példája a tüdőbetegségek kutatásának területén található. Az olyan komplex tüdőbetegségek, mint az asztma legtöbb fogékonysági génjének van homológja a légyben , és ezzel a megközelítéssel sikerült tisztázni az ORMDL3 asztma fogékonysági gén funkcionális szerepét. Itt szeretnénk hangsúlyozni, hogy bár ezek a légymodellek hasznosak lehetnek az egyes betegségek hátterében álló alapvető genetikai és sejtszintű folyamatokról szóló új információk feltárásában, általában csak a fent említett komplex és multifaktoriális emberi betegségek bizonyos aspektusait képesek modellezni.
A betegségeket utánzó Drosophila modelleket különböző diétás kezelésnek lehet alávetni, hogy a táplálkozás és a betegség közötti kölcsönhatásokat kiszűrjék. Az ilyen vizsgálatok végső célja azon tápanyagok vagy étrendi sémák azonosítása, amelyek enyhítik vagy felgyorsítják a betegség folyamatát. A táplálkozás és a betegség közötti kölcsönhatásokat már eddig is vizsgálták korlátozott számú légyvizsgálatban. Különösen a Parkinson-kór modelleket alkalmazták új tápanyag- és étrendalapú terápiás megközelítések azonosítására. Különösen az olyan étrendi tényezők, mint az aszkorbinsav, a polifenolok, az allil-diszulfid és a szulforafán, valamint az étrendi cink pozitív hatását mutatták ki számos különböző Parkinson-kóros légymodellben. További példák a magas cukortartalmú vagy magas zsírtartalmú étrendnek a szív egészségére gyakorolt hatását vizsgáló tanulmányok. A légyszív fiziológiáját szabályozó jelátviteli és metabolikus útvonalak figyelemre méltóan nagyfokú konzerváltságot mutatnak az emberi szívvel szemben. Ezért a megfelelő Drosophila-gének mutánsait és transzgénjeit használták a csatorna- és kardiomiopátiák vizsgálatára. Az embernél tapasztalt helyzethez hasonlóan, ahol a metabolikus szindróma a kardiomiopátiák fokozott előfordulási gyakoriságával jár, a magas cukor- vagy zsírtartalmú étrend fokozott ritmuszavarokhoz és a légyszív romlásához vezetett. Így az átfogó fenotipizáló platformok és a betegséggel kapcsolatos Drosophila-modellek (étrendi tényezőre adott válaszként) kombinálása megalapozza az úgynevezett légyklinika létrehozását (1. ábra). Mindazonáltal szem előtt kell tartani, hogy a Drosophila betegségekkel kapcsolatos modelleknek vannak érdemei és korlátai. Így a Drosophilán végzett vizsgálatokat végső soron más, egyre komplexebb biológiai organizmusokon, köztük emlős fajokon is ellenőrizni kell.
