Drosophila melanogaster nella ricerca sulla nutrizione – l’importanza di standardizzare le diete sperimentali

La qualità degli studi nutrizionali dipende in gran parte dalla domanda di ricerca affrontata, il disegno sperimentale, la potenza statistica, e la composizione delle diete sperimentali. La stragrande maggioranza degli studi nutrizionali in organismi modello sono stati condotti su roditori da laboratorio come topi e ratti. I requisiti nutrizionali per i roditori sono relativamente ben stabiliti e comprendono energia, lipidi, acidi grassi, carboidrati, proteine e aminoacidi, nonché vitamine, minerali e oligoelementi.

Il moscerino della frutta Drosophila melanogaster è stato ampiamente utilizzato come un organismo modello robusto in genetica, biologia dello sviluppo, invecchiamento e altre aree di ricerca biomedica per un lungo periodo di tempo. Solo recentemente i nutrizionisti sperimentali hanno iniziato a considerare Drosophila come un organismo modello versatile nella ricerca su cibo e nutrizione. Pertanto, non è sorprendente che i requisiti alimentari per le mosche non sono ancora stati messi a punto nella stessa misura dei roditori da laboratorio. Per quanto riguarda le diete complesse per Drosophila, è interessante notare che in letteratura sono state descritte molte ricette diverse per mezzi complessi.

In questa recensione, esaminiamo criticamente la varietà di diete – compreso lo stato preliminare delle diete chimicamente definite – impiegate nella ricerca sulla Drosophila. Inoltre, sottolineiamo che una dieta standardizzata sarà necessaria per implementare il moscerino della frutta come un promettente organismo modello negli studi di interazione dieta-malattia.

Diete sperimentali nella ricerca sulla Drosophila

Le diete della Drosophila sono spesso formulate sulla base di lievito, mais, saccarosio e agar. Tuttavia, la composizione dei nutrienti può variare sostanzialmente tra queste ricette. Inoltre, a volte, vengono utilizzati altri ingredienti tra cui glucosio, orzo, soia, peptone e banana. Le diete possono anche differire in termini di conservanti per prolungare la stabilità e la durata di conservazione. La maggior parte delle ricette include sia l’estere metilico dell’acido p-idrossi-benzoico (nipagin) che l’acido propionico; tuttavia, altri usano solo uno di questi conservanti, mentre in alcuni casi vengono aggiunti antibiotici come penicillina-streptomicina o una miscela di acido fosforico-propionico. Inoltre, anche le cosiddette diete ad alto contenuto di grassi e/o zuccheri sono applicate in D. melanogaster per indurre fenotipi diabetici o obesi. Tuttavia, la composizione delle diete “ad alto contenuto di grassi” o “ad alto contenuto di zuccheri” non è sufficientemente definita, il che complica nuovamente il confronto dei dati tra diversi studi e laboratori. Per esempio, in alcuni studi, lo strutto (di solito il 15%) viene utilizzato per indurre un fenotipo obeso, mentre in altri studi viene somministrato olio di cocco (circa il 20-30%). A questo proposito, è degno di nota che queste due principali fonti di grasso non solo differiscono sostanzialmente nella loro composizione, ma si osservano anche variazioni rilevanti tra diversi lotti di strutto e olio di cocco. Lo strutto consiste di circa il 40% di acidi grassi saturi, il 45% di acidi grassi monoinsaturi e il 15% di acidi grassi polinsaturi, dove i tre acidi grassi dominanti sono l’acido palmitico, l’acido oleico e l’acido stearico e linoleico. Al contrario, l’olio di cocco contiene principalmente acidi grassi saturi (circa il 90%) e solo quantità minori di acidi grassi monoinsaturi e polinsaturi (circa il 6% e il 2%, rispettivamente). È caratterizzato da elevate quantità di acido laurico, miristico, caprico e caprilico che differiscono significativamente dallo strutto.

Secondo me, le diete ad alto contenuto di zuccheri comprendono quantità variabili di glucosio, fruttosio o saccarosio, il che complica i confronti interlaboratorio. Inoltre, i protocolli per la restrizione energetica, noti per influenzare la vita e la durata della salute degli organismi modello, non sono ancora stati standardizzati per la ricerca sperimentale D. melanogaster. Per esempio, nella maggior parte degli studi sulla restrizione dietetica, una restrizione di proteine/amminoacidi è stata provocata da una riduzione del lievito, trascurando il fatto che nella maggior parte delle diete di Drosophila il lievito è anche l’unica fonte di altri nutrienti cruciali. Le differenze nella composizione della dieta possono anche contribuire all’elevata varianza negli effetti osservati della restrizione energetica mimetica sulla durata della vita e della salute in D. melanogaster. Per superare le limitazioni delle diete complesse, vari tentativi sono stati intrapresi per creare un mezzo semi-definito o completamente definito per le mosche della frutta. Piper e collaboratori hanno stabilito una dieta holidic per D. melanogaster. Questa dieta holidica è completamente definita in termini di composizione energetica, macro e micronutrienti. La cosa più importante è che la dieta semisintetica chimicamente definita sostiene lo sviluppo della Drosophila, ma rispetto alle diete complesse è caratterizzata da un tasso di successo significativamente ridotto e da un tempo di sviluppo drasticamente prolungato. Inoltre, la fecondità delle mosche allevate sul mezzo holidico è notevolmente ridotta rispetto ai mezzi complessi. Limitazioni simili sono state riportate per altre diete semi-definite o completamente definite. Così, la dieta holidic può mancare ancora non identificati nutrienti che sono presenti nelle diete complesse. Di conseguenza, solo pochi studi affrontano l’esatto fabbisogno di acidi grassi, vitamine e oligoelementi di D. melanogaster. Pertanto, sono necessari studi futuri che possano migliorare la qualità nutrizionale delle diete sperimentali holidiche.

Drosophila fenotipizzazione e interazioni dieta-malattia

D. melanogaster può subire una fenotipizzazione completa anche in risposta a fattori alimentari. Da un punto di vista nutrizionale, l’assunzione di cibo, la scelta del cibo, la composizione del corpo, il dispendio energetico e la composizione del microbiota sono letture importanti. Queste letture sono ulteriormente integrate da altri saggi funzionali come l’attività locomotoria e il sonno, la cognizione, lo stress e la risposta alle infezioni, la durata della vita e la fertilità a seconda dell’impostazione sperimentale. Così, in modo simile ai topi da laboratorio, sono disponibili piattaforme complete di fenotipizzazione per i moscerini della frutta come riassunto in Fig. 1.

D. melanogaster permette anche la possibilità di condurre studi in modelli legati alla malattia. Così, ci sono vari mutanti così come modelli transgenici disponibili, che assomigliano in parte alle malattie croniche prevalenti negli esseri umani. Infatti, D. melanogaster è stato utilizzato per studiare le patologie relative alla funzione del cervello (A beta e patologia tau, malattia di Parkinson, malattia di Huntington), funzione respiratoria (asma, broncopneumopatia cronica ostruttiva (COPD)), funzione motoria (distrofia muscolare, sclerosi laterale amilotrofica) ), funzione renale (neftrolitiasi), disturbi intestinali, diabete, e funzione cardiaca (cardiomiopatia), nonché disturbi psichiatrici (ADHD, alcol e altre dipendenze) .

Per studiare queste malattie complesse e spesso multifattoriali nel moscerino della frutta, due approcci diversi sono applicabili a seconda della natura stessa della malattia: (i) Modelli transgenici eterologhi di D. melanogaster sono impiegati per studiare le proteine patogene chiave che di solito non sono presenti nella mosca. Un esempio tipico sono i modelli di neurodegenerazione, dove, per esempio, i geni umani del morbo di Alzheimer (come la proteina precursore dell’amiloide, i peptidi A-β, o le proteine tau), i geni umani del morbo di Parkinson (α-sinucleina, parkina), o i geni della malattia polyQ sono espressi nella mosca. Questi animali sono stati analizzati con successo per valutare gli effetti biologici e le vie coinvolte nel processo della malattia. (ii) Modelli di malattia della mosca omologhi/analoghi sono utilizzati per studiare i geni di malattia conservati evolutivamente che si trovano sia nelle mosche che negli esseri umani. È stato stimato che circa due terzi dei geni umani che causano malattie hanno un omologo funzionale nella mosca. Un esempio caratteristico del secondo tipo di modelli di Drosophila che impiegano omologhi funzionali della mosca si trova nel campo della ricerca sulle malattie polmonari. La maggior parte dei geni di suscettibilità per le malattie polmonari complesse come l’asma hanno omologhi nella mosca, ed è stato possibile chiarire il ruolo funzionale del gene di suscettibilità dell’asma ORMDL3 utilizzando questo approccio. Vorremmo sottolineare qui che anche se questi modelli di mosca possono essere utili per chiarire nuove informazioni sui processi genetici e cellulari fondamentali alla base di alcune malattie, di solito sono solo in grado di modellare alcuni aspetti delle suddette malattie umane complesse e multifattoriali.

I modelli di Drosophila che imitano la malattia possono essere sottoposti a diversi regimi alimentari per individuare le interazioni dieta-malattia. L’obiettivo finale di tali studi è l’identificazione di nutrienti o regimi dietetici che mitigano o accelerano il processo della malattia. Le interazioni dieta-malattia sono già state studiate in un numero limitato di studi sulla mosca. Soprattutto i modelli di malattia di Parkinson sono stati impiegati per identificare nuovi approcci terapeutici basati su nutrienti e dieta. In particolare, è stato dimostrato che fattori dietetici come l’acido ascorbico, i polifenoli, il disolfuro di allile e il sulforafano, così come lo zinco alimentare, hanno effetti positivi in diversi modelli di malattia di Parkinson. Altri esempi sono gli studi sull’impatto delle diete ad alto contenuto di zuccheri o di grassi sulla salute del cuore. Le vie di segnalazione e metaboliche che regolano la fisiologia del cuore della mosca mostrano un notevole grado di conservazione del cuore umano. Quindi, mutanti e transgeni dei rispettivi geni di Drosophila sono stati utilizzati per studiare le canalopatie e le cardiomiopatie. Simile alla situazione trovata negli esseri umani, dove la sindrome metabolica è associata ad una maggiore incidenza di cardiomiopatie, diete ad alto contenuto di zucchero o di grassi hanno portato ad un aumento dell’aritmia e al deterioramento del cuore della mosca. Così, la combinazione di piattaforme complete di fenotipizzazione con modelli di Drosophila legati alla malattia (in risposta al fattore dietetico) pone le basi per stabilire una cosiddetta clinica della mosca (Fig. 1). Tuttavia, deve essere tenuto a mente che i modelli correlati alla malattia di Drosophila hanno meriti e limitazioni. Pertanto, gli studi in Drosophila dovrebbero essere infine verificati in altri organismi di crescente complessità biologica, comprese le specie di mammiferi.