De kwaliteit van voedingsstudies hangt grotendeels af van de behandelde onderzoeksvraag, de experimentele opzet, de statistische power, en de samenstelling van de experimentele diëten. De overgrote meerderheid van voedingsstudies in modelorganismen is uitgevoerd bij laboratoriumknaagdieren zoals muizen en ratten. De behoeften aan voedingsstoffen voor knaagdieren zijn relatief goed vastgesteld, met inbegrip van energie, lipiden, vetzuren, koolhydraten, eiwitten en aminozuren, alsmede vitaminen, mineralen en sporenelementen.
De fruitvlieg Drosophila melanogaster is gedurende lange tijd uitgebreid gebruikt als een robuust modelorganisme in de genetica, ontwikkelingsbiologie, veroudering, en andere gebieden van biomedisch onderzoek. Pas sinds kort beschouwen experimentele voedingsdeskundigen de Drosophila als een veelzijdig modelorganisme voor onderzoek naar voeding en voedingsstoffen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de voedingsbehoeften van vliegen nog niet in dezelfde mate zijn verfijnd als die van laboratoriumknaagdieren. Wat betreft complexe Drosophila diëten, is het interessant op te merken dat veel verschillende recepten voor complexe media zijn beschreven in de literatuur.
In dit overzicht, hebben we een kritisch overzicht van de verscheidenheid van diëten-inclusief de voorlopige stand van chemisch gedefinieerde diëten-werkzaam in Drosophila onderzoek. Bovendien wijzen we erop dat een gestandaardiseerd dieet noodzakelijk zal zijn om de fruitvlieg te implementeren als een veelbelovend modelorganisme in dieet-ziekte interactie studies.
Experimentele diëten in Drosophila onderzoek
Drosophila diëten worden vaak geformuleerd op basis van gist, maïs, sacharose, en agar . De samenstelling van de voedingsstoffen kan echter aanzienlijk variëren tussen deze recepten. Bovendien worden soms andere ingrediënten gebruikt, waaronder glucose, gerst, soja, pepton, en banaan. De recepten kunnen ook verschillen wat betreft conserveermiddelen om de stabiliteit en de houdbaarheid te verlengen. De meeste recepten bevatten zowel p-hydroxybenzoëzuurmethylester (nipagine) als propionzuur; andere gebruiken echter slechts één van deze conserveermiddelen, terwijl in sommige gevallen antibiotica zoals penicilline-streptomycine of een fosfor-propionzuurmengsel worden toegevoegd. Verder worden ook de zogenaamde vetrijke en/of suikerrijke diëten toegepast bij D. melanogaster om diabetische of zwaarlijvige fenotypes te induceren. De samenstelling van “vetrijke” of “suikerrijke” diëten is echter niet voldoende gedefinieerd, wat de vergelijking van gegevens tussen verschillende studies en laboratoria weer bemoeilijkt. Zo wordt in sommige studies reuzel (gewoonlijk 15%) gebruikt om een zwaarlijvig fenotype te induceren, terwijl in andere studies kokosolie (ongeveer 20-30%) wordt toegediend. In dit verband is het opmerkelijk dat deze twee belangrijke vetbronnen niet alleen aanzienlijk verschillen in hun samenstelling, maar dat er ook relevante variaties worden waargenomen tussen verschillende partijen reuzel en kokosolie . Reuzel bestaat uit ongeveer 40% verzadigde, 45% enkelvoudig onverzadigde en 15% meervoudig onverzadigde vetzuren, waarbij de drie dominerende vetzuren palmitinezuur, oliezuur, stearinezuur en linolzuur zijn. Kokosolie daarentegen bevat voornamelijk verzadigde vetzuren (ongeveer 90%) en slechts geringe hoeveelheden enkelvoudig onverzadigde en meervoudig onverzadigde vetzuren (respectievelijk ongeveer 6% en 2%). Het wordt gekenmerkt door hoge hoeveelheden laurinezuur, myristinezuur, caprinezuur en caprylzuur, die aanzienlijk verschillen van reuzel.
Suikerrijke diëten bevatten ofwel variabele hoeveelheden glucose, fructose, of sucrose , wat vergelijkingen tussen laboratoria bemoeilijkt. Bovendien zijn protocollen voor energiebeperking, bekend om de levensduur en gezondheid van modelorganismen beïnvloeden, nog niet gestandaardiseerd voor experimenteel D. melanogaster onderzoek. Bijvoorbeeld, in de meerderheid van de vlieg studies gericht op dieetbeperking, een eiwit / aminozuur beperking is uitgelokt door een vermindering van gist, voorbij te gaan aan het feit dat in de meeste Drosophila diëten gist is ook de enige bron voor andere cruciale voedingsstoffen. Verschillen in de samenstelling van het dieet kunnen ook bijdragen tot de grote variatie in de waargenomen effecten van energiebeperkende mimetica op het leven en de levensduur in D. melanogaster. Om de beperkingen van complexe diëten te overwinnen, zijn verschillende pogingen ondernomen om een semi-gedefinieerd of volledig gedefinieerd medium voor fruitvliegen te creëren. Piper en collega’s hebben een holidisch dieet voor D. melanogaster vastgesteld. Dit holidisch dieet is volledig gedefinieerd in termen van hun energie-, macro- en micronutriëntensamenstelling. Het belangrijkste is dat het chemisch gedefinieerde, halfsynthetische dieet de ontwikkeling van Drosophila ondersteunt, maar in vergelijking met complexe diëten wordt het gekenmerkt door een sterk verminderd succespercentage en een drastisch verlengde ontwikkelingstijd. Bovendien is de vruchtbaarheid van vliegen grootgebracht op de holidic medium aanzienlijk verminderd in vergelijking met complexe media. Soortgelijke beperkingen zijn gemeld voor andere semi-gedefinieerde of volledig gedefinieerde diëten. Het is dus mogelijk dat het holidisch dieet nog niet geïdentificeerde nutriënten mist die wel aanwezig zijn in complexe diëten. Bijgevolg zijn er slechts weinig studies die de exacte vetzuur-, vitamine- en spoorelementvereisten van D. melanogaster onderzoeken. Daarom zijn toekomstige studies nodig die de nutritionele kwaliteit van holidische experimentele diëten kunnen verbeteren.
Fenotypering van Drosophila en dieet-ziekte interacties
D. melanogaster kan een uitgebreide fenotypering ondergaan ook in reactie op dieetfactoren. Vanuit een nutritioneel perspectief zijn voedselopname, voedselkeuze, lichaamssamenstelling, energie-uitgaven, en microbiota samenstelling belangrijke uitlezingen. Deze gegevens worden verder aangevuld met andere functionele tests zoals locomotorische activiteit en slaap, cognitie, stress en infectie respons, levensduur, en vruchtbaarheid, afhankelijk van de experimentele setting. Dus, vergelijkbaar met laboratoriummuizen, uitgebreide fenotypering platforms beschikbaar zijn voor fruitvliegen, zoals samengevat in Fig. 1.
De vlieg kliniek. Uitgebreide fenotypering in Drosophila melanogaster vormt de basis van de vliegenkliniek, waar ziekte-gerelateerde Drosophila-modellen worden gebruikt om interacties tussen voeding en ziekte te bestuderen
D. melanogaster biedt ook de mogelijkheid om studies uit te voeren in ziekte-gerelateerde modellen. Zo zijn er verschillende mutanten en transgene modellen beschikbaar, die gedeeltelijk lijken op chronische ziekten die bij de mens voorkomen. In feite is D. melanogaster gebruikt om pathologieën te bestuderen die verband houden met de hersenfunctie (A beta en tau pathologie, ziekte van Parkinson, ziekte van Huntington), ademhalingsfunctie (astma, chronisch obstructieve longziekte (COPD)), motorische functie (spierdystrofie, amylotrofe laterale sclerose), nierfunctie (nefrolithiasis), darmstoornissen, diabetes, en hartfunctie (cardiomyopathie) alsmede psychiatrische stoornissen (ADHD, alcohol en andere verslavingen).
Om deze complexe en vaak multifactoriële ziekten te bestuderen in de fruitvlieg, twee verschillende benaderingen van toepassing zijn, afhankelijk van de aard van de ziekte: (i) Heterologe transgene D. melanogaster modellen worden gebruikt om belangrijke pathogene eiwitten die gewoonlijk niet aanwezig zijn in de vlieg te bestuderen. Een typisch voorbeeld daarvan zijn de neurodegeneratiemodellen, waarbij b.v. menselijke genen voor de ziekte van Alzheimer (zoals amyloïde precursorproteïne, A-β-peptiden, of tau-eiwitten), menselijke genen voor de ziekte van Parkinson (α-synucleïne, parkine), of polyQ-ziektegenen in de vlieg tot expressie worden gebracht. Deze dieren zijn met succes geanalyseerd om biologische effecten en trajecten die betrokken zijn bij het ziekteproces te beoordelen. (ii) Homologe/analoge modellen voor ziekten bij vliegen worden gebruikt om evolutionair geconserveerde ziektegenen te bestuderen die zowel bij vliegen als bij mensen worden aangetroffen. Geschat wordt dat ongeveer twee derde van de menselijke ziekteveroorzakende genen een functioneel homoloog in de vlieg hebben. Een kenmerkend voorbeeld voor het tweede type van Drosophila modellen met behulp van functionele vlieg homologs wordt gevonden op het gebied van longziekten onderzoek. De meeste susceptibiliteitsgenen voor complexe longziekten zoals astma hebben homologs in de vlieg , en het was mogelijk om de functionele rol van het astma susceptibiliteitsgen ORMDL3 op te helderen met behulp van deze aanpak . We willen hier benadrukken dat, hoewel deze vliegmodellen kan nuttig zijn om nieuwe informatie over fundamentele genetische en cellulaire processen die ten grondslag liggen aan bepaalde ziekten op te helderen, ze zijn meestal alleen in staat om bepaalde aspecten van de bovengenoemde complexe en multifactoriële menselijke ziekten model.
Disease mimicking Drosophila modellen kunnen worden onderworpen aan verschillende dieet regimes om uit te zoeken dieet-ziekte interacties. Het uiteindelijke doel van dergelijke studies is de identificatie van voedingsstoffen of voedingsregimes die het ziekteproces afzwakken of versnellen. Interacties tussen dieet en ziekte zijn reeds onderzocht in een beperkt aantal vliegenstudies. Met name modellen voor de ziekte van Parkinson zijn gebruikt om nieuwe op nutriënten en voeding gebaseerde therapiebenaderingen te identificeren. Met name is aangetoond dat voedingsfactoren zoals ascorbinezuur, polyfenolen, allyldisulfide en sulforafaan, alsook zink in de voeding, positieve effecten hebben in verschillende vliegmodellen voor de ziekte van Parkinson. Andere voorbeelden zijn studies naar het effect van diëten met een hoog suiker- of vetgehalte op de gezondheid van het hart. De signaal- en metabolische routes die de fysiologie van het vlieghart reguleren vertonen een opmerkelijk hoge graad van instandhouding ten opzichte van het menselijk hart. Daarom zijn mutanten en transgenen van de respectieve Drosophila genen gebruikt om kanaalopathieën en cardiomyopathieën te onderzoeken. Vergelijkbaar met de situatie bij de mens, waar het metabool syndroom wordt geassocieerd met een verhoogde incidentie van cardiomyopathieën, hoog-suiker of hoog-vet diëten leidde tot verhoogde aritmie en verslechtering van de vlieg hart . Aldus, het combineren van uitgebreide fenotypering platforms met ziekte-gerelateerde Drosophila modellen (in reactie op voeding factor) legt de basis van de oprichting van een zogenaamde fly kliniek (Fig. 1). Toch moet men in gedachten houden dat Drosophila ziekte-gerelateerde modellen verdiensten en beperkingen hebben. Daarom moeten studies in Drosophila uiteindelijk worden geverifieerd in andere organismen van toenemende biologische complexiteit, met inbegrip van zoogdiersoorten.
