Drosophila melanogaster în cercetarea în domeniul nutriției – importanța standardizării dietelor experimentale

Calitatea studiilor nutriționale depinde în mare măsură de întrebarea de cercetare abordată, de designul experimental, de puterea statistică și de compoziția dietelor experimentale. Marea majoritate a studiilor nutriționale pe organisme model au fost efectuate pe rozătoare de laborator, cum ar fi șoarecii și șobolanii. Necesarul de nutrienți pentru rozătoare este relativ bine stabilit, inclusiv energia, lipidele, acizii grași, carbohidrații, proteinele și aminoacizii, precum și vitaminele, mineralele și oligoelementele .

Morsa de fructe Drosophila melanogaster a fost utilizată pe scară largă ca organism model robust în genetică, biologia dezvoltării, îmbătrânire și alte domenii de cercetare biomedicală pe o perioadă lungă de timp. Doar recent nutriționiștii experimentali au început să considere Drosophila ca fiind un organism model versatil în cercetarea în domeniul alimentației și nutriției . Astfel, nu este surprinzător faptul că cerințele dietetice pentru muște nu au fost încă puse la punct în aceeași măsură ca în cazul rozătoarelor de laborator. În ceea ce privește dietele complexe pentru Drosophila, este interesant de observat că în literatura de specialitate au fost descrise multe rețete diferite pentru medii complexe.

În această recenzie, analizăm în mod critic varietatea de diete – inclusiv stadiul preliminar al dietelor definite chimic – utilizate în cercetarea Drosophilei. Mai mult decât atât, subliniem că o dietă standardizată va fi necesară pentru a pune în aplicare musca fructelor ca organism model promițător în studiile de interacțiune dintre dietă și boală.

Diete experimentale în cercetarea Drosophilei

Dietele pentru Drosophila sunt adesea formulate pe bază de drojdie, porumb, zaharoză și agar . Cu toate acestea, compoziția nutrienților poate varia substanțial între aceste rețete. Mai mult, uneori se folosesc și alte ingrediente, inclusiv glucoză, orz, soia, peptonă și banană. Dietele pot diferi, de asemenea, în ceea ce privește conservanții pentru a prelungi stabilitatea și durata de conservare. Majoritatea rețetelor includ atât esterul metilic al acidului p-hidroxi-benzoic (nipagin), cât și acidul propionic; cu toate acestea, altele folosesc numai unul dintre acești conservanți, în timp ce, în unele cazuri, se adaugă antibiotice precum penicilina-streptomicina sau un amestec de acid fosforic-propionic . În plus, la D. melanogaster se aplică, de asemenea, așa-numitele diete bogate în grăsimi și/sau zaharuri pentru a induce fenotipuri diabetice sau obeze. Cu toate acestea, compoziția dietelor „bogate în grăsimi” sau „bogate în zaharuri” nu este suficient de bine definită, ceea ce complică din nou compararea datelor între diferite studii și laboratoare. De exemplu, în unele studii se utilizează untură de porc (de obicei 15%) pentru a induce un fenotip obez, în timp ce în alte studii se administrează ulei de cocos (aproximativ 20-30%) . În acest sens, este demn de remarcat faptul că aceste două surse majore de grăsimi nu numai că diferă substanțial în ceea ce privește compoziția lor, dar se observă, de asemenea, variații relevante între diferite loturi de untură și ulei de cocos . Slănina de porc este alcătuită din aproximativ 40% acizi grași saturați, 45% acizi grași mononesaturați și 15% acizi grași polinesaturați, în care cei trei acizi grași dominanți sunt acidul palmitic, acidul oleic și acidul stearic și linoleic. În schimb, uleiul de cocos conține în cea mai mare parte acizi grași saturați (aproximativ 90%) și doar cantități minore de acizi grași mononesaturați și polinesaturați (aproximativ 6% și, respectiv, 2%). Se caracterizează prin cantități mari de acid lauric, miristic, capric și caprilic, care diferă semnificativ de untura de porc .

În consecință, dietele bogate în zaharuri cuprind fie cantități variabile de glucoză, fructoză sau zaharoză , ceea ce complică comparațiile între laboratoare. În plus, protocoalele de restricție energetică, despre care se știe că afectează durata de viață și de sănătate a organismelor model, nu au fost încă standardizate pentru cercetarea experimentală a D. melanogaster. De exemplu, în majoritatea studiilor pe muște care se concentrează pe restricția alimentară, o restricție de proteine/aminoacizi a fost provocată de o reducere a drojdiei , fără a se ține cont de faptul că, în majoritatea dietelor de Drosophila, drojdia este, de asemenea, singura sursă pentru alți nutrienți esențiali. Diferențele în compoziția dietei pot contribui, de asemenea, la variația ridicată a efectelor observate ale mimetismelor de restricție energetică asupra duratei de viață și de sănătate la D. melanogaster . Pentru a depăși limitările dietelor complexe, au fost întreprinse diverse încercări de a crea un mediu semi-definit sau complet definit pentru muștele de fructe . Piper și colaboratorii au stabilit o dietă holidică pentru D. melanogaster. Această dietă holidică este complet definită în ceea ce privește compoziția lor energetică, macro și micronutrienți. Cel mai important, dieta semisintetică definită chimic susține dezvoltarea Drosophilei, dar, în comparație cu dietele complexe, se caracterizează printr-o rată de succes semnificativ redusă și o durată de dezvoltare drastic prelungită. În plus, fecunditatea muștelor crescute pe mediul holitic este considerabil redusă în comparație cu mediile complexe. Limitări similare au fost raportate pentru alte diete semi-definite sau complet definite . Astfel, dieta holidică poate fi lipsită de nutrienți încă neidentificați care sunt prezenți în dietele complexe. În consecință, doar câteva studii abordează cerințele exacte de acizi grași, vitamine și oligoelemente ale lui D. melanogaster. Prin urmare, sunt necesare studii viitoare care pot îmbunătăți calitatea nutrițională a dietelor experimentale holidice.

Fenotiparea Drosophilei și interacțiunile dintre dietă și boală

D. melanogaster poate suferi o fenotipare cuprinzătoare, de asemenea, ca răspuns la factorii dietetici. Din punct de vedere nutrițional, aportul alimentar, alegerea alimentelor, compoziția corporală, cheltuielile energetice și compoziția microbiotei sunt citiri importante . Aceste citiri sunt completate și de alte teste funcționale, cum ar fi activitatea locomotorie și somnul, cogniția, răspunsul la stres și la infecții, durata de viață și fertilitatea, în funcție de cadrul experimental . Astfel, similar cu șoarecii de laborator, sunt disponibile platforme complete de fenotipare pentru muștele de fructe, așa cum se rezumă în Fig. 1.

D. melanogaster permite, de asemenea, posibilitatea de a efectua studii în modele legate de boli. Astfel, există diverși mutanți, precum și modele transgenice disponibile, care se aseamănă parțial cu bolile cronice predominante la om . De fapt, D. melanogaster a fost utilizat pentru a studia patologii legate de funcția cerebrală (patologia A beta și tau, boala Parkinson, boala Huntington) , funcția respiratorie (astm, boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC)) , funcția motorie (distrofie musculară, scleroză laterală amilotrofă) ), funcția renală (nefrolitiază) , tulburări intestinale , diabet și funcția cardiacă (cardiomiopatie), precum și tulburări psihiatrice (ADHD, alcool și alte dependențe) .

Pentru a studia aceste boli complexe și adesea multifactoriale la musca fructelor, sunt aplicabile două abordări diferite, în funcție de natura însăși a bolii: (i) Modelele transgenice heterologe D. melanogaster sunt utilizate pentru a studia proteinele patogene cheie care, de obicei, nu sunt prezente în muscă. Un exemplu tipic în acest sens sunt modelele de neurodegenerare, în care, de exemplu, genele umane ale bolii Alzheimer (cum ar fi proteina precursoare amiloidă, peptidele A-β sau proteinele tau), genele umane ale bolii Parkinson (α-sinucleină, parkin) sau genele bolii polyQ sunt exprimate în muscă. Aceste animale au fost analizate cu succes pentru a evalua efectele biologice și căile implicate în procesul bolii . (ii) Modelele de boli omoloage/analoge ale muștelor sunt utilizate pentru a studia genele de boală conservate din punct de vedere evolutiv care se găsesc atât la muște, cât și la om. S-a estimat că aproximativ două treimi din genele care cauzează boli la om au un omolog funcțional la muscă. Un exemplu caracteristic pentru cel de-al doilea tip de modele Drosophila care utilizează omologii funcționali ai muștelor se găsește în domeniul cercetării bolilor pulmonare. Majoritatea genelor de susceptibilitate pentru bolile pulmonare complexe, cum ar fi astmul, au omologi la muscă , și a fost posibilă elucidarea rolului funcțional al genei de susceptibilitate la astm ORMDL3 folosind această abordare . Am dori să subliniem aici că, deși aceste modele de muște pot fi utile pentru a elucida informații noi despre procesele genetice și celulare fundamentale care stau la baza anumitor boli, ele sunt, de obicei, capabile să modeleze doar anumite aspecte ale bolilor umane complexe și multifactoriale menționate mai sus.

Modelurile de Drosophila care imită bolile pot fi supuse la diferite regimuri alimentare pentru a evidenția interacțiunile dintre alimentație și boală. Scopul final al unor astfel de studii este identificarea nutrienților sau a regimurilor dietetice care atenuează sau accelerează procesul bolii. Interacțiunile dintre dietă și boală au fost deja investigate într-un număr limitat de studii asupra muștelor. În special modelele de boală Parkinson au fost utilizate pentru a identifica noi abordări terapeutice bazate pe nutrienți și diete. În special, s-a demonstrat că factori dietetici precum acidul ascorbic, polifenolii, disulfura de alil și sulforafanul, precum și zincul alimentar au avut efecte pozitive în mai multe modele diferite de muște cu boala Parkinson. Alte exemple sunt studiile privind impactul dietelor bogate în zahăr sau în grăsimi asupra sănătății inimii. Căile de semnalizare și metabolice care reglează fiziologia inimii muștelor prezintă un grad de conservare remarcabil de ridicat în ceea ce privește inima umană. Prin urmare, mutanți și transgene ale genelor Drosophila respective au fost utilizate pentru a investiga canalopatiile și cardiomiopatiile. Similar cu situația întâlnită la om, unde sindromul metabolic este asociat cu o incidență crescută a cardiomiopatiilor, dietele bogate în zahăr sau în grăsimi au dus la creșterea aritmiei și la deteriorarea inimii de muscă . Astfel, combinarea platformelor de fenotipare cuprinzătoare cu modele de Drosophila legate de boli (ca răspuns la un factor alimentar) pune bazele stabilirii unei așa-numite clinici a muștelor (Fig. 1). Cu toate acestea, trebuie ținut cont de faptul că modelele legate de boli ale drosofilei au merite și limitări. Astfel, studiile la Drosophila ar trebui să fie verificate în cele din urmă la alte organisme cu o complexitate biologică în creștere, inclusiv la speciile de mamifere

.