Kvaliteten på näringsstudier beror till stor del på vilken forskningsfråga som behandlas, den experimentella utformningen, den statistiska styrkan och sammansättningen av de experimentella dieterna. Den stora majoriteten av näringsstudier på modellorganismer har utförts på laboratoriegnagare som möss och råttor. Näringsbehovet för gnagare är relativt väl etablerat, inklusive energi, lipider, fettsyror, kolhydrater, proteiner och aminosyror samt vitaminer, mineraler och spårämnen .
Fruktflugan Drosophila melanogaster har under lång tid använts flitigt som en robust modellorganism inom genetik, utvecklingsbiologi, åldrande och andra områden inom biomedicinsk forskning. Först nyligen har experimentella näringsforskare börjat betrakta Drosophila som en mångsidig modellorganism inom livsmedels- och näringsforskning . Det är därför inte förvånande att flugornas kostbehov ännu inte har finjusterats i samma utsträckning som för laboratoriegnagare. När det gäller komplexa Drosophila-dieter är det intressant att notera att många olika recept för komplexa medier har beskrivits i litteraturen.
I denna översikt gör vi en kritisk genomgång av de olika typer av dieter – inklusive det preliminära läget när det gäller kemiskt definierade dieter – som används inom Drosophila-forskningen. Dessutom påpekar vi att en standardiserad diet kommer att vara nödvändig för att implementera fruktflugan som en lovande modellorganism i studier av interaktion mellan diet och sjukdom.
Experimentella dieter i Drosophila-forskning
Drosophila-dieter formuleras ofta på basis av jäst, majs, sackaros och agar . Näringssammansättningen kan dock variera avsevärt mellan dessa recept. Dessutom används ibland andra ingredienser som glukos, korn, soja, pepton och banan. Kostråden kan också skilja sig åt när det gäller konserveringsmedel för att förlänga stabiliteten och hållbarheten. De flesta recept innehåller både p-hydroxibensoesyrametylester (nipagin) och propionsyra, men i andra recept används endast ett av dessa konserveringsmedel, och i vissa fall tillsätts antibiotika, t.ex. penicillin-streptomycin eller en blandning av fosforsyra och propionsyra. Dessutom används så kallade fett- och/eller sockerrika dieter i D. melanogaster för att framkalla diabetiska eller feta fenotyper. Sammansättningen av ”fett- eller sockerrika” dieter är dock inte tillräckligt definierad, vilket återigen försvårar jämförelsen av data mellan olika studier och laboratorier. I vissa studier används t.ex. ister (vanligen 15 %) för att framkalla en fet fenotyp, medan kokosolja (ca 20-30 %) används i andra studier. I detta avseende är det anmärkningsvärt att dessa två stora fettkällor inte bara skiljer sig avsevärt åt i sin sammansättning, utan att relevanta variationer också observeras mellan olika partier av ister och kokosolja . Späck består av cirka 40 % mättade, 45 % enkelomättade och 15 % fleromättade fettsyror, där de tre dominerande fettsyrorna är palmitinsyra, oljesyra samt stearin- och linolsyra. Kokosolja innehåller däremot mest mättade fettsyror (ca 90 %) och endast små mängder enkelomättade och fleromättade fettsyror (ca 6 % respektive 2 %). Den kännetecknas av höga halter av laurinsyra, myristsyra, kapricsyra och kaprylsyra, vilket skiljer sig avsevärt från lard .
Det är alltså så att kost med högt sockerinnehåll innehåller antingen varierande halter av glukos, fruktos eller sackaros , vilket försvårar jämförelser mellan olika laboratorier. Dessutom har protokoll för energibegränsning, som är kända för att påverka livslängd och hälsa hos modellorganismer, ännu inte standardiserats för experimentell D. melanogaster-forskning. I majoriteten av flugstudier som fokuserar på dietrestriktion har till exempel en protein/aminosyrarestriktion framkallats genom en minskning av jäst , utan hänsyn till det faktum att jäst i de flesta Drosophila-dieter också är den enda källan till andra viktiga näringsämnen. Skillnader i dietens sammansättning kan också bidra till den stora variationen i de observerade effekterna av mimetiska energirestriktioner på livslängd och hälsa hos D. melanogaster . För att övervinna begränsningarna med komplexa dieter har olika försök gjorts för att skapa ett halvdefinierat eller helt definierat medium för fruktflugor . Piper och medarbetare har skapat en holidisk diet för D. melanogaster. Denna holidiska diet är helt definierad när det gäller sammansättningen av energi, makro- och mikronäringsämnen. Det viktigaste är att den kemiskt definierade semisyntetiska dieten stöder Drosophilas utveckling, men jämfört med komplexa dieter kännetecknas den av en avsevärt minskad framgångsfrekvens och en drastiskt förlängd utvecklingstid. Dessutom är fruktsamheten hos flugor som föds upp på det holidiska mediet avsevärt minskad jämfört med komplexa medier. Liknande begränsningar har rapporterats för andra halvdefinierade eller helt definierade dieter . Den holidiska dieten kan alltså sakna ännu oidentifierade näringsämnen som finns i komplexa dieter. Följaktligen är det endast ett fåtal studier som behandlar D. melanogasters exakta behov av fettsyror, vitaminer och spårämnen. Därför behövs framtida studier som kan förbättra näringskvaliteten hos holidiska experimentella dieter.
Drosophila fenotypning och interaktioner mellan diet och sjukdom
D. melanogaster kan genomgå en omfattande fenotypning även som svar på dietfaktorer. Ur ett näringsperspektiv är födointag, födoval, kroppssammansättning, energiförbrukning och sammansättning av mikrobiota viktiga avläsningar . Dessa uppgifter kompletteras ytterligare av andra funktionella tester, t.ex. rörelseaktivitet och sömn, kognition, stress- och infektionsreaktioner, livslängd och fertilitet, beroende på den experimentella miljön . I likhet med laboratoriemöss finns det därför omfattande fenotypningsplattformar för fruktflugor som sammanfattas i figur 1.
Flugkliniken. Omfattande fenotypning i Drosophila melanogaster utgör grunden för flugkliniken, där sjukdomsrelaterade Drosophila-modeller används för att studera interaktioner mellan kost och sjukdom
D. melanogaster möjliggör också möjligheten att genomföra studier i sjukdomsrelaterade modeller. Det finns således olika mutanter samt transgena modeller som delvis liknar kroniska sjukdomar som förekommer hos människor . Faktum är att D. melanogaster har använts för att studera patologier som rör hjärnans funktion (A beta och tau-patologi, Parkinsons sjukdom, Huntingtons sjukdom) , andningsfunktion (astma, kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL)) , motorisk funktion (muskeldystrofi, amylotrofisk lateralskleros) , njurfunktion (neftrolithiasis) , tarmstörningar, diabetes och hjärtfunktion (kardiomyopati) samt psykiatriska störningar (ADHD, alkohol och andra beroenden) .
För att studera dessa komplexa och ofta multifaktoriella sjukdomar i fruktflugan är två olika tillvägagångssätt tillämpliga beroende på sjukdomens karaktär: (i) Heterologiska transgena D. melanogaster-modeller används för att studera viktiga patogena proteiner som vanligtvis inte finns i flugan. Ett typiskt exempel på detta är neurodegenerationsmodellerna, där t.ex. humana gener för Alzheimers sjukdom (t.ex. amyloidprekursorprotein, A-β-peptider eller tau-proteiner), humana gener för Parkinsons sjukdom (α-synuklein, parkin) eller polyQ-sjukdomsgener uttrycks i flugan. Dessa djur har framgångsrikt analyserats för att bedöma biologiska effekter och vägar som är involverade i sjukdomsprocessen . (ii) Homologa/analoga sjukdomsmodeller för flugor används för att studera evolutionärt bevarade sjukdomsgener som finns både hos flugor och människor. Det har uppskattats att ungefär två tredjedelar av de mänskliga sjukdomsframkallande generna har en funktionell homolog i flugan. Ett karakteristiskt exempel på den andra typen av Drosophila-modeller där man använder funktionella flughomologer finns inom forskningen om lungsjukdomar. De flesta mottaglighetsgener för komplexa lungsjukdomar, t.ex. astma, har homologer i flugan , och det var möjligt att belysa den funktionella rollen för den mottagliga genen ORMDL3 för astma med hjälp av detta tillvägagångssätt . Vi vill här betona att även om dessa flugmodeller kan vara till hjälp för att klarlägga ny information om grundläggande genetiska och cellulära processer som ligger till grund för vissa sjukdomar, kan de vanligtvis bara modellera vissa aspekter av de ovan nämnda komplexa och multifaktoriella sjukdomarna hos människor.
Sjukdomsimiterande Drosophila-modeller kan utsättas för olika dietregimer för att urskilja interaktioner mellan diet och sjukdom. Det slutliga målet med sådana studier är att identifiera näringsämnen eller kostregimer som mildrar eller påskyndar sjukdomsprocessen. Samspelet mellan kost och sjukdom har redan undersökts i ett begränsat antal flugstudier. Särskilt Parkinsons sjukdomsmodeller har använts för att identifiera nya närings- och kostbaserade behandlingsmetoder. Framför allt har kostfaktorer som askorbinsyra, polyfenoler, allyldisulfid och sulforafan samt zink visat sig ha positiva effekter i flera olika flugmodeller för Parkinsons sjukdom . Andra exempel är studier av hur socker- eller fettrika dieter påverkar hjärthälsan. De signal- och ämnesomsättningsvägar som reglerar flughjärtats fysiologi uppvisar en anmärkningsvärt hög grad av överensstämmelse med människohjärtat. Därför har mutanter och transgener av respektive Drosophila-gener använts för att undersöka kanalopatier och kardiomyopatier. I likhet med situationen hos människor, där det metabola syndromet är förknippat med en ökad förekomst av kardiomyopatier, ledde kost med högt socker- eller fettinnehåll till ökad arytmi och försämring av flughjärtat. Genom att kombinera omfattande fenotypningsplattformar med sjukdomsrelaterade Drosophila-modeller (som svar på kostfaktorer) läggs grunden för att inrätta en så kallad flugklinik (fig. 1). Man måste dock komma ihåg att sjukdomsrelaterade Drosophila-modeller har fördelar och begränsningar. Studier i Drosophila bör därför i slutändan verifieras i andra organismer med ökande biologisk komplexitet, inklusive däggdjursarter.
