De tredmolen maakt gebruik van roterende beweging ertoe voorzichtig oefening in volwassen Drosophila melanogaster aanzetten door te profiteren van vliegen aangeboren, negatieve geotaxis. Het staat voor de analyse van de interacties tussen de uitoefening en factoren, zoals genotype, geslacht, dieet en hun effect op de fysiologische en moleculaire tests te beoordelen van metabole gezondheid.
De incidentie van complexe metabole ziekten is toegenomen als gevolg van een wijdverbreide overgang naar levensstijlen van verhoogde calorie-inname en verlaagde activiteitenniveaus. Deze multifactoriële ziekten ontstaan uit een combinatie van genetische, milieu- en gedrags-factoren. Een dergelijke complexe ziekte is metabool syndroom (MetS), die een cluster van metabole aandoeningen is, zoals hypertensie, hyperglycemie en abdominale obesitas. Lichaamsbeweging en dieet zijn de primaire behandelingen aanbevolen door artsen ter vermindering van obesitas en haar latere metabole ziekten. Oefening interventies, met name aërobe interval training, stimuleert gunstige veranderingen in de gemeenschappelijke risicofactoren voor Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM), cardiovasculaire ziekte (CVD) en andere voorwaarden. Met de toestroom van bewijs heeft beschrijven de uitoefening van het therapeutisch effect op metabole gezondheid, tot vaststelling van een systeem dat modellen in een gecontroleerde omgeving uitoefenen biedt een waardevol instrument voor de beoordeling van de effecten van lichaamsbeweging in een experimentele context. Drosophila melanogaster is een geweldig hulpmiddel voor het onderzoeken van de fysiologische en moleculaire veranderingen die uit de interventie van de oefening voortvloeien. De vliegen hebben korte levensduur en soortgelijke mechanismen van voedingsstoffen in vergelijking met mensen hen te metaboliseren. Om te induceren oefening in Drosophila, ontwikkelden we een machine genaamd de tredmolen, die gebruik van de vlieg aangeboren, negatieve geotaxis neiging maakt ertoe voorzichtig klimmen. Dit kan onderzoekers voor het uitvoeren van experimenten op grote cohorten van genetisch divers vliegen om het genotype-door-milieu-interacties die ten grondslag liggen aan de gevolgen van oefening voor metabole gezondheid beter te begrijpen.
Jeugd- en volwassen obesitas zijn groeiende epidemieën in culturen die hoge calorie dieet consumeren en inactief voor langere tijd, die tot ernstige gevolgen op lange termijn leiden kan, met inbegrip van artrose, insulineresistentie en chronische ontsteking 1 , 2 , 3 , 4. de prevalentie van deze aandoeningen blijft stijgen als gevolg van het toenemende gebrek aan evenwicht in de calorie-inname en uitgaven toegeschreven aan verhoogde consumptie van vetten en suikers en een voornamelijk sedentaire levensstijl5. Dienovereenkomstig heeft deze energiebalans geleid tot een toename van de gevallen van Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM) en cardiovasculaire ziekte (CVD)5. Individuen zijn op een hoger risico van het ontwikkelen van beide stoornissen als ze zijn gediagnosticeerd met de stoornis metabool syndroom (MetS), waarvan de symptomen abdominale obesitas en dyslipidemia2 omvatten. MetS wordt gevormd door de complexe interacties tussen genotype en verschillende omgevingsfactoren, zoals dieet en oefening6. Dus, om te krijgen een volledig begrip van de onderliggende mechanismen van deze complexe ziekte, al deze factoren moeten worden overwogen.
Wanneer het gaat om bestrijding van MetS, adviseren artsen eerst ondergaan veranderingen in levensstijl waarin eten een gezonde, evenwichtige voeding en lichaamsbeweging2,7,8. Aangezien effectieve medicijnen beperkt zijn en maagomleidingschirurgie is kostbaar en vereist een levenslang medische controle, wordt farmacologische en chirurgische interventie alleen aanbevolen voor ernstige gevallen en alleen in combinatie met deze veranderingen in levensstijl3 ,7,8. Terwijl lifestyle interventies, zoals oefening en dieet, kunnen produceren en op de lange termijn doelstellingen van het gewichtsverlies te handhaven, al dan niet deze corrigerende maatregelen volledig kunnen verzachten van de negatieve effecten die zijn gekoppeld aan de MetS moeten verder te bestuderen7, 8.
Muismodellen zijn gebruikt voor het onderzoeken van de effecten van lichaamsbeweging op metabole ziekten jarenlang; de invoering van oefening te vliegen van onderzoek op MetS is echter een relatief recente endeavor9,10,11,12. Vliegen bieden de perfecte voertuig voor het bestuderen van de oefening in het gecontroleerde laboratorium plaatsen, omdat ze gemakkelijk worden gemanipuleerd, hebben een korte levensduur, zijn goedkoop te onderhouden, en energiegerelateerde stofwisselingsroutes zijn zeer bewaard tussen Drosophila en mens13. D. melanogaster genomen goed worden gekenmerkt, en er is een schat voor genetica tools beschikbaar voor gebruik in Drosophila die kan inzicht geven in de verschillende genotypen en genotype-door-milieu-interacties die kunnen moduleren het effect van oefening op organisch gezondheid14.
Huidige methoden voor uitoefening van Drosophila aanroepen van de vlieg aangeboren, negatieve geotaxis tendens, de gedrags instinct naar boven te klimmen, te stimuleren klimmen bij volwassenen binnen hun bijlagen11,12,15 . De Power Tower, een methode voor het stimuleren van oefening in vliegen, systematisch verhoogt de vliegen behuizingen verticaal en vervolgens verzonden naar hen terug aan de oppervlakte van de Bank, effectief kloppen de vliegen naar de onderkant van het flesje, dus inducerende hun instinctuele negatieve geotaxis 12 , 16. experimenten uitgevoerd met behulp van deze machine is gebleken dat de oefening een krachtige beschermende factor tegen vele leeftijdsgebonden ziekten is, met inbegrip van CVD en T2DM, en gezonde veroudering12,17,18 bevordert . In het bijzonder zij aangetoond dat oefening kan het begin van de daling van de leeftijdsgebonden mobiliteit in vliegen verminderen en meerdere leeftijd-gerelateerde symptomen, zoals cardiale prestaties verbeteren en reactie17,18 benadrukken. Controle vliegt echter nooit geplaatst op de toren bleek hoger klimmen scores dan mensen met de machine, suggereren dat de kracht van de repetitieve druppels kan verwonden van de vliegen en op het gebied van mobiliteit,12. Dit suggereert dat een alternatieve methode van inducerende oefening die is minder krachtig en vermijdt veroorzaakt fysieke trauma’s zou een nuttige, aanvullende methode om de Power Tower protocol16.
Om voorzichtig oefening in Drosophila, ontwikkelden we een oefening machine genaamd de tredmolen (Figuur 1). De tredmolen is (voortaan afgekort als TW) roterende beweging activeert de vliegen aangeboren, negatieve geotaxis tendens door voortdurend het herdefiniëren van de gravitationele bovenkant van de flesjes, die op zijn beurt, stimuleert klimmen in de vliegen. In tegenstelling tot andere methoden is de roterende beweging van de TW inherent zacht, die minimaliseert het aantal extra stressoren die kunnen ontstaan en invloed op de resultaten. De machine biedt dus de middelen voor het opwekken van oefening in grote aantallen vliegen zonder inducerende stress, waardoor onderzoekers de effecten van oefening metabole gezondheid (Figuur 2), veroudering, slaap, en vele andere onderwerpen11te bestuderen.
Onze werkwijze volgt een inverse piramidale, interval training protocol, waarin grotendeels aspecten van aërobe interval training (AIT) met sommige uithoudingsvermogen inspanninstraining. Het standaard AIT-regime is veranderd in dit protocol daarna langzaam verhoogt door de duur van elk interval over een periode van vijf dagen tot het uithoudingsvermogen bevorderen. AIT is vooral handig bij het voorkomen van MetS ten opzichte van andere methoden van tussenkomst en effectiever in het omkeren van de gemeenschappelijke risicofactoren metabool syndroom dan continu matige lichaamsbeweging19,20was. Een nadeel van de TW ten opzichte van de Power Tower is echter dat vliegen sneller koeien aan de roterende beweging, dus variatie in aangeboren neiging om koeien onder de vliegen de interpretatie van de voordelen van oefening kan bemoeilijken. 11 een elegante oplossing voor deze beperking wordt beschreven door Watanabe en raadsel15 en hun aanvullende artikel21.
Het inspanningsprotocol gedetailleerde hier is aangetoond dat het met succes stimuleren zachte oefening in Drosophila en kan worden gebruikt om te simuleren van uithoudingsvermogen te oefenen in een gecontroleerde laboratorium11instellen. Opgemerkt moet worden dat bij het aanvankelijk ontwikkelen van het concept van de tredmolen, we beschouwd als commerciële producten die zou kunnen worden gewijzigd om uit te voeren op dezelfde wijze (bijvoorbeeld, een laboratorium rotisserie). Echter, we uiteindelijk verworpen deze aanpak, een op maat gemaakte ontwerp te kiezen, omdat de commerciële apparatuur niet een voldoende lage rotatiesnelheid (4 rpm hebben) en voldoende capaciteit voor high-throughput monster generatie de flacon miste.
De TW-protocol zelf kan worden aangepast omvatten een breed scala aan onderzoeksonderwerpen. Bijvoorbeeld, kan aanpassing van de frequentie en de duur van de vliegen oefening regimes veranderen de intensiteiten van de werk-outs die zij ontvangen. Door de uitbreiding van het protocol langer dan een week of voor andere leeftijdsgroepen, zou het mogelijk zijn om te bestuderen van de effecten van lichaamsbeweging op veroudering en verschillende leeftijd gerelateerde ziekten. Het is raadzaam dat als een benadering van de uitgebreide oefening wordt uitgevoerd, dan ten minste één rustdag per week moet worden toegevoegd om herstel mogelijk te maken. Prestaties en verbetering bleek groter in regimes die opgenomen een hersteldag dan die regimes die opeenvolgende dagelijkse oefening12gebruikt. Ook zouden wij waarschuwen tegen uitbreiding van oefening bout lengtes afgelopen 30 min aangezien gewenning aan de roterende beweging optreden kan na langere continu11 oefenen. We hebben ook waargenomen genetische variaties in vliegen motivatie om hun activiteitenniveaus op de TW11te handhaven. Dus, als langere periodes gewenst zijn, kunt u overwegen toezicht op de vliegen activiteitenniveaus, zoals gepresenteerd door Watanabe en raadsel15,21 beschrijven hun wijziging van het concept van de TW. Andere factoren die kunnen worden gevarieerd omvatten temperatuur en slaap-waak patronen, die staan ook vliegen bewegingen26,27te beïnvloeden.
Er is een overvloed van beschikbare analyses tijdens en na de voltooiing van het protocol aan te pakken van de effecten van lichaamsbeweging op de fysiologische, gedragsmatige en moleculaire niveau, evenals het potentieel te ontrafelen epigenetische effecten van lichaamsbeweging. Extra metabole testen (bijvoorbeeld, glucose, glycogeen en eiwitten), cardiale prestaties en inflammatoire respons maatregelen kunnen worden gebruikt om verder te onderzoeken met de oefening van het effect heeft op vliegen fysiologie en lichaam samenstelling12,14 ,24,28. Verschillende gedragsveranderingen oefening inductie, zoals veranderingen in gedrag, motorische activiteit en slaap, voeding is gekoppeld kunnen ook worden gemeten met behulp van tools zoals de CAFE assay29 of activiteit toezicht apparaten12,15 ,30. Wijzigingen in genexpressie en cellulaire ademhaling toegeschreven om te oefenen, kunnen ook met behulp van methoden zoals qRT-PCR11 en respirometrie31worden gekwantificeerd. Ten slotte hebben Drosophila waardevolle genetische hulpbronnen beschikbaar, zoals het paneel voor de referentie van Drosophila genetica 2 en de Drosophila synthetische bevolking Resource waarmee onderzoekers het platform uit te voeren kwantitatieve genetische studies25,32. Deze tools kunnen toewijzing experimenten, bijvoorbeeld genoom-brede vereniging Studies en kwantitatieve Trait Loci, voor het identificeren van kandidaat-loci geassocieerd met lichaamsbeweging en dieet.
Studies voltooid met behulp van de tredmolen aangetoond dat, gemiddeld, oefening vermindert lichaamsgewicht, totale triglyceride opslag en glycogeen, terwijl het eiwitgehalte verhogen en klimmen prestaties11. Daarnaast waren er variabele reacties uit te oefenen over de geslachten en genotypen voor lichaamsgewicht, evenals triglyceriden, eiwit, glycogeen, glucose en activiteit niveaus11,15. Terwijl de variabiliteit van de respons te oefenen en dieet over genotypen en seks kan worden uitdagend om te interpreteren en, soms, contra-intuïtief, de bronnen van echte biologische variatie in natuurlijke populaties in acht genomen weerspiegelt. Als we streven naar het begrijpen van de diversiteit van de onderliggende factoren die bijdragen aan de hoge tarieven van MetS, zullen hulpmiddelen die het ontwarren van de relatieve rol van verschillende bijdragende factoren vergemakkelijken door het testen van deze factoren in modelorganismen essentieel zijn voor ons vermogen gepersonaliseerde interventies voor preventie en behandeling te ontwikkelen. Om de doeltreffendheid van oefening volledig te beoordelen, moet elk van deze factoren en hoe ze omgaan worden beschouwd wanneer het uitvoeren van experimenten en conclusies te formuleren.
De TW, net als de meeste andere vliegen fitnessapparaten, wordt beperkt in zijn vermogen te kwantificeren vliegen beweging. Onlangs, Watanabe en raadsel ontwikkeld de roterende oefening kwantificering (systeemvereisten), de ruggengraat van een TW gewijzigd met een activiteit controle eenheid (LAM25H) van de Drosophila Monitoring System serie15,21. Net als de TW, dit systeem maakt gebruik van roterende beweging voorzichtig ertoe oefening tijdens het gebruik van de LAM25H arm om te volgen en te kwantificeren vliegen activiteit, maar houdt een kleiner aantal flesjes (32 flesjes) dan de TW15. Voor high-throughput oefening studies, als kwantificering van de activiteit niet noodzakelijk of gewenst is, zorgt de TW voor een groter aantal van de steekproef. Het ontwerp van de TW kan ook worden gewijzigd vanuit het huidige formulier aangepast aan een groter aantal flesjes. Dit systeem, samen met andere bestaande methoden voor uitoefening, geholpen om vast te stellen dat de oefening niet alleen haalbaar in Drosophila is maar kan ook worden bestudeerd om te bepalen van het effect van fysieke activiteit op een verscheidenheid van fysiologische en moleculaire reacties 11,12,15. Dus, de TW, als een beproefde methode van het inducerende zachte oefening in vliegen, kan worden gebruikt om een grote variëteit aan biologische vragen sonde.
The authors have nothing to disclose.
We zouden graag bedanken Julie Jarnigan, Meredith Owens, Rachel Hill, Brandon Moye, Laura Mafla, Olivia Fish en de rest van de Reed-Lab voor hun hulp bij vliegen veehouderij en beeldverwerking. De oorspronkelijke tredmolen Sean Mendez gebouwd met de hulp van de UAB machine winkel. Voor deze studie financiering werd verstrekt door de NIH-R01 GM 098856 LKR en Undergraduate creativiteit en onderzoek Academy aan de Universiteit van Alabama KEL en BJW World.
Materials for TreadWheel Construction: | |||
Heavy Duty Vibration-Damping leveling Mount | McMaster-Carr | 60855K71 | Quantity: 4 |
Stainless Steel Ball Bearing | McMaster-Carr | 57155K306 | Quantity: 8 |
Plug-in Voltage Transformer (500MA, 120VAC input, 24 VAC output) | McMaster-Carr | 70235K16 | Quantity: 1 |
Compact Square-Face DC Gear motor | McMaster-Carr | 6409K23 | Quantity: 1 |
Tool Holder (clamps) | McMaster-Carr | 1723A22 | Quantity: 5 (10x) |
12L14 Carbon Steel Tight-Tolerance Rod | McMaster-Carr | 5227T24 | Quantity: 1 |
Set Screw Shaft Collar | McMaster-Carr | 6432K13 | Quantity: 8 |
Round-Belt Pulley | McMaster-Carr | 6284K51 | Quantity: 5 |
Dart Controls – 25 Max RPM, Electric AC DC Motor | McMaster-Carr | 13DV 1A | Quantity: 1 |
Materials for Fly Maintenace and Husbandry | |||
6 oz Square Bottom Bottles (polypropylene) | Genesee Scientific | 32-130 | Quantity: 1 |
35x10mm Petri Dishes | VWR | 82050-536 | Quantity: 1 |
Narrow Drosophila vials | Genesee Scientific | 32-116 | Quantity: 1 |
Flystuff Flypad | Genesee Scientific | 59-114 | Quantity: 1 |
Blowgun, Mini | Genesee Scientific | 54-104 | Quantity: 1 |
Materials for RING-like Assay: | |||
ImageJ software | NIH | https://imagej.nih.gov/ij/ | Quantity: 1 |
1 cM graph paper or drawn grid (at least 20 cM by 30 cM) | various | Quantity: 1 | |
digital camera with timer or smart phone with camera timer app | various | Quantity: 1 | |
Materials for Triglyceride Assay: | |||
Dewar Flask | VWR | 14200-960 | Quantity: 1 |
Serum Triglyceride Determination Kit | Sigma Aldrich | TRO100 | Quantity: 1 |
Cordless Pestle Motor | VWR | 47747-370 | Quantity: 1 |
Pestles | VWR | 47747-358 | Quantity: 1 |