TreadWheel משתמשת תנועה סיבובית לזירוז תרגיל למבוגרים דרוזופילה melanogaster בעדינות על ידי ניצול geotaxis של הזבובים מולדת, שלילי. היא מאפשרת ניתוח של אינטראקציות בין פעילות גופנית לבין גורמים, כגון גנוטיפ, סקס, תזונה, ועל השפעתם על מבחני מולקולרית, פיזיולוגיים להערכת הבריאות המטבולית.
השכיחות של מחלות מטבוליות מורכבת גדל עקב מעבר נרחבת לקראת אורח חיים של צריכת הקלוריות מוגבר, רמות פעילות הוריד. מחלות multifactorial אלו נובעים משילוב של גורמים גנטיים, סביבתיים התנהגותית. מחלה מורכבת אחד כזה הוא תסמונת מטבולית (גרורות), אשר יש מקבץ של הפרעות מטבוליות, כולל יתר לחץ דם, היפרגליקמיה, השמנה של הבטן. תרגיל התערבות תזונתיים העיקרי הטיפולים המומלץ על ידי רופאים כדי להמתיק השמנת יתר ומחלות מטבוליות העוקבים שלה בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד. תרגיל התערבות, בפרט אירובי מרווח אימון, מעורר שינויים חיוביים גורמי הסיכון הנפוצים עבור סוכרת סוג 2 (T2DM), מחלות לב וכלי דם (CVD) תנאים אחרים. בשטף של ראיות המתאר את התרגיל האפקט הטיפולי יש על בריאות מטבולית, הקמת מערכת מודלים להתאמן באווירה מבוקרת מספק כלי חשוב להערכת ההשפעות של פעילות גופנית בהקשר ניסיוני. דרוזופילה melanogaster הוא כלי נהדר עבור חוקרים את השינויים הפיזיולוגיים ומולקולרית שנוצרו כתוצאה מהתערבות תרגיל. הזבובים לכלבים קצר ויש מנגנונים דומים של חילוף חומרים מזינים לעומת בני אדם. כדי ליצור תרגיל דרוזופילה, פיתחנו מכונה בשם TreadWheel, אשר מנצל נטייה של הזבוב מולדת, שלילי geotaxis לזירוז בעדינות טיפוס. דבר זה מאפשר לחוקרים לבצע ניסויים על קוהורטות גדולות של הזבובים מגוונת מבחינה גנטית כדי להבין טוב יותר את האינטראקציות גנוטיפ-מאת-הסביבה שבבסיס את ההשפעות של פעילות גופנית על בריאות מטבולית.
ילדות והשמנה למבוגרים גדלים מגיפות התרבויות צורכים תזונה קלורי גבוה, בבטלה לתקופות ממושכות של זמן, אשר יכול להוביל השלכות לטווח ארוך חמורות, לרבות תנגודת לאינסולין, דלקת כרונית, דלקת מפרקים ניוונית 1 , 2 , 3 , 4. השכיחות של הפרעות אלה ממשיך לעלות בשל חוסר איזון הגוברת של צריכת הקלוריות וההוצאות מיוחסות הצריכה גבוהות של שומנים, סוכרים, בעיקר ולנהל אורח חיים5. בהתאמה, חוסר איזון אנרגיה הוביל עלייה במקרים של סוכרת סוג 2 (T2DM), מחלות לב וכלי דם (CVD)5. אנשים נמצאים בסיכון גבוה יותר לפתח הפרעות שני אם הם אובחנו עם הפרעה תסמונת מטבולית (גרורות), אשר התסמינים כוללים השמנה של הבטן, dyslipidemia2. המטס מעוצב על ידי מורכבות האינטראקציות בין גנוטיפ וגורמים סביבתיים שונים, כגון דיאטה ופעילות גופנית6. לכן, כדי להשיג הבנה מלאה של המנגנון הבסיסי של מחלה מורכבת זו, כל הגורמים הללו יש לשקול.
כאשר מדובר במאבק נגד המטס, הרופאים ממליצים קודם שעברו שינויים באורח החיים הכוללות אכילה תזונה בריאה, מאוזנת, פעילות גופנית-2,–7,–8. מאז תרופות יעילות מוגבלת, ולא ניתוח מעקף קיבה יקר ומצריך מעקב רפואי לכל החיים, תרופתי וכירורגי התערבות זו מומלצת רק במקרים חמורים ולא רק בשילוב עם אלה שינויים באורח החיים3 7, ,8. בעוד התערבויות באורח החיים, כגון פעילות גופנית ודיאטה, ניתן לייצר ולשמור על המטרות ארוכות הטווח של אובדן משקל, או לא אלה צעדים מתקנת ניתן באופן מלא להפחיתם ההשפעות השליליות הקשורות המטס צריך המשך מחקר7, 8.
העכבר הדגמים השתמשו כדי לבחון את ההשפעה של פעילות גופנית על מחלות מטבוליות במשך שנים; אולם, כניסתה של תרגיל לטוס מחקר על הגרורות הוא יחסית לאחרונה העשייה9,10,11,12. זבובים לספק את הרכב המושלם ללמוד התעמלות בסביבה מעבדתית מבוקרת, מאז הם בקלות הם מניפולציה, יש אורך חיים קצר, הם זולים לשמור על, ואין מסלולים מטבוליים הקשורה לאנרגיה מאוד נשמרים בין דרוזופילה בני13. הגנום melanogaster ד מאופיינים היטב, ויש שפע של כלים גנטיקה זמין לשימוש ב דרוזופילה שיכול לספק תובנה שונים אחרים, אינטראקציות גנוטיפ-מאת-הסביבה יכול לווסת השפעת פעילות גופנית על בריאות organismal14.
שיטות הנוכחי של פעילות גופנית דרוזופילה להפעיל את הנטייה geotaxis מולדת, שלילי של הזבוב, האינסטינקט התנהגותית לטפס כלפי מעלה, כדי לעורר טיפוס אצל מבוגרים בתוך שלהם מתחמים11,12,15 . מגדל כוח, שיטה אחת כדי לעורר פעילות גופנית בזבובים, באופן שיטתי מעלה מתחמים לטוס אנכית ומוריד ואז אותם בחזרה אל פני השטח ספסל, יעיל דפיקות הזבובים לתחתית המבחנה, ובכך גרימת geotaxis שלילי האינסטינקטיבית שלהם 12 , 16. ניסויים שנערכו באמצעות מכונה זו הראו כי פעילות גופנית היא גורם מגן מפני מחלות רבות הקשורות לגיל, כולל CVD ו- T2DM, ומקדם את הזדקנות בריאה12,17,18 . באופן ספציפי, הם הראו כי פעילות גופנית יכולה להפחית את התחלתה של ירידה ניידות הקשורות לגיל זבובים לשפר מרובות הקשורות לגיל סימפטומים, כמו הלב ביצועים, להדגיש תגובה17,18. עם זאת, שליטה זבובים מעולם לא הניח על המגדל הראה טיפוס ציונים גבוהים יותר מאשר אלה חווים את המכונה, רומז שבכוח הטיפות חוזרות עשויים להיות ופצעו את הזבובים ומשפיע ניידות12. הדבר מצביע על כי שיטה חלופית של גרימת פעילות מצומצמת יותר, ימנע גרימת טראומה פיזית תהיה שיטה שימושית, משלימים פרוטוקול מגדל כוח16.
לזירוז בעדינות תרגיל דרוזופילה, פיתחנו מכונת תרגיל שנקרא את TreadWheel (איור 1). TreadWheel של (מעתה ואילך באופן מקוצר כ- TW) תנועה סיבובית מעורר נטייה מולדת, שלילי geotaxis הזבובים על ידי כל הזמן הגדרה מחדש בראש כוח הכבידה הבקבוקונים, אשר, בתורו, מעוררת טיפוס עם הזבובים. בניגוד לשיטות אחרות, תנועת הסיבוב TW הוא מטבעו עדין, אשר תצמצם את מספר לחצים נוספים אשר עשויים להיווצר, להשפיע על התוצאות. לפיכך, המכונה מספק את האמצעים לזירוז תרגיל במספרים גדולים של הזבובים ללא גרימת לחץ, אשר יאפשר לחוקרים לחקור את ההשפעות של פעילות גופנית על בריאות מטבולית (איור 2), הזדקנות, שינה רבים אחרים נושאים11.
השיטה שלנו עוקב אחר של ההופכי כפירמידה, פרוטוקול אימונים מרווח, אשר במידה רבה משלבת היבטים של אירובי מרווח אימון (AIT) עם קצת התמדה תרגיל אימונים. המשטר AIT סטנדרטית היא שונה ב פרוטוקול זה כדי להגדיל בהדרגה את משך כל מרווח במשך חמישה ימים כדי לקדם את הסיבולת. AIT כבר יעילה במיוחד במניעת המטס ביחס שיטות התערבות אחרות, היה יעיל יותר היפוך של תסמונת מטבולית גורמי סיכון מאשר פעילות גופנית מתונה רציף19,20. עם זאת, חיסרון של TW ביחס למגדל כוח היא זבובים habituate מהר יותר את התנועה מסתובב, ובכך וריאציה של נטייה מולדת habituate בין הזבובים יכול לסבך את הפרשנות של היתרונות של פעילות גופנית. 11 פתרון אלגנטי על מגבלה זו מתוארת על ידי וואטאנאבה, החידה15 שלהם משלימים סעיף21.
פרוטוקול תרגיל מפורט כאן הוכח לעורר בהצלחה תרגיל עדין דרוזופילה והוא יכול לשמש כדי לדמות סיבולת תרגיל במעבדה מבוקרת הגדרת11. יודגש כי כאשר בתחילה בפיתוח הרעיון TreadWheel, שקלנו מוצרים מסחריים עשוי להיות שונה כדי לבצע באופן דומה (למשל, לירג מעבדה). עם זאת, אנחנו בסופו של דבר דחה גישה זו, בחירה בעיצוב לפי הזמנה כי ציוד מסחרי לא היה מהירות כשעוצמת נמוכה מספיק (4 סל ד) ולא חסרה קיבולת מספיקה מבחנה לדור מדגם תפוקה גבוהה.
פרוטוקול ה-TW עצמו יכול להיות מותאם כדי להקיף מגוון רחב של נושאי מחקר. לדוגמה, התאמת את התדירות והמשך של הזבובים תרגיל משטרים יכול לשנות עוצמות אימונים שהם מקבלים. על-ידי הרחבת פרוטוקול ארוך יותר מאשר שבוע אחד או בקבוצות גיל אחרות, אפשר היה לחקור את ההשפעות של פעילות גופנית על הזדקנות, מחלות שונות הקשורות לגיל. אנו ממליצים כי אם גישה מורחבת תרגיל מיושם, יתווספו לאחר מכן יום מנוחה אחד לפחות בשבוע צריך לאפשר התאוששות. ביצועים ושיפור הוצגה להיות גדול תחת משטרים שכלל יום התאוששות יותר לאותם משטרים שהיו רצופים התרגיל היומי12. כמו כן, אנו מזהיר נגד הרחבת פעילות גופנית לגבי אורך 30 דקות האחרונות מאז habituation כדי תנועה סיבובית עלולה להתרחש לאחר תקופות ארוכות של רציף תרגיל11. הבחנו גם וריאציות גנטיות מוטיבציה של הזבובים לשמור על רמות הפעילות שלהם על ה TW11. לפיכך, אם התקפי יותר הם הרצויה, לשקול ניטור הזבובים רמות הפעילות, כפי שהוצגו על ידי וואטאנאבה, החידה15,21 המתאר את השינוי של הקונספט שנ. גורמים אחרים יכול להיות מגוון כוללים חום, שינה-התעוררות דפוסים, אשר מוצגים גם להשפיע על תנועות לטוס26,27.
יש שפע של ניתוחים זמין במהלך ולאחר השלמת פרוטוקול לפנות את ההשפעות של פעילות גופנית על רמת, התנהגותית, הפיזיולוגית, כמו גם את היכולת לפענח תופעות epigenetic של פעילות גופנית. מבחני מטבוליים נוספים (למשל, גלוקוז גליקוגן, חלבון), ביצועים לב, תגובה דלקתית אמצעי יכול לשמש על מנת לחקור את התרגיל אפקט יש לטוס פיזיולוגיה וגוף הרכב12,14 24, ,28. שינויים התנהגותיים שונים הקשורים עם פעילות גופנית אינדוקציה, כגון שינויים האכלה התנהגות פעילות גינקולוגיות, שינה, גם ניתן למדוד באמצעות כלים כמו assay CAFE29 או פעילות פיקוח על התקנים12,15 ,30. ניתן לכמת שינויים ביטוי גנים וכן נשימה תאית לייחס להתאמן גם בשיטות PCR לרביעיית11 ו- respirometry31. לבסוף, דרוזופילה יש ערך גנטי משאבים זמינים, כגון החלונית Reference גנטיקה דרוזופילה 2 והמשאב דרוזופילה סינתטי האוכלוסייה המספקות חוקרים את הפלטפורמה לביצוע מחקרים גנטיים כמותיים25,32. כלים אלה מאפשרים מיפוי ניסויים, כגון מיפוי הגנום כולו האגודה מחקרים ו לוקוסים תכונה כמותית, לזהות המועמד לוקוסים הקשורים עם פעילות גופנית ותזונה.
מחקרים שהושלמו באמצעות TreadWheel את הדגים, בממוצע, פעילות גופנית מפחיתה במשקל הגוף, הטריגליצרידים הכולל אחסון גליקוגן, תוך הגדלת תכולת החלבון וטיפוס ביצועים11. בנוסף, היו תגובות משתנה לממש בכל המינים ואת אחרים במשקל הגוף, כמו גם רמות טריגליצרידים, חלבון, גליקוגן, גלוקוז של פעילות רמות11,15. בעוד ההשתנות של תגובה תרגיל ו דיאט על פני אחרים, מין עשויה להיות מאתגרת לפרש, לעיתים, שלא נראית מציאותית, הוא משקף מקורות וריאציה ביולוגי אמיתי נצפתה באוכלוסיות טבעיות. אנו משתדלים להבין את הגיוון של הגורמים הבסיסיים התורמים שיעור גבוה של המטס, כלים המאפשרים disentangling את התפקיד היחסי של הגורמים התורמים שונים על-ידי בדיקת גורמים אלה היצורים מודל יהיה קריטי ליכולת שלנו לפתח התערבויות מניעה וטיפול אישי. באופן מלא, כדי להעריך את האפקטיביות של פעילות גופנית כל הגורמים הללו, כיצד הם פועלים הדדית יש לקחת בחשבון בעת עריכת ניסויים, גיבוש מסקנות.
TW, כמו שאר מכשירי כושר לעוף, היא מוגבלת ביכולתה לכמת תנועה לעוף. לאחרונה, וואטאנאבה, החידה פיתח את סיבוב תרגיל כימות מערכת (REQS), שדרה TW ששינה עם פעילות ניטור יחידת (LAM25H) של מערכת ניטור דרוזופילה סדרה15,21. כמו TW, מערכת זו משתמשת לאופקית לזירוז בעדינות את התרגיל תוך שימוש בזרוע LAM25H כדי לעקוב אחר לכמת פעילות לטוס, אבל היא מחזיקה מספר קטן יותר של צלוחיות (32 בקבוקונים) מאשר ה TW15. ללימודים תפוקה גבוהה פעילות גופנית, אם פעילות כימות אינו נחוץ או הרצוי, TW מאפשר למספר מדגם גדול יותר. העיצוב TW יכול גם להיות שונה מן במתכונתה הנוכחית כדי להכיל מספר רב יותר של בקבוקונים. מערכת זו, יחד עם שיטות אחרות קיימת פעילות גופנית, עזר להקים פעילות גופנית אינה רק בהגעה דרוזופילה , אבל גם ניתן יהיה ללמוד כדי לקבוע את ההשפעה של פעילות גופנית על מגוון רחב של תגובות פיזיולוגיות ומולקולרית 11,12,15. לפיכך, TW, כשיטה מוכחת של גרימת תרגיל עדין זבובים, יכול לשמש כדי לחקור מגוון גדול של השאלות הביולוגיות.
The authors have nothing to disclose.
ברצוננו להודות Jarnigan ג’ולי, מרדית אוונס, רחל היל, ברנדון Moye, לורה מאפיה? הם פה, אוליביה דגים, וכל השאר של המעבדה ריד על עזרתם עם זבוב גידול ועיבוד תמונה. שון מנדז בנה את TreadWheel המקורי עם סיוע מהמוסך UAB. מימון למחקר זה סופק על ידי NIH-R01 GM 098856 כדי LKR ואת היצירתיות לתואר ראשון האקדמיה מחקר ב אוניברסיטת אלבמה קל, BJW.
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 |