Il TreadWheel utilizza il movimento rotatorio per indurre delicatamente esercizio in adulto Drosophila melanogaster sfruttando geotassi negativa, innata dei mosche. Per l’analisi delle interazioni tra fattori, come il genotipo, il sesso e dieta e loro effetto sui dosaggi fisiologici e molecolari ed esercizio permette di valutare la salute metabolica.
L’incidenza di malattie metaboliche complesse è aumentato a seguito di una diffusa transizione verso stili di vita di apporto calorico aumentato e livelli di attività abbassata. Queste malattie multifattoriali derivano da una combinazione di fattori genetici, ambientali e comportamentali. Una tale malattia complessa è la sindrome metabolica (MetS), che è un gruppo di disordini metabolici, tra cui l’ipertensione, l’iperglicemia e l’obesità addominale. Esercizio e intervento dietetico sono i trattamenti primari raccomandati dai medici per ridurre l’obesità e le sue malattie metaboliche successive. Intervento di esercizio, in particolare aerobica interval training, stimola i cambiamenti favorevoli nei comuni fattori di rischio per diabete mellito di tipo 2 (T2DM), malattia cardiovascolare (CVD) e altre condizioni. Con l’afflusso delle prove che descrive l’esercizio di effetto terapeutico ha sulla salute metabolica, che istituisce un sistema di modelli di esercitano in una regolazione controllata fornisce uno strumento prezioso per valutare gli effetti dell’esercizio in un contesto sperimentale. Drosophila melanogaster è un grande strumento per indagare i cambiamenti fisiologici e molecolari che derivano dall’intervento di esercizio. Le mosche hanno durate della vita breve e i meccanismi simili di metabolizzare le sostanze nutrienti rispetto agli esseri umani. Per indurre l’esercizio in Drosophila, abbiamo sviluppato una macchina chiamata il TreadWheel, che utilizza geotassi negativa, innata tendenza la Mosca a delicatamente indurre arrampicata. Questo consente ai ricercatori di effettuare esperimenti su larghe coorti di mosche geneticamente vari per comprendere meglio le interazioni genotipo-di-ambiente sottostante gli effetti dell’esercizio su salute metabolica.
Infanzia e adulti obesità stanno crescendo le epidemie nelle culture che consumano diete ad alto apporto caloriche e rimangano inattivo per lunghi periodi di tempo, che può portare a gravi conseguenze a lungo termine, tra cui l’insulino-resistenza, infiammazione cronica e artrosi 1 , 2 , 3 , 4. la prevalenza di questi disordini continua ad aumentare a causa dello squilibrio crescente apporto calorico e della spesa attribuita a elevato consumo di grassi e zuccheri e una vita prevalentemente sedentaria5. Corrispondentemente, questo squilibrio di energia ha portato ad un aumento dei casi di diabete mellito di tipo 2 (T2DM) e malattia cardiovascolare (CVD)5. Gli individui sono ad un elevato rischio di sviluppare entrambi i disordini se essi sono stati diagnosticati con disordine di sindrome metabolica (MetS), i cui sintomi includono l’obesità addominale e dislipidemia2. MetS è modellato da complesse interazioni tra genotipo e vari fattori ambientali, come la dieta ed esercizio6. Così, per ottenere una piena comprensione dei meccanismi di fondo di questa complessa malattia, tutti questi fattori devono essere considerati.
Quando si tratta di contrastare MetS, i medici raccomandano prima che subiscono cambiamenti di stile di vita che includono il consumo di una dieta sana, equilibrata e attività fisica2,7,8. Poiché i farmaci efficaci sono limitati e chirurgia di bypass gastrico è costosa e richiede un monitoraggio permanente del medico, intervento farmacologico e chirurgico è consigliato solo per i casi gravi e solo in combinazione con questi cambiamenti di stile di vita3 ,7,8. Mentre gli interventi di stile di vita, come esercizio fisico e dieta, è in grado di produrre e mantenere a lungo termine obiettivi di perdita di peso, o meno queste misure correttive completamente possono migliorare gli effetti negativi associati con MetS ha bisogno di ulteriore studio7, 8.
Modelli di mouse sono stati usati per esaminare gli effetti dell’esercizio su malattie metaboliche per anni; Tuttavia, l’introduzione di esercizio per volare ricerca il MetS è un relativamente recente endeavor9,10,11,12. Mosche forniscono il veicolo perfetto per studiare esercizio in un ambiente di laboratorio controllato, poiché essi sono facilmente manipolabili, hanno una durata breve, sono poco costoso da mantenere e vie metaboliche legate all’energia sono altamente conservati tra della drosofila e gli esseri umani13. D. melanogaster genomi sono ben caratterizzati, e c’è una ricchezza di strumenti di genetica disponibile per l’utilizzo in Drosophila che può fornire la comprensione in diversi genotipi e interazioni genotipo-di-ambiente che potrebbero modulare la effetto dell’esercizio sulla salute organismal14.
Attuali metodi di esercizio Drosophila richiamano tendenza della Mosca geotassi innata, negativo, l’istinto comportamentale a salire verso l’alto, per stimolare la scalata in adulti nell’ambito della loro recinzioni11,12,15 . La Power Tower, un metodo per stimolare esercizio in mosche, sistematicamente genera i recinti volare in verticale e poi cade loro indietro la superficie del banco, bussare efficacemente le mosche sul fondo del flaconcino, inducendo così loro istintuale geotassi negativa 12 , 16. esperimenti condotti utilizzando questa macchina ha mostrato che l’esercizio è un potente fattore protettivo contro molte malattie relative all’età, compreso CVD e T2DM e promuove l’invecchiamento sano12,17,18 . In particolare, hanno dimostrato che esercizio può ridurre l’insorgenza di declino senile mobilità in mosche e migliorare più sintomi relativi all’età, come prestazione cardiaca e lo stress risposta17,18. Tuttavia, controllo vola mai posizionato sulla Torre ha mostrata punteggi più elevati arrampicate rispetto quelli che avvertono la macchina, suggerendo che la forza delle gocce ripetitive può essere ferendo le mosche e che interessano la mobilità12. Questo suggerisce che un metodo alternativo di indurre esercizio che è meno forte ed evita che causa trauma fisico sarebbe un utile metodo complementare per la Power Tower protocollo16.
Per indurre delicatamente esercizio in Drosophila, abbiamo sviluppato una macchina di esercizio chiamata il TreadWheel (Figura 1). Il TreadWheel di (d’ora in poi abbreviato come TW) movimento rotatorio innesca la tendenza innata, negativo geotassi dei mosche ridefinendo costantemente alto gravitazionale delle fiale, che, a sua volta, stimola arrampicata nelle mosche. A differenza di altri metodi, il movimento di rotazione dei TW è intrinsecamente dolce, che riduce al minimo il numero di ulteriori fattori di stress che possono sorgere e influenzare i risultati. Così, la macchina fornisce i mezzi per indurre esercizio in gran numero di mosche senza indurre lo stress, che permetterà ai ricercatori di studiare gli effetti dell’esercizio su salute metabolica (Figura 2), invecchiamento, sonno e molti altri argomenti11.
Il nostro metodo segue un piramidale inverso, protocollo di allenamento intervallo, che in gran parte incorpora aspetti dell’intervallo aerobico (AIT) di formazione con qualche resistenza di addestramento di esercizio. Il regime standard di AIT è alterato in questo protocollo per aumentare gradualmente la durata di ciascun intervallo su un periodo di cinque giorni per promuovere la resistenza. AIT è stato particolarmente utile nel prevenire MetS rispetto a altri metodi di intervento ed era più efficace nell’inversione comuni fattori di rischio di sindrome metabolica rispetto continuo esercizio moderato19,20. Tuttavia, uno svantaggio di TW rispetto la Power Tower è che mosche habituate più rapidamente per il movimento di rotazione, così variazione nella tendenza innata a habituate tra le mosche può complicare l’interpretazione dei vantaggi di esercizio. 11 una soluzione elegante per questa limitazione è descritta da Watanabe e Riddle15 e loro complementari articolo21.
Il protocollo di allenamento dettagliato qui ha dimostrato di stimolare correttamente la ginnastica dolce in Drosophila e può essere utilizzato per simulare l’esercizio di resistenza in un laboratorio controllate l’impostazione11. Va notato che quando inizialmente sviluppando il concetto di TreadWheel, abbiamo considerato prodotti commerciali che possono essere modificati per eseguire allo stesso modo (per esempio, una rosticceria di laboratorio). Tuttavia, abbiamo in definitiva respinto questo approccio, scegliendo un design su misura perché l’apparecchiatura commerciale non ha avuto una velocità sufficientemente bassa (4 giri) e mancava di capacità sufficiente flaconcino per la generazione di alto-rendimento del campione.
Il protocollo TW stesso può essere regolato fino a comprendere una vasta gamma di argomenti di ricerca. Per esempio, regolando la frequenza e la durata dei regimi di esercizio dei mosche può alterare le intensità di outs del lavoro che ricevono. Estendendo il protocollo più lungo di una settimana o ad altri gruppi di età, sarebbe possibile studiare gli effetti dell’esercizio su invecchiamento e varie malattie età-correlate. Si consiglia che se un approccio esteso esercizio viene implementato, quindi almeno un giorno di riposo alla settimana deve essere aggiunto per consentire il recupero. Performance e miglioramento è stato indicato per essere maggiore nei regimi che comprendeva una giornata di recupero rispetto a quei regimi che usato consecutivi quotidiano esercizio12. Abbiamo anche, vorrei mettere in guardia contro la proroga esercizio bout lunghezze ultimi 30 min dal momento che l’assuefazione al movimento rotazionale può verificarsi dopo lunghi periodi di continuo esercitano11. Abbiamo anche osservato variazioni genetiche nella motivazione dei mosche per mantenere i loro livelli di attività su TW11. Quindi, se più lunghi periodi sono desiderati, considerare monitoraggio livelli di attività dei mosche, così come presentato da Watanabe e Riddle15,21 descrivendo loro modificazione del concetto TW. Altri fattori che potrebbero essere variati comprendono temperatura e modelli, che sono indicati per interessare anche fly movimenti26,27di sonno-risveglio.
C’è una pletora di analisi disponibili durante e dopo il completamento del protocollo per affrontare gli effetti dell’esercizio a livello fisiologico, comportamentale e molecolare, nonché il potenziale per svelare effetti epigenetici di esercizio. Ulteriori saggi metabolici (per esempio, glucosio, glicogeno e proteine), le prestazioni cardiache e risposta infiammatoria misure possono essere utilizzati per esplorare ulteriormente l’esercizio di effetto ha su volare fisiologia e corpo composizione12,14 ,24,28. Vari cambiamenti comportamentali associati ad induzione di esercizio, quali i cambiamenti nel comportamento, attività locomotrice e sonno, di alimentazione possono anche essere misurati utilizzando strumenti come il CAFE dosaggio29 o l’attività di monitoraggio dispositivi12,15 ,30. Cambiamenti nell’espressione genica e respirazione cellulare attribuito per esercitare possono essere quantificate anche utilizzando metodi come qRT-PCR11 e respirometry31. Infine, Drosophila hanno preziose risorse genetiche disponibili, come il pannello di riferimento di genetica della drosofila 2 e la risorsa di popolazione sintetica di Drosophila che forniscono ai ricercatori la piattaforma per eseguire studi di genetica quantitativa25,32. Questi strumenti consentono a esperimenti di mappatura, come mappatura del Genome-Wide Association Studies e Quantitative Trait Loci, per identificare loci candidati associati di dieta ed esercizio fisico.
Studi completati utilizzando il TreadWheel ha dimostrato che, in media, esercizio diminuisce il peso corporeo, accumulo totale dei trigliceridi e glicogeno, mentre aumentando il contenuto di proteine e arrampicata prestazioni11. Ulteriormente, ci erano risposte variabile all’esercizio fisico tra i sessi e genotipi per peso corporeo, così come i trigliceridi, proteina, glicogeno, glucosio e attività livelli11,15. Mentre la variabilità della risposta all’esercizio fisico e dieta tra genotipi e sesso può essere difficile da interpretare e, a volte, controintuitivo, essa riflette le fonti di variazione reale biologica osservata nelle popolazioni naturali. Come ci sforziamo di capire la diversità dei fattori sottostanti che contribuiscono ai tassi alti di MetS, strumenti che facilitano la districante il ruolo relativo dei vari fattori che contribuiscono testando questi fattori in organismi modello sarà fondamentali per la nostra capacità per sviluppare interventi di prevenzione e trattamento personalizzati. Per valutare appieno l’efficacia dell’esercizio, ciascuno di questi fattori e come interagiscono fra loro deve essere considerato quando lo svolgimento di esperimenti e la formulazione di conclusioni.
La TW, come maggior parte delle altre macchine esercizio volare, è limitata nella sua capacità di quantificare volare. Recentemente, Watanabe e Riddle ha sviluppato il rotante esercizio quantificazione sistema (Rich), un backbone TW modificato con un’attività di monitoraggio unità (LAM25H) dal sistema di monitoraggio della drosofila serie15,21. Come la TW, questo sistema utilizza il moto rotatorio per indurre delicatamente esercizio mentre usando il braccio LAM25H per monitorare e quantificare le attività di volare, ma contiene un minor numero di flaconcini (32 fiale) rispetto al TW15. Per gli studi di esercizio ad alta velocità, se la quantificazione di attività non è necessaria o desiderata, la TW consente un maggior numero di campione. Il design TW potrebbe essere modificato anche dalla sua attuale forma per ospitare un maggior numero di flaconcini. Questo sistema, insieme ad altri metodi di esercizio esistenti, ha contribuito a stabilire che l’esercizio non solo è realizzabile in Drosophila ma possa anche essere studiata per determinare l’effetto di attività fisica su una varietà di risposte fisiologiche e molecolari 11,12,15. Così, la TW, come un metodo provato di indurre la ginnastica dolce in mosche, utilizzabile per una grande varietà di domande biologiche della sonda.
The authors have nothing to disclose.
Vorremmo ringraziare Julie Jarnigan, Meredith Owens, Rachel Hill, Brandon Moye, Laura Mafla, Olivia Fish e il resto del laboratorio Reed per il loro aiuto con allevamento di volare ed elaborazione di immagini. Sean Mendez costruito il TreadWheel originale con l’assistenza di officina meccanica UAB. Finanziamenti per questo studio è stato fornito da NIH-R01 GM 098856 LKR Undergraduate creatività e Accademia di ricerca presso l’Università di Alabama a KEL e 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 |