TreadWheel bruker roterende bevegelse å forsiktig indusere øvelse i voksen Drosophila melanogaster ved å utnytte fluer medfødt, negative geotaxis. Det tillater for analyse av samspillet mellom trening og faktorer, for eksempel genotype, sex, og diett og deres innvirkning på fysiologiske og molekylære analyser å vurdere metabolske helse.
Forekomsten av komplekse metabolske sykdommer har økt som følge av en utbredt overgangen mot livsstil økt kalori inntak og senket aktivitetsnivå. Disse multifaktoriell sykdommer oppstår fra en kombinasjon av genetisk, miljø- og atferdsmessige faktorer. En slik komplisert sykdom er Metabolsk syndrom (MetS), som er en klynge av metabolske forstyrrelser, inkludert hypertensjon, hyperglykemi og abdominal fedme. Trening og kosttilskudd intervensjon er de primære behandlingene anbefalt av leger å redusere fedme og dens påfølgende metabolske sykdommer. Øvelse intervensjon, spesielt aerobic intervalltrening, stimulerer gunstige endringer i felles risikofaktorer for Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM), hjerte sykdom (CVD) og andre forhold. Tilstrømningen av bevis har som beskriver den terapeutiske effekt øvelsen på metabolske helse, etablere et system som modeller trening i en kontrollert setting gir et verdifullt verktøy for å vurdere effekten av trening i eksperimentell sammenheng. Drosophila melanogaster er et flott verktøy for å undersøke de fysiologiske og molekylære endringene som følge av trening intervensjon. Fluene har kort lifespans og lignende mekanismer metabolizing næringsstoffer i forhold til mennesker. For å indusere øvelse i Drosophila, utviklet vi en maskin som kalles TreadWheel, som utnytter fly’s medfødte, negative geotaxis tendens til å indusere forsiktig klatring. Dette gjør at forskere å utføre eksperimenter på store kohorter av genetisk ulike fluer å forstå genotype-av-miljø samhandlingene underliggende effekten av trening på metabolske helse.
Barndom og voksen fedme vokser epidemier i kulturer som bruker høy kalori dietter og være inaktiv over lengre tid, som kan føre til alvorlig langsiktige konsekvenser, herunder insulinresistens, kronisk betennelse og slitasjegikt 1 , 2 , 3 , 4. utbredelsen av disse lidelser fortsetter å stige på grunn av den voksende ubalansen i kaloriinntaket og utgifter til opphøyet forbruk av fett og sukker og en hovedsakelig stillesittende livsstil5. Tilsvarende har ubalansen energi ført til en økning i tilfeller av Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM) og hjerte sykdom (CVD)5. Individer har høyere risiko for å utvikle begge lidelser hvis de har blitt diagnostisert med sykdommen Metabolsk syndrom (MetS), som har symptomer inkluderer abdominal fedme og dyslipidemi2. MetS er formet av komplekse samspillet mellom genotype og ulike miljømessige faktorer, som kosthold og mosjon6. Derfor, for å få en full forståelse av de underliggende mekanismene denne komplekse sykdommen, alle disse faktorene bør vurderes.
Når det gjelder bekjempelse MetS, anbefale leger først gjennomgår livsstilsendringer som inkluderer å spise et sunt, balansert kosthold og fysisk aktivitet2,7,8. Siden effektive medisiner er begrenset og gastric bypass operasjon er dyrt og krever livslang medisinsk overvåking, anbefales farmakologiske og kirurgisk inngrep bare for alvorlige tilfeller og i kombinasjon med disse livsstilsendringer3 ,7,8. Mens livsstil intervensjoner, som trening og slanking, kan produsere og opprettholde langsiktig vekttap mål, må hvorvidt disse korrigerende tiltak kan fullt bøte negative effekter knyttet MetS lære7, 8.
Musen modeller har blitt brukt til å undersøke effekten av trening på metabolske sykdommer i år; innføring av trening fly forskning på MetS er imidlertid en relativt ny forsøke9,10,11,12. Fluer gir den perfekte bilen for å studere trening i en kontrollert laboratorium, siden de er lett manipulert, har en kort levetid, er billig å opprettholde, og energi-relaterte metabolske veier er svært bevart mellom Drosophila og mennesker13. D. melanogaster genomer blir godt preget, og det er et vell av genetikk verktøy tilgjengelig for bruk i Drosophila som kan gi innsikt i ulike genotyper og genotype-av-miljø interaksjoner som kunne modulerer til effekten av trening på organismebiologi helse14.
Aktuelle metoder for trening Drosophila påkalle fly’s medfødte, negative geotaxis tendenser, atferdsmessige instinkt å klatre oppover, å stimulere klatring i voksne i deres vedlegg11,12,15 . Power tårnet, en metode å stimulere øvelse i fluer, reiser systematisk fly vedleggene vertikalt og deretter faller dem tilbake til benken overflaten, effektivt slå fluene til bunnen av hetteglass, dermed indusere deres instinktive negative geotaxis 12 , 16. eksperimenter utført med denne maskinen viste at øvelsen er en kraftig beskyttende faktor mot mange alder-relaterte sykdommer, inkludert CVD og T2DM, og fremmer sunn aldring12,17,18 . Spesielt vist de at trening kan redusere utbruddet av alder-relaterte mobilitet nedgang i fluer og forbedre flere alder-relaterte symptomer som cardiac ytelse og stress respons17,18. Men flyr kontroll aldri plassert på tårnet viste høyere klatring score enn de opplever maskinen, tyder kraft av gjentatte dråper kan være skadet fluene og påvirke mobilitet12. Dette tyder på at en alternativ metode for å indusere øvelse som er mindre sterkere og unngår fysiske traumer ville være en nyttig og utfyllende til Power Tower protokollen16.
For å indusere forsiktig øvelse i Drosophila, utviklet vi en øvelse machine kalt TreadWheel (figur 1). TreadWheel er (heretter forkortet til TW) roterende bevegelse utløser fluene medfødt, negative geotaxis tendens av stadig redefinere gravitasjons øverst hetteglass, som igjen stimulerer klatring i fluene. I motsetning til andre metoder er roterende bevegelse av TW iboende milde, som minimerer antall ekstra stressfaktorer som kan oppstå og påvirke resultatene. Dermed gir maskinen midler til å indusere øvelse i stort antall fluer uten å indusere stress, noe som vil muliggjøre forskere til å studere virkningene av øvelse metabolsk helse (figur 2), aldring, sove og mange andre emner11.
Vår metode følger en invers pyramideformet, intervall trening-protokollen, som hovedsakelig inneholder aspekter av aerobic intervalltrening (AIT) med noen utholdenhet trening trening. Standard AIT regimet endres i denne protokollen til å gradvis øke varigheten av hvert intervall over en fem-dagers periode å fremme utholdenhet. AIT er spesielt nyttig i å forebygge MetS i forhold til andre og effektiv mer reversere Metabolsk syndrom felles risikofaktorer enn kontinuerlig moderat trening19,20. En ulempe av TW i forhold til makt tårnet er imidlertid at flyr raskt venne til roterende bevegelse, dermed variasjon i medfødte tendens til å venne blant fluene kan komplisere tolkningen av fordelene ved trening. 11 en elegant løsning på denne begrensningen beskrives av Watanabe og gåten15 og deres utfyllende artikkel21.
Trening protokollen finnesher har vist seg å kunne stimulere mild øvelse i Drosophila og kan brukes til å simulere utholdenhet trening i et kontrollert laboratorium sette11. Det bør bemerkes at når først utvikle TreadWheel konseptet, vi betraktet som kan endres for å utføre tilsvarende (f.eks, en laboratorium drikke). Men, vi til slutt avvist denne velge spesialbygde design fordi kommersielle utstyret ikke har en tilstrekkelig lav rotasjonshastighet (4 rpm) og manglet medisinglass kapasitet for høy gjennomstrømming eksempel generasjon.
TW protokollen kan justeres for å omfatte en rekke forskningstema. For eksempel kan justere hyppighet og varighet av fluene trening regimer endre intensitet arbeid-outs de mottar. Ved å utvide protokollen lenger enn en uke eller andre aldersgrupper, ville det være mulig å studere virkningene av trening på aldring og ulike alder-relaterte sykdommer. Det anbefales at hvis en utvidet øvelse tilnærming er implementert, deretter minst en hviledag per uke skal legges slik at utvinning. Ytelse og forbedring viste seg å være større i regimer som inkludert gjenoppretting dag enn de regimer som brukes fortløpende daglig mosjon12. Også ville vi forsiktig mot utvide øvelse bout lengder siste 30 min siden habituering til roterende bevegelse kan forekomme etter lange perioder med kontinuerlig utøve11. Vi har også observert genetisk variasjoner i fluer motivasjon til å opprettholde deres aktivitetsnivå TW11. Hvis lengre perioder er ønskelig, vurderes overvåking fluene aktivitetsnivå, som presenteres av Watanabe og gåten15,21 beskriver endringen av TW konseptet. Andre faktorer som kan varieres inkluderer temperatur og sove-våkne mønstre, som er vist å påvirke fly bevegelser26,27.
Det er en mengde tilgjengelig analyser under og etter protokollen å håndtere virkningene av trening på fysiologiske, atferdsmessige og molekylære nivået, samt potensial til å rakne epigenetic effekten av trening. Flere metabolske analyser (f.eks glukose, glykogen og protein), hjertestans ytelse og betennelsesreaksjon tiltak kan brukes å utforske mer effekt øvelsen har på fly fysiologi og kropp komposisjon12,14 ,24,28. Ulike opptreden endre forbundet med trening induksjon, for eksempel endringer i fôring atferd, locomotor aktivitet og søvn kan også måles ved hjelp av verktøy som CAFE analysen29 eller aktivitet overvåking enheter12,15 ,30. Endringer i genuttrykk og cellular respirasjon tilskrives trening kan også kvantifiseres bruker metoder som qRT PCR11 og respirometry31. Endelig har Drosophila verdifull plantegenetiske ressurser tilgjengelig, som Drosophila genetikk referanse panelet 2 og Drosophila syntetiske befolkningen ressursen som gir forskere plattformen utføre kvantitative genetiske studier25,32. Disse verktøyene gjør kartlegging eksperimenter, som genomet hele Association studier og kvantitative egenskap Loci kartlegging, identifisere kandidat loci forbundet med trening og kosthold.
Studiene fullført i TreadWheel viste at gjennomsnittlig øvelse reduserer kroppsvekt, totalt triglyserider lagring og glykogen, mens øke proteininnhold og klatring ytelse11. I tillegg var det variabel Svar å utøve over kjønn og genotyper for kroppsvekt, samt triglyserider, protein, glykogen, glukose og aktivitet nivåer11,15. Mens variasjon av respons trening og kosthold over genotyper og sex kan være utfordrende å tolke og, til tider counterintuitive, det gjenspeiler kildene til ekte biologiske variasjon i naturlige populasjoner. Som vi streber etter å forstå mangfoldet av underliggende faktorer som bidrar til høye priser på MetS, vil verktøy som letter disentangling relative rollen ulike medvirkende faktorer ved å teste disse faktorene i modellen organismer være avgjørende for vår evne til utvikle personlig forebygging og behandling intervensjoner. Å fullt ut vurdere effektiviteten av trening, må hver av disse faktorene og hvordan de samhandler vurderes når gjennomfører eksperimenter og formulere konklusjoner.
TW, som de fleste andre fly treningsapparater, er begrenset i sin evne å kvantifisere fly bevegelse. Nylig utviklet Watanabe og gåten den roterende øvelse kvantifisering System (REQS), en TW ryggrad endret med en aktivitet overvåking enhet (LAM25H) fra Drosophila Monitoring System serien15,21. Som TW, dette systemet bruker roterende bevegelse for å indusere forsiktig trening mens du bruker LAM25H armen spore og kvantifisere fly aktivitet, men den har et mindre antall ampuller (32 flasker) enn TW15. Hvis aktivitet kvantifisering ikke er nødvendig eller ønsket, kan TW for høy gjennomstrømming Øvelse studier, for eksempel flere. TW design kan også endres fra sin nåværende form til et større antall hetteglass. Dette systemet, sammen med andre eksisterende øvelses metoder, bidro til å etablere at trening er ikke bare oppnåelig i Drosophila men også kan studeres for å fastslå effekten av fysisk aktivitet på en rekke fysiologiske og molekylære svar 11,12,15. Dermed kan TW, som en velprøvd metode for å indusere mild øvelse i fluer, brukes å undersøke en rekke biologiske spørsmål.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne takke Julie Jarnigan, Meredith Owens, Rachel Hill, Brandon Moye, Laura Mafla, Olivia Fish og resten av Reed laboratoriet for deres hjelp med fly husbandry og bildebehandling. Sean Mendez bygget den opprinnelige TreadWheel med assistanse fra UAB maskin butikk. Finansiering for denne studien ble levert av NIH-R01 GM 098856 til LKR og lavere kreativitet og forskning Academy ved University of Alabama KEL og 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 |