La rueda utiliza el movimiento de rotación para inducir suavemente el ejercicio en adultos de Drosophila melanogaster explotando geotaxis negativa, innata de moscas. Permite análisis de las interacciones entre ejercicio y factores como el genotipo, sexo, dieta y su efecto en ensayos fisiológicos y moleculares para evaluar salud metabólica.
La incidencia de enfermedades metabólicas complejas ha aumentado como resultado de una transición generalizada hacia estilos de vida de aumento en la ingesta calórico y los niveles de actividad baja. Estas enfermedades multifactoriales se presentan de una combinación de factores genéticos, ambientales y conductuales. Una de esas enfermedades compleja es síndrome metabólico (MetS), que es un grupo de trastornos metabólicos, incluyendo hipertensión, hiperglucemia y obesidad abdominal. Ejercicio e intervención dietética son los tratamientos primarios recomendados por los médicos para mitigar la obesidad y sus enfermedades metabólicas subsiguientes. Intervención de ejercicios, entrenamiento, en especial aeróbico interválico estimula cambios favorables en los factores comunes de riesgo para Diabetes Mellitus de tipo 2 (T2DM), Enfermedad Cardiovascular (ECV) y otras condiciones. Con la llegada de pruebas describiendo el ejercicio efecto terapéutico tiene en la salud metabólica, establecer un sistema de modelos de ejercen en un ambiente controlado proporciona una valiosa herramienta para evaluar los efectos del ejercicio en un contexto experimental. Drosophila melanogaster es una gran herramienta para la investigación de los cambios fisiológicos y moleculares que resultan de la intervención de ejercicios. Las moscas tienen vida corta y mecanismos similares de metabolizar nutrientes en comparación con los seres humanos. Para inducir el ejercicio en Drosophila, se desarrolló una máquina llamada la rueda, que utiliza la tendencia de geotaxis negativa, innata de la mosca para inducir suavemente a subir. Esto permite a los investigadores a realizar experimentos en grandes cohortes de moscas genéticamente diversas para comprender mejor las interacciones genotipo por ambiente subyacente a los efectos del ejercicio sobre la salud metabólica.
Infancia y obesidad adultos están creciendo las epidemias en las culturas que consumen dietas altas en calorías y permanecen inactivo durante largos períodos de tiempo, que puede conducir a graves consecuencias a largo plazo, incluyendo resistencia a la insulina, la inflamación crónica y osteoartritis 1 , 2 , 3 , 4. la prevalencia de estos trastornos sigue aumentando debido al creciente desequilibrio en la ingesta calórica y el gasto atribuido al elevado consumo de grasas y azúcares y un sedentarismo principalmente5. En consecuencia, este desequilibrio de la energía ha llevado a un aumento en casos de Diabetes Mellitus de tipo 2 (T2DM) y Enfermedad Cardiovascular (ECV)5. Los individuos están en un riesgo mayor de desarrollar ambas patologías si ha sido diagnosticados con el trastorno, el síndrome metabólico (MetS), cuyos síntomas incluyen obesidad abdominal y dislipidemia2. MetS se forma por las complejas interacciones entre el genotipo y diversos factores ambientales, como dieta y ejercicio6. Por lo tanto, para obtener un completo entendimiento de los mecanismos subyacentes de esta compleja enfermedad, todos estos factores deben considerarse.
Cuando se trata de la lucha contra los MetS, los doctores recomiendan primero experimentando cambios de estilo de vida que incluyen comer una dieta sana y equilibrada y actividad física2,7,8. Desde medicamentos eficaces son limitados y la cirugía de bypass gástrico es costosa y requiere supervisión médica permanente, intervención farmacológica y quirúrgica sólo se recomienda para los casos graves y sólo en combinación con estos cambios de estilo de vida3 ,7,8. Mientras que las intervenciones de estilo de vida, tales como ejercicio y dieta, pueden producir y mantener objetivos de pérdida de peso a largo plazo, o no estas medidas correctoras pueden mejorar completamente los efectos negativos asociados con MetS necesita más estudio de7, 8.
Modelos de ratón han sido utilizados para examinar los efectos del ejercicio en enfermedades metabólicas durante años; sin embargo, la introducción del ejercicio volar investigación en MetS es un esfuerzo relativamente reciente9,10,11,12. Moscas de proporcionan el vehículo perfecto para estudiar el ejercicio en un entorno de laboratorio controlado, ya que son fácilmente manipulados, tienen una vida corta, son barato de mantener y rutas metabólicas energéticas están muy conservadas entre Drosophila y los seres humanos13. Genoma de D. melanogaster está bien caracterizada, y existe una amplia variedad de herramientas de genética para su uso en Drosophila que puede proporcionar la penetración en diferentes genotipos y las interacciones genotipo por ambiente que podrían modular la efecto del ejercicio sobre la salud14.
Los métodos actuales de ejercicio de Drosophila invocan tendencia de geotaxis negativa, innata de la mosca, el instinto de comportamiento para escalar hacia arriba, para estimular la escalada en adultos dentro de sus recintos11,12,15 . La torre de la energía, un método para estimular el ejercicio de moscas, plantea sistemáticamente los recintos volarás verticalmente y luego cae les detrás a la superficie del Banco, efectivamente golpeando las moscas en el fondo del frasco, así induciendo su instintiva geotaxis negativa 12 , 16. experimentos realizados utilizando esta máquina mostraron que el ejercicio es un poderoso factor protector contra muchas enfermedades relacionadas con la edad, incluyendo enfermedades cardiovasculares y el T2DM y promueve un envejecimiento saludable12,17,18 . En concreto, demostró que ejercicio puede reducir la aparición de la movilidad relacionada con la edad disminución de moscas y mejorar síntomas múltiples relacionados con la edad, tales como el desempeño cardíaco y tensión respuesta17,18. Sin embargo, control vuela nunca colocado en la torre mostraron puntuaciones más altas de escalada que experimenta la máquina, lo que sugiere la fuerza de las caídas repetitivas puede herir a las moscas y que afectan a la movilidad12. Esto sugiere que un método alternativo de inducir el ejercicio que es menos vigorosa y evita causar trauma físico sería un método útil, complementario a la torre de la energía protocolo16.
Para inducir suavemente ejercicio en Drosophila, hemos desarrollado una máquina de ejercicio llamada la rueda (figura 1). La rueda de (en adelante abreviado como TW) movimiento de rotación provoca tendencia geotaxis negativa, innata de las moscas, redefiniendo constantemente arriba gravitacional de los viales, que a su vez, estimula la escalada en las moscas. A diferencia de otros métodos, el movimiento de rotación del TW es inherentemente apacible, que reduce al mínimo el número de estresores adicionales que pueden surgir y afectar los resultados. Así, la máquina proporciona los medios para inducir el ejercicio en gran número de moscas sin provocar estrés, lo que permitirá a los investigadores a estudiar los efectos del ejercicio sobre la salud metabólica (figura 2), envejecimiento, sueño y muchos otros temas11.
Nuestro método sigue un inverso piramidal, el protocolo de entrenamiento de intervalo, que en gran medida incorpora aspectos del aeróbico intervalo entrenamiento (AIT) con alguna resistencia de entrenamiento del ejercicio. El régimen estándar de AIT se altera en este protocolo para aumentar gradualmente la duración de cada intervalo durante un período de cinco días para promover la resistencia. AIT ha sido particularmente útil en la prevención de MetS en comparación con otros métodos de intervención y fue más efectiva en la reversión de factores de riesgo comunes de síndrome metabólico de continuo ejercicio moderado19,20. Sin embargo, una desventaja de la TW en relación con la torre de la energía es que vuela más rápidamente habituarse al movimiento de rotación, así la variación en la tendencia innata a habituar entre las moscas puede complicar la interpretación de los beneficios del ejercicio. 11 una solución elegante a esta limitación es descrita por Watanabe y enigma15 y sus complementarios artículo21.
El protocolo de ejercicio detallado aquí se ha demostrado para estimular con éxito el ejercicio suave en Drosophila y puede utilizarse para simular el ejercicio de resistencia en un laboratorio controlado ajuste11. Cabe señalar que inicialmente en el desarrollo del concepto de la rueda, se consideraron productos comerciales que pueden ser modificados para realizar del mismo modo (p. ej., un asador de laboratorio). Sin embargo, en última instancia, rechazamos este enfoque, elegir un diseño a la medida porque el equipo comercial no tenía suficientemente baja velocidad rotacional (rpm 4) y carecía de capacidad vial suficiente para la generación de alto rendimiento de muestra.
El propio protocolo TW puede ajustarse para abarcar una amplia gama de temas de investigación. Por ejemplo, ajuste de la frecuencia y duración de los regímenes de ejercicio de las moscas puede alterar las intensidades de los ejercicios que reciben. Al extender el protocolo más de una semana o a otros grupos de edad, es posible estudiar los efectos del ejercicio en el envejecimiento y diversas enfermedades relacionadas con la edad. Se recomienda que si se aplica un enfoque de ejercicio prolongado, entonces al menos un descanso a la semana debe añadirse para permitir la recuperación. Rendimiento y la mejora fue demostrado para ser mayor en los regímenes que incluyeron un día de recuperación que aquellos regímenes que utilizan consecutivo diario ejercicio12. También, advertimos contra ampliar la longitud de la pelea de ejercicio pasado 30 min desde habituación para el movimiento de rotación puede ocurrir después de largos períodos de continuo ejercen11. También hemos observado variaciones genéticas en la motivación de moscas para mantener sus niveles de actividad en el TW11. Así, si se desean más combates, considerar monitoreo de niveles de actividad de las moscas, presentada por Watanabe y enigma15,21 describe su modificación del concepto TW. Otros factores que podrían variar son temperatura y dormir-despierte los patrones, que se ha demostrado que también afectan los movimientos mosca26,27.
Hay una plétora de análisis disponibles durante y después de la terminación de protocolo para abordar los efectos del ejercicio en el nivel fisiológico, conductual y molecular, así como la posibilidad de desentrañar los efectos epigenéticos del ejercicio. Análisis metabólicos adicionales (p. ej., glucosa, glucógeno y proteínas), rendimiento cardiaco y respuesta inflamatoria medidas pueden utilizarse para profundizar en el ejercicio del efecto tiene en mosca cuerpo y fisiología composición12,14 ,24,28. Varios cambios de comportamiento asociados con la inducción de ejercicio, como cambios en el comportamiento, la actividad locomotriz y el sueño, la alimentación también pueden ser medidos utilizando herramientas como el CAFE ensayo29 actividad monitoreo dispositivos12,15 ,30. Cambios en la expresión génica y atribuido para el ejercicio de la respiración celular se pueden cuantificar utilizando métodos como qRT-PCR11 y respirometría31. Por último, Drosophila tienen valiosos recursos genéticos disponibles, tales como el Panel de referencia de Drosophila genética 2 y de los recursos de la población sintética de Drosophila que proporcionan a los investigadores la plataforma para realizar estudios genéticos cuantitativos25,32. Estas herramientas permiten experimentos de asignación, como asignación de estudios de Asociación de genoma completo y los Loci de rasgos cuantitativos, para identificar los loci candidatos asociados con dieta y ejercicio.
Estudios realizados utilizando la rueda demostraron que, en promedio, ejercicio disminuye el peso corporal, almacenamiento total de triglicéridos y glucógeno, contenido de proteína y rendimiento11de escalada. Además, hubo respuestas variables a ejercer a través de sexos y genotipos para peso corporal, así como los triglicéridos, proteínas, glucógeno, glucosa y actividad niveles11,15. Mientras que la variabilidad de la respuesta al ejercicio y la dieta a través de genotipos y el sexo puede ser difícil de interpretar y, a veces, contrario a la intuición, refleja las fuentes de variación real biológica observada en las poblaciones naturales. Nos esforzamos por entender la diversidad de factores subyacentes que contribuyen a los altos índices de MetS, herramientas que facilitan desenmarañar el papel relativo de los diversos factores que contribuyen analizando estos factores en organismos modelo será crucial para nuestra capacidad de desarrollar intervenciones de prevención y tratamiento personalizadas. Para evaluar plenamente la eficacia del ejercicio, cada uno de estos factores y cómo interactúan debe considerarse cuando la realización de experimentos y formular conclusiones.
El TW, como la mayoría de las otras máquinas mosca, está limitado en su capacidad para cuantificar el movimiento fly. Recientemente, Watanabe y enigma desarrollaron la rotación ejercicio cuantificación sistema (requisitos), una columna vertebral TW modificada con una actividad de control de unidad (LAM25H) del sistema de monitoreo de Drosophila serie15,21. Como el TW, este sistema utiliza el movimiento de rotación para inducir suavemente ejercicio mientras usa el brazo LAM25H rastrear y cuantificar la actividad de la mosca, pero tiene un menor número de viales (frascos de 32) que las TW15. Para estudios de ejercicio de alto rendimiento, si la cuantificación de la actividad no es necesario o deseado, el TW permite un mayor número de muestra. El diseño TW también podría ser modificado desde su forma actual para dar cabida a un mayor número de frascos. Este sistema, junto con otros métodos de ejercicio existentes, ayuda a establecer que el ejercicio no sólo es factible en Drosophila pero también puede ser estudiada para determinar el efecto de la actividad física en una variedad de respuestas fisiológicas y moleculares 11,12,15. Así, el TW, como un método de inducir ejercicio suave en moscas, puede utilizarse para una gran variedad de cuestiones biológicas.
The authors have nothing to disclose.
Nos gustaría agradecer a Julie Jarnigan, Meredith Owens, Rachel Hill, Brandon Moye, Laura Mafla, Olivia Fish y el resto del laboratorio de Reed por su ayuda con la cría de mosca y procesamiento de imágenes. Sean Méndez construyó la rueda original con la ayuda de la tienda de máquina de la UAB. Financiamiento para este estudio fue proporcionado por NIH R01 GM 098856 LKR y creatividad grado y Academia de investigación de la Universidad de Alabama a KEL y 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 |