Motionsredskap använder roterande rörelse försiktigt inducera övning i vuxen Drosophila melanogaster genom att utnyttja flugor medfödda, negativa geotaxis. Det möjliggör analys av samspelet mellan träning och faktorer såsom genotyp, kön, och kost och deras inverkan på fysiologiska och molekylära analyser att bedöma metabol hälsa.
Incidensen av komplexa metabola sjukdomar har ökat till följd av en omfattande övergång till livsstilar ökade kaloriintaget och sänkt aktivitetsnivå. Dessa multifaktoriella sjukdomar uppkommer en kombination av genetiska, miljömässiga och beteendemässiga faktorer. En sådan komplex sjukdom är metabola syndromet (MetS), vilket är ett kluster av metabola sjukdomar, inklusive högt blodtryck, hyperglykemi och bukfetma. Motion och kost intervention är de primära behandlingar som rekommenderas av läkare för att minska fetma och dess efterföljande metabola sjukdomar. Motion ingripande, i synnerhet aerob intervallträning, stimulerar gynnsamma förändringar i de gemensamma riskfaktorerna för typ 2 Diabetes Mellitus (T2DM), kardiovaskulär sjukdom (CVD) och andra villkor. Med tillströmningen av bevis har som beskriver terapeutisk effekt träningen på metabola hälsa, om inrättande av ett system som modeller utöva i en kontrollerad miljö ger ett värdefullt verktyg för att bedöma effekterna av motion i experimentella sammanhang. Drosophila melanogaster är ett bra verktyg för att undersöka de fysiologiska och molekylära förändringar som leder från motion intervention. Flugorna har kort livslängd och liknande mekanismer av metaboliserande näringsämnen jämfört med människor. För att inducera övning i Drosophila, utvecklat vi en maskin som kallas den motionsredskap, som utnyttjar flugans medfödda, negativ geotaxis tendens att inducera försiktigt klättring. Detta gör det möjligt för forskare att utföra experiment på stora kohorter av genetiskt olika flugor att bättre förstå de genotyp-av-miljö interaktioner underliggande hälsoeffekter av motion metaboliska.
Barndom och Vuxenfetma växer epidemier i kulturer som konsumerar hög kalori dieter och förblir inaktiv under en längre tid, vilket kan leda till allvarliga långsiktiga konsekvenser, inklusive insulinresistens, kronisk inflammation och artros 1 , 2 , 3 , 4. prevalensen av dessa sjukdomar fortsätter att stiga på grund av den växande obalansen i kaloriintaget och utgifter som tillskrivs förhöjd konsumtion av fett och socker och en primärt stillasittande livsstil5. På motsvarande sätt har denna energi obalans lett till en ökning av fall av typ 2 Diabetes Mellitus (T2DM) och kardiovaskulär sjukdom (CVD)5. Individer löper en högre risk att utveckla både sjukdomar om de har diagnostiserats med sjukdomen metabola syndromet (MetS), vars symtom är bukfetma och dyslipidemi2. MetS är formad av de komplexa interaktioner mellan genotyp och olika miljöfaktorer, såsom kost och motion6. Således, för att få full förståelse för de bakomliggande mekanismerna för denna komplexa sjukdomar, alla dessa faktorer bör övervägas.
När det gäller att bekämpa MetS, rekommenderar läkare först genomgå livsstilsförändringar som är att äta en hälsosam, välbalanserad kost och fysisk aktivitet2,7,8. Eftersom effektiva läkemedel är begränsat och gastric bypassoperation är kostsamma och kräver livslång medicinsk övervakning, rekommenderas farmakologiska och kirurgiska ingrepp endast för svåra fall och endast i kombination med dessa livsstilsförändringar3 ,7,8. Medan livsstil insatser, såsom motion och bantning, kan producera och upprätthålla långsiktiga mål viktminskning, behöver om huruvida dessa korrigerande åtgärder fullt kan lindra de negativa effekterna som är associerad med MetS studeras vidare7, 8.
Musmodeller har använts för att undersöka effekterna av träning på metabola sjukdomar i år; införandet av motion att flyga forskning på MetS är dock en relativt senaste endeavor9,10,11,12. Flugor ge det perfekta fordonet för att studera övning i kontrollerad laboratoriemiljö, eftersom de är lättmanipulerade, har en kort livslängd, är billigt att underhålla, och energirelaterade metabolismvägarna bevaras mycket mellan Drosophila och människor13. D. melanogaster genomen är väl karakteriserade, och det finns en uppsjö av genetik verktyg tillgängliga för användning i Drosophila som kan ge insikt i olika genotyper och genotyp-av-miljö interaktioner som kan modulera den effekten av motion på organismers hälsa14.
Nuvarande metoder att utöva Drosophila åberopa flugans medfödda, negativ geotaxis tendens, beteendemässiga instinkten att klättra uppåt, att stimulera klättring i vuxna inom deras höljen11,12,15 . Den Power Tower, en metod att stimulera övning i flugor, höjer systematiskt flyga kapslingarna vertikalt och sedan droppar dem tillbaka till bänken ytan, effektivt knackar flugorna till botten av injektionsflaskan, således förmå sin instinktiva negativa geotaxis 12 , 16. experiment som utförs med hjälp av denna maskin visade att träning är en kraftfull skyddande faktor mot många åldersrelaterade sjukdomar, inklusive CVD och T2DM, och främjar friskt åldrande12,17,18 . Specifikt, visade de att motion kan minska uppkomsten av åldersrelaterad rörlighet nedgång i flugor och förbättra flera åldersrelaterade symtom, såsom hjärtfunktionen och stress svar17,18. Kontroll flyger dock aldrig placeras på tornet visade högre klättring poäng än de upplever maskinen, vilket tyder på styrkan av repetitiva dropparna kan ha vållat skada flugorna och påverkar rörlighet12. Detta tyder på att en alternativ metod för att inducera motion som är mindre kraftfullt och undviker orsakar fysiskt trauma skulle vara en användbar kompletterande metod till Power Tower protokoll16.
Inducera försiktigt övning i Drosophila, utvecklade vi en träningsmaskin som kallas motionsredskap (figur 1),. Den motionsredskap som är (hädanefter förkortat TW) roterande rörelse utlöser flugorna medfödda, negativ geotaxis tendens genom att ständigt omdefiniera gravitationella toppen av skålarna, som i sin tur stimulerar klättring i flugor. Till skillnad från andra metoder är TW roterande rörelse till sin natur mild, vilket minimerar antalet ytterligare stressfaktorer som kan uppstå och påverka resultaten. Maskinen ger således medel för att inducera övning i stort antal flugor utan förmå stress, vilket kommer att göra det möjligt för forskare att studera effekterna av träning på metabola hälsa (figur 2), åldrande, sömn och många andra ämnen11.
Vår metod följer en invers pyramidal, intervall träning protokollet, som i hög grad omfattar aspekter av aerob intervallträning (AIT) med några uthållighet motion träning. Standard AIT regimen ändras i detta protokoll att gradvis öka varaktigheten av varje intervall över en fem-dagars period att främja uthållighet. AIT har varit särskilt användbara för att förebygga MetS i förhållande till andra metoder för intervention och var mer effektivt motverka metabola syndromets gemensamma riskfaktorer än kontinuerlig måttlig motion19,20. En nackdel med TW i förhållande till den Power Tower är dock att flugor snabbare habituerar till rotera vinkar, således variation i medfödd tendens att habituerar bland flugor kan försvåra tolkningen av fördelarna med motion. 11 en elegant lösning till denna begränsning beskrivs av Watanabe och gåtan15 och deras kompletterande artikel21.
Protokollet övning som beskrivs här har visat sig framgångsrikt stimulera skonsam övning i Drosophila och kan användas för att simulera uthållighetsträning i ett kontrollerat laboratorium inställning11. Det bör noteras att när initialt utveckla konceptet motionsredskap, ansåg vi kommersiella produkter som kan ändras för att utföra på samma sätt (t.ex., en laboratorium rotisserie). Dock förkastade vi slutligen detta synsätt, att välja en specialbyggd konstruktion eftersom kommersiella utrustningen inte hade en tillräckligt låg rotationshastighet (4 rpm) och saknade tillräcklig injektionsflaska kapacitet för hög genomströmning prov generation.
Själva TW protokollet kan justeras för att omfatta ett brett spektrum av forskningsområden. Till exempel kan justera frekvens och varaktighet av flugorna motion regimes förändra de träning de får stödnivåerna. Genom att utvidga protokollet längre än en vecka eller till andra åldersgrupper, skulle det vara möjligt att studera effekterna av träning på åldrande och olika åldersrelaterade sjukdomar. Vi rekommenderar att om en utökad motion strategi genomförs sedan minst en vilodag per vecka ska läggas för att möjliggöra återhämtning. Prestanda och förbättring visades vara större i regimer som ingår en vilodag än de regimer som används i rad dagliga motion12. Dessutom vill vi varna att utvidga övningen skjutningen längder senaste 30 min sedan tillvänjning till den roterande rörelsen kan uppstå efter långa perioder av kontinuerlig motion11. Vi har också observerat genetiska variationer i flugor motivation att behålla sin aktivitetsnivå på TW11. Således, om längre anfall önskas, överväga övervakning flugorna aktivitetsnivåer, som presenterades av Watanabe och gåtan15,21 som beskriver deras ändring av begreppet TW. Andra faktorer som kunde vara omväxlande inkluderar temperatur och sömn-vakna mönster som visas också påverka flyga rörelser26,27.
Det finns en uppsjö av tillgängliga analyser under och efter protokollet slutförandet att ta itu med effekterna av träning på den fysiologiska, beteendemässiga och molekylär nivån, liksom potential att nysta epigenetiska effekter av motion. Ytterligare metabola analyser (t.ex. glukos, glykogen och protein), hjärtfunktionen och inflammatoriskt svar åtgärder kan användas för att ytterligare utforska effekt träningen har på flyga fysiologi och kroppen sammansättning12,14 ,24,28. Olika beteendeförändringar som är associerad med motion induktion, såsom förändringar i utfodring beteende, rörelseaktivitet och sömn, kan också mätas med hjälp av verktyg som CAFE assay29 eller aktivitetsövervakning enheter12,15 ,30. Förändringar i genuttryck och cellandningen tillskrivas för att utöva kan också kvantifieras med hjälp av metoder som qRT-PCR11 och respiration31. Slutligen, Drosophila har värdefulla genetiska resurser tillgängliga, såsom Drosophila genetik referenspanelen 2 och Drosophila syntetiska befolkningen resursen som ger forskare plattformen för att utföra kvantitativ genetiska studier25,32. Dessa verktyg möjliggör kartläggning experiment, såsom Genome-Wide Association Studies och kvantitativa drag Loci kartläggning, att identifiera kandidat loci associerade med motion och kost.
Studier som utförts av motionsredskap visade att i genomsnitt motion minskar kroppsvikt, totala triglycerid lagring och glykogen, samtidigt ökar proteinhalten och klättring prestanda11. Dessutom fanns det varierande svaren att utöva över könen och genotyper för kroppsvikt, samt triglycerider, protein, glykogen, glukos och aktivitet nivåer11,15. Medan variationen av svar på motion och kost över genotyper och sex kan vara utmanande att tolka och, ibland, bakvända, återspeglar källorna till verkliga biologisk variation observerats i naturliga populationer. Eftersom vi strävar efter att förstå mångfalden av underliggande faktorer som bidrar till den höga andelen MetS, kommer att verktyg som underlättar förgrymmat relativa betydelsen av olika bidragande faktorer genom att testa dessa faktorer i modellorganismer vara avgörande för vår förmåga att utveckla personliga insatser för förebyggande och behandling. För att fullt ut bedöma effekten av motion, måste var och en av dessa faktorer och hur de interagerar beaktas när genomför experiment och formulera slutsatser.
TW, som de flesta andra flyga träningsmaskiner, är begränsad i sin förmåga att kvantifiera flyga rörelse. Nyligen, Watanabe och Riddle utvecklade den roterande motion kvantifiering systemet (REQS), en TW ryggrad modifierad med en aktivitet som centralenhet (LAM25H) från Drosophila Monitoring System serie15,21. Liksom TW, detta system använder roterande rörelse försiktigt inducera motion medan du använder LAM25H armen att spåra och kvantifiera flyga aktivitet, men den rymmer ett mindre antal injektionsflaskor (32 flaskor) än TW15. För hög genomströmning motion studier, om aktivitet kvantifiering inte behövs eller önskas, möjliggör TW en större antalet stickprov. TW design kan också ändras från dess nuvarande form att rymma ett större antal injektionsflaskor. Detta system, tillsammans med andra befintliga motion metoder, bidragit till att fastställa att motion är inte bara kan uppnås i Drosophila men kan också studeras för att avgöra effekten av fysisk aktivitet på en mängd olika fysiologiska och molekylära svar 11,12,15. Således kan TW, som en beprövad metod för att inducera skonsam övning i flugor, användas till en stor mängd biologiska frågor.
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka Julie Jarnigan, Meredith Owens, Rachel Hill, Brandon Moye, Laura Mafla, Olivia Fish och resten av Reed Lab för deras hjälp med flyga djurhållning och bildbehandling. Sean Mendez byggt den ursprungliga motionsredskap med stöd från UAB maskinverkstaden. Finansiering för denna studie lämnades av NIH-R01 GM 098856 till LKR och grundutbildning kreativitet och forskning akademin vid University of Alabama till KEL och 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 |