TreadWheel 利用旋转运动, 通过利用蝇的先天、负 geotaxis, 轻轻诱导成年果蝇运动。它允许分析运动和因素之间的相互作用, 例如基因型、性别和饮食, 以及它们对生理和分子检测的影响, 以评估代谢健康。
复杂的代谢疾病的发病率增加了, 由于广泛的转变为生活方式的增加卡路里摄入量和降低活动水平。这些多因素疾病产生于遗传, 环境和行为因素的结合。其中一种复杂的疾病是代谢综合征, 这是代谢紊乱的一组, 包括高血压、高血糖和腹部肥胖。运动和饮食干预是医生建议的主要治疗方法, 以减轻肥胖及其随后的代谢性疾病。运动干预, 特别是有氧间歇训练, 刺激2型糖尿病 (T2DM)、心血管疾病 (CVD) 和其他条件的共同危险因素的有利变化。随着大量证据的汇集, 描述了治疗效果锻炼对新陈代谢的健康, 建立一个系统, 模型运动在一个控制的设置提供了一个有价值的工具来评估运动的效果在实验环境中。果蝇是研究运动干预引起的生理和分子变化的一个很好的工具。与人类相比, 苍蝇有短寿命和类似的代谢养分机制。为了诱发果蝇的运动, 我们研制了一种叫 TreadWheel 的机器, 它利用苍蝇天生的、消极的 geotaxis 倾向来轻轻地诱发攀爬。这使研究人员能够对大量的基因型苍蝇进行实验, 以更好地了解运动对新陈代谢健康的影响所产生的基因分异的相互作用。
儿童和成人肥胖症在文化中日益流行, 它们消耗高热量的饮食, 长期闲置, 这会导致严重的远期后果, 包括胰岛素抵抗、慢性炎症和骨关节炎。1,2,3,4. 由于脂肪和糖的消费量增加以及主要的生活习惯5, 这些疾病的流行率继续上升, 原因是热量摄入和支出的不平衡日益严重。相应地, 这种能量失衡导致2型糖尿病 (T2DM) 和心血管疾病 (CVD)5的病例增加。如果患者被诊断患有紊乱代谢综合征 (大都会), 其症状包括腹部肥胖和血脂异常2, 个体就有更高的风险发展两种疾病。大都会是由基因型和各种环境因素, 如饮食和运动6的复杂相互作用所形成的。因此, 为了充分了解这一复杂疾病的基本机制, 所有这些因素都应加以考虑。
当谈到打击大都会时, 医生首先建议接受生活方式的改变, 包括饮食健康, 均衡饮食和身体活动2,7,8。由于有效的药物是有限的, 胃旁路手术费用高昂, 需要终生的医疗监测, 药理和外科干预只建议在严重的情况下, 只有结合这些生活方式的变化3 ,7,8。虽然生活方式干预, 如运动和节食, 可以产生和维持长期减肥目标, 无论这些纠正措施是否能充分改善与该研究的负面影响需要进一步学习7, 8。
老鼠模型被用来检查运动对新陈代谢疾病的影响多年;然而, 引进运动的飞行研究大都会是一个相对最近的努力9,10,11,12。苍蝇提供了一个完美的工具来研究运动在一个受控实验室设置, 因为它们易于操作, 寿命短, 维护成本低廉, 与能量相关的代谢通路高度保守的果蝇之间并且人13。果蝇基因组具有良好的特点, 有丰富的遗传学工具可用于果蝇, 可以提供洞察各种基因型和环境基因型的相互作用, 可以调节运动对生物体健康的影响14。
目前的果蝇运动方法援引苍蝇的先天, 消极的 geotaxis 倾向, 行为本能向上攀登, 刺激在他们的外壳11,12,15 的攀登.动力塔是一种刺激苍蝇运动的方法, 系统地将飞罩垂直向上, 然后将它们放回工作台面, 有效地将苍蝇敲到瓶子的底部, 从而诱发其本能的负 geotaxis。12,16. 使用这台机器进行的实验表明, 运动对许多与年龄有关的疾病, 包括 CVD 和 T2DM, 是一个强有力的保护因素, 并促进健康的衰老12,17,18.具体来说, 他们表明, 锻炼可以减少苍蝇与年龄相关的移动性下降的开始, 并改善多年龄相关的症状, 如心脏表现和压力反应17,18。然而, 控制苍蝇从来没有放置在塔上显示更高的攀登得分比那些经历的机器, 暗示的力量, 重复下降可能会伤害苍蝇和影响移动12。这表明, 另一种诱导运动的方法, 不那么有力, 避免造成身体创伤, 将是一个有用的, 互补的方法, 对16的动力塔协议。
为了在果蝇中轻轻地诱发运动,我们开发了一种叫做 TreadWheel 的运动机器 (图 1).TreadWheel (从今往后缩写为总的) 旋转运动, 通过不断地重新定义瓶子的引力顶部来触发苍蝇天生的、消极的 geotaxis 倾向, 这反过来又刺激了苍蝇的攀爬。与其他方法不同的是, 它的旋转运动本质上是温和的, 这会减少可能产生的额外压力源的数量, 并影响结果。因此, 该机器提供了方法来诱导大量的苍蝇运动, 而不诱发压力, 这将使研究人员研究运动对新陈代谢健康的影响 (图 2), 衰老, 睡眠, 以及许多其他主题11。
我们的方法遵循了一个反金字塔, 间隔训练协议, 这主要包括一些方面的好氧间隔训练和一些耐力运动训练。在本议定书中, 标准的联谊会制度被改变, 以逐步增加每间隔五天期间的持续时间, 以促进耐力。比起持续适度的锻炼19,20, 在预防代谢综合征的常见危险因素方面, 特里比其他干预方法特别有用。然而, 习惯相对于动力塔的不利之处在于, 飞行速度越快, 对旋转运动的习惯, 就会使苍蝇的固有倾向变异, 从而复杂化对运动益处的解释。11渡边和谜语15及其互补文章21描述了这个限制的优雅解决方案。
这里详细的练习协议已经证明可以成功地刺激果蝇的温和运动, 并且可以用来模拟在控制的实验室设置11的耐力运动。应该指出的是, 在最初开发 TreadWheel 概念时, 我们考虑了可能被修改以执行类似的商业产品 (例如实验室烤)。然而, 我们最终拒绝了这种方法, 选择了定制的设计, 因为商用设备没有足够低的转速 (4 rpm), 并缺乏足够的小瓶容量的高通量样品生成。
该协议本身可以进行调整, 以涵盖广泛的研究课题。例如, 调整苍蝇的运动机制的频率和持续时间可以改变他们接受的工作的强度。通过延长该议定书长于一周或其他年龄组, 就有可能研究运动对衰老和各种年龄相关疾病的影响。我们建议, 如果实现了扩展的练习方法, 则应至少添加一周的休息日以允许恢复。在包括恢复日的制度中, 表现和改进比使用连续每日练习12的制度更大。此外, 我们会告诫不要延长运动的长度超过30分钟, 因为适应旋转运动可以发生后长时间连续运动11。我们也观察到苍蝇的动机的遗传变异, 以维持其活动水平在11。因此, 如果需要更长的回合, 考虑监测苍蝇的活动水平, 如渡边和谜语15,21描述他们修改的总概念。其他可能变化的因素包括温度和睡眠-唤醒模式, 这也被证明也影响飞行运动26,27。
在协议完成期间和之后有大量的可用分析来解决运动对生理、行为和分子水平的影响, 以及解开运动的后生效应的潜力。额外的新陈代谢化验 (如葡萄糖, 糖原和蛋白质), 心脏表现和炎症反应措施可以用来进一步探索效果锻炼对飞行生理学和身体构成12,14 ,24,28。与运动诱导相关的各种行为变化, 如喂养行为、运动活动和睡眠的变化, 也可以用诸如咖啡馆化验29或活动监测设备12、15 等工具来测量. ,30。运动的基因表达和细胞呼吸变化也可以用 qRT PCR11和 respirometry31等方法进行量化。最后,果蝇有宝贵的遗传资源, 如果蝇遗传学参考面板2和果蝇合成人口资源, 为研究人员提供平台来执行定量遗传学研究25,32。这些工具使制图实验, 如全基因组的关联研究和数量性状基因座映射, 以确定与运动和饮食相关的候选基因座。
使用 TreadWheel 完成的研究表明, 平均而言, 运动能降低体重, 总甘油三酯储存, 糖原, 同时增加蛋白质含量和攀登性能11。此外, 在性别和基因型的体重, 以及甘油三酯, 蛋白质, 糖原, 葡萄糖和活动水平11,15有变数的反应。虽然在基因型和性别上对运动和饮食的反应变化可能具有挑战性, 但有时, 它反映了自然种群中观察到的实际生物变异的来源。当我们努力了解导致大都会高比率的潜在因素的多样性时, 通过测试模型有机体中的这些因素来促进解析各种因素的相对作用的工具将对我们的能力至关重要。制定个性化的预防和治疗干预措施。要充分评估运动的有效性, 在进行实验和制定结论时, 必须考虑每个因素及其相互作用。
与大多数其他的飞行运动机器一样, 它的量化飞行运动的能力有限。最近, 渡边和谜语开发了旋转运动定量系统 (满足要求), 一个从果蝇监测系统系列15,21的活动监测单元 (LAM25H) 修改的一组主干骨干。与 LAM25H 一样, 这个系统使用旋转运动来轻轻地诱发运动, 同时使用该臂来跟踪和量化飞行活动, 但它持有的小瓶数量 (32 瓶) 比15。对于高通量的运动研究, 如果没有必要或不需要活动量化, 那么它就可以获得更大的样本数。总的设计也可以从目前的形式修改, 以容纳更多的瓶子。这个系统, 连同其他现有的锻炼方法, 帮助确定运动不仅可以在果蝇中实现, 而且还可研究以确定物理活动对各种生理和分子反应的影响。11,12,15。因此, 作为一种行之有效的方法来诱导苍蝇的温和运动, 它可以用来探索大量的生物问题。
The authors have nothing to disclose.
我们要感谢朱莉 Jarnigan, 梅瑞狄斯欧文斯, 雷切尔希尔, 布兰登上莫邪, 劳拉 Mafla, 奥利维亚鱼, 其余的芦苇实验室帮助他们的畜牧和图像处理。TreadWheel 在 UAB 机器店的协助下建造了原始的建筑。这项研究的经费由 NIH-R01 GM 098856 LKR 和阿拉巴马州大学的本科生创造力和研究学院提供给克尔苏加德和 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 |