FLEX：果蝇黑腹果蝇飞行锻炼训练方案

摘要

本实验方案的目的是为果蝇 Drosophila 提供飞行锻炼。代表性结果表明，飞行锻炼训练可提高果蝇的有氧能力和对高脂饮食的抵抗力。

摘要

果蝇近年来已成为研究肥胖及相关疾病的热门模型。虽然通过特定饮食相对容易在果蝇中诱导代谢紊乱，但建立果蝇的运动模型更具挑战性。现有方法如“动力塔”（Power Tower）和“跑轮”（Treadwheel）利用震荡或旋转的培养管刺激果蝇攀爬，从而利用其负向趋地性反应。然而，长时间持续攀爬对果蝇而言并不自然，可能导致运动相关损伤甚至死亡。本文介绍了一种新的运动方案，该方案利用果蝇天然的飞行能力，提供一种更自然、更符合生理状态且无损伤的运动方式。实验结果表明，为期5天的飞行运动方案可提高果蝇的生物能量能力，抵消西方饮食（WD）的不利影响，改善攀爬行为，并降低与西方饮食相关的死亡率。该方案可同时训练大量果蝇，用于研究运动与饮食、药物、衰老和遗传等多种因素之间的相互作用。综上所述，该方法可作为现有技术的补充，用于研究运动对果蝇生理与行为的影响。

引言

体力活动和运动因其对健康的短期和长期益处而成为研究热点¹。由于运动对代谢具有强大的全身性影响，现正越来越多地被用于预防和治疗代谢性疾病、心血管疾病以及神经系统疾病^2,3,4。尽管越来越多的证据表明规律运动具有多种健康益处，但这些益处背后的精确分子机制仍不清楚⁵。为了理解这些机制，必须采用创新且高通量的动物模型。虽然啮齿类动物模型常用于研究运动对代谢疾病的影响，但此类研究需要较高的成本、严格的监管审批以及专业设备^6,7。

近年来，黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）已成为研究运动生物学的一个新模型（综述见^8,9,10）。果蝇具有丰富的强大遗传工具、短生命周期、后代数量多以及饲养成本低等优势，是研究遗传、表观遗传及跨代机制的重要资源。在构建果蝇运动模型时，现有方法通常依赖于负向趋地性，即果蝇向上攀爬的行为反应^11,12。

最早的自动化运动方案之一使用了一种名为Power Tower¹¹的特殊运动装置。Power Tower利用一个电机单元反复将装有动物的试管提起再下落，以诱导产生负向趋地性反应¹¹。在Power Tower中进行长期运动可显著减缓与年龄相关的运动能力和心脏功能衰退¹³。此外，Power Tower的训练方案可能对果蝇造成应激，已有报道称过高的训练强度会导致损伤或死亡¹¹。

为解决这一问题，研究人员开发了另一种运动模式，称为Treadwheel¹⁴。Treadwheel同样利用了黑腹果蝇的负向趋地性反应，但与Power Tower通过抬升和下落果蝇的方式不同，Treadwheel采用翻转装有果蝇的试剂管来实现刺激。与Power Tower相比，该方法对果蝇更为温和，可减少运动相关损伤和死亡率⁹。然而，Treadwheel中的果蝇可能对旋转运动产生习惯化，从而可能影响实验结果的解读¹²。为解决这一问题，研究中加入了活动监测仪（Locomotor Activity Monitor，LAM25H，Trikinetics），用于在运动过程中测量果蝇的活动水平，量化其运动行为，并校正习惯化效应。此后，该系统名称被更新为旋转运动定量系统（Rotational Exercise Quantification System，REQS）¹²。

有趣的是，极少有研究利用果蝇（Drosophila）天然的飞行能力来建立运动模型。飞行研究的主要关注点一直集中在悬停和空中机动的空气动力学与生物力学方面^15,16,17,18。一些研究深入探讨了与飞行相关的生理和细胞机制^19,20。在这些研究中，飞行能力通过飞行实验^21,22进行评估，即把单个果蝇释放到一个透明的亚克力盒中，观察其维持稳定高度和持续飞行的能力²³。

在一项特定研究中，研究人员通过将果蝇置于连接到旋涡式摇床的瓶子中，考察了诱导飞行运动的影响。该摇床使用可编程定时器，以5分钟至10分钟之间的随机间隔轻轻振荡瓶子¹⁹。该研究报道，诱导的飞行行为会加速衰老过程，并导致飞行肌中抗氧化能力随年龄增长而下降¹⁹。在前期研究基础上，本实验室开发了一种名为FLEX（飞行运动）的新运动方案，该方案结合了自动负趋地性系统与将果蝇饲养于大型容器中的方法²⁴。在FLEX训练中，果蝇被放置于1加仑容量的透明塑料圆筒形鱼缸内，鱼缸固定在连接电机的水平平台上。电机由定时器控制，每5分钟启动一次旋转。每次旋转使平台抬升后迅速下落，从而触发果蝇飞行。FLEX训练每天持续7小时，连续进行5天。实验过程中未观察到与运动相关的死亡或损伤²⁴。此外，在西方饮食（WD）条件下，为期5天的FLEX训练显著抵消了WD的不利影响，改善了果蝇的存活率、攀爬行为及线粒体呼吸功能²⁴。综上所述，本文提出了一种基于自然飞行活动的新型运动范式，该方法不会造成损伤，是一种高通量的实验流程，可同时训练大量果蝇，用于研究运动与饮食、药物、衰老、环境和/或遗传因素之间的相互作用。该方案可用于补充现有的运动研究方法，以探讨体力活动对果蝇生理和行为的影响。

方案

1. 运动器械的设置与操作

1. 在大学机械车间制作一台设备。使用一块35 mm × 35 mm × 1.4 mm的矩形铝制底座，配备一个交直流电机，以及一个35 mm × 35 mm × 0.5 mm的水平铝制平台（图1A）。
2. 为实现旋转运动向直线运动的转换，制作一个直径为15 cm的定制圆形凸轮，安装在电机上（图1B）。在水平平台底部安装一个带有2 cm滚轮的从动杆，使得当滚轮随凸轮转动抬起时带动平台上升，随后在滚轮脱离凸轮后平台回落至原始位置。
3. 通过旋转电位器调节电机转速，使一个完整的旋转周期约为5,360 ms。
   注意：电机的具体参数、从动杆和滚轮的尺寸以及凸轮的几何形状并非关键。任何能够可靠地抬起并下落平台以震落果蝇，并允许用户控制下落频率的电动装置均可接受。
4. 使用弹力绳将1加仑透明塑料圆柱形鱼缸固定在平台上，弹力绳钩在平台上的螺环上（图1C）。

2. FLEX 方案

1. 将果蝇饲养在温度为 24 °C、湿度为 60%、光照/黑暗周期为 12 小时的培养箱或房间中。
2. 在果蝇孵化后 3–4 天内收集年龄相匹配的个体。收集后，将果蝇随机分配至运动组和久坐组，并确保运动组与久坐组的果蝇数量相等。
   注意：果蝇的饲养密度可在每碗 30 至 400 只之间，因为该范围不会干扰飞行运动。然而，实验组与对照组在数量、性别和年龄上应始终保持一致，以确保可比性。
3. 为久坐组和对照组果蝇提供 7 mL 配方食物。用胶带将食物小瓶固定在碗内。
4. 在开始运动干预前一日，使用弱光和短暂的 CO₂ 麻醉将果蝇转移至碗中。用橡皮筋将网罩固定在碗口上。
   注意：果蝇应在垫板上接受短暂的弱 CO₂ 麻醉。暴露时间必须足够短，以避免产生持久的行为影响；因此，麻醉应在运动实验开始前 1 天进行。
5. 使用弹力绳将碗固定在平台上。在温度为 24 °C、湿度为 60% 的房间内进行运动训练。若房间湿度无法控制，则通过在鱼缸中放置装有湿润棉球的小瓶，并用胶带将小瓶固定在缸壁上，为果蝇提供水源。
6. 对于对照实验（假运动），将相同数量的果蝇置于紧邻运动装置但未连接至平台的碗中。
7. 连续对果蝇进行 5 天的运动训练。
   1. 使用两个定时器控制电机（图 1D）。第一个定时器用于在每天特定时间开启和关闭设备。运动开始时间为上午 8 点，结束时间为下午 3 点。
   2. 使用第二个定时器启动一系列三转电机运转，每 5 分钟执行一次序列。每次旋转会抬升平台随后迅速下落，从而诱发果蝇飞行。
   3. 当日运动处理完成后，将碗放回培养箱中。本方案可根据具体实验需求轻松调整。
      注意：湿度低于 60% 可能导致死亡率升高。少数果蝇在第一次下落时可能未启动飞行，但通常在第二次或第三次下落后开始飞行。尽管无法追踪每只果蝇的飞行情况，但大多数果蝇均参与飞行，因此可认为所有果蝇最终均参与了运动。此外，较大的容器为果蝇在每次下落间隔期间进行自主飞行提供了空间。
8. FLEX 干预结束后，将果蝇连同碗一起置于冷室中 5 分钟以使其 immobilize（固定）。随后将果蝇转移至新的食物小瓶中，用于后续表型特征分析；或转移至微量离心管中，用于感兴趣的分子和/或生化检测。
   注意：后续分析示例包括行为学、生化检测和/或基因表达分析。涉及活体果蝇的检测应根据表型分析的具体目标及时进行。本方案可在此暂停，将用于生化或分子生物学分析的样品适当冷冻并储存，具体取决于后续检测类型。本方案的总结见 表 1。

结果

FLEX方案此前已在本实验室发表的研究中得到验证。在一项已发表的研究中，我们证明了飞行运动可缓解西方饮食（WD）带来的负面代谢影响²⁴。该饮食基于标准的Nutri-Fly Bloomington饮食配制，额外添加了15% Nutiva美国农业部认证有机非转基因红棕榈油、15%蔗糖和0.1 M NaCl。

为了检测运动是否能够预防西式饮食（WD）的不良影响，将饲养3至4天的成年雄性果蝇随机分配至以下四个组别：1）标准饮食（CD）的对照组不运动果蝇；2）西式饮食（WD）的不运动果蝇；3）标准饮食并进行运动的果蝇（CDE）；4）西式饮食并进行运动的果蝇（WDE）。

实验结果表明，5天FLEX方案显著降低了饲喂WD果蝇的死亡率（约2倍），表明飞行运动明显抵消了WD的不利影响（图2）。运动还改善了饲喂WD果蝇的攀爬能力（图3）。

讨论

FLEX 协议通过果蝇的飞行行为，为诱导黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）进行有氧运动提供了一种新颖且具有生理相关性的方法。与依赖负向趋地性和机械刺激的传统方法（如 Power Tower 和 TreadWheel）不同，FLEX 利用了果蝇与生俱来的飞行行为。该方法可最大程度减少运动引起的损伤和应激反应，因此为运动生物学研究提供了一个更安全、更符合生物学特性的模型。

昆虫依赖飞行作为最耗能的有氧活动之一，其特征是极高的质量特异性代谢率²⁶。经过数百万年的进化，昆虫已完善了悬停飞行能力，使其在觅食时能够悬浮于空中。果蝇（Drosophila）的翅拍频率可超过1000 Hz，导致有氧代谢升高20至100倍——这是动物界中记录到的最高代谢率之一^27,28。

重要的是，飞行是果蝇的核心自然行为，对于觅食、交配和逃避天敌至关重要。...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
17 x 100 mm 14 mL 聚丙烯培养管	VWR	60818-689
1 加仑透明 塑料圆缸鱼缸	Petco	N/A	可从 Petco 购买
带 7 天数字定时器的 8 插座浪涌保护器	BN-LINK	EGPH020028	可从 Amazon 购买
交流/直流电机	Dayton	型号 12W368，扭矩 80 IN-LBS
Bloomington 配方饲料	Nutri-Fly	66-112	可从 Genesee Scientific Inc.，加利福尼亚州圣地亚哥购买
Kim-wipes 擦拭纸	Fisher Scientific	06-666	Kimberly-Clark Professional 34120
带倒计时和无限短周期功能的多功能可编程插座定时器	NEARPOW	SPM10188153502	可从 Amazon 购买