מאמר שיטה

FLEX: פרוטוקול אימון טיסה לדרוזופילה זבוב הפירות

DOI:

10.3791/69217

⸱

14 באוקטובר 2025

 ,  ,  ,  , 
1Department of Comparative Biomedical Sciences, LSU School of Veterinary Medicine

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מטרת פרוטוקול זה היא לספק תרגיל טיסה לזבוב הפירות דרוזופילה. תוצאות מייצגות מראות כי אימוני טיסה מביאים ליכולת אירובית מוגברת ועמידות לתזונה עתירת שומן.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

דרוזופילה הפכה לאחרונה למודל פופולרי לחקר השמנת יתר והפרעות נלוות. אמנם קל יחסית לגרום להפרעות מטבוליות בדרוזופילה באמצעות דיאטות ספציפיות, אך יצירת מודל פעילות גופנית לזבובים היא מאתגרת יותר. שיטות קיימות, כגון מגדל הכוח וגלגל ההליכון, משתמשות בבקבוקונים מטלטלים או מסתובבים כדי לגרום לזבובים לטפס, תוך מינוף תגובת הגיאוטקסיס השלילית שלהם. עם זאת, טיפוס מתמשך לתקופות ארוכות אינו טבעי עבור הזבובים ועלול להוביל לפציעות ותמותה הקשורות לפעילות גופנית. מאמר זה מציג פרוטוקול אימון חדש הממנף את היכולת הטבעית של הזבוב לעוף, ומציע גישה אימונית טבעית יותר, פיזיולוגית ונטולת פציעות. הניסויים מראים כי משטר אימונים של 5 ימים מגביר את היכולת הביו-אנרגטית של הזבוב ומנטרל את ההשפעות השליליות של תזונה מערבית (WD), משפר את התנהגות הטיפוס ומפחית את התמותה הקשורה ל-WD. פרוטוקול זה מאפשר אימון בו זמנית של מספר רב של זבובים לחקור את האינטראקציה בין פעילות גופנית לגורמים שונים, כולל תזונה, תרופות, הזדקנות וגנטיקה. יחד, שיטה זו יכולה להשלים שיטות קיימות לחקר השפעות הפעילות הגופנית על הפיזיולוגיה וההתנהגות של הזבובים.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פעילות גופנית ופעילות גופנית עומדות במוקד מחקר אינטנסיבי בשל היתרונות הבריאותיים המיידיים והארוכים שלהן1. בשל השפעתו המערכתית העוצמתית על חילוף החומרים, פעילות גופנית משמשת יותר ויותר למניעה וטיפול בהפרעות מטבוליות, לב וכלי דם ונוירולוגיות 2,3,4. למרות הראיות ההולכות וגדלות ליתרונות הבריאותיים הרבים הקשורים לפעילות גופנית סדירה, המנגנונים המולקולריים המדויקים העומדים בבסיס היתרונות הללו עדיין אינם מובנים היטב. כדי להבין את המנגנונים הללו, השימוש במודלים חדשניים ובעלי תפוקה גבוהה הוא חיוני. בעוד שמודלים של מכרסמים משמשים בדרך כלל לחקירת השפעת פעילות גופנית על מחלות מטבוליות, מחקרים כאלה דורשים עלויות משמעותיות, פיקוח רגולטורי וציוד מיוחד 6,7.

לאחרונה, Drosophila melanogaster התגלה כמודל חדש לחקר ביולוגיה של פעילות גופנית (נסקר 8,9,10). מצויד במגוון רחב של כלים גנטיים חזקים, מחזור חיים קצר, צאצאים נרחבים ודרישות תחזוקה חסכוניות, זבוב הפירות מהווה משאב רב ערך לחקר מנגנונים גנטיים, אפיגנטיים ובין-דוריים. כאשר מודלים פעילות גופנית בזבובים, השיטות הנוכחיות מסתמכות בדרך כלל על גיאוטקסיס שלילי, התגובה ההתנהגותית לטפס כלפי מעלה11,12.

אחד מפרוטוקולי האימון האוטומטיים הראשונים השתמש במנגנון אימון מיוחד בשם Power Tower11. מגדל הכוח משתמש ביחידת מנוע שמרימה שוב ושוב בקבוקונים עם בעלי חיים ואז מפילה אותם למטה כדי לגרום לתגובת הגיאוטקסיס השלילית11. פעילות גופנית ממושכת במגדל הכוח מביאה להפחתה משמעותית בירידה הקשורה לגיל בניידות ובביצועי הלב13. בנוסף, משטר מגדל הכוח יכול להיות מלחיץ עבור זבובים, ודווח כי עצימות אימונים מוגזמת גורמת לפציעה או תמותה11.

כדי לטפל בבעיה זו, פותחה פרדיגמת תרגיל נוספת בשם Treadwheel14. גלגל הדריכה גם ממנף את תגובת הגיאוטקסיס השלילית של דרוזופילה, אך במקום להרים ולהפיל זבובים כמו במגדל הכוח, הוא הופך בקבוקונים עם בעלי חיים. בניגוד למגדל הכוח, שיטה זו עדינה יותר על זבובים ומונעת פציעות ותמותה הקשורות לפעילות גופנית. עם זאת, הזבובים בגלגל ההליכון יכולים להתרגל לתנועה המסתובבת, מה שעלול לסבך את פירוש התוצאות12. כדי לטפל בבעיה זו, נוסף מוניטור פעילות תנועה (LAM25H, Trikinetics) כדי למדוד פעילות במהלך פעילות גופנית, לכמת את פעילות הדרוזופילה ולהסביר את ההתרגלות. לאחר מכן, שם המערכת עודכן למערכת כימות תרגילי סיבוב (REQS)12.

מעניין שמעט מאוד מחקרים ניצלו את יכולות התעופה הטבעיות של דרוזופילה כדי לדגמן פעילות גופנית. המוקד העיקרי של מחקר הטיסה היה על האווירודינמיקה וההיבטים הביומכניים של ריחוף ותמרון באוויר 15,16,17,18. מספר מחקרים התעמקו במנגנונים הפיזיולוגיים והתאים הקשורים לטיסה19,20. במחקרים אלה, יכולת הטיסה הוערכה באמצעות מבחן טיסה21,22, שבו זבובים בודדים שוחררו לתוך קופסת אקריליק שקופה ונצפתה יכולתם לשמור על גובה וטיסה יציבים23.

במחקר מסוים, החוקרים בחנו את ההשפעות של פעילות גופנית בטיסה מושרית על ידי הנחת זבובים בבקבוקים המחוברים לשייקר מסוג מערבולת. השייקר ניער בעדינות את הבקבוקים במרווחים אקראיים בין 5 דקות ל-10 דקות, באמצעות טיימר הניתן לתכנות19. מחקר זה דיווח כי התנהגות טיסה מושרית האיצה את ההזדקנות ואת אובדן היכולת נוגדת החמצון הקשור לגיל בשרירי התעופה19. בהתבסס על המחקר הקודם, המעבדה שלנו פיתחה פרוטוקול אימון חדש הנקרא FLEX (תרגיל טיסה) על ידי שילוב מערכת גיאוטקסיס שלילית אוטומטית עם שיכון זבובים במיכלים גדולים24. לצורך אימון ה-FLEX, זבובים הונחו בקערות דגי תוף מפלסטיק שקוף בנפח 1 ליטר שחוברו לפלטפורמה אופקית המחוברת למנוע. המנוע נשלט על ידי טיימר, שיזם סיבובי מנוע כל 5 דקות. כל סיבוב הרים את הפלטפורמה ואז הפיל אותה למטה, מה שגרם לזבובים לעוף. ה-FLEX בוצע מדי יום במשך 7 שעות במשך 5 ימים. לא נצפו מקרי מוות או פציעות הקשורים לפעילות גופנית24. יתר על כן, משטר FLEX של 5 ימים בזבובים בדיאטה המערבית (WD) ביטל באופן ניכר את ההשפעות השליליות של WD, ושיפר את ההישרדות, התנהגות הטיפוס והנשימה המיטוכונדריאלית24. יחד, מאמר זה מציג פרדיגמת פעילות גופנית חדשה המבוססת על פעילות תעופה טבעית שאינה גורמת לפציעה. זהו הליך בעל תפוקה גבוהה המאפשר לאמן מספר רב של זבובים בו זמנית לחקור את האינטראקציה בין פעילות גופנית, תזונה, תרופות, הזדקנות, סביבה ו/או גנטיקה. ניתן להשתמש בפרוטוקול כדי להשלים את שיטות האימון הקיימות כדי לחקור את ההשפעות של פעילות גופנית על הפיזיולוגיה וההתנהגות של הזבובים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. התקנה ותפעול של מכונת התעמלות

  1. בנה מכונה בחנות המכונות של האוניברסיטה. השתמש בבסיס אלומיניום מלבני 35 מ"מ x 35 מ"מ x 1.4 מ"מ עם מנוע AC/DC ופלטפורמת אלומיניום אופקית 35 מ"מ x 35 מ"מ x 0.5 מ"מ (איור 1A).
  2. עבור המרה של תנועה סיבובית לתנועה ליניארית, בנו פקה עגולה מסתובבת בהתאמה אישית בקוטר 15 ס"מ המותקנת על המנוע (איור 1B). חבר עוקב עם רולר של 2 ס"מ לתחתית הפלטפורמה האופקית כך שהפלטפורמה תורמת על ידי העוקב ולאחר מכן תיפול בחזרה למקומה המקורי ברגע שגלגלת העוקב מנקה את המצלמה.
  3. כוונן את מהירות המנוע באמצעות פוטנציומטר סיבובי כך שתקופת סיבוב מלאה תהיה באורך של כ-5,360 אלפיות השנייה.
    הערה: מפרט מנוע מדויק, מידות העוקב והגלגלת, כמו גם גיאומטריית הפקה, אינם קריטיים. כל תצורה ממונעת שמרימה ומורידה את הפלטפורמה באופן אמין כדי לעקור את הזבובים ומאפשרת למשתמש שליטה על תדר הנפילה מקובלת.
  4. אבטח קערות דגי תוף מפלסטיק שקוף בנפח 1 ליטר לפלטפורמה באמצעות חוטי בנג'י המחוברים לעיני בורג (איור 1C).

2. פרוטוקול FLEX

  1. החזיקו את הזבובים באינקובטור או בחדר בטמפרטורה של 24 מעלות צלזיוס עם 60% לחות ומחזור אור/חושך של 12 שעות.
  2. אסוף זבובים תואמי גיל תוך 3-4 ימים מרגע הבקיעה. לאחר האיסוף, הקצו באופן אקראי זבובים לקבוצות פעילות גופנית וישיבה. השתמש במספר שווה של זבובים הן עבור קבוצת הפעילות הגופנית והן עבור קבוצת הישיבה.
    הערה: ניתן לשכן זבובים בצפיפות הנעה בין 30 ל-400 לקערה, מכיוון שהדבר אינו מפריע לתרגיל הטיסה. עם זאת, תמיד יש להתאים קבוצות ניסוי וביקורת למספר, מין וגיל כדי להבטיח השוואה.
  3. ספק לזבובים בישיבה ומבוקרים 7 מ"ל של מזון פורמולציה. אבטח בקבוקוני מזון בקערות בעזרת סרט.
  4. העבירו זבובים לקערות באמצעות הרדמה קלה וקצרה של CO2 יום לפני תחילת משטר האימונים. מכסים את פתחי הקערות ברשת מהודקת בגומיות.
    הערה: יש להרדים זבובים לזמן קצר תחת אור CO2 על כרית. החשיפה חייבת להישאר קצרה כדי למנוע השפעות התנהגותיות מתמשכות; לכן, יש לבצע הרדמה יום אחד לפני ניסוי האימון.
  5. אבטח את הקערות לרציף בעזרת חוטי בנג'י. ערכו את אימוני האימון בחדר עם טמפרטורה של 24 מעלות צלזיוס ולחות של 60%. אם הלחות בחדר אינה נשלטת, ספק לזבובים גישה למים על ידי הנחת בקבוקוני כותנה רטובה בקערות הדגים וקיבוע בקבוקונים לקיר הקערה בעזרת סרט.
  6. עבור ניסויי בקרה (תרגיל דמה), הניחו מספר שווה של זבובים בקערה הממוקמת ליד מכונת האימון אך אינה מחוברת לפלטפורמה.
  7. פעילות גופנית נמשכת 5 ימים רצופים.
    1. שלוט במנוע עם שני קוצבי-זמן (איור 1D). הטיימר הראשון מפעיל ומכבה את המכונה בשעה מסוימת ביום. התחילו להתאמן בשעה 8 בבוקר וסיימו בשעה 15:00.
    2. השתמש בטיימר השני כדי ליזום סדרה של שלושה סיבובי מנוע, כאשר כל רצף מתרחש כל 5 דקות. כל סיבוב ירים את הפלטפורמה ואז תפיל אותה למטה, ותגרום לזבובים לעוף.
    3. לאחר השלמת הטיפול הגופני ליום נתון, החזירו את הקערות לחממות שלהן. ניתן לשנות פרוטוקול זה בקלות כך שיתאים לניסוי מסוים.
      הערה: לחות מתחת ל-60% עלולה לגרום לעלייה בתמותה. מספר קטן של זבובים עשויים שלא להתחיל לעוף לאחר הטיפה הראשונה, אך בדרך כלל מתחילים לעוף לאחר הטיפה השנייה או השלישית. אמנם לא ניתן לעקוב אחר טיסה אצל כל אדם, אך רוב הזבובים עוסקים בטיסה, וההנחה היא שכל הזבובים משתתפים בסופו של דבר בתרגיל. בנוסף, המכולה הגדולה מספקת מקום לטיסה מרצון בין הטיפות.
  8. בתום משטר ה-FLEX, יש לשתק זבובים על ידי הנחת הקערות בחדר הקירור למשך 5 דקות. לאחר מכן מעבירים זבובים לבקבוקוני מזון חדשים לניתוחים נוספים של מאפיינים פנוטיפיים או לצינורות מיקרו-צנטריפוגות לבדיקה מולקולרית ו/או ביוכימית מעניינת.
    הערה: דוגמאות לניתוחים נוספים כוללות בדיקה התנהגותית וביוכימית ו/או ביטוי גנים. בדיקות הכוללות זבובים חיים יצטרכו להתבצע באופן מיידי בהתאם למטרות הספציפיות של הבדיקה הפנוטיפית. ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן עם דגימות לביוכימיה/ביולוגיה מולקולרית שהוקפאו ואוחסנו כראוי, בהתאם להערכות שיש לבצע. סיכום הפרוטוקול מסופק כטבלה 1.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול FLEX אומת בעבר בעבודה שפורסמה במעבדה שלנו. במחקר שפורסם, הראינו כי פעילות גופנית בטיסה ממתנת את ההשפעות המטבוליות השליליות של דיאטה מערבית (WD)24. דיאטה זו נעשתה על בסיס הדיאטה הסטנדרטית של Nutri-Fly Bloomington עם התוספות הבאות של 15% Nutiva מאושר כאורגני, ללא רכיבים מהונדסים גנטית, שמן דקלים אדום, 15% סוכרוז ו-0.1 M NaCl.

זבובי פירות זכרים בוגרים בני שלושה עד ארבעה ימים חולקו באופן אקראי לכל אחת מארבע הקבוצות הבאות במטרה לבחו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול FLEX מספק שיטה חדשה ורלוונטית מבחינה פיזיולוגית להשראת פעילות אירובית בדרוזופילה מלנוגסטר באמצעות טיסה. בניגוד לפרדיגמות מסורתיות כמו מגדל הכוח וגלגל ההליכה, המסתמכות על גיאוטקסיס שלילי ותסיסה מכנית, FLEX רותם את התנהגות התעופה המולדת של הזבוב. גישה זו ממזערת פציעות הנגרמות על ידי פעילות גופנית ותגובות לחץ, מה שהופך אותה למודל בטוח ומתאים יותר מבחינה ביולוגית לביולוגיה של פעילות גופנית.

חרקים מסתמכים על מעוף כאחת הפעילויות האירוביות התובעניות...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה נתמך על ידי NIDDK R01DK129455 (AKM).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
צינור תרבית פוליפרופילן 17 x 100 מ"מ 14 מ"לVWR  60818-689
קערות דגים שקופות 1 גלון
פלסטיק 		פטקולא זמיןזמין מ-Petco
מגן מתח עם 8 שקעים עם טיימר דיגיטלי ל-7 ימיםBN-LINK EGPH020028זמין באמזון
מנוע AC/DC  דייטון  דגם 12W368 עם מומנט 80 IN-LBS
דיאטת פורמולציית בלומינגטון נוטרי-פליי  66-112זמין מ-Genesee Scientific Inc., סן דייגו, קליפורניה
מגבוני קיםפישר סיינטיפיק06-666קימברלי-קלארק פרושיונל 34120
טיימר תכנותי רב-תכליתי של יציאה עם ספירה לאחור ומחזור קצר אינסופיNEARPOW SPM10188153502זמין באמזון

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ruegsegger, G. N., Booth, F. W. Health benefits of exercise. Cold Spring Harb Perspect Med. 8 (7), a029694(2018).
  2. Valenzuela, P. L., et al. Exercise benefits on Alzheimer's disease: State-of-the-science. Ageing Res Rev. 62, 101108(2020).
  3. Petridou, A., Siopi, A., Mougios, V. Exercise in the management of obesity. Metabolism. 92, 163-169 (2019).
  4. Fiuza-Luces, C., et al. Exercise benefits in cardiovascular disease: Beyond attenuation of traditional risk factors. Nat Rev Cardiol. 15 (12), 731-743 (2018).
  5. Neufer, P. D., et al. Understanding the cellular and molecular mechanisms of physical activity-induced health benefits. Cell Metab. 22 (1), 4-11 (2015).
  6. Hastings, M. H., et al. Animal models of exercise from rodents to pythons. Circ Res. 130 (12), 1994-2014 (2022).
  7. Garton, F. C., North, K. N., Koch, L. G., Britton, S. L., Nogales-Gadea, G., Lucia, A. Rodent models for resolving extremes of exercise and health. Physiol Genomics. 48 (2), 82-92 (2016).
  8. Sujkowski, A., Wessells, R. Using Drosophila to understand biochemical and behavioral responses to exercise. Exerc Sport Sci Rev. 46 (2), 112-120 (2018).
  9. Watanabe, L. P., Riddle, N. C. New opportunities: Drosophila as a model system for exercise research. J Appl Physiol. 127 (2), 482-490 (2019).
  10. Ding, M., Li, H., Zheng, L. Drosophila exercise, an emerging model bridging the fields of exercise and aging in human. Front Cell Dev Biol. 10, 966531(2022).
  11. Tinkerhess, M. J., Ginzberg, S., Piazza, N., Wessells, R. J. Endurance training protocol and longitudinal performance assays for Drosophila melanogaster. J Vis Exp. (61), e3786(2012).
  12. Watanabe, L. P., Riddle, N. C. Characterization of the rotating exercise quantification system (REQS), a novel Drosophila exercise quantification apparatus. PLoS One. 12 (10), e0185090(2017).
  13. Piazza, N., Gosangi, B., Devilla, S., Arking, R., Wessells, R. Exercise-training in young Drosophila melanogaster reduces age-related decline in mobility and cardiac performance. PLoS One. 4 (6), e5886(2009).
  14. Lowman, K. E., Wyatt, B. J., Cunneely, O. P., Reed, L. K. The TreadWheel: Interval training protocol for gently induced exercise in Drosophila melanogaster. J Vis Exp. (136), e57788(2018).
  15. Cheng, X., Sun, M. Wing-kinematics measurement and aerodynamics in a small insect in hovering flight. Sci Rep. 6, 25706(2016).
  16. Aono, H., Liang, F., Liu, H. Near- and far-field aerodynamics in insect hovering flight: An integrated computational study. J Exp Biol. 211 (Pt 2), 239-257 (2008).
  17. Bennett, L. Insect aerodynamics: Vertical sustaining force in near-hovering flight. Science. 152 (3726), 1263-1266 (1966).
  18. Fry, S. N., Sayaman, R., Dickinson, M. H. The aerodynamics of hovering flight in Drosophila. J Exp Biol. 208 (Pt 12), 2303-2318 (2005).
  19. Lane, S. J., Frankino, W. A., Elekonich, M. M., Roberts, S. P. The effects of age and lifetime flight behavior on flight capacity in Drosophila melanogaster. J Exp Biol. 217 (Pt 9), 1437-1443 (2014).
  20. Margotta, J. W., Roberts, S. P., Elekonich, M. M. Effects of flight activity and age on oxidative damage in the honey bee, Apis mellifera. J Exp Biol. 221 (Pt 14), jeb183228(2018).
  21. Bartholomew, N. R., Burdett, J. M., VandenBrooks, J. M., Quinlan, M. C., Call, G. B. Impaired climbing and flight behaviour in Drosophila melanogaster following carbon dioxide anaesthesia. Sci Rep. 5, 15298(2015).
  22. Chambers, R. P., et al. Nicotine increases lifespan and rescues olfactory and motor deficits in a Drosophila model of Parkinson's disease. Behav Brain Res. 253, 95-102 (2013).
  23. Pesah, Y., et al. Drosophila parkin mutants have decreased mass and cell size and increased sensitivity to oxygen radical stress. Development. 131 (9), 2183-2194 (2004).
  24. Murashov, A. K., et al. Preference and detrimental effects of high fat, sugar, and salt diet in wild-caught Drosophila simulans are reversed by flight exercise. FASEB Bioadv. 3 (1), 49-64 (2021).
  25. Murashov, A. K., et al. Paternal Western diet causes transgenerational increase in food consumption in Drosophila with parallel alterations in the offspring brain proteome and microRNAs. FASEB J. 37 (6), e22966(2023).
  26. Van der Horst, D. J. Insect adipokinetic hormones: Release and integration of flight energy metabolism. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol. 136 (2), 217-226 (2003).
  27. Suarez, R. K. Energy metabolism during insect flight: Biochemical design and physiological performance. Physiol Biochem Zool. 73 (6), 765-771 (2000).
  28. Lehmann, F. O., Skandalis, D. A., Berthe, R. Calcium signalling indicates bilateral power balancing in the Drosophila flight muscle during manoeuvring flight. J R Soc Interface. 10 (82), 20121050(2013).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Drosophila

מאמרים קשורים