Methodenartikel

FLEX: Trainingsprotocol voor vliegoefeningen voor de fruitvlieg Drosophila

DOI:

10.3791/69217

⸱

14 oktober 2025

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Het doel van dit protocol is om vliegoefeningen te bieden voor de fruitvlieg Drosophila. Representatieve resultaten tonen aan dat vliegtraining resulteert in een verhoogde aerobe capaciteit en weerstand tegen een vetrijk dieet.

Samenvatting

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

Drosophila is de laatste tijd een populair model geworden voor het bestuderen van obesitas en aanverwante aandoeningen. Hoewel het relatief eenvoudig is om stofwisselingsstoornissen bij Drosophila op te wekken met behulp van specifieke diëten, is het creëren van een oefenmodel voor de vliegen een grotere uitdaging. Bestaande methoden, zoals de Power Tower en het Treadwheel, maken gebruik van schuddende of roterende flesjes om de vliegen te laten klimmen, gebruikmakend van hun negatieve geotaxisreactie. Langdurig continu klimmen is echter onnatuurlijk voor de vliegen en kan leiden tot inspanningsgerelateerde blessures en sterfgevallen. Dit artikel introduceert een nieuw trainingsprotocol dat gebruikmaakt van het natuurlijke vermogen van de vlieg om te vliegen en een meer natuurlijke, fysiologische en blessurevrije trainingsaanpak biedt. De experimenten tonen aan dat een 5-daags vliegtrainingsregime de bio-energetische capaciteit van de vlieg verhoogt en de nadelige effecten van een westers dieet (WD) tegengaat, waardoor het klimgedrag verbetert en WD-geassocieerde mortaliteit wordt verminderd. Dit protocol maakt het mogelijk om een groot aantal vliegen gelijktijdig te trainen om de interactie tussen lichaamsbeweging en verschillende factoren te bestuderen, waaronder voeding, medicijnen, veroudering en genetica. Samen kan deze methode een aanvulling zijn op bestaande methoden voor het bestuderen van de effecten van lichaamsbeweging op de fysiologie en het gedrag van vliegen.

Inleiding

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

Lichamelijke activiteit en lichaamsbeweging zijn de focus van intensief onderzoek naar hun onmiddellijke en langdurige gezondheidsvoordelen1. Vanwege het krachtige systemische effect op het metabolisme wordt lichaamsbeweging steeds vaker gebruikt om metabole, cardiovasculaire en neurologische aandoeningen te voorkomen en te behandelen 2,3,4. Ondanks het toenemende bewijs van de talrijke gezondheidsvoordelen die gepaard gaan met regelmatige lichaamsbeweging, blijven de exacte moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan die voordelen slecht begrepen5. Om deze mechanismen te begrijpen, is het gebruik van innovatieve en high-throughput diermodellen essentieel. Hoewel knaagdiermodellen vaak worden gebruikt om de impact van lichaamsbeweging op stofwisselingsziekten te onderzoeken, vereisen dergelijke onderzoeken aanzienlijke kosten, regelgevend toezicht en gespecialiseerde apparatuur 6,7.

Onlangs is Drosophila melanogaster naar voren gekomen als een nieuw model voor onderzoek naar bewegingsbiologie (beoordeeld 8,9,10). Uitgerust met een breed scala aan krachtige genetische hulpmiddelen, een korte levenscyclus, uitgebreide nakomelingen en economische onderhoudsvereisten, vormt de fruitvlieg een waardevolle bron voor het onderzoeken van genetische, epigenetische en transgenerationele mechanismen. Bij het modelleren van oefeningen bij vliegen, vertrouwen de huidige methoden meestal op negatieve geotaxis, de gedragsreactie om omhoog te klimmen11,12.

Een van de eerste geautomatiseerde oefenprotocollen maakte gebruik van een speciaal oefenapparaat genaamd de Power Tower11. De Power Tower maakt gebruik van een motoreenheid die herhaaldelijk flesjes met dieren optilt en ze vervolgens naar beneden laat vallen om de negatieve geotaxis-respons11 op te wekken. Langdurige inspanning in de Power Tower resulteert in een significante vermindering van leeftijdsgerelateerde achteruitgang van mobiliteit en hartprestaties13. Bovendien kan het Power Tower-regime stressvol zijn voor vliegen en is gemeld dat overmatige trainingsintensiteit letsel of sterfte veroorzaakt11.

Om dit probleem aan te pakken, werd een ander oefenparadigma ontwikkeld, Treadwheel genaamd,14. Het loopwiel maakt ook gebruik van de negatieve geotaxis-respons van Drosophila, maar in plaats van vliegen op te tillen en te laten vallen zoals in de Power Tower, keert het flesjes met dieren om. In tegenstelling tot de Power Tower is deze methode zachter voor vliegen en voorkomt inspanningsgerelateerde blessures en sterfte9. De vliegen in het loopwiel kunnen echter wennen aan de roterende beweging, wat de interpretatie van de resultaten kan bemoeilijken12. Om dit probleem aan te pakken, werd een Locomotor Activity Monitor (LAM25H, Trikinetics) toegevoegd om de activiteit tijdens inspanning te meten, de Drosophila-activiteit te kwantificeren en rekening te houden met gewenning. Vervolgens werd de naam van het systeem bijgewerkt naar het Rotational Exercise Quantification System (REQS)12.

Interessant is dat maar heel weinig studies gebruik maakten van het natuurlijke vliegvermogen van Drosophila om oefeningen te modelleren. De overheersende focus van het vliegonderzoek lag op de aerodynamica en biomechanische aspecten van zweven en manoeuvreren in de lucht 15,16,17,18. Verschillende studies hebben zich verdiept in de fysiologische en cellulaire mechanismen die verband houden met vlucht19,20. In deze onderzoeken werd het vliegvermogen beoordeeld via de vluchttest21,22, waarbij individuele vliegen werden vrijgelaten in een doorzichtige acryldoos en hun vermogen om een constante hoogte en vlucht te behouden werd geobserveerd23.

In een bepaalde studie onderzochten onderzoekers de effecten van geïnduceerde vliegoefeningen door vliegen in flessen te plaatsen die aan een wervelende shaker waren bevestigd. De shaker schudde de flessen voorzichtig met willekeurige tussenpozen tussen 5 minuten en 10 minuten, met behulp van een programmeerbare timer19. Deze studie rapporteerde dat geïnduceerd vlieggedrag de senescentie en het leeftijdsgebonden verlies van antioxidantcapaciteit in de vliegspieren versnelde19. Voortbouwend op het eerdere onderzoek heeft ons laboratorium een nieuw oefenprotocol ontwikkeld, FLEX (vliegoefening) genaamd, door een geautomatiseerd negatief geotaxissysteem te integreren met huisvestingsvliegen in grote containers24. Voor de FLEX-training werden vliegen geplaatst in doorzichtige plastic trommelviskommen van 1 gallon die waren vastgemaakt aan een horizontaal platform dat aan een motor was bevestigd. De motor werd aangestuurd door een timer, die elke 5 minuten het motortoerental initieerde. Elke omwenteling tilde het platform op en liet het vervolgens naar beneden vallen, waardoor de vliegen gingen vliegen. De FLEX werd dagelijks gedurende 7 uur gedurende 5 dagen uitgevoerd. Er werden geen sterfgevallen of verwondingen in verband met inspanning waargenomen24. Bovendien deed een 5-daags FLEX-regime bij vliegen op het westerse dieet (WD) de nadelige effecten van de WD duidelijk teniet, waardoor de overleving, het klimgedrag en de mitochondriale ademhaling verbeterden24. Samen presenteert dit artikel een nieuw trainingsparadigma op basis van natuurlijke vliegactiviteit die geen letsel veroorzaakt. Dit is een procedure met hoge doorvoer waarmee een groot aantal vliegen tegelijkertijd kan worden getraind om de interactie tussen lichaamsbeweging, dieet, medicijnen, veroudering, omgeving en/of genetica te bestuderen. Het protocol kan worden gebruikt als aanvulling op bestaande trainingsmethoden om de effecten van fysieke activiteit op de fysiologie en het gedrag van vliegen te bestuderen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Installatie en bediening van de fitnessmachine

  1. Bouw een machine in de Universitaire Machinewerkplaats. Gebruik een rechthoekige aluminium basis van 35 mm x 35 mm x 1.4 mm met een AC/DC-motor en een horizontaal aluminium platform van 35 mm x 35 mm x 0.5 mm (Afbeelding 1A).
  2. Voor de omzetting van roterende beweging naar lineaire beweging bouwt u een op maat gemaakte roterende ronde nok met een diameter van 15 cm die op de motor wordt gemonteerd (Figuur 1B). Bevestig een volger met een rol van 2 cm aan de onderkant van het horizontale platform, zodat het platform door de volger wordt opgetild en vervolgens weer in zijn oorspronkelijke positie wordt neergelaten zodra de volgrol de nok heeft vrijgemaakt.
  3. Stel het toerental van de motor met een roterende potentiometer zo in dat een volledige rotatieperiode ongeveer 5.360 ms lang is.
    OPMERKING: Exacte motorspecificaties, afmetingen van volger en rol, evenals de nokkengeometrie zijn niet kritisch. Elke gemotoriseerde configuratie die het platform op betrouwbare wijze optilt en laat vallen om de vliegen te verjagen en de gebruiker controle geeft over de valfrequentie, is acceptabel.
  4. Bevestig de doorzichtige plastic vatviskommen van 1 gallon aan het platform met bungeekoorden die aan schroefogen zijn gehaakt (Figuur 1C).

2. FLEX-protocol

  1. Bewaar vliegen in een broedmachine of ruimte van 24 °C met een luchtvochtigheid van 60% en een licht/donkercyclus van 12 uur.
  2. Verzamel vliegen van dezelfde leeftijd binnen 3-4 dagen na het uitkomen. Wijs na het verzamelen willekeurig vliegen toe aan oefen- en sedentaire groepen. Gebruik een gelijk aantal vliegen voor zowel de inspannings- als de zittende groepen.
    OPMERKING: Vliegen kunnen worden gehuisvest in dichtheden variërend van 30 tot 400 per kom, omdat dit de vliegoefening niet verstoort. Experimentele en controlegroepen moeten echter altijd worden gematcht op basis van aantal, geslacht en leeftijd om vergelijkbaarheid te garanderen.
  3. Voorzie sedentaire en gecontroleerde vliegen van 7 ml formuleringsvoer. Zet de voedselflesjes vast in de kommen met tape.
  4. Breng vliegen een dag voor aanvang van het trainingsregime over in de kommen met behulp van lichte en korte CO2 -anesthesie. Bedek de openingen van de kommen met een gaas dat is vastgezet met elastiekjes.
    OPMERKING: Vliegen moeten kort worden verdoofd onder licht CO2 op een kussen. De blootstelling moet kort blijven om blijvende gedragseffecten te voorkomen; Daarom moet de anesthesie 1 dag voor het inspanningsexperiment worden uitgevoerd.
  5. Bevestig de kommen aan het platform met elastische koorden. Voer de training uit in een ruimte met een temperatuur van 24 °C en een luchtvochtigheid van 60%. Als de luchtvochtigheid in de kamer niet onder controle is, geef vliegen dan toegang tot water door flesjes nat katoen in de viskommen te plaatsen en flesjes met tape aan de muur van de kom te bevestigen.
  6. Plaats voor controle-experimenten (schijnoefening) een gelijk aantal vliegen in een kom die naast het oefenapparaat is geplaatst, maar niet aan het platform is bevestigd.
  7. Oefening vliegt gedurende 5 opeenvolgende dagen.
    1. Bedien de motor met twee timers (Figuur 1D). De eerste timer zet de machine op een bepaald tijdstip van de dag aan en uit. Begin met sporten om 8 uur 's ochtends en eindig om 3 uur 's middags.
    2. Gebruik de tweede timer om een reeks van drie motoromwentelingen te starten, waarbij elke reeks elke 5 minuten plaatsvindt. Elke omwenteling zal het platform optillen en vervolgens naar beneden laten vallen, waardoor de vliegen in de vlucht slaan.
    3. Zodra de inspanningsbehandeling voor een bepaalde dag is voltooid, plaatst u de kommen terug in hun couveuses. Dit protocol kan eenvoudig worden aangepast aan een bepaald experiment.
      OPMERKING: Een luchtvochtigheid onder de 60% kan een toename van de mortaliteit veroorzaken. Een klein aantal vliegen begint mogelijk niet te vliegen na de eerste druppel, maar begint meestal te vliegen na de tweede of derde druppel. Hoewel het niet haalbaar is om de vlucht bij elk individu te volgen, neemt de meerderheid van de vliegen deel aan de vlucht en wordt aangenomen dat alle vliegen uiteindelijk deelnemen aan lichaamsbeweging. Bovendien biedt de grote container ruimte voor vrijwillige vlucht tussen de drops.
  8. Aan het einde van het FLEX-regime immobiliseert u vliegen door de kommen 5 minuten in de koelcel te plaatsen. Breng vliegen vervolgens over naar nieuwe voedselflesjes voor verdere analyse van fenotypische kenmerken of naar microcentrifugebuisjes voor moleculaire en/of biochemische testen die van belang zijn.
    OPMERKING: Voorbeelden van verdere analyses zijn gedrags- en biochemische assay en/of genexpressie. Testen met levende vliegen moeten onmiddellijk worden uitgevoerd in overeenstemming met de specifieke doelen van de fenotypische test. Het protocol kan hier worden gepauzeerd met monsters voor biochemie/moleculaire biologie die worden ingevroren en op de juiste manier worden bewaard, afhankelijk van de uit te voeren beoordelingen. Een samenvatting van het protocol is te vinden in tabel 1.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Het FLEX-protocol is eerder gevalideerd in een gepubliceerd werk van ons laboratorium. In een gepubliceerde studie hebben we aangetoond dat vliegtraining de negatieve metabolische effecten van een westers dieet (WD)24 verzacht. Dit dieet is gemaakt op basis van het standaard Nutri-Fly Bloomington-dieet met de volgende toevoegingen van 15% Nutiva USDA-gecertificeerde biologische, niet-GMO, rode palmolie, 15% sucrose en 0,1 M NaCl.

Drie t...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Het FLEX-protocol biedt een nieuwe en fysiologisch relevante methode voor het induceren van aërobe inspanning in Drosophila melanogaster tijdens de vlucht. In tegenstelling tot traditionele paradigma's zoals de Power Tower en TreadWheel, die gebaseerd zijn op negatieve geotaxis en mechanische agitatie, maakt FLEX gebruik van het aangeboren vlieggedrag van de vlieg. Deze aanpak minimaliseert door inspanning veroorzaakte blessures en stressreacties, waardoor het een veiliger en bi...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit onderzoek werd ondersteund door NIDDK R01DK129455 (AKM).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
17 x 100 mm 14 mL polypropyleen kweekbuis VWR 60818-689
1-gallon heldere
plastic vat viskommen 		PetcoN/ABeschikbaar bij Petco
8-voudige overspanningsbeveiliging met 7-daagse digitale timerBN-LINK EGPH020028Beschikbaar bij Amazon
AC/DC motor Dayton Model 12W368 met koppel 80 IN-LBS
Bloomington Formulering dieet Nutri-Fly 66-112Beschikbaar bij Genesee Scientific Inc., San Diego, CA
Kim-wipesFisher Scientific06-666Kimberly-Clark Professional 34120
Multifunctionele programmeerbare stopcontacttimer met aftelling en oneindige korte cyclusNEARPOW SPM10188153502Beschikbaar bij Amazon

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Drosophila bewegingvliegtrainingfruitvliegmodelmetabole stoornissenbioenergetische capaciteitwesters dieetklimgedragfenotypische analysetransgenerationele effectenomics technieken

Gerelateerde artikelen