Yöntem makalesi

FLEX: Meyve sineği Drosophila için uçuş tatbikatı eğitim protokolü

DOI:

10.3791/69217

⸱

14 Ekim 2025

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

Bu makalede

Özet

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

Bu protokolün amacı, meyve sineği Drosophila için uçuş egzersizi sağlamaktır. Temsili sonuçlar, uçuş egzersiz eğitiminin artan aerobik kapasite ve yüksek yağlı bir diyete direnç ile sonuçlandığını göstermektedir.

Özet

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

Drosophila, son zamanlarda obezite ve ilgili bozuklukları incelemek için popüler bir model haline geldi. Belirli diyetler kullanarak Drosophila'da metabolik bozuklukları tetiklemek nispeten kolay olsa da, sinekler için bir egzersiz modeli oluşturmak daha zordur. Güç Kulesi ve Koşu Tekerleği gibi mevcut yöntemler, sinekleri tırmanmaya teşvik etmek için sallayan veya dönen şişeleri kullanıyor ve negatif jeotaksi tepkilerinden yararlanıyor. Ancak uzun süre sürekli tırmanmak sinekler için doğal değildir ve egzersize bağlı yaralanmalara ve ölümlere yol açabilir. Bu makale, sineğin doğal uçma yeteneğinden yararlanan, daha doğal, fizyolojik ve yaralanmasız bir egzersiz yaklaşımı sunan yeni bir egzersiz protokolünü tanıtmaktadır. Deneyler, 5 günlük bir uçuş egzersiz rejiminin sineğin biyoenerjetik kapasitesini artırdığını ve Batı diyetinin (WD) olumsuz etkilerine karşı koyduğunu, tırmanma davranışını iyileştirdiğini ve WD ile ilişkili ölüm oranını azalttığını gösteriyor. Bu protokol, egzersiz ile diyet, ilaçlar, yaşlanma ve genetik dahil olmak üzere çeşitli faktörler arasındaki etkileşimi incelemek için çok sayıda sineğin aynı anda eğitilmesini sağlar. Birlikte, bu yöntem, egzersizin sinek fizyolojisi ve davranışı üzerindeki etkilerini incelemek için mevcut yöntemleri tamamlayabilir.

Giriş

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

Fiziksel aktivite ve egzersiz, acil ve uzun vadeli sağlık yararları için yoğun araştırmaların odak noktasıdır1. Metabolizma üzerindeki güçlü sistemik etkisi nedeniyle egzersiz, metabolik, kardiyovasküler ve nörolojik bozuklukları önlemek ve tedavi etmek için giderek daha fazla kullanılmaktadır 2,3,4. Düzenli egzersizle ilişkili sayısız sağlık yararına dair artan kanıtlara rağmen, bu faydaların temelini oluşturan kesin moleküler mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır5. Bu mekanizmaları anlamak için yenilikçi ve yüksek verimli hayvan modellerinin kullanılması şarttır. Kemirgen modelleri, egzersizin metabolik hastalıklar üzerindeki etkisini araştırmak için yaygın olarak kullanılırken, bu tür çalışmalar önemli maliyetler, düzenleyici gözetim ve özel ekipman gerektirir 6,7.

Son zamanlarda, Drosophila melanogaster, egzersiz biyolojisini araştırmak için yeni bir model olarak ortaya çıkmıştır (gözden geçirilmiş 8,9,10). Çok çeşitli güçlü genetik araçlarla, kısa yaşam döngüsüyle, geniş nesillerle ve ekonomik bakım gereksinimleriyle donatılmış meyve sineği, genetik, epigenetik ve nesiller arası mekanizmaların araştırılması için değerli bir kaynak sunar. Sineklerde egzersizi modellerken, mevcut yöntemler tipik olarak negatif jeotaksiye, yukarı doğru tırmanmak için davranışsal tepkiye dayanır11,12.

İlk otomatik egzersiz protokollerinden biri, Power Tower11 adlı özel bir egzersiz aparatı kullandı. Güç Kulesi, hayvanlarla birlikte şişeleri tekrar tekrar kaldıran ve ardından negatif jeotaksi tepkisini11 indüklemek için onları aşağı indiren bir motor ünitesi kullanır. Güç Kulesinde uzun süreli egzersiz, hareketlilik ve kardiyak performansta yaşa bağlı düşüşte önemli bir azalmaya neden olur13. Ek olarak, Güç Kulesi rejimi sinekler için stresli olabilir ve aşırı eğitim yoğunluğunun yaralanma veya ölüme neden olduğu bildirilmiştir11.

Bu sorunu çözmek için, Treadwheel adlı başka bir egzersiz paradigması geliştirildi14. Koşu Çarkı ayrıca Drosophila'nın negatif jeotaksi tepkisinden de yararlanır, ancak Güç Kulesi'nde olduğu gibi sinekleri kaldırıp bırakmak yerine, hayvanlarla şişeleri ters çevirir. Güç Kulesi'nden farklı olarak, bu yöntem sineklere karşı daha naziktir ve egzersize bağlı yaralanmaları ve ölümleri önler9. Bununla birlikte, Koşu Tekerleğindeki sinekler dönme hareketine alışabilir ve bu da sonuçlarınyorumlanmasını zorlaştırabilir 12. Bu sorunu çözmek için, egzersiz sırasındaki aktiviteyi ölçmek, Drosophila aktivitesini ölçmek ve alışkanlığı hesaba katmak için bir Lokomotor Aktivite Monitörü (LAM25H, Trikinetics) eklendi. Daha sonra, sistemin adı Rotasyonel Egzersiz Miktar Belirleme Sistemi (REQS)12 olarak güncellendi.

İlginç bir şekilde, çok az çalışma, egzersizi modellemek için Drosophila'nın doğal uçuş yeteneklerinden yararlandı. Uçuş araştırmalarının baskın odak noktası, havada asılı kalma ve manevra yapmanın aerodinamik ve biyomekanik yönleri olmuştur 15,16,17,18. Birkaç çalışma,uçuş 19,20 ile ilgili fizyolojik ve hücresel mekanizmaları araştırmıştır. Bu çalışmalarda, uçuş kabiliyeti, tek tek sineklerin şeffaf akrilik bir kutuya bırakıldığı ve sabit irtifa ve uçuşu sürdürme yeteneklerinin gözlemlendiği uçuş tahlili21,22 ile değerlendirildi23.

Belirli bir çalışmada araştırmacılar, sinekleri girdap tipi bir çalkalayıcıya bağlı şişelere yerleştirerek indüklenmiş uçuş egzersizinin etkilerini incelediler. Çalkalayıcı, programlanabilir bir zamanlayıcı19 kullanarak şişeleri 5 dakika ile 10 dakika arasında rastgele aralıklarla hafifçe salladı. Bu çalışma, indüklenen uçuş davranışının yaşlanmayı hızlandırdığını ve uçuş kaslarında yaşa bağlı antioksidan kapasite kaybını bildirmiştir19. Önceki araştırmalara dayanarak, laboratuvarımız, sinekleri büyük kaplarda barındıran otomatik bir negatif jeotaksi sistemini entegre ederek FLEX (uçuş egzersizi) adı verilen yeni bir egzersiz protokolü geliştirmiştir24. FLEX eğitimi için sinekler, bir motora bağlı yatay bir platforma bağlanmış 1 galonluk şeffaf plastik varil balık kaselerine yerleştirildi. Motor, her 5 dakikada bir motor devrini başlatan bir zamanlayıcı tarafından kontrol ediliyordu. Her dönüş platformu yükseltti ve sonra aşağı düşürerek sinekleri uçmaya tetikledi. FLEX, 5 gün boyunca her gün 7 saat boyunca gerçekleştirildi. Egzersizle ilişkili herhangi bir ölüm veya yaralanma gözlenmedi24. Ayrıca, Batı Diyeti (WD) üzerindeki sineklerde 5 günlük bir FLEX rejimi, WD'nin olumsuz etkilerini önemli ölçüde ortadan kaldırarak hayatta kalmayı, tırmanma davranışını ve mitokondriyal solunumu iyileştirdi24. Bu makale birlikte, yaralanmaya neden olmayan doğal uçuş aktivitesine dayalı yeni bir egzersiz paradigması sunmaktadır. Bu, egzersiz, diyet, ilaçlar, yaşlanma, çevre ve/veya genetik arasındaki etkileşimi incelemek için çok sayıda sineğin aynı anda eğitilmesine olanak tanıyan yüksek verimli bir prosedürdür. Protokol, fiziksel aktivitenin sinek fizyolojisi ve davranışı üzerindeki etkilerini incelemek için mevcut egzersiz yöntemlerini tamamlamak için kullanılabilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. Egzersiz makinesi kurulumu ve çalıştırılması

  1. Üniversite Makine Atölyesi'nde bir makine inşa et. AC/DC motorlu 35 mm x 35 mm x 1.4 mm dikdörtgen alüminyum taban ve 35 mm x 35 mm x 0.5 mm yatay alüminyum platform kullanın (Şekil 1A).
  2. Dönme hareketinin doğrusal harekete dönüştürülmesi için, motora monte edilmiş 15 cm çapında özel yapım dönen yuvarlak bir kam oluşturun (Şekil 1B). Yatay platformun altına 2 cm'lik bir silindirle bir takipçi takın, böylece platform takipçi tarafından kaldırılır ve ardından takipçi silindiri kamı temizledikten sonra orijinal konumuna geri bırakılır.
  3. Motorun hızını, tam dönüş periyodu yaklaşık 5.360 ms uzunluğunda olacak şekilde döner bir potansiyometre ile ayarlayın.
    NOT: Tam motor özellikleri, takipçi ve makara boyutları ve ayrıca kam geometrisi kritik değildir. Sinekleri yerinden çıkarmak için platformu güvenilir bir şekilde kaldırıp bırakan ve kullanıcının düşme frekansı üzerinde kontrol etmesine izin veren herhangi bir motorlu konfigürasyon kabul edilebilir.
  4. 1 galonluk şeffaf plastik varil balık kaselerini, vida gözlerine takılan bungee kordonları ile platforma sabitleyin (Şekil 1C).

2. FLEX protokolü

  1. Sinekleri 24 °C'lik bir inkübatörde veya %60 nemli ve 12 saatlik aydınlık/karanlık döngüsüne sahip bir odada tutun.
  2. Yumurtadan çıktıktan sonraki 3-4 gün içinde yaşlarına uygun sinekleri toplayın. Toplandıktan sonra, sinekleri egzersiz ve hareketsiz gruplara rastgele atayın. Hem egzersiz hem de hareketsiz gruplar için eşit sayıda sinek kullanın.
    NOT: Sinekler, uçuş egzersizini engellemediği için kase başına 30 ila 400 arasında değişen yoğunluklarda barındırılabilir. Bununla birlikte, karşılaştırılabilirliği sağlamak için deney ve kontrol grupları her zaman sayı, cinsiyet ve yaş açısından eşleştirilmelidir.
  3. Hareketsiz ve kontrollü sineklere 7 mL formülasyonlu yem sağlayın. Yiyecek şişelerini kaselere bantla sabitleyin.
  4. Egzersiz rejimine başlamadan bir gün önce hafif ve kısa CO2 anestezisi kullanarak sinekleri kaselere aktarın. Kaselerin açıklıklarını lastik bantlarla sabitlenmiş bir ağ ile kapatın.
    NOT: Sinekler bir ped üzerinde hafifCO2 altında kısa bir süre uyuşturulmalıdır. Kalıcı davranışsal etkilerden kaçınmak için maruz kalma kısa kalmalıdır; Bu nedenle egzersiz deneyinden 1 gün önce anestezi yapılmalıdır.
  5. Kaseleri bungee kordonları ile platforma sabitleyin. Egzersiz eğitimini 24 °C sıcaklığa ve %60 neme sahip bir odada gerçekleştirin. Odadaki nem kontrol edilmiyorsa, balık kaselerine ıslak pamuk şişeleri yerleştirerek ve şişeleri kasenin duvarına bantla sabitleyerek sineklerin suya erişimini sağlayın.
  6. Kontrol deneyleri (sahte egzersiz) için, egzersiz makinesinin yanına yerleştirilmiş ancak platforma bağlı olmayan bir kaseye eşit sayıda sinek yerleştirin.
  7. Egzersiz art arda 5 gün uçar.
    1. Motoru iki zamanlayıcı ile kontrol edin (Şekil 1D). İlk zamanlayıcı, makineyi günün belirli bir saatinde açar ve kapatır. Egzersize sabah 8'de başlayın ve öğleden sonra 3'te bitirin.
    2. Her biri her 5 dakikada bir gerçekleşen üç motor devri serisini başlatmak için ikinci zamanlayıcıyı kullanın. Her devir platformu yükseltecek ve ardından aşağı düşürerek sinekleri uçmaya tetikleyecektir.
    3. Belirli bir gün için egzersiz tedavisi tamamlandıktan sonra, kaseleri kuvözlerine geri koyun. Bu protokol, belirli bir deneye uyacak şekilde kolayca değiştirilebilir.
      NOT: %60'ın altındaki bir nem oranı mortalitede artışa neden olabilir. Az sayıda sinek ilk düşüşten sonra uçuşa başlamayabilir, ancak genellikle ikinci veya üçüncü düşüşten sonra uçmaya başlar. Her bireyde uçuşu takip etmek mümkün olmasa da, sineklerin çoğu uçar ve sonunda tüm sineklerin egzersize katıldığı varsayılır. Ek olarak, büyük konteyner, damlalar arasında gönüllü uçuş için alan sağlar.
  8. FLEX rejiminin sonunda, kaseleri 5 dakika soğuk odaya koyarak sinekleri hareketsiz hale getirin. Daha sonra fenotipik özelliklerin daha ileri analizleri için sinekleri yeni gıda şişelerine veya ilgilenilen moleküler ve/veya biyokimyasal tahlil için mikrosantrifüj tüplerine aktarın.
    NOT: Diğer analizlere örnek olarak davranışsal ve biyokimyasal tahlil ve/veya gen ekspresyonu verilebilir. Canlı sinekleri içeren tahlillerin, fenotipik tahlilin spesifik hedeflerine uygun olarak derhal yapılması gerekecektir. Protokol, yapılacak değerlendirmelere bağlı olarak biyokimya/moleküler biyoloji numuneleri dondurularak ve uygun şekilde saklanarak burada duraklatılabilir. Protokolün bir özeti Tablo 1'de verilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

FLEX protokolü daha önce laboratuvarımızda yayınlanmış bir çalışmada doğrulanmıştı. Yayınlanan bir çalışmada, uçuş egzersizinin Batı Diyetinin (WD)24 olumsuz metabolik etkilerini azalttığını gösterdik. Bu diyet, aşağıdaki %15 Nutiva USDA Sertifikalı Organik, GDO'suz, Kırmızı Palmiye Yağı, %15 Sükroz ve 0.1 M NaCl ilaveleriyle standart Nutri-Fly Bloomington diyeti temelinde yapılmıştır.

Üç ila dört günlük yetişkin erkek meyve sinekleri, ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

FLEX protokolü, uçuş yoluyla Drosophila melanogaster'da aerobik egzersizi indüklemek için yeni ve fizyolojik olarak uygun bir yöntem sağlar. Negatif jeotaksiye ve mekanik ajitasyona dayanan Power Tower ve TreadWheel gibi geleneksel paradigmaların aksine FLEX, sineğin doğuştan gelen uçuş davranışından yararlanır. Bu yaklaşım, egzersize bağlı yaralanmaları ve stres tepkilerini en aza indirerek egzersiz biyolojisi için daha güvenli ve biyolojik olarak daha uygun bir model haline ge...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

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

Bu araştırma NIDDK R01DK129455 (AKM) tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
17 x 100 mm 14 mL polipropilen kültür tüpü VWR  60818-689
1 galonluk şeffaf
plastik tamburlu balık kaseleri 		PetcoYOKPetco'dan temin edilebilir
7 Günlük Dijital Zamanlayıcılı 8 Prizli Aşırı Yükselme KoruyucusuBN-LINK EGPH020028Amazon'dan temin edilebilir
AC/DC motor Dayton Tork 80 IN-LBS ile Model 12W368
Bloomington Formülasyon diyeti Nutri-Fly  66-112Genesee Scientific Inc., San Diego, CA'dan temin edilebilir
Kim-wipesFisher Scientific06-666Kimberly-Clark Profesyonel 34120
Geri Sayım ve Sonsuz Kısa Döngü ile Çıkış Çok Fonksiyonlu Programlanabilir ZamanlayıcıNEARPOW SPM10188153502Amazon'dan temin edilebilir

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Drosophila EgzersiziU u E itimiMeyve Sine i ModeliMetabolik BozukluklarBiyoenerjetik KapasiteBat Tipi DiyetT rmanma DavranFenotipik AnalizNesiller Aras EtkilerOmik Teknikler

İlgili makaleler