Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Rozwój cywilizacji sprawił, że w kręgach kultury zachodniej wysokokaloryczny pokarm jest łatwo dostępny i spożywany w dużych ilościach. Już od najmłodszych lat ludzie dostarczają swoim organizmom ogromne ilości prostych, łatwo przyswajalnych węglowodanów takich jak sacharoza, glukoza i fruktoza. Powszechnie wiadomo, iż nadmierna konsumpcja tego typu produktów prowadzi do otyłości oraz schorzeń metabolicznych, takich jak cukrzyca.

Cukrzyca jest jednym z poważniejszych chorób trapiących coraz większą część ludzkiej populacji. Wymaga ona długotrwałego leczenia, zmniejsza komfort życia chorych, może też prowadzić do wielu schorzeń następczych. Dlatego też na całym świecie trwają intensywne badania nad zrozumieniem jak powstaje oraz jak można jej zapobiegać i leczyć.

Ponieważ nie możemy prowadzić eksperymentów na ludziach, przeprowadza się badania na organizmach modelowych, są to m.in. drożdże (Saccharomyces cerevisiae), nicienie (Caenorhabditis elegans) czy muszki (Drosophila melanogaster). Oczywiście najczęściej wykorzystywanymi organizmami w badaniach nad ludzkimi chorobami są ssaki takie jak myszy lub szczury. Jednak ze względu na wysokie koszty i ograniczenia prawne dotyczące wykorzystania ssaków, poszukuje się alternatywnych rozwiązań, a jednym z nich są owady.

Muszka owocowa, Drosophila melanogaster jest podstawowym gatunkiem modelowym stosowanym we wszelkiego rodzaju badaniach od dobrych 100 lat. Wiemy o niej bardzo dużo jeśli chodzi o fizjologię oraz genetykę, dzięki czemu można u niej znaleźć odniesienie do wielu mechanizmów zachodzących w organizmie człowieka. Współczesna technologia pozwala też na wykonywanie u muszki różnorodnych manipulacji  genetycznych, co nie jest tak proste i skuteczne u ssaków. Istnieje wiele linii muszek będących modelami chorób takich jak depresja, choroba Huntingtona czy Alzheimera. Wydaje się, że Drosophila może być też modelem do badań nad mechanizmami powstawania cukrzycy i objawów jej towarzyszących, ponieważ mechanizm kontrolujący poziom dostępnej glukozy w ustroju jest wysoce konserwowany ewolucyjnie, co oznacza, że te procesy nie zmieniły się wiele w toku ewolucji.

Cukrzyca obejmuje szereg zaburzeń związanych z podwyższonym poziomem glukozy we krwi (tzw. hiperglikemią). Powszechnie wyróżniamy dwa typy cukrzycy: Typ I i Typ II. Pierwszy z nich, cukrzyca typu 1 (T1D) jest zaburzeniem powodującym niszczenie β-komórek w trzustce, które odpowiadają za wydzielanie insuliny. Ma ona podłoże autoimmunologiczne tzn. komórki układu odpornościowego rozpoznają komórki trzustki jako wrogie i niszczą je. Bardziej powszechnym zjawiskiem jest występowanie cukrzycy typu 2 (T2D), której główną cechą jest insulinooporność tj. obniżona reakcja organizmu na insulinę, w efekcie komórki nie pobierają glukozy z krwi. Dzieje się tak prawdopodobnie wtedy, gdy w wyniku pobierania wysokocukrowych pokarmów stężenie insuliny we krwi utrzymuje się na wysokim poziomie przez długi czas – organizm po prostu przestaje się nią przejmować. Ten typ cukrzycy jest częstszy i stanowi największy problem. Jednak pojawiają się ostatnio doniesienia, że ten typ cukrzycy nie jest jedną chorobą, a zbiorem około pięciu schorzeń mających różne przyczyny pojawienia się insulinooporności, jednak skutkujących podobnymi zmianami, które określa się wspólnym terminem cukrzycy.

Wykorzystanie muszki w badaniu chorób o podłożu metabolicznym wiąże się z poznaniem podobieństw, ale też świadomości różnic pomiędzy organizmem owada, a człowieka. U Drosophila przyjęte cukry proste po wchłonięciu przez układ pokarmowy wędrują w hemolimfie bezpośrednio do ciała tłuszczowego, gdzie są przekształcane w dwucukier - trehalozę (dwie, połączone cząsteczki glukozy). Trehaloza jest głównym cukrem cyrkulującym w hemolimfie owadów, natomiast glukoza znajduje się tam w niewielkich ilościach. Regulacja poziomu glukozy we krwi na drodze między układem pokarmowym a tkankami docelowymi jest podobna dla obu organizmów. Oczywiste są natomiast różnice w budowie wewnętrznej. Równocześnie wiadomo, że wiele narządów owadzich może znaleźć funkcjonalne analogi wśród kręgowców. Ciało tłuszczowe jest charakterystyczne dla stawonogów i występuje w całym ciele owada. Jest odpowiedzialne za syntezę większości białek hemolimfy, a także za magazynowanie substancji takich jak tłuszcze czy cukry. Biorąc pod uwagę rolę ciała tłuszczowego owadów – magazynowanie oraz mobilizacja rezerw energetycznych (tłuszczu i glikogenu), można je uznać za odpowiednik wątroby oraz komórek tłuszczowych człowieka.

Ponieważ cukrzyca jest konsekwencją zaburzenia równowagi pomiędzy energią (w postaci cukrów) cyrkulującą, a magazynowaną, warto przyjrzeć się mechanizmowi, który odpowiada za jej regulację u ssaków. W przypadku nadwyżki glukozy jest ona magazynowana w postaci glikogenu, przede wszystkim w wątrobie oraz mięśniach szkieletowych. Nadwyżki cukrów, które nie zostaną przekształcone do glikogenu są magazynowane w formie tłuszczy w tkance tłuszczowej. W przypadku gdy zapotrzebowanie na energię zwiększa się, zmagazynowane związki są rozkładane i uwalniane do krwi. Głównym organem mobilizującym glukozę w formie glikogenu jest wątroba, natomiast stężenie glukozy regulowane jest przy pomocy dwóch kluczowych hormonów: insuliny i glukagonu, które wytwarzane są przez trzustkę. To one odpowiadają za utrzymanie prawidłowego poziomu glukozy w organizmie. W sytuacji pobrania pokarmu zawierającego węglowodany, stężenie glukozy we krwi podwyższa się, w wyniku czego następuje uwolnienie insuliny z β-komórek trzustki, co z kolei powoduje pobieranie glukozy i magazynowanie jej w tkankach (poprzez m.in. syntezę glikogenu), a także hamuje wydzielanie glukagonu. Natomiast gdy organizm intensyfikuje swoją pracę, poziom cukru we krwi spada, przez co z trzustki (α-komórki) uwalniany jest glukagon, który reguluje gospodarkę glikogenem i hamuje wydzielanie insuliny, co skutkuje podniesieniem stężenia glukozy we krwi.

U muszek proces regulacji poziomu cukru w hemolimfie jest zbliżony do tego, który występuje u ssaków. W przypadku podwyższonej zawartości glukozy uwalniane są białka insulinopodobne (insulin-like proteins; Ilps; DIlPs), natomiast gdy stężenie glukozy spada, następuje uwolnienie białek glukagonopodobnych (glucagon-like molecule). Wskazuje to na istotność utrzymania stałego poziomu cukrów w hemolimfie podobnie jak u ludzi. Owadzie DIlPs wykazują strukturalne podobieństwo do ssaczej insuliny oraz insulinopodobnego czynnika wzrostu (IGF, insulin-like growth factors).

Z badań prowadzonych na muszce owocowej wiemy, że może ona być wykorzystywana jako model do badań nad cukrzycą obydwu typów. Współczesne metody molekularne umożliwiają zasymulowanie Typu I (T1D) poprzez usunięcie komórek w mózgu produkujących IlPs (IPCs- Insulin Protein Cells). Skutkuje to pojawieniem się u muszki cech charakterystycznych dla tego rodzaju cukrzycy (wyższy poziom cyrkulującego cukru we hemolimfie, mniejsza masa ciała i wydłużenie rozwoju). Jeśli chodzi o symulowanie cukrzycy typu II (T2D) wykorzystuje się owady hodowane na diecie wysokocukrowej (HSD- High Sugar Diet). Larwy rozwijające się na HSD wykazują podniesiony poziom cukrów w hemolimfie, pojawia się u nich insulinooporność. Natomiast dorosłe owady  cechowały także zmiany w morfologii, zwiększenie ilości zmagazynowanego tłuszczu w ciele, oraz masy ciała. Te wyniki badań sugerują, że owady na diecie wysokocukrowej posiadają objawy swoiste dla cukrzycy typu II, czyli insulinooporność, hiperglikemię oraz otyłość.

Podsumowując, muszka owocowa, Drosophila melanogaster, jest szeroko używanym modelem owadzim w badaniach nad wieloma ludzkimi chorobami i może być wykorzystana również w badaniach nad cukrzycą. Trudno mówi o bezpośrednim przenoszeniu wyników tych badań z owadów na ludzi. Dają one jednak możliwość poznania bazowych mechanizmów opisanych schorzeń poprzez przeprowadzenie eksperymentów na dużej grupie owadów, które w porównaniu do ssaczych osobników będą względnie szybkie i tanie. Zastosowanie na tym modelu badań przesiewowych oraz interwencji farmakologicznych może wyjaśnić potencjalne mechanizmy działania leków i dać możliwość zastosowania skutecznych terapii w leczeniu cukrzycy u ludzi.

Literatura

1. . V. Lushchak, D. V. Gospodaryov, B. M. Rovenko, I. S. Yurkevych, N. V. Perkhulyn, and V. I. Lushchak, “Specific Dietary Carbohydrates Differentially Influence the Life Span and Fecundity of Drosophila melanogaster,” J. Gerontol. Biol. Sci., vol. 69 (1), no. January, pp. 3–12, 2017.

2. P. Graham and L. Pick, “Drosophila as a Model for Diabetes and Diseases of Insulin Resistance,” Curr. Top. Dev. Biol., vol. 121, pp. 397–419, 2017.

3. E. Ahlqvist et al., “Novel subgroups of adult-onset diabetes and their association with outcomes: A data-driven cluster analysis of six variables,” Lancet Diabetes Endocrinol., vol. 8587, no. 18, pp. 1–9, 2018.

4. J. H. Law and M. A. Wells, “Insects as Biochemical Models,” J. Biol. Chem., vol. 264, no. October, pp. 16335–16338, 1989.

5. R. W. Alfa and S. K. Kim, “Using Drosophila to discover mechanisms underlying type 2 diabetes,” Dis. Model. Mech., vol. 9, pp. 365–376, 2016.

6. A. Bedná, D. Kodrík, and N. Krishnan, “Unique roles of glucagon and glucagon-like peptides : Parallels in understanding the functions of adipokinetic hormones in stress responses in insects,” Comp. Biochem. Physiol. , Part A, vol. 164, pp. 91–100, 2013.

7. D. R. Nässel, Y. Liu, and J. Luo, “Insulin/IGF signaling and its regulation in Drosophila,” Gen. Comp. Endocrinol., vol. 221, pp. 255–266, 2015.

8. W. Song et al., “Midgut-Derived Activin Regulates Glucagon-like Action in the Fat Body and Glycemic Control,” Cell Metab., vol. 25, no. February, pp. 386–399, 2017.

9. M. W. Lorenz and G. Gäde, “Hormonal regulation of energy metabolism in insects as a driving force for performance,” Integr. Comp. Biol., vol. 49, no. 4, pp. 380–392, 2009.

 

Artykuł powstał w ramach współpracy tutorskiej studentki Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Marty Potrzebskiej i dr. Jacka Francikowskiego z Katedry Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Więcej informacji: tutor.us.edu.pl.