Summary
Настоящий протокол описывает тренировку и тестирование с использованием статических и динамических лестниц на животных моделях.
Abstract
Тренировка с отягощениями - это модель физических упражнений с глубокими преимуществами для здоровья на протяжении всей жизни. Использование моделей упражнений с отягощениями на животных — это способ получить представление о лежащих в основе молекулярных механизмах, которые организуют эти адаптации. Целью данной статьи является описание моделей упражнений и тренировочных протоколов, предназначенных для силовых тренировок и оценки сопротивления на животных моделях, а также приведение примеров. В этой статье силовые тренировки и оценка сопротивления основаны на лестничной деятельности с использованием статических и динамических лестниц. Эти устройства позволяют использовать различные модели тренировок, а также обеспечивают точное управление основными переменными, которые определяют упражнения с отягощениями: объем, нагрузка, скорость и частота. Кроме того, в отличие от упражнений с отягощениями у людей, это принудительное упражнение. Таким образом, в этом вмешательстве следует избегать аверсивных стимулов, чтобы сохранить благополучие животных. Перед внедрением необходимо детальное проектирование, а также период акклиматизации и обучения. Акклиматизация к тренажерам, таким как лестницы, гири и клиническая лента, а также к необходимым манипуляциям необходима, чтобы избежать отказа от упражнений и минимизировать стресс. При этом животных учат подниматься по лестнице, а не спускаться, в зону отдыха на вершине лестницы. Оценка сопротивления может характеризовать физическую силу и позволяет регулировать и количественно оценивать тренировочную нагрузку и реакцию на тренировку. Кроме того, можно оценить различные типы прочности. Что касается тренировочных программ, при соответствующей конструкции и использовании устройства они могут быть достаточно универсальными для модуляции различных типов силы. Кроме того, они должны быть достаточно гибкими, чтобы их можно было модифицировать в зависимости от адаптивной и поведенческой реакции животных или наличия травм. В заключение, тренировка с отягощениями и оценка с использованием лестниц и весов являются универсальными методами в исследованиях на животных.
Introduction
Физические упражнения являются определяющим фактором образа жизни для укрепления здоровья и снижения заболеваемости наиболее распространенными хроническими заболеваниями, а также некоторыми видами рака у людей1.
Упражнения с отягощениями вызвали интерес из-за их огромной важности для здоровья на протяжении всей жизни2, особенно из-за их преимуществ в противодействии возрастным заболеваниям, которые влияют на опорно-двигательный аппарат, таким как саркопения, остеопороз и т. Д.3. Кроме того, упражнения с отягощениями также влияют на ткани и органы, не участвующие непосредственно в выполнении движения, такие как мозг4. Эта актуальность в последние годы способствовала разработке моделей упражнений с отягощениями у животных для изучения лежащих в их основе тиссулярных и молекулярных механизмов, когда это невозможно у людей или когда животные обеспечивают лучшее понимание и являются более контролируемой моделью.
В отличие от упражнений с отягощениями у людей, для животных моделей исследователи обычно полагаются на принудительные процедуры. Однако в этом контексте следует избегать аверсивных стимулов, главным образом для сохранения благополучия животных, снижения стресса и уменьшения тяжести экспериментальных процедур5. Следует отметить, что животные наслаждаются физическими упражнениями даже в дикой природе6. По этим причинам необходимо улучшить адаптацию к эксперименту путем длительной ступенчатой акклиматизации.
Устройства, материалы и протоколы, используемые для тренировки и оценки отягощений у экспериментальных животных, должны обеспечивать точное управление и модуляцию многочисленных переменных: нагрузки, объема, скорости и частоты7. Они также должны допускать выполнение различных типов мышечных сокращений: концентрических, эксцентрических или изометрических. Учитывая вышесказанное, используемые протоколы должны быть в состоянии специально оценивать или тренировать для различных применений силы: максимальная сила, гипертрофия, скорость и выносливость.
Существует несколько методов силовых тренировок, таких как прыжки в воде 8,9, утяжеленное плавание в воде10 или электростимуляция мышц11. Однако статические и динамические лестницы являются универсальными устройствами, которые широко используются 12,13,14.
Оценка резистентности на экспериментальных моделях животных предоставляет ценную информацию для многих исследовательских условий, таких как описание фенотипических характеристик генетически модифицированных животных, оценка влияния различных протоколов вмешательства (добавки пищевых компонентов, медикаментозное лечение, трансплантация микробиоты и т. Д.), Или оценка эффекта протоколов обучения. Тренировочные модели дают представление о физиологии адаптации к силовым упражнениям, что помогает лучше понять влияние физических упражнений на состояние здоровья и патофизиологию.
Следовательно, не существует универсального протокола для тренировок с отягощениями или функциональной оценки силы на животных моделях, поэтому необходимы универсальные протоколы.
Целью данного исследования является выявление наиболее актуальных факторов, которые следует учитывать при разработке и применении протокола для тренировки и оценки отягощений с использованием статических и динамических лестниц на животных моделях, а также привести конкретные примеры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Методы, представленные в этом протоколе, были оценены и одобрены техническим комитетом по исследованиям на животных (ссылка PROAE 04/2018, Principado de Asturias, Испания).
1. Планирование
- Тщательно отбирайте животных для исследования на основе интересующих характеристик (генетически модифицированные, модели патологии, возраст и т.д.) и применяйте к протоколу специфические приспособления (скалолазание без весов, уменьшение количества ступеней для подъема и наклона).
- Определите модальность силы, которую необходимо оценить или обучить: максимальная сила, выносливость-сопротивление, скорость и т. Д. В зависимости от целей исследования.
- Тщательно корректируйте параметры при составлении функциональной оценки или обучения, учитывая, фокусируется ли оно на результатах этих тестов или они дополняют другие типы клинических, функциональных, гистологических или молекулярных определений.
- Спланируйте все вопросы, связанные с обучением, в частности, расписание, продолжительность периода обучения и частоту занятий, и нарисуйте таблицу тренировок.
- Укажите разминочные ступени и наклон лестницы, которые будут одинаковыми на протяжении всей тренировки. Укажите сеты, повторения, нагрузку (по результатам тестов на сопротивление, сделанных перед тренировочным периодом) и отдых между ними, обращая внимание на увеличение нагрузки по сравнению с предыдущим занятием.
- Модифицируйте план, как и в случае с обучением человека, в зависимости от благополучия животного. Модификации включают в себя уменьшение повторений, увеличение времени отдыха между подходами или повторениями и уменьшение нагрузки, чтобы избежать перетренированности и травм.
- По завершении представить проект для оценки и утверждения исследовательским комитетом по этике животных.
2. Приборы и материалы для упражнений с отягощениями
- Устройства: Статические и динамические лестницы
ПРИМЕЧАНИЕ: Два типа лестниц, так называемые статические и динамические лестницы (см. Рисунок 1), могут быть использованы для тренировок и оценки отягощений (см. Таблицу материалов).- Используйте вертикальную лестницу с не менее чем 30 ступенями стальной проволоки диаметром 1,5 мм, разделенными 15 мм, и зоной отдыха не менее 20 х 20 см на верхней части лестницы. Наклон лестницы должен регулироваться от 80° до 110° с горизонтальной плоскостью (рисунок 1С). Разграничить две полосы, чтобы предотвратить нелинейное восхождение.
- Используйте динамическую лестницу, похожую на статическую лестницу, с пластиковым барьером накаливания наверху, который можно открыть, чтобы контролировать доступ в зону отдыха, и пластиковым барьером накаливания внизу, чтобы предотвратить спуск животных. Угол наклона лестницы должен регулироваться в пределах от 80° до 100°, наиболее распространенным из которых является 85°.
ПРИМЕЧАНИЕ: Лестница может циркулировать с помощью верхнего и нижнего валов диаметром 8 см. Нижний вал приводится в движение электродвигателем, который заставляет ступени спускаться спереди и подниматься сзади, создавая бесконечную лестницу. Он оснащен редуктором и регулятором скорости для снижения скорости с 11,6 см/с до 3,3 см/с, а самая распространенная скорость составляет 5,6 см/с.
Рисунок 1: Устройства для тренировки сопротивления: статические и динамические лестницы. (А) Мышиная тренировка с внешним весом на статической лестнице. (B) Две мыши тренируются с весом на динамической лестнице. C) схематическое изображение углов лестницы для обучения и оценки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
- Материалы
- Подготовьте следующие материалы: гири, проволоку для удержания весов, стальной зажим для гатора и клиническую клейкую ленту.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вес представляет собой стальные цилиндры различной массы (5, 10, 15, 20, 25 и 50 г), с отверстием диаметром 5 мм в центре для нанизывания их на проволоку (Таблица материалов). Проволока для удержания гирь изготавливается из стали диаметром 1-1,5 мм и длиной 5-10 см, в зависимости от количества грузим, подлежащих загрузке. - Отрежьте кусок эластичного клейкого бинта (Таблица материалов) размером примерно 3,0-3,5 см х 1,0-1,5 см и прикрепите его вокруг хвоста животного, чтобы удерживать грузы. Убедитесь, что вы не слишком затягиваете, так как это может привести к ограничению кровотока.
ПРИМЕЧАНИЕ: Сначала поведение животных будет бороться с лентой и кусать ее, но через пару дней они будут терпеть ее, ухаживая как обычно и не проявляя никаких признаков стресса. - Вставьте нужные веса в проволоку и зацепите зажим гатора (Таблица материалов: Стальной зажим и проволока для удержания весов).
- Прижмите гатор к клинической ленте, прикрепленной к хвосту животного.
- Сразу после подъема на необходимые ступени снимите зажим и дайте животному отдохнуть с клинической лентой на хвосте, но без веса (рисунок 1).
- Подготовьте следующие материалы: гири, проволоку для удержания весов, стальной зажим для гатора и клиническую клейкую ленту.
3. Акклиматизация
ПРИМЕЧАНИЕ: Правильная акклиматизация необходима, чтобы избежать отказа от физических упражнений и свести к минимуму стресс. Акклиматизация является решающим этапом перед выполнением тестов оценки сопротивления или тренировочных протоколов. Достаточное время должно быть потрачено на достижение поведенческих признаков комфорта у животных. Подробности суточной акклиматизации со статической и динамической лестницами приведены в таблице 1 и таблице 2 соответственно.
- Приучите животных оставаться в зоне отдыха на вершине лестницы (статической или динамической). Оставляйте животных в этом месте группами по четыре человека, с подстилкой из клетки, на 15 минут каждый день. Обычно через 3-5 дней животные не проявляют никаких признаков стресса.
- Научите животных подниматься вверх, а не спускаться по лестнице. Используя статическую лестницу, поместите мышей на ступеньку близко к вершине, откуда они могут видеть зону отдыха. Они инстинктивно пойдут на это. Затем научите их постепенно подниматься с пяти ступеней (3x) в первый день, до 10 ступеней (3x) на следующий день, до 15 ступеней (3x) (таблица 1).
Используйте ту же процедуру с динамической лестницей, сначала без движения, а затем с лестницей, движущейся со скоростью 5,4 см / с и 6,6 см / с, и животными, поднимающимися вверх в течение 2 минут, завершая пять серий (таблица 2). - Приспособите животных к переноске тяжестей, начиная с третьего дня акклиматизации. Приклейте кусок клинической ленты к основанию хвоста, который будет использоваться для удержания тяжестей.
- С седьмого дня акклиматизации прикладывают небольшие веса (5-10 г) к клинической ленте с зажимом гатор. Избегайте выполнения слишком большого количества серий, чтобы адаптация не трансформировалась в тренировку.
ПРИМЕЧАНИЕ: Акклиматизация контрольной группы является обязательной в случае, если эта группа проводит тест на сопротивление. После этого периода выполняйте напоминание о подъеме по лестнице один раз в неделю, с помощью ленты, но без тяжестей.
4. Оценка сопротивления
- Дополнительные испытания для оценки максимальной прочности
ПРИМЕЧАНИЕ: Это испытание предназначено для определения максимального сопротивления, измеряемого как максимальный вес, при котором животные могут подниматься на 10 ступеней по статической лестнице, что определяет максимум 10 повторений (10 RM)4. Этот протокол был адаптирован из предыдущих исследований (рассмотренных в Kregel et al.15).- Для разминки выполните три серии по 10 повторений, 10 шагов/повторений, без внешней нагрузки. Для первой серии установите уклон на 90°, а затем на 85°. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
- Установите уклон на 85° (чтобы предотвратить выпас тяжестей или зацепление на ступенях лестницы).
- Прикрепите ленту вокруг хвоста животного, чтобы удерживать грузы и готовить веса, как объяснялось ранее.
- Начните тест с внешней нагрузкой 10 г и выполните одну серию из 10 шагов.
- Снимите вес и оставьте период покоя 120 с в зоне отдыха.
- Выполняют последовательный ряд из 10 шагов, увеличивая внешнюю нагрузку на 5 г до истощения. Разрешить период покоя (120 с) между сериями.
- Если одному животному не удается подняться на 10 ступеней с определенной весовой нагрузкой, допустите другую попытку с той же нагрузкой после 120 с отдыха. Если ему удается подняться с нагрузкой, он продолжает тест со следующей нагрузкой. Если он снова выходит из строя, запишите весовую нагрузку последней завершенной серии как ее максимальную весовую нагрузку.
- Результат теста может быть выражен как абсолютный внешний вес (г), как максимальная нагрузка по отношению к массе тела (%) или как масса, поднятая на грамм массы тела, по усмотрению исследователя.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предыдущий протокол представляет собой модель, на которой возможны многочисленные модификации, например, для оценки максимальной резистентности генетически модифицированных мышей с нервно-мышечными нарушениями. Эти животные не способны подниматься с внешними нагрузками и испытывают трудности с подъемом на 10 ступеней с лестницей, установленной на 90° уклона (неопубликованные данные). Протокол состоял из подъема по пяти ступеням без внешней нагрузки, начиная с уклона 110°. Наклон уменьшался на 5° в каждой серии до 85° с отдыхом 120 с после каждой серии. При этом максимальное сопротивление выражалось по мере накопившегося количества пройденных шагов (без учета повторений после неудач). Контрольная группа дикого типа после достижения уклона 85° продолжит испытание, добавив внешний вес к хвосту в соответствии с предыдущим протоколом до истощения.
- Испытание на максимальную выносливость-сопротивление со статической лестницей
- Для разминки выполните три серии по 10 повторений, 10 шагов/повторений, без внешней нагрузки. Для первой серии установите наклон на 90°, а затем на 85°. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
- Установите наклон на 85°.
- Обрежьте вес на клинической ленте, размещенной вокруг хвоста мыши.
ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от возраста и особенностей животных внешней нагрузкой может быть максимальный вес, полученный в предыдущем инкрементальном тесте, процент от него (например, 50%), или процент от массы тела (например, 100%-200%). Если этот тест выполняется после периода обучения, рекомендуется использовать ту же нагрузку, что и в первоначальном тесте для оценки изменений. - Выполняйте последовательный ряд из 10 шагов до истощения. После каждой серии время отдыха не допускается.
- Результатом теста является количество поднятых ступеней.
- Испытание на максимальную выносливость-сопротивление с динамической лестницей
ПРИМЕЧАНИЕ: Использование динамической лестницы позволяет исследователю контролировать скорость набора высоты.- Установите наклон на 85°.
- Установите скорость 4,2 см/с.
- Для прогрева выполняют три серии по 100 шагов, без внешней нагрузки. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
- Обрежьте вес на клинической ленте, размещенной вокруг хвоста мыши.
ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от возраста и особенностей животных внешней нагрузкой может быть максимальный вес, полученный в предыдущем инкрементальном тесте, процент от него (например, 50%), или процент от массы тела (например, 100%-200%). Если этот тест выполняется после периода обучения, рекомендуется использовать ту же нагрузку, что и в первоначальном тесте для оценки изменений. - Начните с 4,2 см/с и увеличивайте скорость на 1,2 см/с каждые 60 с до изнеможения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Результатом теста является время тренировки, количество поднятых ступеней или максимальная скорость.
5. Тренировка с отягощениями со статической лестницей
ПРИМЕЧАНИЕ: Перед началом периода обучения необходима акклиматизация (таблица 1) и планирование обучения. Чтобы уменьшить беспокойство, адаптируйте и обучайте мышей в группах из четырех животных, находящихся в одной клетке.
- Для ежедневной разминки выполните три серии по 10 повторений, 10 шагов/повторений, без внешней нагрузки. Для первой серии установите уклон на 90°, а затем на 85°. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
- Тренировка начинается в зоне отдыха. Обрежьте гатор весом на клиническую ленту.
- Аккуратно поместите мышь на 10-20 ступеней ниже места отдыха. Позвольте мыши схватить ступеньку и подняться в зону отдыха.
Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будет завершено количество ступеней в этой серии (например, 10 ступеней x 10 серий). - Снимите вес с хвоста мыши и подождите 120 с до следующей серии.
- Увеличьте количество шагов и максимальные весовые нагрузки серии на протяжении всего тренировочного периода, сохраняя при этом недельный график.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пример изменения нагрузок в течение недельного планирования приведен в таблице 3. Коротко, вторник и пятницу с большой весовой нагрузкой (40-50 г) и небольшим количеством шагов (500-400); понедельник и четверг с промежуточной весовой нагрузкой (25-35 г) и промежуточным количеством ступеней (800-600); и среда без весовой нагрузки, но большое количество шагов (2000). Такая конструкция облегчает восстановление после предыдущих тренировок и позволяет избежать травм и перетренированности. Примеры 3 недель обучения с несколькими конструкциями с использованием статической лестницы приведены в таблице 4 (в начале, в середине и в конце периода обучения соответственно)4.
6. Тренировка с отягощениями с динамической лестницей
ПРИМЕЧАНИЕ: После акклиматизации обучение на динамической лестнице очень похоже на статическое (таблица 2). Дрессировка проводится на 2-4 мышах одновременно.
- Установите наклон на 85°, закройте дверь в зону отдыха и запустите лестницу с нужной скоростью (например, 5,4 см/с).
- Для прогрева выполняют три серии по 100 шагов, без внешней нагрузки. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
- Перед началом тренировок, когда мышь находится в зоне покоя, обрежьте гатор весом на клиническую ленту. В качестве альтернативы, вес может быть прикреплен, когда мышь уже находится на лестнице.
- Осторожно поместите мышь на вершину движущейся лестницы с весом на хвосте. Позвольте мышам схватиться за ступеньку и подняться.
- Когда количество ступеней в этой серии будет достигнуто (например, 100), удалите веса. Затем дверь открывается, чтобы животное могло перейти в зону отдыха. Время отдыха – 120 с до следующей серии.
ПРИМЕЧАНИЕ: Количество пройденных ступеней засчитывается как функция времени подъема на заданной скорости. - Повторяйте эту процедуру до завершения учебной сессии. Подробная ежедневная программа тренировок приведена в таблице 5.
7. Оценка перекрестного влияния тренировок с отягощениями на выносливость
ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого выполняется инкрементный тест на беговой дорожкечерез 4 часа после 24 ч отдыха.
- После разогрева в течение 3 мин при скорости 10 см/с начинают дополнительное испытание при 10 см/с и угле наклона 10°.
- Увеличивайте скорость на 3,33 см/с каждые 3 мин до изнеможения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Электрические удары не используются, поэтому кисть художника помещается в задней части беговой дорожки, чтобы мыши не могли сбежать с нее.
8. Поведение животных во время процедур
ПРИМЕЧАНИЕ: Непрерывный мониторинг адаптации мышей к тренировкам должен проводиться для выявления крайней усталости, перетренированности или травм.
- Наблюдают признаки благополучия животных, в частности груминг и отказ от дрессировки. Нормальное поведение мыши, после серии интенсивных тренировок, заключается в том, чтобы оставаться неактивным в течение примерно одной минуты из-за усталости. После этого они начинают ухаживать, исследовать или пытаться снять ленту на хвосте.
- В случае, если мышь отказывается тренировать серию, попробуйте дать более длительный отдых или даже не выполнять эту серию, чтобы предотвратить торможение.
- Изредка, при выполнении легких упражнений, осторожно нажимайте на хвост животного, чтобы побудить его закончить серию. Животные перестают лазить, потому что это не сложная задача. И наоборот, когда животные несут тяжелый груз, осторожно переместите вес животного, чтобы облегчить нагрузку и побудить его закончить серию, а затем дайте животному отдохнуть до следующей тренировки. Животные могут остановиться или даже попытаться спуститься из-за большой нагрузки.
9. Процедуры обеспечения безопасности
- Процедуры безопасности для исследователей: Проводите исследования в лаборатории для животных и используйте бахилы, комбинезоны, перчатки, шапки и маски. Нет никаких дополнительных требований, кроме тех, которые характерны для исследований на животных.
- Безопасность для животных: Во время упражнений необходимо уделять постоянное внимание животным из-за потенциальных рисков, таких как падения или прыжки. Поместите руку под грузы, чтобы поймать и удержать мышей в случае падения из-за истощения, так как ее способность правильно держаться за ступени будет ограничена.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Результаты со статической лестницей
Прогрессивный протокол тренировок с отягощениями, используемый и описанный Codina-Martinez et al.4 (таблица 4), был протестирован в предварительном исследовании, состоящем из 7 недель тренировок на статической лестнице с 6-месячными мышами дикого типа C57BL6J (n = 4). В этом предварительном исследовании до и после тренировочного периода проводились дополнительные тесты для оценки максимальной силы. Мы наблюдали увеличение максимальной силы на 46,4%, что означает, что в конце тренировочного периода они смогли подняться с весом тела в 1,9 раза (неопубликованные данные).
В исследовании Codina-Martínez et al.4 самцы мышей (C57BL6N/129Sv) с дефицитом Atg4b16 и соответствующие им контрольные группы дикого типа (8 недель, n = 36 на генотип) обучались в течение 14 недель (таблица 4). Инкрементные тесты для оценки максимальной резистентности до и после периода обучения показали процентное изменение на 44% у дрессированных животных дикого типа и на 15,3% у мышей atg4b-/- .
В другом исследовании 8-недельные мыши C57BL6N обучались в течение 4 недель, 5 дней в неделю (n = 8) (неопубликованные данные). Все занятия были рассчитаны на достижение одинакового объема упражнений за счет сочетания количества пройденных шагов (или расстояния против силы тяжести) и весовой нагрузки17 и были основаны на результатах, полученных в максимальном силовом тесте перед тренировочным периодом. Количество шагов за тренировку варьировалось в пределах 400-2000 в зависимости от максимальной весовой нагрузки, которая варьировалась в пределах 25-65% от максимальной весовой нагрузки на предтренировочном тесте. Мы выбрали эти максимальные диапазоны веса, потому что было описано, что ниже 75% максимального веса нет потери скорости для подъема на 1 RM, что важно для стандартизации интенсивности субмаксимальных усилий18. Опять же, до и после периода обучения проводились дополнительные тесты для оценки максимальной силы. Средний процент вариации этого параметра составил 40%. Пик силы был достигнут мышью весом 27 г, которая смогла подняться на 10 RM со 120 g после периода тренировки.
Результаты с динамической лестницей
Чтобы оценить динамическую лестницу как инструмент для тренировок с отягощениями, мы провели эксперимент с целью оценки эффекта двух видов силовых тренировок: тренировки на выносливость-сопротивление и силовых тренировок. Дизайн и результаты этого исследования показаны здесь впервые. 8-недельные мыши C57BL6N были разделены на три группы: необученный контроль (C, n = 5), Выносливость-Сопротивление (E-R, n = 8) и Сила (S, n = 7). После 3-недельного (12 сеансов) периода акклиматизации (таблица 2) мышей обучали в течение 6 недель, 5 дней в неделю (с понедельника по пятницу), начиная с 9:00 утра, в общей сложности 22 сеанса. Чтобы уменьшить беспокойство, мышей обучали в группах из четырех животных, разделяющих одну клетку. Аверсивных стимулов удалось избежать, чтобы свести к минимуму стресс. Группа E-R выполнила в три раза больше повторений с 1/3 весовой нагрузки по сравнению с группой S, поэтому все они выполняли одинаковую накопленную работу, с разными комбинациями нагрузки и повторений. Скорость была постоянной для всех групп, устанавливалась на уровне 5,4 см/с. Уклон был установлен на уровне 85°.
Нормальность переменных проверялась с помощью теста Шапиро-Уилка. Результаты отображаются как среднее ± стандартного отклонения (SD). t-тест и ANOVA (Bonferroni post-hoc) использовались для статистических различий. Значительные изменения были установлены на уровне p < 0,05. Статистическое программное обеспечение R (www.r-project.org) использовалось для всех статистических анализов.
Все животные, включенные в обученную и контрольную группу, завершили исследование. Средняя суточная доза пищи на мышь составляла 2,8 ± 0,11 г для C, 3,2 ± 0,24 г для E-R и 3,3 ± 0,13 г для S. Физически тренируемые мыши имели более высокое потребление пищи, чем контрольные мыши (p < 0,05). Однако не было выявлено различий в массе тела после вмешательства (С: 28,0 ± 3,18 г, E-R: 28,5 ± 1,93 и S: 28,1 ± 2,52 г).
Значительное увеличение максимальной силы после тренировочного периода наблюдалось в группах S (29,5 ±1 0,9%) и E-R (увеличение на 41,5 ± 2,5%), в то время как незначительное увеличение наблюдалось для C (20,0 ± 4,0%) (рисунок 2). Сопротивление выносливости, измеренное в конце тренировочного периода (рисунок 3), было значительно выше в группе E-R по сравнению с группами S (122,5 против 26,9 ступеней, p = 0,005) и C (122,5 против 18,8 ступеней, p = 0,013).
Также изучался эффект перекрестных тренировок этих моделей и влияние силовых тренировок на выносливость. С этой целью все животные выполняли дополнительные тесты на максимальную выносливость на беговой дорожке до и после периода обучения в соответствии с протоколами, описанными ранее19. Значительная потеря выносливости наблюдалась при C (Pre: 1219 ± 133 s vs. Post: 982 ± 149 s, p = 0,004), в то время как для S (Pre: 1364 ± 285 s vs. Post: 1225 ± 94 s, p = 0,253) и E-R (Pre: 1139 ± 96 s vs. Post: 1185 ± 84 s, p = 0,164).
Рисунок 2: Максимальная сила, измеренная с помощью инкрементного теста, до и после 6-недельного периода тренировки с отягощениями на динамической лестнице в соответствии с двумя моделями тренировок: Сила и Выносливость-Сопротивление. Условные обозначения: * p < 0,05; ** p < 0,01. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Максимальная выносливость-сопротивление, измеренная с использованием максимального теста на выносливость-сопротивление, до и после 6-недельного периода тренировки с отягощениями на динамической лестнице, следуя двум моделям тренировок: Сила и Выносливость-Сопротивление. Легенда: C: Управление; S: Прочность и E-R: Выносливость-Сопротивление. * p < 0,05. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Таблица 1: Пример 10-дневного протокола акклиматизации со статической лестницей и мышами дикого типа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 2: Пример 14-дневного протокола акклиматизации с динамической лестницей и мышами дикого типа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 3: Пример учебной недели со статической лестницей. Легенда: Повторение: повторения, Шаги: количество поднятых ступеней, Наклон: угол с горизонтальной плоскостью и нагрузка: вес (g), прикрепленный к хвосту. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 4: Пример трехнедельного обучения со статической лестницей в рамках 14-недельного учебного периода. Обозначается как низкая (сеансы 1-4), средняя (10-14) и высокая нагрузка (30-34). Легенда: Повторение: повторения, Шаги: количество поднятых ступеней, Наклон: угол с горизонтальной плоскостью и нагрузка: вес (g), прикрепленный к хвосту. Эта таблица адаптирована из Codina-Martinez et al. 20204. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 5: Пример обучения с динамической лестницей. Программа двух групп тренировок на выносливость-сопротивление и силовые тренировки. Легенда: Разминка является общей для обеих групп. Уклон установлен на уровне 85°. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Обучение - это вмешательство с несколькими приложениями в исследованиях, помимо изучения самих упражнений. Таким образом, анализ его влияния на возраст20 лет или некоторые патологические состояния ифизиотерапию 21 года получил большое внимание в последние годы. Кроме того, многочисленные авторы проанализировали влияние фармакологических22 или диетических21 вмешательств на физическую подготовку. В этом контексте возник интерес к анализу различных методов упражнений по отдельности, с растущим интересом к упражнениям с отягощениями. Упражнения с отягощениями вызывают различный молекулярный ответ на выносливость в многочисленных тканях23,24, а также, как было показано, оказывают специфическое влияние на ряд патологических состояний21.
Использование животных моделей для изучения упражнений с отягощениями является инструментом с несколькими применениями. Он позволяет характеризовать конкретный фенотип в моделях патологий или генетически модифицированных животных, хотя это описание обычно не включается. Кроме того, реализация протоколов упражнений и оценка их влияния на эти модели дает представление о физиологии или патофизиологии этих состояний25.
Некоторые авторы ранее проводили тренировки с отягощениями с крысами12,13 имышами 4,14, используя различные модели тренировок. Некоторые авторы применяли изометрические протоколы сокращения мышц для тренировки и оценки силы26. Также были применены перегрузочные прыжки в воде и утяжеленное плавание 9,10. Также была проведена стимуляция нервов, выполняемая под наркозом11, и сочетание тренировок с отягощениями с хирургическими процедурами, чтобы вызвать биомеханическую перегрузку мышц и мышечную гипертрофию27.
Тем не менее, некоторые из вмешательств по улучшению резистентности имеют некоторые недостатки. Было показано, что принудительные упражнения с электрическим током мешают экспериментальным результатам28. Некоторые из процедур являются стрессовыми, потому что они полагаются на принудительное плавание, чтобы предотвратить утопление животного 9,10. Стимуляция нервов не является волевым сокращением мышц и проводится под наркозом11. Простейшим подходом к тренировкам и оценке с отягощениями является неинвазивные процедуры с использованием концентрических/эксцентрических мышечных сокращений.
Хотя наиболее распространенными устройствами для применения этих протоколов являются статические лестницы, по которым животные поднимаются с внешними весами, упражнения с отягощениями также могут выполняться с использованием динамических устройств. В связи с этим Konhilas et al.29 использовали утяжеленные колеса. Однако такой подход больше похож на высокоинтенсивное упражнение на выносливость, поэтому специфичность будет утрачена. В этой статье мы впервые показываем протоколы тренировок с отягощениями и оценки сопротивления с использованием динамической лестницы, что позволяет использовать очень универсальные подходы. Также включаются результаты их осуществления. Кроме того, использование динамической лестницы означает меньше манипуляций с животными, так как они могут подниматься с весом непрерывно, без необходимости подниматься по ряду ступеней, как со статической лестницей.
Оценка силы пиковых сил может быть выполнена с использованием силы захвата30 и крутящего момента, генерируемого прямой стимуляцией нервов31. Оценка силы с помощью лестниц полезна для последующего планирования тренировок. Динамическая лестница также позволяет проводить испытания с ограничением по времени, оценивая количество ступеней в зависимости от нагрузки. Эта процедура эквивалентна максимальному количеству тестов на повторение веса, выполненных на людях7.
Кроме того, в отношении методов обучения и оценки в этой статье мы подчеркиваем акклиматизацию как ключевой фактор, позволяющий избежать отказа от обучения как на статических, так и на динамических лестницах. Эта акклиматизация достигается не пищевым вознаграждением, как описано в Yarsheski et al.13, а обучением мышей достигать мест отдыха на вершине лестницы, так что они мотивированы подниматься без необходимости ограничений в еде. Наша цель состояла в том, чтобы достичь гуманизированных упражнений на животных, как предлагает Seo et al.32. В связи с этим также стоит отметить, что, следуя этому протоколу, мышей обучают в группах при сохранении социального взаимодействия. В протоколах, показанных в этой статье, отказ животных от дрессировки отсутствовал как в статической, так и в динамической лестницах. Это может быть связано с адаптационным протоколом.
Наши результаты показывают, что различные протоколы с различными животными моделями были эффективны в улучшении максимальной силы. Они также были достаточно чувствительны, чтобы обнаружить различия между генетически модифицированными животными с изменениями мышечной функции и животными дикого типа, как в максимальном сопротивлении, так и в ответ на дрессировку4. Кроме того, сравнение тренировочных программ с динамической лестницей (сила и выносливость-сопротивление) показало, что все группы мышей увеличили свою максимальную силу, включая С. Для C это может быть связано с тем, что мыши были молоды в начале периода обучения и все еще росли. Тем не менее, улучшение в группах S и E-R было намного больше, что свидетельствует об эффекте обучения. Кроме того, в тесте на выносливость после тренировки, который состоял из подъема как можно большего количества шагов с максимальным весом, полученным в инкрементальном тесте перед тренировкой, группа E-R явно превосходила группы S и C. Кроме того, инкрементный тест на беговой дорожке показал, что не было снижения выносливости ни в одной из тренированных групп, в то время как снижение наблюдалось в группе C. Это согласуется с перекрестным тренировочным эффектом тренировок с отягощениями на выносливость, описанным ранее33. Эти результаты свидетельствуют, с одной стороны, о специфике протоколов тренировок с отягощениями, представленных в этом исследовании, для повышения сопротивляемости и выносливости. В то же время обе методики тренировок показывают различное влияние на физическую подготовку34, вероятно, из-за разнообразного набора молекулярных механизмов, запускаемых каждой тренировочной моделью, перекрывающих в некоторой степени23.
Хотя эти модели обучения влияли на общую резистентность вовлеченных групп животных, мы также наблюдали большую неоднородность как в стартовом сопротивлении особей, так и в реакции на дрессировку (рисунок 2 и рисунок 3). Это наблюдение согласуется с тем, что было описано другими авторами35. Это следует учитывать при интерпретации результатов вмешательства по различным параметрам, подлежащим оценке в образцах, полученных от этих животных.
Наконец, статическая лестница также подходит для эксцентричного обучения. Она может быть выполнена путем опускания с почти максимальной или супрамаксимальной нагрузкой. Нагрузка, применяемая для этой процедуры, должна быть высокой (например, 90-100% или выше максимальной добавочной концентрической испытательной нагрузки). Когда мыши несут почти максимальную нагрузку, они, естественно, пытаются спуститься. В случае эксцентрической дрессировки необходимо позволить животным спускаться, а не подниматься в период акклиматизации. По этой причине нелегко сочетать как концентрическое, так и эксцентрическое обучение на мышах, и в данный момент времени возможна только одна модель обучения.
Основным ограничением протоколов, представленных здесь, является то, что оценка некоторого типа прочности, такого как максимальная изометрическая прочность, невозможна, поэтому необходимо использовать другие устройства и протоколы, такие как сила захвата.
В конечном счете, обучение и оценка отягощений с использованием статических и динамических лестниц являются осуществимым методом в исследованиях на животных с широким спектром протоколов в зависимости от цели исследования.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Соответствующий автор гарантирует, что у всех авторов нет конфликта интересов.
Acknowledgments
Эта работа была частично поддержана Министерством экономики и конкуренции, Испания (DEP2012-39262 для EI-G и DEP2015-69980-P для BF-G). Спасибо Фрэнку Мклеоду Хендерсону Хиггинсу из Английского центра Маклеода в Астурии, Испания, за языковую помощь.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dynamic ladder | in-house production | ||
| Elastic adhesive bandage 6 cm x 2.5 m | BSN medical | 4005556 | |
| Gator Clip Steel NON-INSUL 10A | Digikey electronics | BC60ANP | |
| Static ladder | in-house production | ||
| Weights | in-house production | ||
| Wire for holding weigths | in-house production |
References
- Pedersen, B. K., Saltin, B. Exercise as medicine - evidence for prescribing exercise as therapy in 26 different chronic diseases. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 25, Suppl 3 1-72 (2015).
- Westcott, W. L. Resistance training is medicine: effects of strength training on health. Current Sports Medicine Reports. 11 (4), 209-216 (2012).
- Garatachea, N., et al. Exercise attenuates the major hallmarks of aging. Rejuvenation Research. 18 (1), 57-89 (2015).
- Codina-Martinez, H., et al. Autophagy is required for performance adaptive response to resistance training and exercise-induced adult neurogenesis. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 30 (2), 238-253 (2020).
- Conner, J. D., Wolden-Hanson, T., Quinn, L. S. Assessment of murine exercise endurance without the use of a shock grid: an alternative to forced exercise. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), e51846 (2014).
- Meijer, J. H., Robbers, Y.
- Suchomel, T. J., Nimphius, S., Bellon, C. R., Hornsby, W. G., Stone, M. H. Training for muscular strength: Methods for monitoring and adjusting training intensity. Sports Medicine. 51 (10), 2051-2066 (2021).
- Pousson, M., Perot, C., Goubel, F. Stiffness changes and fibre type transitions in rat soleus muscle produced by jumping training. Pflügers Archive. 419 (2), 127-130 (1991).
- Marqueti, R. C., et al. Biomechanical responses of different rat tendons to nandrolone decanoate and load exercise. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 21 (6), 91-99 (2011).
- Cunha, T. S., Tanno, A. P., Costa Sampaio Moura, M. J., Marcondes, F. K. Influence of high-intensity exercise training and anabolic androgenic steroid treatment on rat tissue glycogen content. Life Sciences. 77 (9), 1030-1043 (2005).
- Heinemeier, K. M., et al. Expression of collagen and related growth factors in rat tendon and skeletal muscle in response to specific contraction types. The Journal of Physiology. 582, 1303-1316 (2007).
- Hornberger, T. A., Farrar, R. P. Physiological hypertrophy of the FHL muscle following 8 weeks of progressive resistance exercise in the rat. Canadian Journal of Applied Physiology. 29 (1), 16-31 (2004).
- Yarasheski, K. E., Lemon, P. W., Gilloteaux, J. Effect of heavy-resistance exercise training on muscle fiber composition in young rats. Journal of Applied Physiology. 69 (2), 434-437 (1990).
- Khamoui, A. V., et al. Aerobic and resistance training dependent skeletal muscle plasticity in the colon-26 murine model of cancer cachexia. Metabolism. 65 (5), 685-698 (2016).
- Kregel, K. C., et al. Resource book for the design of animal exercise protocols. American Physiological Society. 152, (2006).
- Marino, G., et al. Autophagy is essential for mouse sense of balance. The Journal of Clinical Investigation. 120 (7), 2331-2344 (2010).
- Figueiredo, V. C., de Salles, B. F., Trajano, G. S. Volume for muscle hypertrophy and health outcomes: The most effective variable in resistance training. Sports Medicine. 48 (3), 499-505 (2018).
- Gentil, P., et al. Using velocity loss for monitoring resistance training effort in a real-world setting. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 43 (8), 833-837 (2018).
- Fernández-Sanjurjo, M., et al. Is physical performance (in mice) increased by Veillonella atypica or decreased by Lactobacillus bulgaricus. Journal of Sport and Health Science. 9 (3), 197-200 (2020).
- Shiguemoto, G. E., et al. Effects of resistance training on matrix metalloproteinase-2 activity and biomechanics and physical properties of bone in ovariectomized and intact rats. Scandivavian Journal of Medicine & Science in Sports. 22 (5), 607-617 (2012).
- de Sousa Neto, I. V., et al. Effects of resistance training on matrix metalloproteinase activity in skeletal muscles and blood circulation during aging. Frontiers in Physiology. 9, 190 (2018).
- Ghosh, S., Golbidi, S., Werner, I., Verchere, B. C., Laher, I. Selecting exercise regimens and strains to modify obesity and diabetes in rodents: an overview. Clinical Science. 119 (2), 57-74 (2010).
- Mônico-Neto, M., et al. Resistance training minimizes catabolic effects induced by sleep deprivation in rats. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 40 (11), 1143-1150 (2015).
- Hawley, J. A., Hargreaves, M., Joyner, M. J., Zierath, J. R.
- Booth, F. W., Laye, M. J., Spangenburg, E. E. Gold standards for scientists who are conducting animal-based exercise studies. Journal of Applied Physiology. 108 (1), 219-221 (1985).
- Kruger, K., et al. Functional and muscular adaptations in an experimental model for isometric strength training in mice. PLoS One. 8 (11), 79069 (2013).
- Hendrickse, P. W., Krusnauskas, R., Hodson-Tole, E., Venckunas, T., Degens, H. Endurance exercise plus overload induces fatigue resistance and similar hypertrophy in mice irrespective of muscle mass. Experimental Physiology. 105 (12), 2110-2122 (2020).
- Knab, A. M., et al.
- Konhilas, J. P., et al. Loaded wheel running and muscle adaptation in the mouse. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 289 (1), 455-465 (2005).
- Reiter, A., et al. Functional measures of grip strength and gait remain altered long-term in a rat model of post-traumatic elbow contracture. The Journal of Biomechanical Engineering. , (2019).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Seo, D. Y., et al. Humanized animal exercise model for clinical implication. Pflügers Archiv. 466 (9), 1673-1687 (2014).
- Tanaka, H., Swensen, T. Impact of resistance training on endurance performance. A new form of cross-training. Sports Medicine. 25 (3), 191-200 (1998).
- Hakkinen, K., Mero, A., Kauhanen, H. Specificity of endurance, sprint and strength training on physical performance capacity in young athletes. The Journal of Sports Medicine and Physical Fitness. 29 (1), 27-35 (1989).
- Vellers, H. L., Kleeberger, S. R., Lightfoot, J. T. Inter-individual variation in adaptations to endurance and resistance exercise training: genetic approaches towards understanding a complex phenotype. Mammalian Genome. 29 (1), 48-62 (2018).
