Summary
이 논문은 식이 유발 비만의 Sprague-Dawley 쥐 모델에서 고강도 인터벌 트레이닝(HIIT) 프로토콜의 형태학적 반응과 훈련 수행 결과를 제시합니다. 이 프로토콜의 목적은 운동 강도를 극대화하고 마른 쥐와 비만 쥐의 HIIT에 대한 생리학적 반응을 결정하는 것이었습니다.
Abstract
지속적-중등도 또는 저강도 훈련과 비교할 때 고강도 인터벌 트레이닝(HIIT)은 유사한 생리학적 이점을 제공하는 보다 시간 효율적인 대체 방법입니다. 이 논문은 다이어트로 인한 비만의 Sprague-Dawley 쥐 모델에서 다양한 건강 지표를 평가하는 데 사용할 수 있는 HIIT 프로토콜을 제시합니다. 생후 21일 된 암컷 Sprague Dawley 쥐는 대조군(CON, n=10), 운동 훈련(TRN, n=10), 고지방 식단(HFD, n=10) 및 고지방 식단/운동 훈련(HFD/TRN, n=10)에 무작위로 할당되었습니다. 대조군은 지방(3.82kcal/g)에서 10%의 킬로칼로리(kcal)를 함유한 상업용 실험실 차우(chow)로 구성되었으며, 고지방 식단(HFD)은 지방(4.7kcal/g)에서 45%의 킬로칼로리로 구성되었습니다. 동물들은 연구 기간 동안 할당된 식단에 대한 자유로운 접근을 할 수 있었습니다. 8주간의 다이어트 유도 기간 후, 운동 코호트는 8주 동안 주당 4회의 HIIT 세션을 완료했습니다. 각 HIIT 세션은 모터 구동 벨트가 있는 설치류 트레드밀을 사용하여 1분 스프린트/2분 휴식의 10회 인터벌로 구성되었습니다. 8주간의 훈련 후, 동물들은 조직 채취를 위해 희생되었다. 그 결과 TRN과 HFD/TRN 그룹 간의 달리기 거리에는 차이가 없었으며, 훈련 속도는 연구 기간 동안 꾸준히 증가하여 TRN 및 HFD/TRN 그룹의 최종 달리기 속도는 각각 115cm/s 및 111cm/s였습니다. 주간 칼로리 섭취량은 CON 그룹에 비해 TRN 그룹에서 감소(p < 0.05)했지만, HFD/TRN 그룹에서는 HFD 그룹에 비해 증가(p < 0.05)했다. 마지막으로, HFD를 투여한 동물은 대조군에 비해 비만도가 더 컸고(p < 0.05), 훈련된 동물은 비만도가 감소했다(p < 0.05). 이 프로토콜은 다이어트 유발 비만 모델에서 다양한 생리학적 결과에 대한 HIIT의 효과를 평가하는 효율적인 방법을 보여줍니다.
Introduction
비만과 심혈관 질환, 대사 질환, 암과 같은 동반 질환은 모든 건강 결과 중 가장 심각하고 비용이 많이 들며 예방할 수 있는 질환 중 하나입니다. 현재 미국 성인의 1/3 이상과 전 세계 16억 명 이상의 성인이 체질량 지수(BMI, 체중을 킬로그램 단위로 나눈 값을 미터 단위의 키의 제곱으로 나눈 값)에 따라 비만으로 분류됩니다1. 질병으로서의 비만은 유전적 소인, 환경 노출, 에너지 섭취 및 에너지 소비를 조절하는 정상적인 메커니즘의 붕괴로 인해 발생합니다2. 비만 전염병으로 인한 인적 및 재정적 비용이 계속 증가함에 따라 에너지 균형과 관련된 메커니즘과 대사 질환 퇴치에 대한 식이 요법 및 운동의 효과를 이해하려는 노력이 강화되었습니다.
이전 연구에서는 매우 맛있고 에너지 밀도가 높은 식단에 노출되면 쥐 모델에서 과식을 자극한다는 것이 입증되었습니다3. 기호에 맞는 식단에 대한 부가적인 접근은 칼로리 섭취 증가로 인한 과도한 체중 증가를 유발한다4. 연구에 따르면 운동은 비만인의 식욕을 조절하고 포만감 신호의 민감도를 향상시킬 수 있다5. 운동에 의한 포만감 신호의 민감도 회복은 식욕을 억제하고 에너지 소비를 자극하는 주요 지방 세포 유래 조절 호르몬인 렙틴에 대한 중추 및 말초 조직의 반응성에 대한 운동 훈련의 영향을 통해 부분적으로 매개된다는 이론이 있다5. 이러한 연구들은 다양한 운동 프로토콜을 조사했지만, 어떤 중재가 더 우수한지에 대한 명확한 합의는 없다 6,7. 회복 간격과 결합된 격렬한 운동을 반복하는 고강도 인터벌 트레이닝(HIIT)이 중간 강도의 연속 운동 훈련(MICT), 격렬한 지속 훈련 또는 자발적인 신체 활동과 같은 다른 형태의 운동보다 식욕 조절을 더 향상시킬 수 있음을 시사하는 몇 가지 증거가 있다8. 그러나 고강도 인터벌 트레이닝, 식이요법 및 식욕 조절의 교차성을 둘러싼 지식에는 격차가 있습니다.
이전 연구에서도 운동이 비활동 관련 동반 질환의 강력한 매개체이며, 특히 근육 및 지방 조직의 변화의 관점에서 입증되었습니다 9,10,11. 이러한 조성 변화는 운동으로 나타나는 질병 위험의 개선에 기여할 수 있는 항염증 상태의 촉진으로 이어진다는 가설이 있다12. 사이토카인(cytokine), 기타 작은 단백질, 근육 수축 중 골격근에서 방출되는 프로테오글리칸 펩타이드인 마이오카인(myokine)은 신체 활동과 관련된 항염증 결과를 완화하는 것으로 추정되었습니다. 이와는 대조적으로, 지방 조직에 의해 생성되는 세포 신호 분자인 아디포카인(adipokine)은 주로 더 해로운 역할을 하고 염증 상태를 촉진하는 데 기여하는 것으로 나타났습니다13,14,15,16. MICT에서 볼 수 있는 조성 변화가 긍정적인 건강 결과를 촉진한다는 것을 입증하는 중요한 증거가 있지만, HIIT1 7,18의 잠재적 이점을 평가하기 위한 연구는 적습니다.
마지막으로, 심혈관 질환은 인간 이환율의 주요 원인으로 잘 알려져 있으며 비만, 식이 요법 및 신체 활동과 높은 상관관계가 있습니다1. 이 프로토콜은 수많은 시스템에 대한 심혈관 훈련의 효과를 평가하기 위해 설치류를 훈련시키는 효율적인 방법을 제공합니다. 특히, 심장 비대는 심혈관 운동에서 발생하는 현저한 적응입니다. 이 비대는 더 강력한 심장 수축과 운동 조직에 혈액과 산소의 전달을 허용합니다. 이전 연구에 따르면 고강도 운동은 중간 강도의 운동보다 심장 비대를 유발할 가능성이 더 높다19.
이 프로토콜은 식이 유발 비만의 쥐 모델에서 식욕 조절, 구성 변화(따라서 마이오카인 및 아디포카인 변화) 및 심혈관 적응에 대한 HIIT의 효과를 조사하기 위한 접근 방식을 제공하여 문헌의 공백을 메우는 데 도움이 됩니다. 또한, 수행 기반 강도 증가는 훈련 결과를 극대화하고 동물이 운동 훈련에 적응하지 않고 훈련 프로토콜 후반부에 중간 강도에 접근하도록 합니다.
이 방법의 전반적인 목표는 운동 노력을 극대화하고 HIIT, 식이 유발 비만 및 이러한 자극의 상호 작용에 대한 반응으로 Sprague-Dawley 쥐의 표현형 변화를 식별하는 것입니다. 이 프로토콜은 쥐의 기술과 체력 수준이 증가하더라도 훈련 기간 동안 노력을 극대화할 수 있기 때문에 다른 기술에 비해 독특합니다. 또한 운동과 비만 중 하나에만 초점을 맞추지 않고 동시에 분석할 수 있습니다. 구체적으로, 본 연구는 다음과 같은 가설을 검증하고자 하였다. (1) 운동 속도는 훈련 전반에 걸쳐 증가할 수 있으며, TRN 그룹의 쥐가 커버하는 거리는 HFD/TRN 그룹(20)보다 클 수 있다. (2) 훈련된 쥐의 평균 주간 칼로리 섭취량은 대조군보다 클 수 있으며, 이는 각 식이 코호트 내에서 명백할 수 있다21. (3) 하루 평균 질량 증가는 운동한 쥐보다 대조군 쥐에서 더 클 수 있으며, 대조군 쥐는 희생 시 체지방량이 더 높을 수 있다21. (4) 심장과 간의 질량은 TRN 쥐에 비해 HFD/TRN 쥐에서 더 클 수 있다19.
Protocol
본 연구에 설명된 모든 절차는 실험실 동물의 관리 및 사용 가이드, 8판을 따랐습니다. 실험 설계는 West Virginia School of Osteopathic Medicine의 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee) 2019-5 산하 ORSP(Office of Research and Sponsored Programs)의 승인을 받았습니다. 이 프로토콜에 사용된 모든 재료에 대한 자세한 내용은 재료 표 및 표 1 을 참조하십시오. 프로토콜 타임라인의 일반적인 개요는 그림 1에 나와 있습니다.
1. 실험 설계
- 상업적인 출처에서 40 마리의 암컷, 21 일 된 Sprague-Dawley 쥐를 사용하십시오 ( 재료 표 참조).
- IACUC 지침에 따라 동물을 취급할 때는 적절한 보호 장비를 사용하십시오. 이러한 안전 조치에는 일회용 멸균 장갑, 실험실 가운, 신발 커버 착용이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다.
- 각 동물의 무게를 측정하고 평균의 평균과 표준 오차를 계산하여 그룹의 무게가 다르지 않은지 확인합니다. 그룹이 다른 경우 체중이 많은 개인을 더 가벼운 그룹으로, 더 가벼운 개인을 더 무거운 그룹으로 재분배하여 체중에 대해 그룹을 일치시킵니다.
- 동물을 무작위로 대조군(CON, n=10), 대조군/운동 훈련군(TRN, n=10), 고지방 식단/대조군(HFD, n=10), 고지방 식단/운동 훈련군(HFD/TRN, n=10)의 네 그룹으로 나눕니다.
- 통제된 환경(12시간 밝음/어두움 주기, 21°C ± 2°C, 60% ± 10% 습도)에서 쥐를 개별 케이지(케이지당 한 마리)에 넣고 1주일 동안 적응 기간 동안 상업적으로 구입한 실험실 차우( 재료 표 참조)의 대조 식단으로 모든 쥐를 젖을 뗍니다. 각 케이지에 농축 장치(은신처, 갉아먹는 것, 둥지 재료)를 공급하십시오.
참고: CON 다이어트는 시중에서 구입한 실험실용 차우(자세한 내용은 재료 표 및 표 1 참조)와 지방에서 10%의 kcal(3.82kcal/g)로 구성됩니다. - 실험 내내 음식과 물에 대한 임시방 편적 접근을 허용한다.
- 1주간의 적응 기간이 끝나면 HFD 및 HFD/TRN 그룹에 HFD 차우를 공급하여 8주간의 다이어트 기간을 시작합니다. HFD 차우(자세한 내용은 재료 표 및 표 1 참조)는 지방(4.7kcal/g)에서 45%의 kcal로 구성되어 있으며, 이는 전형적인 서양 식단에서 발견되는 다량 영양소 분해를 나타냅니다. 모든 동물이 음식과 물에 지속적으로 접근할 수 있도록 합니다.
- 매주 초에 각 동물에게 주어진 차우의 질량을 측정하고 기록하십시오. 140g의 차우를 사용하여 각 동물에게 일주일 동안 먹이를 줍니다.
- 차우의 무게를 측정하려면 계량 보트를 정밀 전자 디지털 저울( 재료 표 참조)에 놓고 "용기" 버튼을 눌러 저울을 용기를 측정합니다. 계량 보트에 차우 140g을 넣고 저울의 무게(g)를 기록합니다. 이것은 "이전" 가중치입니다.
- 각 동물의 케이지에 있는 사료통에 차우를 넣습니다.
- 동물이 차우가 부족해지기 시작하면 추가 할당량(남은 날마다 20g)의 무게를 측정하고 해당 차우를 음식 트레이에 추가합니다. 각 동물에게 얼마나 많은 추가 차우가 주어지는지 기록하십시오. 동물이 펠릿을 섭취하는 데 어려움을 겪는 경우 소비를 더 쉽게 할 수 있도록 호퍼의 음식 위에 무게를 추가해야 할 수도 있습니다(호퍼의 둥근 펠릿으로 입증됨).
- 매주 말에 각 동물의 남은 차우의 무게를 잰다. 모든 동물은 임시방편을 먹을 수 있도록 남은 차우가 있어야 합니다. 같은 저울을 사용하여 남은 음식을 기록하십시오. 이것은 "사후" 가중치입니다.
- 각 개별 동물의 "체중 전"에서 "이후" 체중을 빼서 주당 음식 섭취량(g)을 기록합니다.
- 8주간의 다이어트 유도 기간이 끝나면 TRN 및 HFD/TRN의 쥐를 위한 HIIT 훈련 프로토콜을 시작합니다. 이것은 매주 월요일, 화요일, 목요일, 금요일 오전 08:00에서 오전 10:00 사이에 훈련 세션이 있는 8주 HIIT 요법으로 구성됩니다(아래 "HIIT 훈련 프로토콜" 참조). 모든 동물이 프로토콜 전반에 걸쳐 할당된 실험 식단에 즉시 접근할 수 있도록 합니다.
참고: 이 프로토콜은 각 코호트의 성능을 극대화하도록 설계되었으며 각 코호트가 다를 수 있기 때문에 그룹 간에 프로토콜의 표준화가 없습니다(식이요법에 의해 유도된 표현형으로 인해). - 흡입 이소플루란(5%)을 사용한 마취 유도 후 필수 조직 채취를 통해 마지막 운동 세션 48시간 후 쥐를 안락사시킵니다.
- 마취를 유도하기 위해 시스템에 적절한 산소와 이소플루란이 있는지 확인하는 것으로 시작합니다. 메인 밸브(일반적으로 탱크 상단에 있음)를 시계 반대 방향으로 돌려 산소 탱크를 엽니다. 산소 탱크의 크기에 따라 산소 탱크에서도 열어야 하는 조절 밸브가 있을 수도 있고 없을 수도 있습니다. 또한 배기 튜브가 제대로 고정되어 있고 수집 캐니스터의 무게가 초과되지 않았는지 확인하십시오.
- 사용하기 전에 캐니스터의 무게를 측정하고 캐니스터 측면의 날짜와 무게를 기록해 두십시오. 꼭지가 유도 챔버에 열려 있고 노즈콘에 대한 꼭지가 닫혀 있는지 확인하십시오.
- 마취를 유도하려면 동물을 유도 챔버에 넣고 잠금 장치를 고정하여 챔버를 밀봉합니다. 안전 잠금 장치를 누르고 다이얼을 시계 반대 방향으로 돌려 이소플루란을 5%로 설정합니다.
- 그런 다음 미터가 1.5-2L/min 사이를 읽을 때까지 산소 유량계 바닥의 다이얼을 시계 반대 방향으로 돌립니다.
- 1-2분 후 동물이 더 이상 의식이 없으면 안전 잠금 장치를 누른 상태에서 다이얼을 시계 방향으로 돌려 이소플루란을 끕니다. 산소 방출 밸브를 3-5초 동안 눌러 유도 챔버를 산소로 세척합니다. 유도실의 잠금을 해제하고 의식을 잃은 동물을 제거합니다.
- 의식을 잃은 동물을 눕히고 코뿔을 고정하여 추가 마취를 합니다. 안면 마스크 전달을 위해 꼭지를 열고 유도 챔버의 꼭지를 닫습니다. 페달 반사가 없을 때까지 안면 마스크를 통해 마취를 위해 5% 이소플루란과 100% 산소를 전달합니다.
- 마취된 동물의 발가락에 꼬집는 압력을 가하고 반사 반응을 찾아 페달 반사를 확인합니다.
- IACUC가 승인한 방법(연구에 따라 다를 수 있음)에 따라 동물을 희생하고 측정 및 추가 분석을 위해 표적 조직(피하 지방 조직, 신장 주위 지방 조직, 골격근, 간, 생식선 및 심장)을 조심스럽게 절개합니다. IACUC 프로토콜에 따라 안락사는 단두대로 참수하거나 중요한 조직(심장)을 적출하여 완료할 수 있습니다.
- 심장을 채취하려면 갈비뼈 아래와 횡격막을 절개하십시오.
- 심장을 찾아 수술용 가위로 혈관(대동맥, 대정맥, 폐동맥, 폐정맥)을 자릅니다. 집게로 심장을 잡고 결합 조직을 잘라 심장을 풀어줍니다. 빨리 작업하여 식염수로 심장을 헹구고 거즈로 과도한 액체를 닦아내고 무게를 기록하십시오. 필요한 경우 수술용 가위로 좌심실, 우심실, 중격을 분리하고 개별적으로 무게를 잰다.
- 심장 조직 샘플을 냉동 보관하고 액체 질소에 급속 동결합니다.
- 다음으로, 메스로 복부를 세로로 절개하고 배꼽 부위에서 동물의 측면까지 두 개의 측면 절개를 하여 복부 장기에 접근할 수 있도록 합니다.
- 집게와 수술용 가위를 사용하여 관심 있는 장기를 제거합니다.
참고: 이 연구를 위해 간, 내장(복부) 지방 조직, 췌장 및 비복근을 수집했습니다. 복부 지방 조직은 장기와 체강 벽 주변의 결합 조직을 부드럽게 다듬어 하나 또는 두 개의 큰 부분으로 나누어 제거했습니다. 피하지방은 이전 방법과 유사하게 채취하지 않았다22. - 장기의 경우 제거 후 가라지 저울에 깨끗한 계량 보트에 넣으십시오. 무게(g)를 기록하고 샘플을 급속 동결을 위해 극저온에 넣습니다.
- 집게와 수술용 가위를 사용하여 관심 있는 장기를 제거합니다.
- 비복근의 경우 다리 아래쪽을 두 개, 아킬레스건을 가로질러 수평으로 한 개를 절개합니다.
- 피부와 근육을 연결하는 결합 조직을 자르거나 찢어 비복근을 노출시킵니다. 수술용 가위로 아킬레스건을 근육에 최대한 가깝게 자르고 집게로 비복근을 잡습니다.
- 비복근을 따라 위쪽 연결 지점까지 이동하고 비슷한 절단을 하여 근육을 풀어줍니다.
- 깨끗하고 가늠된 계량 보트에서 샘플을 계량하고 극저온 챔버에 넣고 액체 질소에 급속 냉동합니다.
- 심장을 채취하려면 갈비뼈 아래와 횡격막을 절개하십시오.
- 수집된 다른 조직 샘플은 즉시 극저온 저장고에 넣고 액체 질소에서 급속 냉동한 후 -80°C에서 보관합니다. 이러한 조직은 연구 목표에 따라 PCR, 웨스턴 블롯 또는 기타 방법과 같은 향후 실험실 분석을 위해 저장할 수 있습니다.
2. HIIT 트레이닝 프로토콜
- 훈련 세션을 시작하려면 제어 장치 뒷면에 있는 전원 스위치를 뒤집어 트레드밀( 재료 표 참조)을 켭니다.
- 모니터가 0.00mA를 읽을 때까지 제어 장치의 다이얼을 시계 반대 방향으로 돌려 트레드밀 충격을 0.00mA로 조정합니다.
- 트레드밀 바닥의 잠금 너트를 풀고 경사를 첫 번째 노치로 설정하여 트레드밀의 기울기를 5.0%로 설정합니다. 잠금 너트를 다시 조여 이 위치에서 트레드밀 경사를 고정합니다.
- 한 손으로 동물의 몸을 지탱하고 다른 손으로 꼬리 바닥을 부드럽게 잡고 동물을 러닝 머신의 개별 레인에 놓습니다.
- 트레드밀의 5개 개별 레인이 모두 동일한 코호트의 쥐가 차지할 때까지 이 과정을 반복합니다.
- 모니터가 45cm/s를 읽을 때까지 단축 다이얼을 시계 방향으로 돌려 트레드밀 속도를 45cm/s로 조정합니다. 중지/실행 버튼을 눌러 트레드밀을 시작하고 5분 동안 실행합니다. 중지/실행 버튼을 다시 누르면 5분 후에 트레드밀이 중지됩니다. 이 시간 동안 감전은 사용되지 않습니다.
알림: 동물은 트레드밀 사용 방법을 쉽게 배울 수 있도록 프로토콜의 초기 단계에서 충격 그리드에서 벗어나기 위해 뻣뻣한 강모 브러시로 격려해야 할 수 있습니다. - 5분이 끝나면 훈련 기간을 시작하기 전에 2분 동안 휴식을 취하십시오. 모니터가 훈련 시합의 해당 시작 속도를 읽을 때까지 제어 장치의 다이얼을 시계 방향으로 돌립니다. 첫 번째 세션의 초기 실행 속도는 55cm/s입니다. 새로운 훈련일의 첫 번째 스프린트에는 전날 달성한 최고 속도보다 4cm/s 느린 시작 속도를 사용합니다.
- 시작 버튼을 눌러 트레드밀을 시작하고 모니터에 1:00(1분)이 표시될 때까지 동물을 달리게 한 다음 중지/실행 버튼을 다시 눌러 트레드밀을 중지합니다.
- 브러시로 동물을 저어 동물이 충격 그리드(트레드밀 뒤쪽에 위치)에 도달하면 전진 동작을 장려합니다. 훈련 그룹당 동물이 훈련 시합당 두 번 이상 브러시에 반응하지 않으면 나머지 세션 동안 충격 그리드를 2.0mA로 켭니다.
- 전력 질주가 끝나면 동물을 2분 동안 쉬게 하십시오. 2분 휴식이 끝나면 제어 장치의 중지/실행 버튼을 눌러 트레드밀을 시작하여 다음 스프린트를 시작합니다. 트레드밀 속도에 대한 세부 정보는 아래에 정의되어 있습니다.
- 코호트 내 5마리의 동물이 동기 부여 없이(뻣뻣한 칫솔모로 격려하거나 충격 그리드를 5회 이상 만지는) 전체 1분 스프린트 인터벌 동안 스프린트 인터벌을 완료하는 경우 다음 스프린트 인터벌에 대해 이전 속도에서 4cm/s 속도를 높입니다. 제어 장치의 속도 노브를 시계 방향으로 돌리면 속도가 증가합니다.
- 브러시를 사용하여 달리기를 장려하거나 동물이 한 번의 1분 스프린트에서 쇼크 그리드에 5번 이상 닿는 경우 이전 스프린트 간격과 동일한 인터벌 속도를 사용하십시오.
- 동물이 전력 질주 간격(충격 그리드에서 누적 시간 4초 이상) 동안 과도하게 고군분투하는 경우 다음 간격의 속도를 20cm/s 줄이십시오.
참고: 우리의 경험에 따르면 동물의 100%가 필요한 달리기를 완료할 수 있었습니다. 그럼에도 불구하고 동물이 뛰기를 꺼리거나 과도한 충격을 받는 경우 연구자의 재량에 따라 연구에서 제외해야 할 수도 있습니다. - 각 시합에 대한 속도와 거리를 기록하십시오.
- 매일 총 10회의 HIIT 훈련 시합에 대해 이 과정을 반복합니다. 각 훈련 시합은 1분의 고강도 달리기와 2분의 휴식으로 구성됩니다.
- 훈련 세션이 끝나면 러닝머신에서 각 동물을 꺼내 개별 케이지에 넣습니다.
- 새로운 훈련일이 시작될 때마다 첫 번째 시합을 위한 초기 달리기 속도는 전날 운동에서 얻은 가장 빠른 속도보다 4cm/s 느리게 시작하며 최소 속도는 55cm/s입니다.
3. 통계 분석
- 형태 측정 및 기타 결과 측정값을 평균 및 표준 오차로 보고합니다.
- 해석 소프트웨어( 재료 표 참조)에서 여러 비교가 가능한 혼합 효과 모델을 사용하여 그룹 간의 차이를 결정합니다.
참고: Šidák 보정은 다중 비교를 고려하기 위해 구현되었습니다. 적절한 경우 반복 측정 모델이 구현되었습니다. 유의한 차이는 p < 0.05로 결정되었습니다.
Representative Results
그림 2 는 프로토콜 기간 동안 학습 성능이 향상되었음을 보여줍니다. TRN 및 HFD/TRN 그룹의 최종 주행 속도는 각각 115cm/s와 111cm/s였습니다. 총 주행 거리는 TRN과 HFD/TRN 그룹 간에 차이가 없었습니다(그림 3).
대조군 사료를 섭취한 동물의 주간 평균 사료 섭취량은 고지방 사료를 섭취한 동물보다 높았습니다(±±p < 0.0001). 주간 평균 사료 섭취량도 훈련을 받지 않은 그룹보다 훈련된 그룹에서 더 컸습니다±±(p < 0.001). 상호작용을 살펴보면, CON 대 TRN 그룹은 서로 다르지 않았지만 HFD 그룹보다 더 많이 먹은(p < 0.05) HFD/TRN 그룹보다 주간 섭취량이 더 많았습니다(p < 0.05). 사료 섭취량을 kcal 섭취량으로 환산할 때, 고지방 사료를 섭취한 동물은 대조군 사료를 섭취한 동물보다 칼로리 섭취량이 더 높았습니다(±±p < 0.0001). 그 결과 4개 그룹 모두 주간 칼로리 섭취량에 차이(p < 0.05)가 나타났으며, HFD/TRN 그룹이 주간 칼로리 섭취량이 가장 많았고, HFD, CON, TRN 그룹이 순차적으로 그 뒤를 이었습니다(그림 5).
체중은 HFD 및 HFD/TRN 그룹이 CON 및 TRN 그룹보다 더 큰(p < 0.05) 질량에 도달한 수유 기간의 8주까지 그룹 간에 차이가 없었습니다(각각 293g ± 10.1g 및 298g ± 13.1g 대 270g ± 8.6g 및 264g ± 6.8g). HFD 및 HFD/TRN 그룹은 연구의 나머지 기간 동안 CON 및 TRN 그룹보다 더 무거웠다±±±±(p < 0.05). 연구의 운동 부분에 비해 훈련된 동물과 훈련되지 않은 동물에서 평균 일일 이득(p < 0.05)이 더 컸으며(각각 0.8g/일 ± 0.11g/일 대 0.5g/일 ± 0.09g/일), 이 기간 동안 CON 그룹과 HFD 그룹 간에 ADG에 차이가 없었습니다. 그 결과, HFD/TRN 그룹에서 HFD 그룹보다 ADG가 더 컸으며(p < 0.05), 훈련 기간 동안 CON 그룹과 TRN 그룹 간에 차이가 없었습니다(그림 6). 그러나 8주간의 훈련 기간은 HFD/TRN과 HFD 그룹 간에 체중 차이를 유도하지 않았습니다(각각 347g ± 16.3g 대 331.5g ± 14.4g).
훈련 프로토콜이 완료된 후, 조직 채취 결과 HFD를 투여받은 동물은 CON 그룹보다 내장 비만이 더 컸으며(<각각 25g ± 2.1g 대 19g ± 1.5g), 운동 훈련을 받은 동물은 대조군 동물에 비해 내장 비만도가 감소(p < 0.05)한 것으로 나타났다(21g ± 2.4g vs. 25g ± 2.1g, 각기). HFD 그룹은 TRN 및 HFD/TRN 그룹보다 내장 비만(p < 0.05)이 더 컸습니다(그림 7). 심박량은 CON, TRN, HFD 그룹보다 HFD/TRN 그룹에서 더 컸다(p < 0.05; 1.3g ± 0.2g vs. 1.1g ± 0.1g, 1.1g ± 0.1g, 1.0g ± 0.1g). 그룹 간의 간 질량에서는 차이가 관찰되지 않았습니다. 다른 장기나 조직의 질량에서는 차이가 확인되지 않았다.
그림 1: 동물 연령별 연구 프로토콜 타임라인(일). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 세션별 TRN 및 HFD/TRN 동물에 대한 훈련 프로토콜 전반에 걸친 HIIT 속도. HIIT는 8주 동안 매주 4일에 걸쳐 실시되었으며, 그 결과 32회의 훈련 세션이 이루어졌습니다. 운동당 평균 데이터가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 트레이닝 프로토콜 전반에 걸쳐 TRN 및 HFD/TRN 그룹의 스프린트당 평균 거리. HIIT는 8주 동안 매주 4일에 걸쳐 실시되었으며, 그 결과 32회의 훈련 세션이 이루어졌습니다. 데이터는 SEM± 평균으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: CON, TRN, HFD 및 HFD/TRN 코호트의 평균 주간 사료 섭취량. 데이터는 평균의 평균 ± 표준 오차(SEM)로 표시됩니다. ᅡ,ᄂ,ᄂ문자가 다른 평균은 서로 다릅니다(p < 0.05). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: CON, TRN, HFD 및 HFD/TRN 코호트의 주간 칼로리 섭취량. 데이터는 평균± SEM으로 표시됩니다. a,b,c,d문자가 다른 평균은 다릅니다(p < 0.05). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: CON, TRN, HFD 및 HFD/TRN 코호트의 평균 일일 체중 증가. 데이터는 SEM± 평균으로 표시됩니다. a,b글자가 다른 그룹은 다릅니다(p < 0.05). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 부검 시 평균 내장 지방량. 데이터는 SEM± 평균으로 표시됩니다. a,b글자가 다른 그룹은 다릅니다(p < 0.05). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1: 프로토콜에 사용된 식단의 구성. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
이 프로토콜은 다이어트 유발 비만 모델에서 여러 건강 지표에 대한 HIIT의 효과를 조사하기 위한 효과적인 방법을 제공합니다. 이 절차는 운동 훈련 변수, 식욕 조절 마커 및 체성분의 침습적 분석과 같은 여러 결과 변수를 검사하는 보다 시간 효율적인 방법을 허용하기 위해 이전 연구에서 도출되었습니다 3,7,8,18,23,24. 식이 내용, 기간 및 운동 중재 프로토콜은 이전 간행물23,24와 일치했다. 이 연구에서는 상업적으로 이용 가능한 실험실 차우를 구입했습니다(재료 표 참조). 고지방 및 대조군 식단을 위한 실험실 차우에는 동일한 양의 단백질과 미량 영양소가 포함되어 있습니다. 식이요법의 탄수화물 및 지방 함량은 실험군에서 비만을 유도하는 안전한 방법을 제공하기 위해 수정되었다(표 1 참조).
본 연구에서 사용된 8주간의 비만 유도 기간은 전형적인 서구식 식단에서 발견되는 다량 영양소 분해를 나타내는 지방(4.7kcal/g)에서 45%의 kcal로 구성된 상업용 실험실 차우를 제공한 후 체중에 상당한 변화를 보인 이전 연구를 기반으로 모델링되었습니다23. 또한, 이전 연구에서는 8주 HIIT 프로토콜이 음식 섭취량에 영향을 미치는 효과가 입증되었습니다.7,8, 지방 프로파일 18,23 및 근육 증가18. 이 연구에서 설명된 프로토콜의 결과는 HIIT가 식욕 조절뿐만 아니라 비만과 근육량의 구성 변화에 영향을 미친다고 보고한 이전 연구와 일치했습니다.
이 프로토콜의 이점은 동물의 운동 훈련 강도를 극대화하고 프로토콜 전반에 걸쳐 최대한의 노력을 유지한다는 것입니다. 동물들이 트레드밀을 능숙하게 사용하는 방법을 지속적으로 배우고 체력을 향상시킴에 따라 트레드밀의 속도는 성능에 따라 증가합니다. 더욱이, 5.0% 경사를 사용하면 동물이 경사를 사용하지 않고 달성되는 것보다 더 빨리 각 세션과 프로토콜 전반에 걸쳐 최대 강도에 도달할 수 있습니다. 결과적으로, 운동 성과는 각 운동과 프로토콜 기간 동안 극대화됩니다.
연구 기간 동안 한 마리의 동물이 질병으로 인해 실험 프로토콜을 완료할 수 없었기 때문에 n=39마리의 동물이 연구를 완료했으며 HFD 코호트에는 n=9마리의 쥐만 있었습니다. 이 프로토콜은 처음에 운동과 식이요법에 대한 반응으로 사이토카인 프로파일의 변화를 평가하기 위해 고안되었으며, 도수 분석 결과 1차 표적 사이토카인(이리신)의 차이(p < 0.05)를 식별하기 위해 90% 이상의 검정력을 보였습니다. 이 모형을 사용하는 향후 연구에서는 적절한 표본 크기를 결정하기 위해 고유한 검정력 분석에 의존해야 합니다.
이 연구는 주로 식이요법으로 인한 비만의 설치류 모델에서 HIIT의 생리학적 결과를 조사하고 운동 강도를 최대화하기 위해 고안되었습니다. 이 프로토콜은 식이요법과 HIIT에 대한 반응으로 ADG와 비만도의 변화를 입증할 수 있었습니다(그림 6 및 그림 7). 향후 연구에서는 HIIT에 대한 내분비, 미오카인, 아디포카인 반응을 구체적으로 확인할 수 있을 것입니다. 이러한 메커니즘의 해명은 비만과 그 동반 질환의 치료 및 예방에 도움이 될 수 있습니다.
이 연구는 또한 식단과 HIIT가 사료 섭취에 미치는 영향을 입증했습니다. 그 결과, 동물들이 고지방 식단을 섭취했을 때, 훈련된 동물들은 훈련받지 않은 동물들보다 더 많은 칼로리를 섭취하는 것으로 나타났다. 대조적으로, 동물들이 대조 사료를 먹었을 때, 훈련된 동물들은 훈련되지 않은 동물들보다 더 적은 칼로리를 소비했으며, 식단의 구성에 따라 다른 식욕 조절 반응을 보였다. 따라서 HIIT를 활용하는 체중 감량 전략은 고지방 식단을 동시에 섭취하는 사람들에게는 과잉 칼로리를 섭취할 가능성이 더 높기 때문에 덜 효과적일 수 있습니다. 대조적으로, HIIT 기간 동안 균형 잡힌 다량 영양소 섭취는 저칼로리 섭취를 촉진하여 체중 감량을 촉진할 수 있습니다. 이 모델은 에너지 균형의 메커니즘에 대한 더 깊은 이해와 효과적인 체중 감량 전략을 개발하기 위한 노력을 촉진할 수 있습니다.
마지막으로, 이 프로토콜은 코호트 간 심장 조직의 변화를 보여주었으며, 이는 식이 요법 및 운동 훈련에 대한 반응으로 신체 구성의 적응 변화를 반영합니다. 이러한 데이터는 HIIT에 따른 비만 유도가 간 크기의 동반 변화 없이 개인이 심근 비대에 걸리기 쉬울 수 있음을 시사합니다. 이러한 발견의 배후에 있는 메커니즘을 결정하기 위한 향후 분석은 심근 비대와 비만, HIIT 및 심혈관 질환 간의 대사 연결을 조사하는 데 유용할 수 있습니다.
이 연구에서 설명하는 프로토콜에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 첫째, 이 연구에 사용된 러닝머신은 5개의 레인을 가지고 있어 한 번에 5마리의 쥐를 달릴 수 있었습니다. 이러한 방식의 프로토콜 실행은 효율적이었지만 한 명의 연구원이 한 번에 각 동물을 돌보는 것은 어려웠습니다. 러닝머신 안내원이 강모 브러시로 자극을 필요로 하는 여러 동물에게 주의를 분산시키는 것이 어려운 경우가 있었습니다. 앞으로는 교육 프로토콜을 지원할 수 있는 더 많은 연구 인력을 확보하는 것이 최우선 과제가 될 것입니다. 또한 5레인 트레드밀 모델에는 가스 교환을 측정할 수 있는 기능이 없으므로 프로토콜 중 동물의 유산소/혐기성 대사를 평가할 수 없습니다. 설치류 트레드밀을 제공한 회사(재료 표 참조)는 가스 교환을 측정할 수 있는 트레드밀을 제공하지만 단일 차선 트레드밀이므로 훨씬 더 많은 시간과 노력이 필요합니다. 그러나 이러한 노력은 간접 열량계의 특정 결과를 측정하거나 제어해야 하는 연구자에게 가치가 있을 수 있습니다. 또한 쇼크 그리드가 운동 성능에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 증거는 거의 없으므로 이 모델의 결과를 해석할 때 고려해야 합니다. 마지막으로, 이 연구에서 설명된 운동 프로토콜은 젊은 암컷 Sprague-Dawley 쥐를 대상으로 설계되었습니다. 이전 연구에서는 특히 HIIT와 식욕 조절과 관련하여 성적 이형성 효과가 나타났습니다 3,7. 유사한 결과가 예상되지만, 이 프로토콜은 다른 종, 연령, 성별 또는 건강 결과의 동물을 테스트하지 않았습니다.
이전 모델과 비교할 때 이 프로토콜은 다양한 결과 변수를 평가하는 보다 시간 효율적인 방법을 보여줍니다. 예를 들어, 이 프로토콜은 8주 동안 주당 4개의 훈련 세션을 포함하는 프로토콜에서 HIIT와 식욕 조절 사이의 상호 작용을 식별할 수 있었는데, 이는 8주 동안 주당 5개의 훈련 세션,24 주 또는 12주의 훈련8을 포함하는 이전 연구와 비교됩니다. 또한 이 연구 설계를 통해 운동 데이터, 식욕 조절 마커 및 체성분과 같은 다양한 건강 마커를 분석할 수 있었습니다. 이러한 지표와 운동 훈련에 대한 심장 적응은 심혈관계의 훈련 적응을 평가하는 유망한 수단이기도 합니다. 내피 기능, 근섬유 유형 구성 및 심장 근세포 비대에 대한 측정은 이러한 운동 유도 적응에 대한 이해를 높이기 위해 쉽게 추가할 수 있습니다. 또한 이 프로토콜에는 성능 기반 강도 에스컬레이션이 포함되었습니다. 이 설계는 훈련 결과의 극대화를 허용하고 쥐가 운동 환경에 적응하지 않고 개입이 끝날 때까지 중간 강도의 연속 훈련 모델에 접근하지 않도록 했습니다. 이 내용은 그림 2에 나와 있습니다. 특히, 이 동물들의 전력 질주 속도는 이전 간행물에서 달성된 속도보다 두 배 이상 높았으며, HIIT 중재와 일치하는 많은 심혈관, 골격근 및 체온 조절 적응을 보여주었다25.
Disclosures
저자는 이 논문의 출판과 관련하여 이해 상충이 없음을 선언합니다.
Acknowledgments
저자들은 동물 관리 및 데이터 수집에 도움을 준 Michael Pankey, Chris Butler 및 WVSOM 직원에게 감사의 뜻을 전합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Commercial laboratory chow for control diet | Research Diets Inc., New Brunswick, NJ | D12450H | |
| Commercial laboratory chow for high-fat diet | Research Diets Inc., New Brunswick, NJ | D12451 | |
| GraphPad Prism software | GraphPad Software Inc., San Diego, CA | ||
| Precision Electronic Digital Scale | Ohaus Corporation, Pine Brook, NJ | V11P30 | |
| Rodent treadmill | Panlab, Barcelona, Spain | ||
| Sprague Dawley rats | Charles River, Durham, NC | ||
| Table top anesthesia machine | VetEquip Inc., Livermore, CA | V0557 |
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