在新开发的化学诱导绝经小鼠模型上测试了两种运动模式,以研究绝经对运动能力及心脏运动适应性的影响。
在新开发的化学诱导绝经小鼠模型上测试了两种运动模式,以研究绝经对运动能力及心脏运动适应性的影响。
绝经后女性患心血管疾病(CVD)的风险增加,然而运动作为预防绝经后女性心血管疾病风险的措施,其作用尚未得到充分研究。因此,我们研究了自主笼中转轮运动和强制性跑步机运动对更年期小鼠心脏适应性的影响。目前最常用于模拟人类更年期的可诱导模型是卵巢切除(OVX)啮齿类动物模型。然而,OVX模型与人类更年期存在若干差异。在本研究中,我们对雌性小鼠给予4-乙烯基环己烯二环氧乙烷(VCD),该物质可加速卵巢功能衰竭,作为研究运动对更年期小鼠影响的替代性更年期模型。VCD选择性加速原始卵泡和始基卵泡的丢失,导致内分泌状态与人类从绝经前到围绝经期再到绝经后的自然进程高度相似。为了确定运动对VCD处理的雌性小鼠运动能力和心脏适应性的影响,我们采用了两种方法:首先,我们让一组经VCD处理和未处理的小鼠进行自主笼中转轮运动;其次,我们采用强制性跑步机运动,通过测定运动强度耐受性和耐力,评估另一组经VCD处理和未处理小鼠的运动能力。
自然绝经的发生特征是卵巢原始卵泡通过闭锁作用逐渐耗竭,最终导致卵巢衰老。在美国,女性一生中超过30%的时间处于绝经后阶段。随着卵巢功能下降,可能出现多种生理和心理后果,包括体脂增加、血管功能不稳定以及情绪或睡眠障碍。由于与未绝经女性相比,绝经后女性的肥胖/体脂水平更高1,2,她们尤其更容易发生代谢综合征及相关共病,包括心血管疾病(CVD)3。 此外,越来越多的证据表明,针对心血管疾病患者的有效心脏康复应包括规律的有氧运动,且运动可降低这些人群的心血管发病率和死亡率4,5。 然而,从绝经前到绝经后的过渡过程中运动能力如何变化,目前尚缺乏充分研究。更重要的是,运动作为绝经后女性预防心血管疾病风险的干预措施所发挥的作用,至今仍显著缺乏深入探讨。
目前用于模拟女性更年期最常用的可诱导模型是卵巢切除(OVX)啮齿类动物。近年来,职业化学物质4-乙烯基环己烯二环氧化物(VCD)被发现可特异性靶向初级和原始卵泡,通过加速卵泡闭锁的自然过程,最终导致卵巢功能衰竭,且在其他组织中未发现明显毒性6。经VCD处理的小鼠动情周期(类似于人类月经周期)在完成VCD注射后2-3个月内停止,从而导致雌激素逐渐撤退,模拟了围绝经期向绝经后阶段的过渡。因此,这种卵泡耗竭但保留卵巢的动物模型能够更接近地模拟人类从绝经前期经围绝经期至绝经后期的自然发展过程7-9。 此外,该模型为OVX模型提供了一种非手术替代方案,可减少手术相关并发症(如感染)。在本研究中,我们采用VCD诱导的更年期小鼠模型,研究运动对更年期小鼠心脏适应性的影响。
有多种情况表明,雌激素与两性啮齿类动物笼中转轮运动之间存在关联10-13。通过手术切除卵巢(OVX)导致雌激素耗竭,会降低小鼠和大鼠的自发运动活性14,15。本研究采用两种运动方式来检测VCD诱导的更年期小鼠的运动能力。笼中转轮跑动通常被视为动物模型中的一种自发性运动,被认为是在较低应激条件下进行的。然而,笼中转轮跑动并不能反映动物相对的运动能力,后者需要动物在更高强度下运动。因此,采用强制性跑步机运动来测定运动能力,该能力以对运动强度的耐受性和耐力为指标。此外,我们先前已证实,笼中转轮运动可诱发心肌肥厚,且这种肥厚性生长具有性别依赖性16。 因此,我们还检测了VCD诱导的更年期小鼠对笼中转轮运动的心脏适应性。
所有动物实验、饲养和护理均按照亚利桑那大学机构动物护理和使用委员会批准的方案进行,并遵循2011年美国国立卫生研究院(NIH)关于实验动物护理和使用的指南。
1. 使用4-乙烯基环己烯二环氧乙烷处理
2. 自主笼轮运动
将7月龄的近交系C57BL/6和B6C3F1雌性小鼠暴露于自主笼中转轮跑动。将动物单独饲养于笼中(47 cm x 26 cm x 14.5 cm),并自由接触笼中转轮,持续28天。
3. 强制跑台运动
4. 数据与统计分析
典型的实验方案(如本研究所采用的)如图1所示。在连续20天给予VCD处理后,通过阴道细胞学检测判断VCD注射小鼠是否存在动情周期,同时对溶剂对照注射小鼠也进行监测。动情周期的分期依据阴道涂片中上皮细胞、角化上皮细胞和白细胞的比例确定(图2A)。若涂片中仅见角化上皮细胞,则表明小鼠处于动情期,即仍具有周期性。小鼠的动情周期通常持续4天,因此,若VCD注射动物连续15天处于以白细胞占主导的间情期(图2A),则被判定为无周期性。VCD处理小鼠的动情周期先出现紊乱,随后在开始注射VCD后的2至3个月内完全停止(图2B)。与对照组相比,VCD处理组的卵巢组织表现出明显的萎缩。在高倍放大下可见,初级卵泡和原始卵泡已完全耗竭(图2C)。
为了检测VCD诱导的卵巢功能衰竭对运动能力的影响,我们在停止动情周期4至6周后,将7月龄的VCD处理组和溶剂对照组小鼠(两种品系:C57BL/6和B6C3F1)随机分配至静息组或笼内跑轮运动组(图1)。在整个为期4周的运动期间,记录每只运动小鼠每日的运动时间和距离。C57BL/6小鼠在溶剂或VCD处理后每周的每日跑轮运动在距离、时间和速度方面的平均值如图3所示。在C57BL/6或B6C3F1小鼠品系中,VCD处理组与溶剂对照组之间在笼内跑轮运动的平均每日时间、距离和速度方面均未观察到显著差异(图4A)。计算所得的跑轮运动速度随着4周运动期逐渐增加,这与先前研究结果一致16,但各实验组之间无显著差异。这些研究表明,VCD诱导的卵巢功能衰竭对自主笼内跑轮运动的影响至少跨越两种小鼠品系。
在完成自愿性笼内转轮运动方案后,记录小鼠的身体形态测量数据,并迅速切除心脏并称重。我们此前已证明,自愿性笼内转轮运动可导致心脏质量增加16。本研究中,我们还通过绝对心脏重量(HW)以及将HW标准化为胫骨长度(TL)的比值,证实了笼内转轮运动可诱导心脏肥大(表1)。与久坐不动的小鼠相比,溶剂处理组和VCD处理组小鼠的绝对心脏质量和HW/TL比值均显著升高。然而,在自愿性笼内转轮运动后,对照组小鼠与VCD诱导卵巢功能衰竭小鼠之间的心脏肥大程度无显著差异。
接下来,我们采用非自主(强制)跑台运动来测定小鼠的运动能力。首先使小鼠进行高强度运动方案,即每10分钟逐步增加平均速度,直至力竭。结果显示,对照组小鼠的平均最大速度为26.7±0.95 m/min,VCD处理组小鼠的平均最大速度为28±1.4 m/min。我们还采用20 m/min的较低强度(约为最大速度的80%)运动来检测耐力能力。如图4B所示,对照组与VCD处理组在高强度和低强度运动能力方面均未发现显著差异,表明VCD诱导的卵巢功能衰竭对小鼠的运动能力无显著影响。
综上所述,由VCD处理诱导的更年期对自主或强迫跑步能力以及心脏对运动的适应性反应均无影响。

图1. VCD给药与实验方案。 小鼠从2月龄开始,连续20天给予VCD(160 mg/kg)或芝麻油(溶剂对照)。VCD或溶剂注射结束后,按照方法部分所述监测动情周期并确定周期性。卵巢功能丧失发生在60–90天内,并通过阴道细胞学确认。在7月龄时,小鼠进行为期4周的自主转轮运动,或接受跑步机运动方案。

图 2. VCD诱导小鼠卵巢功能衰竭。 A: 经溶剂注射小鼠未染色阴道涂片的细胞学图像,显示动情周期的四个阶段:1)前期(proestrous),主要由有核上皮细胞组成;2)动情期(Estrus),以无核角化细胞为特征;3)间期(metestrus),包含有核上皮细胞(箭头)、无核角化上皮细胞(箭头)以及白细胞;4)静止期(diestrus),主要由白细胞组成。B: 溶剂注射组与VCD注射组小鼠动情周期的平均长度(天数)。一个周期定义为从一次动情期的第一天到下一次动情期第一天的时间间隔。阴道细胞学检测自注射开始约6周后进行。与溶剂注射组动物相比,VCD注射组动物的动情周期变得不规则,经过12个动情周期后,所有VCD注射动物的细胞学检测均不再显示周期性变化。C: 8月龄小鼠卵巢组织的H&E染色结果。对溶剂处理组(左图)和VCD处理组(右图)小鼠的卵巢组织进行5μm厚度切片,在20X(上图)和200X(下图)放大倍数下观察。200X放大图像显示,与VCD处理组小鼠相比,溶剂处理组小鼠卵巢组织中存在较多卵泡。请点击此处查看该图的高清版本。

图3. 对照剂或VCD处理的C57Bl/6J雌性小鼠在笼内转轮上的自主运动表现。左图:在4周研究期间,每1周时间段内的平均跑步距离(km/天)。中图:在4周研究期间,每1周时间段内的平均跑步时间(hr/天)。右图:在4周研究期间,每1周时间段内的平均跑步速度(km/hr)。请点击此处查看此图的高清版本。

图4. 溶剂对照组与VCD处理小鼠在笼内自愿转轮和跑步机上的运动表现。A:(上图)C57BL/6小鼠在为期4周的研究期间,每24小时的平均跑步距离(km/天)及在转轮上活动的时间(小时/天)。(下图)B6C3F1小鼠在为期4周的研究期间,每24小时的平均跑步距离(km/天)及在转轮上活动的时间(小时/天)。B: C57BL/6小鼠跑步机运动参数。最大持续时间(上图)和最大速度(下图),实验方案详见方法部分。
在我们之前的研究中,已采用过笼中转轮运动和跑步机跑步运动方案16,21,22。所有动物均饲养在专用的运动实验室内,以尽量减少环境或人为干扰。任何对动物生物节律的干扰都可能显著影响其运动表现。因此,整个动物护理、运动表现监测与记录以及运动干预均应在每天相同的时间段内进行。研究人员应采取预防措施,尽量避免给动物带来额外应激,例如限制应激暴露时间,并在适当情况下对饲养笼进行遮盖。
笼中跑轮运动
在准备笼中转轮装置时,转轮应便于小鼠进入和离开。笼底应仅铺少量垫料,以防止小鼠在转轮周围筑巢而阻碍转轮自由转动。磁性传感器应安装在转轮的固定部分,磁铁则固定在可自由转动的转轮上,以便在小鼠运动时记录每一次转轮旋转。连接磁性传感器的记录设备应置于笼顶金属网盖上方,所有外露电线必须用胶带固定或置于小鼠无法触及的位置,以防止小鼠啃咬造成损坏。磁铁和磁性传感器也需用胶带固定在相应结构上,以避免损坏或发生意外移动。在每日数据采集过程中,必须仔细检查所有已用胶带固定的电线,确保其完好无损,并在必要时重新粘贴。由于小鼠可能需要数天时间适应新环境并开始规律运动,因此数据记录应根据每只动物个体情况进行调整。尽管动物在转轮上活动的时间可能长达数小时,但大部分跑动行为发生在夜间。因此,即使某些动物在白天看似静止不动,也可能表现出较高的活动水平。此外,部分动物跑动量较少的情况也较为常见。通常,每日平均跑动距离为1 km或更少的情况多源于随机的笼内活动,而非真正意义上的持续跑动行为。因此,在最终数据分析中,应将跑动参数等于或低于每日1 km或每日1 hr的动物视为非跑动者并予以排除。
根据具体研究目的和所用小鼠品系的不同,运动时长可作相应调整。我们之前的研究表明,对于所涉及的两种小鼠品系,笼内转轮上的平均跑步速度和每次运动持续时间均随着时间逐渐增加,并在4周后趋于稳定。
笼中转轮跑动是一种动物模型中的自发性运动形式,通常被认为是在较低应激条件下进行的。与可以预设某些参数的跑步机运动不同,实验笼中的所有跑动行为均为自发进行,容易受到环境或行为线索的影响。因此,除非使用较大的实验组数量,通常应避免在不同实验条件之间进行比较。这种运动范式还可应用于其他研究领域,例如将行为反应与生理效应相结合的研究,如认知神经科学。对于采用自发性笼中转轮范式的实验,最关键的步骤是笼具的设置以及对运动活动的监测。
跑台运动
适应性训练步骤对于准备动物进行跑台运动实验至关重要。根据具体研究目的的不同,适应性训练周期的持续时间可能有所差异。本研究中选择为期一周的适应期,以使动物能够适应跑台装置以及笼内电机运转所产生的噪音,并进行热身 热身阶段是运动训练方案中的重要步骤。与人类相似,小鼠在进入任何高强度运动方案前也必须进行热身,以避免受伤并防止产生潜在的数据偏差。在本研究中,我们以最低可能速度(4 m/min)启动跑带,并关闭电击网格,持续15分钟。所有小鼠在此期间开始在跑带上断续奔跑。随后打开电击网格,同时保持跑带速度为4 m/min。为避免对小鼠造成过度应激,我们将电击强度设定为较低水平(1 Hz)。数天内,所有小鼠均适应了 treadmill 跑带环境。
跑步的持续时间以及加速度也可根据每个实验设计进行调整。建议的起始加速度为 1 m/min。当小鼠出现疲劳迹象时,必须立即关闭其所在的跑带通道。通常,小鼠在跑带上表现出的疲劳迹象如下:
上述列出的数值主要应作为特定实验的指导原则。由于不同小鼠品系之间、不同实验之间以及不同研究者之间的差异,这些参数需要针对每种运动方案分别确定。
与笼中转轮运动不同,跑步机实验必须重复进行多次,以消除环境和生物因素对跑步表现的影响。即使同一只动物,在不同测试间的跑步表现出现波动也是常见现象。由于每种运动方案都会使小鼠承受一定的应激,因此在测试之间安排适当的休息间隔是必要的。根据我们的经验,每次测试之间安排2至3天的休息期,足以让小鼠恢复。
与人类跑步机运动类似,小鼠耐力运动的速度最好通过心率或血氧饱和度来确定,但在小鼠研究中实现这一目标在技术上较为困难。跑步机实验最关键的步骤是确定力竭状态,而力竭通常在不同个体小鼠之间存在差异,一般设定为最大速度的80%。根据我们自身的经验,由于力竭标准主要依赖主观判断,不同研究人员在结果记录上可能存在显著差异。因此,在记录过程中一致地应用相同的标准至关重要。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究获得了美国国立卫生研究院(NIH)基金(HL 098256)、NIH 颁发给 J.P. Konhilas 的国家资助的科研培训奖(K01 AR052840)和独立科学家奖(K02 HL105799),以及心血管科学跨学科培训基金(HL007249)的支持。亚利桑那大学萨弗心脏中心和史蒂文·M·古特基金会也为本研究提供了资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4-乙烯基环己烯二环氧乙烷 (VCD) | Sigma | V-3630 | |
| 直径 11.5 cm、跑带宽度 5.0 cm 的跑轮 | Petsmart | 型号 6208 | |
| 数字磁性计数器 | Sigma Sport | 型号 BC 600 | |
| 跑步机运动装置 | Columbus Instruments | 型号 1055SDRM |