短时高强度间歇训练及老年小鼠跑步机评估

摘要

短时程（≤10 分钟）高强度间歇训练（HIIT）正逐渐成为替代长时间运动模式的一种选择，然而较短时程的训练方案在动物研究中却很少被建模。本文中，我们描述了一种每周 3 次、每次 10 分钟、在跑台坡道上进行的 HIIT 方案，该方案可提升雄性和雌性老年小鼠的运动能力。

摘要

高强度间歇训练（HIIT）正逐渐成为一种用于预防、延缓或改善虚弱状态的治疗策略。特别是单次训练时间不超过10分钟的短时HIIT方案，因其在多项人体研究中显示出每周仅需数分钟、每周数次即可产生效果，而受到广泛关注。然而，目前尚缺乏针对短时HIIT影响的动物研究模型。本文介绍了一种针对老年小鼠、个体化且渐进式的10分钟短时HIIT训练方案，每周进行3次，采用倾斜跑台实施。本方法还包括跑台评估的标准化操作流程。小鼠首先进行跑台适应性训练，随后完成基础状态下的平跑和上坡跑台评估。每次训练以3分钟热身开始，接着进行3个循环：每个循环包括1分钟快速跑和1分钟主动恢复跑。在完成上述间歇训练后，小鼠进入最后阶段，以快速跑起始，并在1分钟内逐步加速。该HIIT方案为个体化设计，每只小鼠的运动速度和强度均基于其初始无氧能力评估结果确定。此外，我们详细说明了根据个体表现调整强度（增加或减少）的具体条件。最后，所有小鼠每两周整体提升一次训练强度。我们此前已报道该方案可增强老年雄性小鼠的运动功能，本文进一步证明其同样可提高老年雌性小鼠的跑台运动表现。本方案的优势包括操作时间短（每周3次，每次约15分钟可完成6只小鼠）、具备个体化策略以更准确地模拟临床处方运动模式，以及模块化设计，允许灵活增减间歇次数和时长，从而精确调节运动干预效果。

引言

规律运动在预防或延缓多种与年龄相关的疾病（如肌肉减少症和衰弱）方面具有显著效果^1,2,3,4然而，65岁及以上人群中，仅有不到15%达到每周150分钟中等强度运动加力量训练的推荐标准。
训练^5,6由于缺乏时间以及锻炼耗时较长是常见的运动障碍，高强度间歇训练（HIIT）正逐渐成为传统锻炼方案的一种替代选择。HIIT包含多次短暂的高强度运动，其间穿插短暂的主动恢复期。近期研究 increasingly关注能够产生有益效果的最短训练方案。此类研究包括每周3次、每次总时长为4分钟的训练方案⁷2-3 分钟⁸1.5 分钟⁹，一个微型装置¹⁰，甚至 40 秒¹¹.

同样，关于HIIT动物模型的研究也引起了广泛关注。大多数研究采用小鼠^{12,13,14,15,16,17,18,19,20,21}或大鼠^22,23,24,25，并使用跑步机进行实验，尽管少数研究采用了游泳训练方案^26,27,28。这些研究中大多数使用VO₂max来设定运动的初始强度^{13,14,19,21,24}。此外，尽管HIIT常被认为具有训练时间较短的优势，但几乎所有已报道的研究所采用的训练方案均持续30 min或更长时间^{11,12,13,14,15,18,19,21}，仅有一项研究采用略长于10 min的方案²⁰，另一项研究在三种不同强度下总共进行19 min训练¹⁶。据我们所知，目前尚无其他报道的动物研究探讨过10 min或更短的HIIT训练方案，也未见根据个体动物情况定制训练方案的研究，仅有我们已发表的一项研究¹⁷例外，该研究正是本实验方案的基础。

本文介绍了一种针对老年小鼠的高强度间歇训练（HIIT）方案，旨在模拟近期人类研究中采用的个体化、短时程（≤10 分钟）训练模式^7,8,9,10,11。该方法包括在倾斜（25°）跑台上进行10分钟的训练，其中包含3分钟热身，随后进行4个1分钟的高强度训练阶段，每个阶段之间穿插3个1分钟的主动恢复阶段。该方案的优势在于具有更高的临床相关性，其特点包括可根据个体动物调整训练强度的策略、不依赖VO₂max设定强度，从而避免使用代谢跑台，以及模块化设计，便于灵活调整间歇次数和时间安排。此外，本方案还提供了两种跑台功能评估策略的操作说明，分别为平地持续跑和上坡间歇跑，用于检测耐力表现。通过使用这些方法，我们拓展了先前的研究结果，证实短时程HIIT可提高老年雄性小鼠的功能能力¹⁷，并首次证明HIIT同样可提升老年雌性小鼠的跑台运动表现。

方案

所有研究和实验方案均经纽约州立大学布法罗分校和美国退伍军人事务部西纽约动物护理与使用委员会批准，并符合其指南要求。

1. 实验设置与一般建议

注意： 共使用24只C57BL/6J背景的雌性小鼠进行本方案实验，起始年龄为23天 月龄。小鼠携带 一种条件性SIRT^{loxp-exon4-loxp} 突变²⁹然而，本实验中未诱导该现象。

1. 确保小鼠具有永久性标识，如耳标、射频识别芯片（RFID）或尾部纹身。
   注意：建议在评估期间同时使用临时标记（例如，用永久性记号笔标记尾部）以快速识别小鼠。
2. 每天实验结束后或在不同实验组次之间清除粪便或尿液时，使用0.25–0.5%（v/v）次氯酸钠溶液或70%（v/v）乙醇清洁跑台。在开始新的实验组次前，须将清洁液彻底干燥。
   注意：乙醇可能加剧跑台传送带的磨损。若使用群养雄性小鼠，建议每次运行后均清洁跑台，以尽量减少笼内打斗行为。在纵向研究中，建议在每个时间点均于每天相同时间进行跑台评估^30,31,32；若同时进行其他检测，检测顺序应保持一致。执行实验的研究人员应对小鼠的分组信息设盲。

2. 小鼠跑台仪器的适应性训练

注意：在基线实验开始前1 个月，启动小鼠的适应性驯化。

1. 使用跑步机软件（v3.4.7）在手动模式下设置初始训练程序图1 和表1）。
   1. 打开跑步机软件，然后点击文件并打开实验。
   2. 输入所示数值 表1 在 手动 标签图1）在 适应性驯化.
   3. 输入会话编号为1，根据小鼠数量将活动通道数设为1至6，网格访问次数设为10，电击次数设为20。
      注意： 本次初始运行的刺激强度设置为1级（0.46 mA
2. 将跑步机的倾斜度设为 0°（水平）。
3. 将小鼠放入跑台时，应抓住其尾巴，并直接将小鼠放置在跑带表面，避免从小鼠起始时就接触电击网格。
4. 使用刷子或压舌板在训练或评估开始时将小鼠远离电击网格。轻推小鼠使其开始奔跑，以避免意外电击。
5. 每只小鼠完成初始训练程序后，按照上述方法重复该程序，将电击强度增加至2级（0.59） 毫安（mA）且至少15 训练间隔至少1分钟。
6. 在初次训练计划后一至两天内进行跑台坡度适应训练。
   1. 打开跑步机软件，然后点击文件，接着打开实验。
   2. 输入数值到 基础 如所示标签 表2 在……下方 驯化.
   3. 下 冲击检测 输入会话编号为1，根据小鼠数量将活动通道数设为1至6，网格访问次数设为10，电击次数设为20。
   4. 点击 轮廓模式 标签图2）对于步骤1，输入起始速度为0 米/分钟，最终速度为5 米/分钟，周期为5 s.
      1. 添加一个预热步骤2，起始速度为5 米/分钟，结束速度为5 米/分钟，持续30分钟 秒。添加一个从5开始的过渡步骤 米/分钟，最终速度为6 m/min，持续 5 s.
      2. 添加一个起始速度为6的测试速度步骤 米/分钟，结束于6 米/分钟，持续20分钟 s. 添加一个从 6 开始的过渡步骤 米/分钟，并在5处结束 m/min
      3. 添加一个从5开始的恢复间隔 米/分钟，并在5结束 米/分钟，持续20分钟 s图2).
   5. 重复步骤 2.6.4，以添加测试速度步骤，具体如下所示 表2 在驯化条件下。
7. 在基线评估前两周，按照第3节所述方法，在连续两天内进行两次跑步机平跑有氧能力评估，以继续适应过程。
8. 第二次耐力训练后一至两天，按照第4节所述方法，在同一天内进行两次跑台坡道无氧能力评估，两次测试之间至少间隔30分钟。 训练间隔至少1分钟。

3. 平面连续跑台评估

1. 按照步骤 2.1 所述创建跑步机程序，使用 表 1 中 评估 项下所示的数值。在 电击检测 中，将实验次数设为 1，活动通道数根据小鼠数量设为 1 至 6，小鼠接触电网的次数设为 10 次，电击次数设为 20 次。
2. 在整个实验过程中监测小鼠，并将达到终点标准的小鼠从仪器中移除。
   注意： 此步骤旨在避免小鼠意外触碰邻近小鼠的电击电网而影响数据。监测参数包括在跑带上的总时间、行走距离以及电击次数与接触电网次数的比值。建议在每个时间点进行两次评估，两次评估之间至少间隔一天。

4. 上坡间歇跑台评估

1. 按照步骤 2.6 中所述创建跑步机程序，使用 表 2 中 评估 项下所示的数值。在 电击检测 中，将实验次数设为 1，活动通道数根据小鼠数量设为 1 至 6，进入网格次数设为 5，电击次数设为 10。
2. 将跑步机程序中的间隔字段设为 0.5。
   注意：这可使数据点每秒采集一次，而非每分钟一次，有助于确定每只小鼠的终点速度。由于软件限制，程序将在 50 m/min 阶段后自动停止。参数包括在跑带上的时间、行进距离以及达到终点前最后一个成功完成阶段的测试速度。后者用于确定步骤 5 中所述高强度间歇训练（HIIT）方案的基础强度。建议每个时间点进行两次评估，间隔至少 30 min。

5. 短时间高强度间歇训练

1. 将跑步机调至斜坡（25°），并移除塑料盖。
2. 确定每只小鼠的运动强度。使用每只小鼠最后成功完成阶段的速度（步骤 4.5），并根据表 3查找对应的强度分组以及相应的基础、冲刺和疾跑速度。
3. 打开跑步机软件，点击文件以创建新程序。
   1. 点击轮廓模式选项卡，在步骤 1 中输入起始速度为 0 m/min，结束速度为表 3中基础速度所列数值，持续时间为 5 s。
   2. 添加热身步骤 2，起始速度和结束速度均为基础速度，持续时间为 180 s。
   3. 输入 3 个运动间歇，每个间歇包括：1）从基础速度过渡到冲刺速度的阶段，持续 5 s；2）以冲刺速度运行 60 s 的阶段；3）从冲刺速度过渡回基础速度的阶段，持续 5 s；4）以基础速度进行恢复的阶段，持续 60 s。
   4. 添加一个从基础速度过渡到冲刺速度的阶段，持续 5 s，再添加最后一个从冲刺速度过渡到疾跑速度的阶段，持续 60 s。
      注意：程序可保存、修改并重新加载。
4. 每周进行三次运动训练，每次训练之间至少间隔一天休息（例如，周一、周三、周五）。
5. 每两周将基础、冲刺和疾跑速度各提高 1 m/min，重新编写运动程序。
   注意：运动过程中不施加电刺激。
6. 使用化妆刷（推荐）或压舌板轻轻刺激跌落在电击网格附近或其上的小鼠，以鼓励其继续奔跑。若小鼠无反应，5 s 后再次尝试，然后 10 s 后再试，之后每隔 30 s 或在恢复阶段期间重复尝试，直至训练结束。
   注意：对于在任何强度下均不奔跑，或无法完成最低强度组所定义强度的前三个间歇阶段的小鼠，应考虑将其从研究中剔除（见表 3）。
7. 若某只小鼠在连续两次运动训练中均无法完成前三个间歇阶段，则将其调整至较低强度组（见表 3）。
8. 若某只小鼠在连续两次运动训练中均无需激励即可完成训练，则将其调整至较高强度组（见表 3）。
9. 将久坐不动的对照组小鼠置于跑步机运行时旁边的笼子中。或者，也可将久坐对照组小鼠放置于静止不动的跑步机通道内，持续 10 min。

结果

共培育并饲养了25只雌性小鼠。C57BL/6J背景的小鼠携带SIRT1^{loxp-exon4-loxp}突变²⁹；然而，该条件性敲除未被诱导，因此所有小鼠均表达全长的Sirtuin1蛋白（数据未显示）。在24月龄时，对小鼠进行跑步机耐力和上坡冲刺能力的评估，评估时间点分别为开始为期两个月的高强度间歇训练（HIIT）之前和之后（n = 14），或持续保持笼内静息状态（n = 11）。我们的数据显示，HIIT组中全部14只小鼠在跑步机上的运行时间均有所延长，而静息组（SED）11只小鼠中仅有7只时间增加（图4A，配对t检验，HIIT组p < 0.0001，SED组p < 0.14）。总体而言，根据两次试验中表现较好的一次结果计算，HIIT组小鼠在跑步机上的运行时间改善更显著（HIIT组：从18.2 ± 10.5 min增至31.8 ± 13.7 min，时间差值为13.6 ± 7.5 min；SED组：从...

讨论

短时训练带来的益处是高强度间歇训练（HIIT）吸引科学界和公众关注的关键方面。然而，动物研究很少探讨持续时间在10分钟或更短的HIIT方案。本文中，我们描述了一种为期10分钟的短时高强度间歇训练方案，该方案采用跑台坡度运动模式，可提升老年雌性小鼠的跑台运动能力，且我们此前已证明该方案可增强老年雄性小鼠的运动表现¹⁷。本方案的一个优势在于，除了总时长仅为10分钟外，其设计具有模块化特点，可通过增减间歇次数，调整为甚至仅1分钟时长的训练方案。此外，间歇的持续时间也可进行调整，从而提供多种策略以精确调控运动强度并评估其影响。

本方案的另一优势在于，我们引入了一套可根据个体小鼠身体能力定制运动方案的系统，据我们所知，除我们此前在老年雄性小鼠中的研究报告¹⁷外，仅有另一项研究³³曾采用过类似方法。尽管针对个体定制运动干预会为实验设计引入一定变异性，但该方法的一个重要优点是更贴近人类临床实践中处方运动的实施方式。此外，动物不会以过低或过高的强度进行训练...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Exer-3/6 开放式跑步机，带电刺激、检测、自动校准及PC接口/软件	Columbus Instruments	1055-SDRM	Columbus Instruments 的 3/6 型跑步机可同时容纳最多 6 只小鼠或 3 只大鼠。 该设备配备控制器，可手动调节跑步机传送带速度和电刺激强度，也可连接计算机和软件以运行并控制这些参数。
次氯酸钠溶液（漂白剂）	不同厂家	不同货号	使用 0.25–0.5% 的次氯酸钠溶液（V/V）在每次实验间隔清洁跑步机传送带
乙醇	不同厂家	不同货号	也可使用 70% 乙醇溶液（V/V）在每次运行及实验间隔清洁跑步机传送带。
化妆刷（大号）	不同厂家	不同货号	化妆刷可提供柔软表面和足够长度，用于激励小鼠持续运动。