在动物模型中使用静态和动态梯子进行阻力训练和评估方案的多功能性

Summary

本协议描述了在动物模型中使用静态和动态梯子进行阻力训练和测试。

Abstract

阻力训练是一种体育锻炼模式，对一生的健康有深远的好处。使用阻力运动动物模型是深入了解协调这些适应的潜在分子机制的一种方法。本文的目的是描述为动物模型中的力量训练和阻力评估而设计的运动模型和训练方案，并提供示例。在本文中，力量训练和阻力评估基于梯子攀爬活动，使用静态和动态梯子。这些设备允许各种训练模型，并提供对决定阻力运动的主要变量的精确控制:体积、负载、速度和频率。此外，与人类的阻力运动不同，这是一种强制运动。因此，在这种干预中必须避免厌恶刺激，以保护动物福利。在实施之前，需要进行详细的设计，以及适应和学习期。适应训练设备（如梯子、举重和临床胶带）以及所需的操作是必要的，以避免运动排斥和最小化压力。同时，动物被教导爬上梯子，而不是向下爬到梯子顶部的休息区。阻力评估可以表征体力，并允许调整和量化训练负荷和对训练的反应。此外，还可以评估不同类型的强度。关于训练计划，通过适当的设计和设备使用，它们可以足够通用，以调节不同类型的强度。此外，它们应该足够灵活，可以根据动物的适应性和行为反应或受伤的存在进行修改。总之，使用梯子和重量进行阻力训练和评估是动物研究中的通用方法。

Introduction

体育锻炼是促进健康和降低人类最普遍的慢性病以及某些类型癌症发病率的决定性生活方式因素¹。

阻力运动引起了人们的兴趣，因为它与一生的健康息息相关²，特别是因为它在抵消影响运动系统的年龄相关疾病（如肌肉减少症、骨质疏松症等）方面具有益处³.此外，阻力运动还会影响不直接参与运动执行的组织和器官，例如大脑⁴。近年来，这种相关性鼓励了动物阻力运动模型的发展，以研究潜在的驿和分子机制，当人类不可能或动物提供更好的洞察力并且是一个更可控的模型时。

与人类的阻力运动不同，对于动物模型，研究人员通常依赖于强制程序。然而，在这种情况下必须避免厌恶刺激，主要是为了保护动物福利，减轻压力，降低^{实验程序的}严重程度5。应该指出的是，即使在野外，动物也喜欢运动⁶.由于这些原因，有必要通过长时间的逐步适应来提高对实验的适应。

用于实验动物阻力训练和评估的设备、材料和协议必须允许精确控制和调制许多变量:负载、体积、速度和频率⁷.他们还应该允许进行不同类型的肌肉收缩:同心、偏心或等长。考虑到上述情况，所使用的协议应该能够专门评估或训练不同的力量应用:最大力量、肥大、速度和耐力。

力量训练有几种方法，如水中跳跃⁸，^9，水中加重游泳¹⁰或肌肉电刺激¹¹。然而，静态和动态梯子是广泛使用的多功能设备¹²，^13，14。

实验动物模型中的抗性评估为许多研究环境提供了有价值的信息，例如描述转基因动物的表型特征，评估不同干预方案（膳食成分补充，药物治疗，微生物群移植等）的效果，或评估训练方案的效果。训练模型提供了对力量运动适应生理学的见解，这有助于更好地了解运动对健康状况和病理生理的影响。

因此，在动物模型中没有用于阻力训练或力量功能评估的通用方案，因此需要通用方案。

本研究的目的是确定在动物模型中使用静态和动态梯子设计和应用阻力训练和评估方案时要考虑的最相关因素，并提供具体示例。

Protocol

该协议中提出的方法已由动物研究技术委员会评估和批准（参考PROAE 04 / 2018，西班牙阿斯图里亚斯普林西帕多）。

1. 规划

1. 根据感兴趣的特征（基因改造，病理模型，年龄等）仔细选择动物进行研究，并对方案进行特定的调整（无重量攀登，减少攀爬的梯级数量和倾斜度）。
2. 根据研究目标确定要评估或训练的力量模式:最大力量、耐力、速度等。
3. 在制定功能评估或培训框架时，仔细调整参数，考虑它是否侧重于这些测试的结果，或者它们是否与其他类型的临床、功能、组织学或分子测定相辅相成。
4. 计划与培训有关的所有问题，特别是时间表、培训期的持续时间和课程的频率，并绘制培训表。
   1. 指定热身步骤和梯子的倾斜度，在整个训练过程中都是相同的。指定组、重复、负荷（基于训练期前完成的阻力测试结果）和中间的休息，注意基于上一次训练的负荷增加。
   2. 修改计划，就像人类训练一样，取决于动物的福利。修改包括减少重复，增加组或重复之间的休息时间，以及减少负荷以避免过度训练和受伤。
5. 完成后，将设计提交动物伦理研究委员会进行评估和批准。

2. 阻力运动的装置和材料

1. 设备:静态和动态梯形图
   注意:两种类型的梯子，即所谓的静态和动态梯子（见 图1），可用于阻力训练和评估（见 材料表）。
   1. 使用垂直梯子，梯子至少有 30 个直径为 1.5 毫米的钢丝台阶，相隔 15 毫米，梯子顶部的休息区至少为 20 x 20 厘米。梯子的斜率必须与水平面在 80° 到 110° 之间调节（图 1C）。划定两条车道以防止非线性爬坡。
   2. 使用类似于静态梯子的动态梯子，顶部有一个塑料长丝屏障，可以打开以控制进入休息区，底部有一个塑料长丝屏障，以防止动物爬下来。梯子的倾斜角度必须在80°和100°之间调节，最常见的是85°。
      注意:梯子可以通过直径为8厘米的上轴和下轴循环。下轴由电动机驱动，使台阶在前部下降，在后部上升，形成一个无尽的梯子。它配备了减速齿轮和速度调节器，可将速度从11.6厘米/秒降低到3.3厘米/秒，最常见的速度为5.6厘米/秒。

图 1:阻力训练设备:静态和动态梯子。 （A） 在静态梯子上用外部重量训练鼠标。（B）两只小鼠在动态梯子上训练重量。（C）用于训练和评估的梯形图角度示意图。请点击此处查看此图的大图。

2. 材料
   1. 准备以下材料:砝码、用于固定砝码的电线、钢鳄鱼夹和临床胶带。
      注意:砝码是不同质量（5、10、15、20、25 和 50 克）的钢制圆柱体，中心有一个直径为 5 毫米的孔，用于将它们串在电线上（材料表）。固定砝码的电线由直径为 1-1.5 毫米、长度为 5-10 厘米的钢制成，具体取决于要加载的砝码数量。
   2. 切一块大约 3.0-3.5 厘米 x 1.0-1.5 厘米大小的弹性粘性绷带（材料表），并将其系在动物的尾巴上以固定重物。一定不要过度收紧，因为这可能会导致血流受限。
      注意:起初，动物的行为会与胶带作斗争并咬它，但几天后，它们会忍受它，像往常一样梳理，没有表现出压力的迹象。
   3. 将所需的砝码插入电线并钩住鳄鱼夹（材料表:钢鳄鱼夹和用于固定重物的金属丝）。
   4. 将鳄鱼夹在附着在动物尾巴上的临床胶带上。
   5. 爬上所需的梯级后，立即取下夹子，让动物休息，尾巴上有临床胶带，但没有重量（图1）。

3. 适应环境

注意:适当的适应环境对于避免运动排斥和尽量减少压力至关重要。适应环境是执行阻力评估测试或训练方案之前的关键阶段。应该花足够的时间来达到动物舒适的行为迹象。静态和动态梯的日常适应情况详见表 1 和表2。

1. 习惯于动物留在梯子顶部的休息区（静态或动态）。每天将动物分成四人一组，从笼子里放上床上用品，每天15分钟。通常，3-5天后，动物不会表现出压力的迹象。
2. 教动物爬上梯子，而不是爬梯子。使用静态梯子，将鼠标放在靠近顶部的梯级上，从那里它们可以看到休息区。他们会本能地去那里。然后，教他们从第一天的5个梯级（3x）逐步爬到第二天的10个梯级（3x），最多15个梯级（3x）（表1）。
   对动态梯子使用相同的步骤，首先不移动，然后梯子以5.4cm / s和6.6 cm / s的速度移动，动物爬上2分钟，完成五个系列（表2）。
3. 从适应环境的第三天开始，使动物适应负重。将一块临床胶带粘在尾巴的底部，用于固定重量。
4. 从适应环境的第七天开始，用鳄鱼夹将小重量（5-10克）连接到临床胶带上。避免执行太多系列，因此适应不会转化为训练。
   注意:如果对照组进行电阻测试，则必须对对照组进行适应。在这段时间之后，每周进行一次爬梯提醒，用胶带但不用重量。

4. 电阻评估

1. 增量测试以评估最大强度
   注意:该测试旨在确定最大阻力，测量为动物在静态梯子上可以爬上 10 级的最大重量，这定义了 10 次重复的最大重量 （10 RM）⁴。该协议改编自以前的研究（在Kregel等人¹⁵中审查）。
   1. 对于预热，执行三个系列的 10 次重复，10 步/重复，无需外部负载。对于第一个系列，将斜率设置为 90°，然后设置为 85°。系列之间允许 60 秒的休息时间。
   2. 将坡度设置为 85°（以防止重物擦过或钩在梯子的梯级上）。
   3. 将胶带系在动物的尾巴上以固定重物并按照前面的说明准备砝码。
   4. 以 10 g 的外部负载开始测试，并执行一系列 10 个步骤。
   5. 卸下重物，在休息区休息120秒。
   6. 执行连续的 10 个步骤，将外部负载增加 5 g，直到耗尽。允许系列之间的休息期（120 s）。
   7. 如果一只动物在特定重量负荷下未能爬上 10 级台阶，请在休息 120 秒后允许以相同的负荷再次尝试。如果它成功随负载爬升，则继续下一个负载的测试。如果再次失效，请将最后一个完成序列的重量载荷记录为其最大重量载荷。
   8. 根据研究人员的判断，测试结果可以表示为绝对外部重量（g），相对于体重的最大负荷（%），或每克体重提升的质量。
      注意:先前的方案代表了一个模型，在该模型上可以进行许多修改，例如，评估具有神经肌肉残疾的转基因小鼠的最大抵抗力。这些动物无法在外部负荷下攀爬，并且在梯子设置为90°坡度的情况下难以攀爬10个梯级（未发表的数据）。协议包括在没有外部负载的情况下爬上五级台阶，从 110° 的坡度开始。每个序列的斜率减小5°，直到85°，每个序列后休息120 s。在这种情况下，最大阻力表示为爬升的累积步数（不考虑失败后的重复）。野生型对照组在达到 85° 坡度后，将按照先前的方案继续测试，通过在尾部增加外部重量，直到筋疲力尽。
2. 使用静态梯子进行最大耐久测试
   1. 对于预热，执行三个系列的 10 次重复，10 步/重复，无需外部负载。对于第一个系列，将斜率设置为 90°，然后设置为 85°。系列之间允许 60 秒的休息时间。
   2. 将坡度设置为 85°。
   3. 将重量夹在放置在小鼠尾巴周围的临床胶带上。
      注意:根据动物的年龄和特征，外部负荷可以是先前增量测试中获得的最大重量，百分比（例如，50%）或体重的百分比（例如，100%-200%）。如果在一段时间的训练后执行此测试，建议使用与初始测试中相同的负载来评估变化。
   4. 连续执行 10 个步骤，直到筋疲力尽。每个系列之后不允许休息时间。
   5. 测试结果是爬升梯级的数量。
3. 使用动态梯子进行最大耐久测试
   注意:使用动态梯子允许研究人员控制攀登速度。
   1. 将坡度设置为 85°。
   2. 将速度设置为 4.2 厘米/秒。
   3. 对于预热，执行三个系列的 100 步，无需外部负载。系列之间允许 60 秒的休息时间。
   4. 将重量夹在放置在小鼠尾巴周围的临床胶带上。
      注意:根据动物的年龄和特征，外部负荷可以是先前增量测试中获得的最大重量，百分比（例如，50%）或体重的百分比（例如，100%-200%）。如果在一段时间的训练后执行此测试，建议使用与初始测试中相同的负载来评估变化。
   5. 从 4.2 厘米/秒开始，每 60 秒将速度提高 1.2 厘米/秒，直到耗尽。
      注意:测试结果是锻炼时间、爬升的梯级数或最大速度。

5. 静态梯子阻力训练

注意:在开始训练期之前，需要适应环境（表1）和训练计划。为了减少焦虑，适应和训练四只动物共享同一个笼子的小鼠。

1. 对于日常预热，执行三个系列，每个系列10次重复，10步/重复，没有外部负荷。对于第一个系列，将斜率设置为 90°，然后设置为 85°。系列之间允许 60 秒的休息时间。
2. 培训课程在休息区开始。将鳄鱼的重量夹在临床胶带上。
3. 轻轻地将鼠标放在休息位置下方 10-20 级。让鼠标抓住梯级并爬到休息区。
   重复此过程，直到完成此系列中的梯级数（例如，10 级 x 10 系列）。
4. 从鼠标尾巴上取下重量，等待 120 秒，直到下一个系列。
5. 在整个训练期间增加系列的步数和最大重量负荷，同时保持每周时间表。
   注意: 表 3 显示了一周计划期间载荷变化的示例。不久，周二和周五具有高重量负载（40-50 g）和低步数（500-400）;周一和周四具有中等重量负荷（25-35 g）和中等步数（800-600）;周三没有负重，但步数多（2，000）。这种设计有助于从以前的训练中恢复，避免受伤和过度训练。使用静态梯子进行多种设计的 3 周培训示例如 表 4 所示（分别在训练期的开始、中间和结束时）⁴。

6. 动态梯子阻力训练

注意:适应环境后，动态阶梯上的训练与静态阶梯上的训练非常相似（表2）。一次对2-4只小鼠进行训练。

1. 将坡度设置为 85°，关闭休息区的门，然后以所需的速度（例如 5.4 厘米/秒）启动梯子。
2. 对于预热，执行三个系列的 100 步，无需外部负载。系列之间允许 60 秒的休息时间。
3. 在培训课程开始之前，当鼠标处于休息区时，将鳄鱼的重量夹在临床胶带上。或者，当鼠标已经在梯子上时，可以附加重物。
4. 轻轻地将鼠标放在移动楼梯的顶部，重物放在尾巴上。让老鼠抓住梯级并攀爬。
5. 当达到此系列中的梯级数（例如，100）时，移除砝码。然后打开门，以便动物可以去休息区。其余时间是下一个系列之前的 120 秒。
   注意:在设定速度下，攀登的步数计为攀登时间的函数。
6. 重复此过程，直到培训课程完成。详细的日常训练计划如 表5所示。

7. 阻力训练对耐力表现的交叉效应评价

注意:为此，在休息24小时^{后进行增量}跑步机测试4。

1. 以 10 cm/s 预热 3 分钟后，以 10 cm/s 和 10° 倾斜角开始增量测试。
2. 每 3 分钟将速度提高 3.33 厘米/秒，直到耗尽。
   注意:不使用电击，因此将画家的刷子放在跑步机的后面，以防止老鼠跑掉它。

8. 动物在手术过程中的行为

注意:应连续监测小鼠对训练的适应情况，以检测极度疲劳，过度训练或损伤。

1. 观察动物福利的迹象，特别是梳理和拒绝训练。经过一系列激烈的训练后，鼠标的正常行为是由于疲劳而保持不活动约一分钟。之后，他们开始梳理、探索或试图去除尾巴上的胶带。
2. 如果鼠标拒绝训练一个系列，请尝试给予更长的休息时间，甚至不执行该系列以防止抑制。
3. 偶尔，在进行轻量级运动时，轻轻地推动动物的尾巴，以鼓励它完成系列。动物停止攀爬，因为这不是一项艰巨的任务。相反，当动物负重物时，轻轻地转移动物的体重以减轻负荷并鼓励它完成系列赛，然后让动物休息直到下一次训练。由于重负荷，动物可能会停下来甚至试图下降。

9. 安全程序

1. 研究人员的安全程序:在动物设施实验室进行研究，并使用鞋套、工作服、手套、帽子和口罩。除了动物研究特有的要求外，没有其他要求。
2. 动物安全:在锻炼期间，由于潜在的风险，例如跌倒或跳跃，必须持续关注动物。将一只手放在重物下以抓住并抓住老鼠，以防因疲惫而跌倒，因为它正确抓住梯级的能力将受到限制。

Results

静态梯形图的结果
Codina-Martinez等人使用和描述的渐进阻力训练方案4（表4）在一项初步研究中进行了测试，该研究包括在静态梯子上与6个月大的野生型C57BL6J^小鼠（n = 4）进行7周的训练。在这项初步研究中，在训练期之前和之后进行了增量测试以评估最大力量。我们观察到最大力量增加了46.4%，这意味着在训练期结束时，他们能够以体重的1.9倍攀登（未发表的数据）。

在Codina-Martínez等人的^研究中4，缺乏Atg4b 16的雄性小鼠（C57BL6N / 129Sv）及其相应的野生型对照（8周龄，每个基因型n = ^{36）训练14}周（表4）。在训练期之前和之后评估最大抗性的增量测试显示，训练过的野生型动物的百分比变化为44%，atg4b-^/-小鼠的百分比变化为...

Discussion

除了对运动本身的研究之外，训练是一种在研究中具有多种应用的干预。因此，分析其对衰老²⁰或某些病理状况的影响以及物理治疗²¹近年来受到广泛关注。此外，许多作者分析了药理^学22或饮食²¹干预对身体健康的影响。在这种情况下，人们对分别分析不同的锻炼方式产生了兴趣，对阻力运动产生了兴趣。阻力运动在许多组织中引起对耐力的不同分子反应^23，24 ，并且还被证明对许多病理状况具有特定影响²¹。

使用动物模型研究阻力运动是一种具有多种应用的工具。它允许在病理学或转基因动物模型中表征特定表型，尽管通常不包括这种描述。此外，运动方案的实施及其对这些模型的影响的评估提供了对这些疾病的生理学或病理生理学的见解²⁵

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
动态梯	内部生产
弹性粘性绷带 6 厘米 x 2.5 米	BSN 医用	4005556
鳄鱼夹 钢 非绝缘 10A	Digikey 电子设备	BC60ANP
静态梯子	内部生产
砝码	内部生产
固定的金属丝Weigths	内部生产