利用静态与动态梯子进行动物模型抗阻训练及评估的方案通用性

摘要

本方案描述了在动物模型中使用静态和动态梯子进行抗阻训练和测试的方法。

摘要

抗阻训练是一种贯穿生命全过程、对健康具有深远益处的体育锻炼模式。利用动物模型进行抗阻运动研究，有助于深入理解介导这些适应性变化的潜在分子机制。本文旨在介绍专为动物模型设计的抗阻训练模型及训练方案，并提供具体实例。本文中的力量训练与抗阻能力评估基于梯子攀爬活动，采用静态和动态梯子装置。这些装置可实现多种训练模型，并能精确控制决定抗阻运动的关键变量：训练量、负荷、速度和频率。此外，与人类的抗阻运动不同，动物模型中的此类运动属于强制性运动，因此在干预过程中必须避免使用厌恶刺激，以保障动物福利。在实施前，必须进行详细的设计，并安排适应期和学习期。动物需预先适应训练装置（如梯子、负重物和医用胶带）以及必要的操作手法，以防止拒绝运动并最大限度减少应激反应。同时，需训练动物从梯子向上攀爬至顶部的休息区域，而非向下爬行。抗阻能力评估可用于表征动物的体力水平，并为调整和量化训练负荷及训练反应提供依据。此外，还可评估不同类型的肌肉力量。在训练方案方面，通过合理的设计和装置使用，可实现足够的灵活性以调节不同类型的肌肉力量。同时，方案应具备足够的可调节性，以便根据动物的适应性反应、行为表现或是否出现损伤进行相应调整。总之，利用梯子和负重物进行抗阻训练与评估是动物研究中具有高度适应性的方法。

引言

体育锻炼是促进健康、降低人类最常见慢性疾病以及某些类型癌症发病率的重要生活方式因素¹。

由于抗阻运动对终生健康具有极其重要的意义，近年来受到广泛关注²，尤其因其在对抗影响运动系统的年龄相关性疾病（如肌肉减少症、骨质疏松症等）方面具有显著益处³。此外，抗阻运动还会影响那些不直接参与运动执行的组织和器官，例如大脑⁴。近年来，这种重要性推动了动物抗阻运动模型的发展，以便在无法对人体进行研究时，或当动物模型能提供更深入见解并实现更严格控制的情况下，探究其潜在的组织与分子机制。

与人类的抗阻运动不同，在动物模型中 研究人员通常依赖强制性操作。然而，在此情况下必须避免使用厌恶刺激，主要是为了保护动物福利、减少应激反应，并降低实验操作的严重程度⁵需要注意的是，动物即使在野外也喜欢运动⁶因此，有必要通过延长的逐步适应过程来提高实验对象对实验的适应性。

用于实验动物抗阻训练和评估的设备、材料及方案必须能够精确控制和调节多种变量：负荷、训练量、速度和频率⁷。它们还应支持不同类型肌肉收缩的实施：向心收缩、离心收缩或等长收缩。基于上述要求，所采用的方案应能够针对力量的不同应用进行特异性评估或训练：最大力量、肌肉肥大、速度和耐力。

力量训练有多种方法，例如水中跳跃^8,9、负重游泳¹⁰或肌肉电刺激¹¹。然而，静态和动态爬梯是用途广泛的装置，被广泛使用^12,13,14。

在实验动物模型中进行抗性评估，可为多种研究场景提供重要信息，例如描述基因修饰动物的表型特征、评估不同干预方案（膳食成分补充、药物处理、微生物群移植等）的效果，或评估训练方案的影响。训练模型有助于深入了解机体对力量运动的适应生理学，从而更好地理解运动对健康状况及病理生理学的影响。

因此，目前尚无适用于动物模型的抗阻训练或力量功能评估的通用方案，故亟需开发具有普适性的实验方案。

本研究的目的是确定在动物模型中设计和实施基于静态与动态梯子的抗阻训练及评估方案时需考虑的最关键因素，并提供具体实例。

方案

本方案中所述方法已由动物研究技术委员会评估并批准（参考编号 PROAE 04/2018，西班牙阿斯图里亚斯公国）。

1. 规划

1. 根据研究关注的特征（如基因修饰、病理模型、年龄等）仔细选择实验动物，并针对实验方案进行特定调整（如无负重攀爬、减少攀爬横档数量以及调整倾斜角度）。
2. 确定需评估或训练的力量类型：最大力量、耐力、速度等，具体取决于研究目标。
3. 在制定功能评估或训练方案时，需谨慎调整参数，明确这些测试是作为主要结果指标，还是作为其他临床、功能、组织学或分子检测的补充手段。
4. 全面规划与训练相关的各项事宜，特别是时间安排、训练周期的持续时间及训练频率，并制定训练计划表。
   1. 明确热身步骤和梯子的倾斜角度，训练期间应保持一致。规定组数、重复次数、负荷量（依据训练前阻力测试结果确定）以及组间或重复间的休息时间，并根据前次训练情况注意逐步增加负荷。
   2. 参照人类训练模式，根据动物福利状况对计划进行调整。调整措施包括减少重复次数、延长组间或重复间的休息时间、降低负荷，以避免过度训练和损伤。
5. 完成后，将实验设计提交动物伦理研究委员会进行评审和批准。

2. 抗阻训练的器械与材料

1. 设备：固定式和动态式攀爬架
   注意：两种类型的攀爬架，即所谓的固定式和动态式攀爬架（见图1），可用于抗阻训练与评估（见材料表）。
   1. 使用一个垂直的梯子，至少包含30个直径为1.5 mm的钢丝横档，横档间距为15 mm，梯子顶部设有至少20 cm × 20 cm的休息区域。梯子的倾斜角度必须可在与水平面成80°至110°范围内调节（图1C）。应划分出两个通道，以防止动物非直线攀爬。
   2. 使用一种与固定式梯子类似的动态梯子，其顶部设有可开启的塑料细丝屏障，用于控制动物进入休息区；底部也设有塑料细丝屏障，以防止动物向下攀爬。梯子的倾斜角度必须可在80°至100°之间调节，最常用的角度为85°。
      ​注意：该梯子可通过上下两个直径为8 cm的轴实现循环运动。下轴由电动机驱动，使梯子前侧的横档下降，后侧的横档上升，从而形成一个无限循环的梯子。设备配备有减速齿轮和速度调节器，可将运行速度从11.6 cm/s降至3.3 cm/s，最常用的速度为5.6 cm/s。

图1：抗阻训练装置：静态梯和动态梯。（A）小鼠在静态梯上负重训练。（B）两只小鼠在动态梯上负重训练。（C）训练与评估所用梯子角度的示意图。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 材料
   1. 准备以下材料：砝码、用于悬挂砝码的金属丝、钢制鳄鱼夹和医用胶带。
      注意：砝码为不同质量的钢制圆柱体（5、10、15、20、25 和 50 g），中心有一个直径为 5 mm 的孔，用于将砝码穿在金属丝上（材料表）。用于悬挂砝码的金属丝为钢制，直径 1–1.5 mm，长度 5–10 cm，具体长度取决于所加载砝码的数量。
   2. 剪取一段弹性粘性绷带（材料表），尺寸约为 3.0–3.5 cm × 1.0–1.5 cm，将其缠绕在动物尾巴上以固定砝码。注意不要缠绕过紧，以免限制血液流动。
      注意：最初，动物可能会表现出挣扎和啃咬胶带的行为，但在数天后即可耐受，恢复正常理毛行为，且无应激迹象。
   3. 将所需砝码穿入金属丝，并将鳄鱼夹钩住金属丝（材料表：钢制鳄鱼夹和用于悬挂砝码的金属丝）。
   4. 将鳄鱼夹夹在固定于动物尾巴的医用胶带上。
   5. 动物攀爬至所需横档后，立即取下夹子，让动物在保留尾部胶带的情况下休息，但不再负重（图 1）。

3. 驯化

注意：适当的适应性训练对于避免运动排斥和最小化应激至关重要。在进行抗阻评估测试或训练方案之前，适应性训练是一个关键阶段。应投入充足的时间，以确保动物表现出行为上的舒适迹象。每日使用固定梯和动态梯进行适应性训练的详细步骤分别见表1和表2。

1. 让动物适应停留在梯子顶部的休息区（静态或动态）。每天将动物以每组四只的方式放置在此处，并铺上其笼内的垫料，持续15分钟。通常经过3至5天后，动物将不再表现出应激迹象。
2. 训练动物向上攀爬梯子，而非向下。使用静态梯子时，将小鼠放置在靠近顶部的横档上，使其能够看到休息区，它们会本能地向该区域移动。随后逐步训练其从第一天的5个横档（重复3次），到第二天的10个横档（重复3次），直至达到15个横档（重复3次）（表1）。
   对动态梯子采用相同程序，首先在梯子不移动的情况下进行训练，然后在梯子以5.4 cm/s和6.6 cm/s速度移动时，让动物向上攀爬2分钟，完成五组训练（表2）。
3. 从适应期的第三天起，使动物适应负重。将一段医用胶带粘贴在尾巴根部，用于固定负重物。
4. 从适应期的第七天开始，使用鳄鱼夹将小重量（5–10 g）固定在医用胶带上。避免进行过多组训练，以免适应过程转变为实际训练。
   注意：若对照组需进行阻力测试，则必须对其进行适应性训练。此阶段结束后，每周进行一次梯子攀爬提醒训练，使用胶带但不附加重量。

4. 抗性评估

1. 评估最大力量的递增测试
   注意：该测试旨在测定动物在静止梯子上攀爬10级横档所能承受的最大阻力，该阻力以最大负重表示，定义为10次重复最大值（10 RM）⁴。本方案改编自先前研究（详见Kregel等人的综述¹⁵）。
   1. 进行热身，完成3组每组10次重复、每次10步的攀爬，不施加外部负重。第一组时将梯子坡度设为90°，之后设为85°。每组之间休息60秒。
   2. 将梯子坡度设为85°（以防止负重物接触或钩住梯子横档）。
   3. 将胶带缠绕在动物尾部以固定负重，并按前述方法准备负重物。
   4. 以10 g的外部负重开始测试，进行一组10步的攀爬。
   5. 取下负重，在休息区让动物休息120秒。
   6. 随后进行连续的每组10步的攀爬，每次增加5 g的外部负重，直至动物力竭。每组之间给予120秒的休息时间。
   7. 若某只动物在某一特定负重下无法完成10步攀爬，允许其在休息120秒后再次尝试相同负重。若其成功完成该负重下的攀爬，则继续进行下一负重的测试；若再次失败，则记录其上一次成功完成的负重作为其最大负重。
   8. 测试结果可表示为绝对外部负重（g）、相对于体重的最大负荷（%），或每克体重所提升的质量，具体形式由研究人员自行决定。
      注意：上述方案为一种基础模型，可根据需要进行多种修改。例如，用于评估具有神经肌肉障碍的转基因小鼠的最大阻力。这类动物无法承受外部负重进行攀爬，且在梯子坡度为90°时完成10级横档攀爬存在困难（未发表数据）。此时的方案为：无外部负重下攀爬5步，起始坡度为110°，每组后坡度减少5°，直至85°，每组后休息120秒。在此情况下，最大阻力以累计攀爬的步数表示（不计入失败后的重复尝试）。野生型对照组在达到85°坡度后，将继续按照前述方案在尾部添加外部负重进行测试，直至力竭。
2. 使用静止梯子进行最大耐力-阻力测试
   1. 进行热身，完成3组每组10次重复、每次10步的攀爬，不施加外部负重。第一组时将梯子坡度设为90°，之后设为85°。每组之间休息60秒。
   2. 将梯子坡度设为85°。
   3. 将负重夹在缠绕于小鼠尾部的医用胶带上。
      注意：根据动物的年龄和特性，外部负重可采用先前递增测试中获得的最大负重、其一定百分比（如50%），或体重的一定百分比（如100%-200%）。若该测试在一段训练期后进行，建议使用与初始测试相同的负重，以便评估变化情况。
   4. 连续进行每组10步的攀爬，直至力竭。每组之间不允许休息。
   5. 测试结果为攀爬的横档总数。
3. 使用动态梯子进行最大耐力-阻力测试
   注意：使用动态梯子可使研究人员控制攀爬速度。
   1. 将梯子坡度设为85°。
   2. 将速度设为4.2 cm/s。
   3. 进行热身，完成3组每组100步的攀爬，不施加外部负重。每组之间休息60秒。
   4. 将负重夹在缠绕于小鼠尾部的医用胶带上。
      注意：根据动物的年龄和特性，外部负重可采用先前递增测试中获得的最大负重、其一定百分比（如50%），或体重的一定百分比（如100%-200%）。若该测试在一段训练期后进行，建议使用与初始测试相同的负重，以便评估变化情况。
   5. 从4.2 cm/s开始，每60秒增加速度1.2 cm/s，直至动物力竭。
      ​注意：测试结果可为运动时间、攀爬的横档数或达到的最大速度。

5. 使用静态梯架进行抗阻训练

注意：在开始训练期之前，必须进行适应性驯化（表1）和训练规划。为减少小鼠的焦虑情绪，应将小鼠每四只一组、同笼饲养，并以组为单位进行适应和训练。

1. 日常热身时，进行3组，每组10次重复，每次重复10步，不施加外部负荷。第一组坡度设为90°，后续组别设为85°。组间休息60秒。
2. 训练从休息区开始。将带有重量的鳄鱼夹固定在小鼠尾部的临床胶带上。
3. 轻柔地将小鼠放置在休息位置下方10-20级横杆处。让小鼠抓紧横杆并攀爬至休息区。
   重复此过程，直至完成本组规定的横杆数量（例如，10级横杆 × 10组）。
4. 从小鼠尾部移除重量，并等待120秒后进行下一组。
5. 在整个训练期间逐步增加每组的步数和最大负重，同时保持每周训练计划不变。
   ​注意：每周训练计划中负荷变化的示例如表3所示。简而言之，周二和周五采用高负重（40-50 g）和较少步数（500-400步）；周一和周四采用中等负重（25-35 g）和中等步数（800-600步）；周三不加负重但步数较多（2,000步）。该设计有助于从前一次训练中恢复，避免损伤和过度训练。使用固定梯进行训练的三周示例（分别对应训练初期、中期和末期）见表4⁴。

6. 使用动态梯架进行抗阻训练

注意：经过适应后，动态梯子上的训练与静态梯子上的训练非常相似（表2）。每次训练同时对2-4只小鼠进行。

1. 将坡度设置为85°，关闭休息区的门，并以所需速度（例如5.4 cm/s）启动梯子。
2. 热身阶段进行3组每组100步的爬梯，不施加外部负荷。每组之间给予60秒的休息时间。
3. 在训练开始前，当小鼠位于休息区时，将带有重量的鳄鱼夹固定在医用胶带上。或者，也可在小鼠已位于梯子上时 attaching 重量。
4. 将小鼠轻轻放置在移动楼梯的顶部，尾部连接重量。让小鼠抓住横档并开始攀爬。
5. 当本组爬梯次数达到设定数量（例如100次）时，取下重量。然后打开门，使动物进入休息区。下一组训练前休息120秒。
   注意：爬梯步数根据设定速度下的爬梯时间进行计算。
6. 重复此操作直至完成整个训练过程。详细的每日训练方案见表5。

7. 抗阻训练对耐力表现交叉效应的评估

注意：在休息 24 小时后进行渐进式跑步机测试⁴。

1. 以 10 cm/s 的速度进行 3 分钟热身后，从 10 cm/s 的速度和 10° 的倾斜角度开始递增负荷测试。
2. 每 3 分钟将速度增加 3.33 cm/s，直至小鼠力竭。
   注意：不使用电刺激，因此在跑台后方放置一把画笔以防止小鼠跑出跑台。

8. 实验过程中动物的行为

注意：应持续监测小鼠对训练的适应情况，以发现极度疲劳、过度训练或受伤现象。

1. 观察动物福利的迹象，特别是理毛行为和拒绝训练的情况。小鼠在经历一系列高强度训练后，因疲劳而通常会静止约一分钟，这是正常行为。此后，它们会开始理毛、探索环境，或试图挣脱尾巴上的胶带。
2. 若小鼠拒绝完成某组训练，可尝试延长休息时间，甚至取消该组训练，以避免产生抑制效应。
3. 在进行轻负荷训练时，若小鼠偶尔停止动作，可轻轻推动其尾部，以鼓励其完成该组训练。小鼠停止攀爬的原因在于该任务对其而言并不费力。相反，在进行重负荷训练时，应轻轻调整小鼠的身体重心以减轻负荷，促使其完成该组训练，随后让小鼠充分休息，直至下一次训练开始。小鼠可能因负荷过重而停止攀爬，甚至试图向下退行。

9. 安全规程

1. 研究人员的安全程序：在动物设施实验室中进行实验时，需穿戴鞋套、防护服、手套、帽子和口罩。除动物实验特有的要求外，无其他额外要求。
2. 动物安全防护：在运动训练过程中，必须持续关注动物状态，以防其发生跌落或跳跃等风险。由于小鼠可能因疲劳而抓握能力下降，应在配重下方用手托住，以防止其跌落并及时接住固定。

结果

使用固定梯子的结果
Codina-Martinez 等人所采用并描述的渐进式抗阻训练方案⁴（表4），在一项初步研究中进行了测试，该研究对6月龄的野生型 C57BL6J 小鼠（n = 4）进行了为期7周的固定梯子训练。在此项初步研究中，在训练前后均进行了递增负荷测试以评估最大力量。我们观察到最大力量提高了46.4%，即训练结束时，小鼠能够负重自身体重1.9倍进行攀爬（未发表数据）。

在Codina-Martínez等人开展的研究中⁴，缺乏雄性小鼠（C57BL6N/129Sv）的 Atg4b¹⁶ 及其相应的野生型对照组（8周龄，每种基因型 n = 36）接受为期14周的训练（表 4）。在训练前后进行的渐进性阻力测试显示，训练后的野生型动物最大阻力提高了44%，而训练后的 atg4b^-/-

讨论

训练作为一种干预手段，在研究之外具有多种应用价值，而不仅仅局限于运动本身的研究。因此，近年来，训练对衰老²⁰ 或某些病理状况以及物理治疗的影响²¹ 受到了广泛关注。此外，许多研究人员已对药物²² 或饮食²¹ 干预对体能素质的影响进行了分析。在此背景下，人们开始关注将不同运动模式分别进行分析，其中对阻力训练的兴趣日益增长。阻力训练在多种组织中引发的分子反应与耐力训练不同^23,24，并且已被证明对多种病理状况具有特定作用²¹。

利用动物模型研究抗阻训练是一种具有多种应用的工具。它能够对病理模型或基因修饰动物中的特定表型进行表征，尽管这种描述通常未被包含在内。此外，实施运动方案并评估其对这些模型的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
动态梯	自行生产
弹性粘性绷带 6 cm x 2.5 m	BSN medical	4005556
Gator Clip Steel NON-INSUL 10A	Digikey electronics	BC60ANP
静态梯	自行生产
配重	自行生产
用于悬挂配重的金属丝	自行生产