累积高强度间歇训练方案：一种研究Wistar大鼠健康标志物的新方法

摘要

本文介绍了累积式高强度间歇训练（HIIT）方案，该方案可能比传统HIIT方案更具可行性且更节省时间。

摘要

高强度间歇训练（HIIT）和累积式运动是两种在人类和动物模型中改善健康的高效时间节约型锻炼方案。然而，迄今为止，尚无研究探讨以累积方式进行的HIIT是否在改善健康指标方面与传统的单次每日HIIT具有同等效果。本文报道了一种新型HIIT方案——累积式HIIT——对年轻Wistar大鼠体重增加、最大摄氧量（VO₂max）以及心脏肥厚的影响。

将60日龄的雄性Wistar大鼠分为三组：未训练组（UN；n = 16）、每日单次训练的高强度间歇训练组（1-HIIT；n = 16）和每日三次训练的高强度间歇训练组（3-HIIT；n = 16）。在训练前后记录体重和最大摄氧量（VO₂max）。最大摄氧量（VO₂max）通过代谢分析仪在最大跑步速度（Vmax）下测定。两个HIIT组均每周训练5天，持续8周，每周运动强度进展相同（85–100% Vmax）。1-HIIT组每日进行一次训练（6轮，每轮1分钟，轮间休息1分钟，被动恢复）。3-HIIT组每日进行三次训练（每次2轮，每轮1分钟，轮间休息1分钟，被动恢复，各次训练之间间隔4小时）。在最后一次VO₂max测试后，处死大鼠并取出心脏称重。

结果表明，3-HIIT在防止体重增加、提高VO₂max以及诱导心脏肥大方面具有与1-HIIT相似的有益效果。这些发现首次揭示了累积式HIIT方案对年轻Wistar大鼠健康指标的有效性。这种新的HIIT方案可能比传统HIIT方案更具可行性，因为在新方法中，运动可以分散为一天中多次极短时间的锻炼。

引言

久坐不动的生活方式是导致非传染性慢性疾病发展的主要风险因素之一¹。然而，尽管已有充分证据表明体育锻炼对健康具有多种益处，全球仍有大量人群处于久坐状态^2,3。规律的身体活动对心代谢健康^4,5和心理健康^6,7,8,9具有诸多积极影响。近年来，已提出多种高效利用时间的体育锻炼方案¹⁰，例如高强度间歇训练（HIIT）¹¹和累积式锻炼¹²，以提高人们参与体育锻炼的依从性并改善健康状况。

高强度间歇训练（HIIT）是一种时间效率高的锻炼方式，其特点是短时间的高强度体力活动与低强度体力活动（主动恢复）或休息（被动恢复）交替进行⁴。多项研究表明，与传统的长时间中等强度持续训练（MICT）相比，HIIT具有相似甚至更优的健康效益，且锻炼者的依从性更高^4,12,13。累积性运动也被提出作为一种提高依从性和改善健康的运动模式。在此模式中，中低强度的运动可被分为每天两次或更多次的短时运动（例如，每天进行两到三次、每次5-10分钟）¹⁴。Costa Pereira 等人¹⁴发现，在年轻Wistar大鼠中，累积性运动方案（每周五天，每天三次训练，每次间隔4小时，每次持续10-20分钟，强度为最大能力的50-60%，共八周）对健康指标的积极影响优于传统的MICT（相同运动方案但每日单次完成，每次持续30-60分钟）。

然而，迄今为止，相关研究主要集中在以短时间、低至中等强度运动累积进行锻炼所产生的生理效应。因此，目前尚缺乏证据来探讨以累积方式进行的高强度间歇训练（即在一天中进行多次短时间的高强度运动）是否与传统的单次每日高强度间歇训练在改善健康生理指标方面具有同等效果。

我们决定使用受控的实验大鼠，以克服对自由生活个体进行研究时存在的方法学缺陷，这些个体具有不同的日常体力活动和食物摄入量。此外，使用实验动物可使研究人员进行侵入性分析（例如肌肉和心脏活检），而这类分析在人体研究中难以实施，甚至根本无法开展。

我们假设，如果大鼠采用累积式高强度间歇训练方案（每天进行三次短时训练），其心肺适能的改善程度可能与采用传统高强度间歇训练方案（每天进行一次单次训练）的大鼠相似。因此，本研究旨在探讨并比较每日单次训练与每日三次短时训练两种高强度间歇训练方式对Wistar大鼠最大摄氧量（VO₂max）和心脏肥厚的影响。

方案

本研究中使用的所有操作程序均遵循《"实验室动物护理原则"》，符合ARRIVE指南，并经米纳斯吉拉斯联邦若阿津哈和米库里河谷大学（Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM—协议编号031/2016）伦理与动物使用委员会批准。有关本方案中使用的所有材料的详细信息，请参见材料表。

1. 实验设计

1. 使用48只60日龄、平均体重为250 g的雄性Wistar大鼠。
2. 将大鼠随机分为三组：未训练组（UN；n = 16）；每日单次训练的高强度间歇训练组（1-HIIT；n = 16）；每日三次训练的高强度间歇训练组（3-HIIT；n = 16）。
3. 将大鼠单独饲养在受控环境（22–23 °C，50% 湿度）的独立笼具中，采用倒置的 12 小时光照-12 小时黑暗循环（光照开启时间为下午 6:00），自由摄取标准实验室颗粒饲料和水。
4. 在开始运动训练方案前一周，使大鼠熟悉跑台环境。
5. 使用精密电子数字天平在训练方案开始前48 h和结束后48 h分别称量大鼠体重。
6. 执行 VO₂所有组别的大鼠在HIIT方案开始前48小时及第4周结束时进行最大测试^th 训练一周（用于调整跑步速度）以及HIIT方案后48小时
7. 在最后一次VO后24小时处死大鼠₂通过腹腔注射 400 I.U. 肝素进行最大测试，并取出心脏和左心室称重（见步骤 5）。

2. 跑台设备的熟悉

1. 将跑步机的倾斜角度设置为 0°（水平）。
2. 打开跑步机电源。
3. 调节跑步机旋钮，使速度为 6 m/min。
4. 调节跑步机电刺激开关至 0.25 mA。
5. 抓住动物尾巴，将其放置于跑步机上，于上午 8:00 开始以该速度运行 10 分钟。
6. 连续五天重复此操作。

3. VO₂最大测试

1. 软件设置（图1）
   1. 打开代谢软件。
   2. 点击 文件 以新建记录。
   3. 在 笼子类型 参数中，选择 跑步机、1 个笼子，并在 切换时间 中选择 2（分钟）。
   4. 在 实验 选项中，选择 氧测定 | 新建。
   5. 按下 开启，输入动物编号和体重，填写项目信息。前往跑步机控制器并设置测试参数。
      1. 以 5 m/min 的速度开始测试。
      2. 将跑步机电刺激开关调节至 0.25 mA，按下 开始。
   6. 点击 确认。
   7. 关闭跑步机的亚克力盖板。
   8. 输入校准气体参考值。
      注：气体参考值为 0 mmHg（CO₂）和 20 mmHg（O₂），由制造商提供。
   9. 等待 10 分钟。
2. 测试
   1. 开启跑步机。
   2. 调节跑步机旋钮，使速度为 3 m/min。
   3. 将跑步机电刺激开关调节至 0.25 mA。
   4. 将跑步机倾斜度设为 0°（水平）。
   5. 抓住动物尾巴，将其放置于跑步机上，并关闭跑步机的亚克力盖板。
   6. 每 2 分钟增加 3 m/min 的跑步机速度，直至动物力竭（定义为动物在 1 分钟内触碰跑台底部 5 次）。
   7. 将动物从跑步机上取出，并放回其笼中。
   8. 记录动物达到的最大速度（Vmax）。
      注：对于 VO₂max 的计算，软件根据动物在 Vmax 时吸入的 O₂ 与呼出的 CO₂ 的差值进行计算，最终结果根据每只大鼠的个体体重进行标准化。

4. HIIT 方案（图2）

1. 打开跑步机。
2. 调节跑步机旋钮至最大速度的50%（热身）。
3. 将跑步机电刺激开关调节至0.25 mA。
4. 将跑步机坡度设置为0°（水平）。
5. 抓住动物尾巴，将其放置于跑步机上持续3分钟。
6. 将动物从跑步机上移开，并调节跑步机旋钮至对应周次的相应速度（第1周：85% Vmax；第2–3周：90% Vmax；第4–5周：95% Vmax；第6–8周：100% Vmax）。
7. 将动物放回跑步机上持续1分钟。
   1. 确保两组HIIT动物每周训练5天，持续8周：1-HIIT组每日进行1次训练，包含6轮1分钟的高强度运动，每轮之间穿插1分钟被动恢复；3-HIIT组每日进行3次较短训练，每次包含2轮1分钟高强度运动，每轮之间穿插1分钟被动恢复，且各次训练之间间隔4小时。
   2. 对于3-HIIT组，训练时间分别为上午8:00、中午12:00和下午4:00。
   3. 将1-HIIT组分为三组，分别在与3-HIIT组相同的时间（即上午8:00、中午12:00和下午4:00）开始训练，以消除昼夜节律对运动训练适应性的可能影响。
   4. 确保UN组动物每周在与HIIT组相同的房间内，于跑步机上以10 m/min的速度放置10分钟，每周1次。
8. 将动物从跑步机上移开，放回笼中休息1分钟（被动恢复）。

5. 安乐死与心脏重量记录

1. 腹腔注射 400 I.U. 肝素后，用断头器将大鼠处死。
2. 小心打开大鼠胸腔，取出心脏，用生理盐水冲洗，称重，分离左心室并称重。
3. 将动物尸体丢弃至指定冷冻冰箱中。

6. 统计学分析

1. 所有数据均以均值 ± 标准差表示。
2. 使用Shapiro-Wilk检验检查数据的正态性。
3. 采用单因素或双因素方差分析（ANOVA）对数据进行分析，随后进行Tukey事后检验；显著性水平设定为5%。

结果

图3展示了1-HIIT和3-HIIT训练方案对VO₂max（图3A）、体重（图3B）和食物摄入量（图3C）的影响。在训练方案开始前，各组的VO₂max（UN：52.19 ± 5.27；1-HIIT：48.32 ± 3.92；3-HIIT：51.24 ± 5.84 mL of O₂.kg^-1.min^-1）、体重（UN：242.62 ± 15.89；1-HIIT：259.06 ± 13.90；3-HIIT：251.43 ± 13.84 g）和食物摄入量（UN：118.26 ± 9.94；1-HIIT：116.51 ± 3.86；3-HIIT：119.01 ± 9.02 g/天）均相似。训练结束后，仅HIIT组的VO₂max显著升高（UN：49.73 ± 3.13；1-HIIT：67.39 ± 4.22；3-HIIT：67.23 ± 2.86 mL of O₂.kg^-1.min^-1；训练前 vs. 训练后：UN，P = 0.99；1-HIIT，P = 0.001；3-HIIT，P = 0.001），表明训练方案有效。训练后所有组的体重均增加，但与UN组相比，两种HIIT方案组的体重均较低（UN：384.37 ± 27.25；1-HIIT：349.31 ± 14.49；3-HIIT：341.68 ± 23.78 g；UN vs. 1-HIIT，P = 0.022；UN vs. 3-HIIT，P = 0.001），尽管其食物摄入量相似（UN：124.34 ± 3.70；1-HIIT：122.09 ± 8.68；3-HIIT：122.09 ± 5.40 g/天）。

图4 显示了1-HIIT和3-HIIT训练方案对心脏肥厚的影响。与未训练组（UN）相比，两种HIIT方案均诱导了心脏肥厚，表现为心体比增加（UN：3.59 ± 0.24 vs. 1-HIIT：4.82 ± 0.34 vs. 3-HIIT：4.79 ± 0.31）. 3-HIIT：5.01 ± 0.50 mg/g； 图 4A；UN 与 1-HIIT 比较，P = 0.001；UN 与 3-HIIT 比较，P = 0.001）以及左心室重量/体重比值（UN：1.76 ± 0.22 vs. 1-HIIT：2.68 ± 0.51 vs. 3-HIIT：2.85 ± 0.23 mg/g； 图4B；UN 与 1-HIIT 比较，P = 0.001；UN 与 3-HIIT 比较，P = 0.001。

图 1：VO₂max 测试的软件设置。（A）新实验的记录。（B）动物数据。（C）气体校准。请点击此处查看此图的放大版本。

图2：HIIT训练方案的示意图。（A）1-HIIT 和（B）3-HIIT 方案。缩写：HIIT = 高强度间歇训练；1-HIIT = 每日单次进行的HIIT；3-HIIT = 每日分三次短时进行的HIIT。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：1-HIIT 和 3-HIIT 训练方案对健康指标的影响。（A）VO₂max，（B）体重，以及（C）食物摄入量。数据以均值 ± 标准差表示；每组 n = 16。采用单因素或双因素方差分析，随后进行Tukey检验。不同字母表示具有统计学差异。P < 0.05。缩写：HIIT = 高强度间歇训练；VO₂max = 最大摄氧量；pre-tr = 训练前；post-tr = 训练后；UN = 未训练；1-HIIT = 每日单次训练的HIIT；3-HIIT = 每日三次短时训练的HIIT。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：1 次和 3 次 HIIT 训练方案对心脏肥大的影响。（A）心脏/体重比；（B）左心室/体重比。数据以均值 ± 标准差表示；每组 n = 16。采用单因素或双因素方差分析，随后进行 Tukey 检验。不同字母表示统计学差异。P < 0.05。缩写：HIIT = 高强度间歇训练；UN = 未训练；1-HIIT = 每日单次训练的 HIIT；3-HIIT = 每日三次短时训练的 HIIT。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

本文首次强调了一种累积式高强度间歇训练（HIIT）方案在大鼠中的有效性。累积式HIIT方案在预防体重增加、提高VO₂max以及诱导年轻雄性Wistar大鼠心脏肥厚方面，与每日单次进行的传统HIIT方案效果相当。VO₂max的提升和心脏肥厚的发展是需氧运动训练中最广为人知的生理适应性反应，也是重要的健康生物标志物¹⁷。

Costa-Pereira 等人¹⁴采用与本研究相同年龄的 Wistar 大鼠进行 MICT 协议实验，也发现累积式运动方案（每天三次训练，每次间隔 4 小时，每次 10–20 分钟，强度为最大能力的 50–60%，每周五天，持续八周）在防止体重增加和诱导心脏肥大方面，效果与单次每日运动方案（每天一次训练，每次 30–60 分钟，强度为最大能力的 50–60%，每周五天，持续八周）相当¹⁴。与未训练的对照组相比，Costa-Pereira 等人发现，累积式训练组和单次每日训练组的体重分别下降了 5.12% 和 9.85%，心脏重量/体重比值分别增加了 16.22% 和 18.61%。

本研究中，我们发现采用高强度间歇训练（HIIT）效果更优。与未训练组相比，1-HIIT组和3-HIIT组的体质量分别下降了9.12%和11.10%，VO₂max分别提高了35.51%和35.19%，心脏/体质量比值分别增加了34.26%和39.55%。一些研究表明，传统HIIT方案在增加红细胞容积、最大心输出量（主要通过心脏射血和/或收缩功能）以及骨骼肌线粒体密度方面优于中等强度持续训练（MICT）方案¹⁸。这些生理适应性变化似乎可以解释传统HIIT方案在提升有氧能力及诱导生理性心脏肥厚方面优于MICT方案的原因。本研究结果以及Costa Periera等人的研究¹⁴表明，当这些训练模式以每日多次短时间运动的形式进行时，HIIT相较于MICT的优势依然存在。

这种累积式高强度间歇训练（HIIT）方案最重要的优势在于，每次训练持续时间仅为5分钟，每天进行3次。其他优点包括跑步机参数设置和动物操作的简便性。一旦通过VO₂max测试获得最大速度，跑步机即设定为零坡度，训练速度在每周规定的强度下保持恒定。另一个优点是，在整个训练过程中，每次训练的组数和持续时间均保持一致：1-HIIT组每天进行一次单次训练，包含6个1分钟的训练阶段，每个阶段之间穿插1分钟的被动恢复；3-HIIT组则每天分三次进行训练，每次包含2个1分钟的训练阶段，阶段之间穿插1分钟的被动恢复，且每日三次训练之间间隔4小时。最后，选择被动恢复方式也增加了操作便利性：每个训练阶段结束后，研究人员将动物从跑步机上取出，放回笼中，直至下一个阶段开始。因此，在每次训练开始前完成跑步机设置后，整个训练过程中无需再进行任何额外调整。

本研究也存在一些局限性。并非所有实验室都配备用于测量最大耗氧量的气体分析仪。然而，这一局限性可通过采用无需代谢跑台测定 VO₂max 的最大运动能力方案来克服，以用于运动强度处方，其中包括已发表的 HIIT 方案¹⁹。另一局限性在于，与采用低至中等强度的持续性运动方案相比，动物在本方案中维持跑步速度的难度更大，因为每次运动开始时速度已较高。因此，在该累积训练方案中，电刺激的使用频率可能高于 MICT 方案。这要求研究人员投入更多注意力，因为同时进行五只或更多大鼠的运动训练是不合适的。

最后，该运动方案是为健康的年轻Wistar大鼠设计的；未来的研究应使用不同年龄和健康状况的大鼠来验证该方案。此外，尽管对累积式HIIT方案所引起的生理适应进行全面表征超出了本研究的范围，但仍需在未来进一步探讨。 综上所述，这些发现首次揭示了累积式HIIT方案对年轻Wistar大鼠运动训练生理适应的影响。这种新的HIIT方案可能比传统HIIT方案更具可行性，因为在这种新方法中，运动可以分解为一天中多次极短时间的锻炼 session。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
GraphPad 软件	GraphPad Prism 7.0：适用于 Mac OS X 的版本 7.00，GraphPad Software，美国加利福尼亚州圣地亚哥	N/A	统计分析软件
代谢分析仪	Oxyleptro，Harvard Apparatus，西班牙	N/A	代谢分析仪
大鼠	Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri	N/A	32 只雄性 Wistar 大鼠
跑步机	Insight	N/A	跑步机
电子天平			用于称量大鼠的高精度电子数字天平