Methodenartikel

Ein schwimminduziertes Zebrafisch-Übungsgerät für vielseitige Trainingsansätze

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DOI:

10.3791/66382

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18. Oktober 2024

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1Exercise Genetics and Metabolism Laboratory, Molecular Biology Program, Department of Biophysics, Federal University of São Paulo, 2Exercise Genetics and Metabolism Laboratory, Nephrology Program, Department of Biophysics, University Federal of Sao Paulo

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Das Übungsgerät, das für weniger glückliche Fische entwickelt wurde, erleichtert die Umsetzung verschiedener Übungsprotokolle mit unterschiedlichen Intensitäten, indem es die Wasserströmungsgeschwindigkeit manipuliert, die durch Rheotaxis erreicht werden kann.

Zusammenfassung

Um die Auswirkungen von Bewegung auf Gesundheit und Krankheit umfassend zu untersuchen, spielen Tiermodelle eine zentrale Rolle. Der Zebrafisch, ein weit verbreiteter Modellorganismus für Wirbeltiere, bietet eine einzigartige Plattform für solche Studien. Diese Studie führte zur Entwicklung eines kostengünstigen Geräts, das auf Zebrafisch-Übungsstudien zugeschnitten ist und leicht verfügbare Materialien verwendet. Das Gerät basiert auf den Prinzipien eines Schwimmtunnels und umfasst ein Netzwerk von Rohren und Ventilen, die mit einer Tauchpumpe verbunden sind. Der Wasserfluss wird durch einen Sensor akribisch überwacht und über Ventile geregelt. Um die Wirksamkeit des Geräts zu beurteilen, wurden zwei Trainingsprotokolle implementiert: kontinuierliches Training mit mittlerer Intensität (MICT) und hochintensives Intervalltraining (HIIT). Die Fische wurden kollektiv trainiert und ihre Schwimmleistung durch einen Härtetest bewertet. Beide Trainingsprotokolle führten zu einer Verbesserung der Schwimmleistung nach 30 Tagen Training und induzierten Veränderungen in der molekularen Reaktion auf Bewegung im Vergleich zu einer sitzenden Kontrollgruppe. Bemerkenswert ist, dass HIIT eine überlegene Effizienz gegenüber MICT zeigte. Das Zebrafisch-Trainingssystem erwies sich als wertvolles Werkzeug für Untersuchungen in der Bewegungsphysiologie und fördert den Nutzen des Zebrafischmodells in diesem Bereich weiter.

Einleitung

Körperliche Bewegung umfasst alle körperlichen Bewegungen, die von der Skelettmuskulatur ausgeführt werden und zu einem erhöhten Energieverbrauch führen, wobei Bewegung eine strukturierte und sich wiederholende Untergruppe körperlicher Aktivitäten ist1. Bewegung, eine multifaktorielle und kostengünstige Aktivität, die den gesamten Körper einbezieht, bringt zahlreiche gesundheitliche Vorteile mit sich, wie z. B. die Vorbeugung des metabolischen Syndroms und der Sarkopenie2. Folglich ist das Gebiet der Bewegungsphysiologie von großem Interesse, da es zu klären versucht, wie sich der Körper an den akuten Stress des Trainings, den chronischen Stress des körperlichen Trainings und die allgemeinen Auswirkungen des Trainings auf die Gesundheit anpasst1.

Die Durchführung von trainingsphysiologischen Studien am Menschen kann aufgrund von Herausforderungen bei der Versuchsplanung und der Teilnehmerüberwachung sowohl teuer als auch zeitaufwändig sein3. Daher wurde der Einsatz von Tiermodellen in Laborumgebungen aufgrund ihrer genetischen und physiologischen Einheitlichkeit dringend empfohlen. Darüber hinaus haben die Tiere unter kontrollierten Laborbedingungen in der Regel eine sitzende Lebensweise und eine regulierte Nahrungsaufnahme4. Unter den Tiermodellen wurden Nagetiere am häufigsten in der Forschung eingesetzt, bei der es um körperliche Bewegung ging1. Der Zebrafisch (Danio rerio; Hamilton, 1822) ist ein komplementäres Modell zu Maus und anderen Spezies für Bewegungsstudien 5,6,7,8.

In der Zebrafischforschung kann körperliche Bewegung mit kommerziell erhältlichen oder speziell angefertigten Schwimmtunneln durchgeführt werden. Unter den kommerziell erhältlichen Optionen ist der Blazka-Tunnel, der vom Loligo-System entwickelt wurde, der amhäufigsten verwendete 7,9,10. Dieses System induziert ein erzwungenes Schwimmen durch einen Propeller, der mit einem Elektromotor gekoppelt ist, wodurch ein kontinuierlicher Wasserfluss innerhalb des Tunnels erzeugt wird. Diese Schwimmfähigkeit wurzelt im Prinzip der Rheotaxis, einem angeborenen Verhalten von Fischen, das sie dazu bringt, gegen Wasserströmungen zu schwimmen und ihre Position zu halten11. Die Rheotaxis ermöglicht die Messung der kritischen Schwimmgeschwindigkeit (Ucrit), die die maximale Geschwindigkeit darstellt, die ein Fisch für eine bestimmte Dauer aufrechterhalten kann. Es ist jedoch erwähnenswert, dass diese Ausrüstung zwar wertvoll für die Beurteilung des Schwimmverhaltens und des Sauerstoffverbrauchs ist, aber mit erheblichen Kosten verbundenist 12.

Forscher haben alternative Geräte für das Training von Zebrafischen entwickelt, die oft auf dem Blazka-Mechanismus10,13,14 oder einfacheren Mechanismen 8,15,16 basieren. Nichtsdestotrotz können diese Methoden durch die technischen Anforderungen des Protokolls eingeschränkt sein, einschließlich längerer Dauer, erheblicher Ausrüstungskosten und Einschränkungen bei Durchsatz und Präzision. Folglich bestand das Hauptziel der Studie darin, ein erschwingliches und benutzerfreundliches Zebrafisch-Übungssystem unter Verwendung leicht verfügbarer Materialien zu entwickeln, das ein neues alternatives Gerät für die körperliche Bewegung bei Fischen bietet. Ein sekundäres Ziel war es, sowohl aerobe als auch anaerobe Trainingsprogramme im Zebrafisch zu implementieren und so die Nutzung des Zebrafischmodells als Interventionsstrategie in der Bewegungsforschung weiter voranzutreiben.

Protokoll

Die Verfahren wurden zuvor von der Ethikkommission für die Verwendung von Tieren der Bundesuniversität von São Paulo (CEUA/UNIFESP Nr. 9206260521) genehmigt. In dieser Studie wurde nur ein adultes Weibchen des Wildtyps Danio rerio im Alter von 6 Monaten und einem Gewicht von 2,5-3 g eingesetzt. Die für die Studie benötigten Geräte und Reagenzien sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Maßgeschneidertes Zebrafisch-Übungsgerät

HINWEIS: Das Trainingsgerät wurde speziell angefertigt. Weitere Informationen finden Sie in Abbildung 1, Ergänzende Tabelle 1, Ergänzende Akte 1 und Ergänzende Akte 2.

  1. Stellen Sie eine Tauchpumpe (N) in einen Wassertank (O) (≥30 L). Stellen Sie sicher, dass das Wasser die folgenden Bedingungen erfüllt: pH-Wert von 7,2 ± 0,5 und 400 ± 50 μS, 28 ± 1 °C.
  2. Verbinden Sie in der fließenden ergänzenden Tabelle 1 und Abbildung 1 das Rohr (I) mit dem Punkt-T-Rohr (B), und befestigen Sie ein kleines Rohr (G) an der Seite von B. Stellen Sie von G aus Verbindungen zum Absperrventil (F), dann zu einem anderen G und in der Folge zu Rohrbogen (A) und I her, wodurch das Segment vervollständigt wird, das für die Regulierung des Wasserdrucks innerhalb des Systems verantwortlich ist. Diese Regelung wird durch einen Rücklauf in den Wassertank (O) erreicht.
  3. Verbinden Sie es im alternativen Abschnitt von B mit einem Rohr (J), gefolgt von den Verbindungen zu A und G. Verwenden Sie die Muffenrohrverschraubung (D), um das Absperrventil (E) mit G zu verbinden.
  4. Integrieren Sie eine Fischeintrittsöffnung in das System, indem Sie B an einem Ende mit G verbinden und am gegenüberliegenden Ende ein weiteres G anbringen. Verbinden Sie anschließend das Muffenrohrfitting (C) mit diesem zweiten G und etablieren Sie eine Sequenz, die mit dem Acrylrohr (K) verbunden ist, das für die Visualisierung des Schwimmverhaltens entscheidend ist.
    1. Um K mit dem Wasserdurchflusssensor (M) zu verbinden, verwenden Sie die Rohre C, G und D. Fahren Sie fort, M mit D mit G zu verbinden, und integrieren Sie dann A, G und H, um den Rückfluss des Wassers in den Behälter zu erleichtern.
      HINWEIS: Setzen Sie ein Moskitonetz in das kurze Rohrsegment zwischen dem Absperr- und dem Absperrventil (F2) ein, um zu verhindern, dass Fische auf andere Teile des Geräts gelangen. Das Absperrventil (F) erfüllt einen doppelten Zweck. Das erste Absperrventil (F1) steuert den Wasserfluss, der in das Reservoir zurückkehrt, bevor es in den Rest des Geräts eintritt, und fungiert als Systemdruckregelventil. Das Absperrventil (F2) ist ein Ein- und Ausstiegspunkt für den Zebrafisch innerhalb des Systems.
  5. Bringen Sie einen Wasserdurchflusssensor hinter dem Acrylrohr an.
    HINWEIS: Der Durchflusssensor sollte an ein LCD-Display angeschlossen und mit einem Arduino programmiert werden (Abbildung 1). Details zum Arduino-Setup finden Sie in der Zusatzdatei 2.

2. Bedienung des Geräts

  1. Um den Fisch sicher in das System einzuführen, ist es unerlässlich, den Wasserfluss zu unterbrechen. Um dies zu erreichen, schließen Sie den Absperrschieber (E) bei geöffnetem Absperrventil (F1). Öffnen Sie anschließend das Absperrventil (F2), das als Eingang zum System dient, führen Sie den Fisch vorsichtig ein und schließen Sie umgehend das F2-Ventil. Öffnen Sie abschließend das E-Ventil, um den Trainingsbereich mit Wasser zu füllen.
  2. Verwenden Sie das Absperrventil, um die Durchflussgeschwindigkeit zu steuern und bei Bedarf Wasser in den Behälter umzuleiten.
  3. Verwenden Sie den Absperrschieber (F2) für eine präzise Durchflusseinstellung und zur Steuerung des Fischzugangs.
  4. Um den Fisch am Ende des Tests zu entfernen, schließen Sie das Ventil (E) unter Einhaltung der Erschöpfungskriterien. Öffnen Sie dann das Ventil F und drehen Sie es um 180° relativ zur Achse des Acrylrohrs; Dies erleichtert das Abfließen des Wassers, das den erschöpften Fisch mit sich reißt.
  5. Führen Sie die Durchflussüberwachung durch.
    HINWEIS: Es ist notwendig, die Wasserdurchflussgeschwindigkeit durch ein System zu überwachen, das einen Arduino Nano, einen 16 x 2 LCD-Bildschirm, einen 10 kΩ, 0,25 W Durchsteckwiderstand und ein 10 kΩ Potentiometer enthält. Der Durchflusssensor überwacht kontinuierlich die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers auf Basis der Hall-Effekt-Technologie17. Jeder Stromimpuls entspricht einer Umdrehung des Sensorfloppers, woraus sich eine Frequenz (Hz) von 6,6 x Q (Durchfluss in L/min) ergibt.
    1. Verbinden Sie die entsprechenden Drähte des Durchflusssensors mit den 5-V-, GND- und D2-Pins des Arduino Nano (Ergänzende Tabelle 1). Laden Sie den bereitgestellten Sketch (Supplemental File 1) mit der Arduino IDE in den Arduino. Versorgen Sie das System über den Arduino-USB-Anschluss mit Strom.
      HINWEIS: Die Durchflussmessungen werden auf dem 16 x 2 LCD-Bildschirm angezeigt. Die Kalibrierung des Wasserdurchflusssensors ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Schaltpläne der Arduino-Verbindungen zum LCD sind in Abbildung 3 dargestellt.

3. Härtetest

HINWEIS: In diesem Schritt wird das Verfahren für den Dauertest zur Bestimmung der maximalen Schwimmgeschwindigkeit (Umax) von Zebrafischen beschrieben.

  1. Lassen Sie die Fische zunächst 60 Minuten pro Tag lang 60 Minuten pro Tag an eine niedrige Wasserströmungsgeschwindigkeit (0,06 m/s) im Schwimmtunnel gewöhnen.
    HINWEIS: Nach einer 24-stündigen Vorkonditionierungsphase werden die einzelnen Zebrafische dem nachhaltigen Schwimmleistungstest unterzogen. Der Zweck dieses Tests besteht darin, den Umax jedes Fisches zu bestimmen.
  2. Setzen Sie den Zebrafisch einzeln in das Gerät ein.
  3. Testbedingungen: Positionieren Sie den Fisch 10 Minuten lang gegen eine Wasserströmung mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 0,06 m/s.
  4. Geschwindigkeitsschritte: Erhöhen Sie den Wasserfluss in diskreten Stufen, wobei Geschwindigkeitsschritte von 0,02 m/s pro Minute für 40-50 Minuten auftreten.
  5. Umax-Bestimmung: Ermitteln Sie die maximale Schwimmgeschwindigkeit (Umax), wenn die Fische die Erschöpfungskriterien erfüllen.
    HINWEIS: Erschöpfung liegt vor, wenn die erste der folgenden Situationen beobachtet wird: (1) Unfähigkeit, seine Position gegen die Wasserströmung für mehr als drei Fälle zu halten, oder (2) Unfähigkeit, seine Position länger als 5 s zu halten.
  6. Schließen Sie das Ventil (E), wenn die Erschöpfungskriterien eingehalten werden. Öffnen Sie dann das Ventil F und drehen Sie es um 180° relativ zur Achse des Acrylrohrs. Dies erleichtert das Abfließen des Wassers und trägt den erschöpften Fisch.

4. Übungsgruppen und Ablauf

HINWEIS: Um unterschiedliche Trainingsprotokolle zu erstellen, ist es wichtig, eine sitzende Gruppe einzubeziehen, die identischen Versuchsbedingungen ausgesetzt ist, um die Auswirkungen von Trainingsprotokollen zu vergleichen, wenn auch ohne hochintensives Training. Es ist auch wichtig, den Umax zu ermitteln, da die Bruchteile des Umax-Wertes notwendig sind, um die Intensität von Trainingsprotokollen zu bestimmen.

  1. Sitzende (SED) Gruppe: Setzen Sie den Fisch 60 Minuten lang einem erzwungenen Schwimmen gegen die Wasserströmung mit 0,06 m/s aus.
    HINWEIS: Das Gerät erzeugt eine kontinuierliche Wasserströmung, die den Fisch zwingt, gegen diese Strömung zu schwimmen, basierend auf dem Prinzip der Rheotaxis11.
  2. MICT-Gruppe (Moderates Intensitäts-Continuous-Training): Den Fisch 35 Minuten lang bei 60 % des Umax, wie im Test der maximalen Kapazität bestimmt, erzwungenem Schwimmen gegen die Wasserströmung aussetzen.
    HINWEIS: Dieses Protokoll wurde von Húngaro et al.18 übernommen. Während der ersten 10 min wurde der Fisch auf die gleiche Geschwindigkeit wie die sitzende Gruppe (0,05 m/s) akklimatisiert.
  3. HIIT-Gruppe (High-Intensity Interval Training): Setzen Sie die Fische einem erzwungenen Schwimmen aus, wobei die Schwimmgeschwindigkeiten abwechseln: 2 Minuten bei 90 % Umax, gefolgt von 2 Minuten bei 30 % von Umax, wiederholt für 18 Minuten (9 Zyklen). Dieses Protokoll wurde von Marcinko et al.19 übernommen.
    HINWEIS: Während der ersten 10 Minuten der Übungsphase ist es notwendig, den Fisch an die gleiche Geschwindigkeit wie die sitzende Gruppe (0,06 m/s) zu gewöhnen.
  4. Implementieren Sie alle Trainingsprotokolle an 5 Tagen in der Woche über einen Zeitraum von vier Wochen.
    HINWEIS: Fische sollten in Aquarien gehalten werden, die geeignete Bedingungen bieten, und sie sollten nur während der dafür vorgesehenen Übungszeiten in das Trainingsgerät eingeführt werden. Fische sollten dreimal täglich mit tropischem Fischfutter versorgt werden, und das Wasser in Pflegeaquarien sollte alle 2 Tage teilweise gewechselt werden.
  5. Wiederholen Sie den Ausdauertest am Ende jeder Woche, wobei die Latenz- und Geschwindigkeitsdaten zum Zeitpunkt der Ermüdung als Indikatoren für die körperlichen Konditionsparameter dienen.
  6. Um Übertrainingseffekte zu induzieren, erhöhen Sie die Wasserströmungsgeschwindigkeit wöchentlich, basierend auf den Ergebnissen des Ausdauertests, der nach jedem 4-tägigen Trainingszyklus durchgeführt wird. Die Trainingsdauer muss angepasst werden, um die zurückgelegte Strecke (Geschwindigkeit × Zeit) zu berücksichtigen, und diese Dauer sollte zwischen den trainierten Gruppen konsistent bleiben.
  7. Passen Sie die Schwimmzeit an den erhöhten Wasserfluss an und standardisieren Sie so die Trainingsbelastung über die trainierten Gruppen hinweg.

5. Körpermaße

  1. Betäuben Sie den Fisch mit 0,0075 % Tricain (w/v) durch Eintauchen, um Körpermessungen (Gewicht und Größe) durchzuführen20.
  2. Fotografieren und wiegen Sie den Fisch, um die Körpermaße mit der ImageJ-Software zu bestimmen.
  3. Drücken Sie die Daten in Form von Body Condition Indizes aus (Gewicht [g]/Standardlänge [mm]2; BMI) und Body Condition Scoring (BCS)20.
  4. Um Größen- und Gewichtsabweichungen durch die Eibildung zu vermeiden, unterziehen Sie die Fische einer Standardzucht20, gefolgt von Messungen und Wiegen.

Ergebnisse

Das Trainingsgerät zeigte eine bemerkenswerte Effizienz bei der Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit. Um die Schwimmgeschwindigkeit schrittweise zu erhöhen, wurde der Wasserfluss für alle Gruppen wöchentlich erhöht, mit Ausnahme der SED-Gruppe, die bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit von 0,06 m/s gehalten wurde. Bemerkenswert ist, dass die Vorrichtung ein bemerkenswertes Maß an Präzision ermöglichte und eine Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 0,001 m/s ermöglichte. Die Fehlerquote lag jedoch bei niedrigen Geschwindigkeiten, wie z.B. 0,06 m/s, bei 30%. Bei hohen Geschwindigkeiten wie 0,3 m/s und 0,5 m/s lag die Fehlerquote bei 3 % bis 4 % (Abbildung 2). Die maximale Geschwindigkeit, die während des Trainings erreicht wurde, betrug 0,4 m/s im SED, 0,44 m/s im MICT und 0,49 m/s in den HIIT-Gruppen in der letzten Ausdauer.

Die körperliche Leistungsfähigkeit des Zebrafisches wurde wöchentlich mit Umax im Dauertest bewertet. Die Ergebnisse zeigten signifikante Verbesserungen der körperlichen Leistungsfähigkeit von Zebrafischen, die MICT und HIIT unterzogen wurden, im Vergleich zur SED-Gruppe (Abbildung 4). Sowohl MICT als auch HIIT wurden der gleichen Strecke unterzogen, die während des Trainings zurückgelegt wurde; Die HIIT-Gruppe induzierte jedoch schnelle Verbesserungen, wobei bereits nach zwei Wochen ein signifikanter Anstieg der Umax beobachtet wurde (p = 0,0003). Während des Trainingszeitraums zeigte die HIIT-Gruppe eine konstante wöchentliche Verbesserung von 10 %, was zu einer Gesamtverbesserung von etwa 30 % führte. Im Gegensatz dazu führte das MICT-Training zu allmählicheren Zuwächsen, wobei nur in der dritten Trainingswoche ein bemerkenswerter Anstieg von ~10 % bei Umax zu verzeichnen war, gefolgt von keiner weiteren Verbesserung in der folgenden Woche (p = 0,0024). Diese Ergebnisse unterstreichen die unterschiedlichen Auswirkungen von HIIT- und MICT-Trainingsprotokollen auf die körperliche Leistungsfähigkeit von Zebrafischen.

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Abbildung 1: Konstruktion der Apparatur. (A) Schematische Darstellung des Schwimmapparates. Die blauen Pfeile zeigen die Richtung des Wasserflusses an. Die relevanten Rohrlängen sind dargestellt. Die Buchstaben stehen für jede in der Ergänzenden Tabelle 1 beschriebene Gerätekomponente. (B) Foto des Geräts. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Kalibrierung des Wasserdurchflusssensors durch Messung der Zeit, die für einen Durchfluss von 0,5 l erforderlich ist. Der SEM betrug 0,277 in den 0,06 m/s-Gruppen, 0,123 in den 0,3 m/s-Gruppen und 0,109 in den 0,5 m/s-Gruppen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

figure-results-3
Abbildung 3: Schaltpläne der Arduino-Verbindungen zum LCD. Die entsprechenden Drähte des Sensors sollten zwischen dem D2-Pin des Arduino und dem 10 kΩ Widerstand (Signaldraht), der Masse des Arduino (schwarzes Kabel) und 5 V des Arduino (rotes Kabel) angeschlossen oder gelötet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 4: Schwimmleistung, ausgedrückt in maximaler Schwimmgeschwindigkeit (Umax). a, b und c zeigen die statistischen Unterschiede zwischen den wöchentlichen Schwimmfähigkeitsschätzungen innerhalb jeder Gruppe. *Gibt die Differenz zwischen den Gruppen an, Vergleich mit Hilfe einer bidirektionalen Varianzanalyse (Tukey posthoc). *p = 0,01; **p = 0,001; p = 0,0001. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 5: Morphologische Messungen. (A) Körperzustandsindizes (Gewicht [g] / Standardlänge [mm]2; BMI). (B) Repräsentatives Bild der Körpermessung. (c) Bewertung des Körperzustands (BCS). Der Fehlerbalken entspricht einem Bereich von 0,026 bis 0,045 für BMI und 0,4 bis 0,96 für BCS. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Tabelle 1: Materialien und Montageanleitung für das Zebrafisch-Übungsgerät. Die Tabelle enthält Buchstaben, die an der in der Abbildung dargestellten Montagereihenfolge ausgerichtet sind. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 1: Kommentierter Arduino-Sketch zur Messung der Wassergeschwindigkeit. Kommentare für jede Codezeile werden nach den doppelten Schrägstrichen eingefügt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 2: Arduino-Datei, einschließlich der Setup-Details. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

In dieser Studie wurde ein innovatives, kostengünstiges Übungssystem entwickelt, das in Anlehnung an das Schwimmtunnel-Respirometer von Loligo Systems21 und das Rinnensystem22 zur umfassenden Untersuchung der Schwimmleistung von Zebrafischen dient. Der Umax wurde durch systematische Erhöhung des Wasserflusses in diskreten Stufen bestimmt, wobei die Geschwindigkeitsschritte in kurzen Intervallen (20-30 min) erfolgten, bis der Fisch die Erschöpfung erreichte, die durch drei aufeinanderfolgende Ermüdungen oder die Unfähigkeit, die Strömung im Schwimmtunnel zu überwinden, gekennzeichnet war. Diese Bestimmungen waren maßgeblich an der Entwicklung von zwei Übungsprotokollen (MICT und HIIT) beteiligt. Im Gegensatz zu Protokollen, die eine relativ lange Phasendauer (von einer bis zu mehreren Stunden) vorsehen, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers bei Erschöpfung als kritische Schwimmgeschwindigkeit (Ucri)12 bezeichnet. Die mit dem Übungssystem berechneten Umax-Werte lagen im Bereich anderer Studien7, was die Wirksamkeit dieses Tunnelschwimmgeräts bei der Bewertung der körperlichen Leistungsfähigkeit von Zebrafischen bestätigt. Darüber hinaus verfügt dieses kompakte Gerät über die Vielseitigkeit, das gesamte Spektrum der Wasserströmungsgeschwindigkeiten abzudecken, was die Anpassung der angewandten Trainingsprotokolle erleichtert.

Bei dieser Geräteentwicklung ist es möglich, verschiedene Übungsprotokolle zu erstellen, indem nur die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers gesteuert wird. Die genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers stellte bei niedrigen Drehzahlen eine Herausforderung dar, was zu einer Fehlerquote von etwa 30 % führte. Nichtsdestotrotz verbesserte sich die Präzision bei mittleren und hohen Geschwindigkeiten, die sich Umax annäherten, mit einer zuverlässigeren Geschwindigkeitsmessung und einer reduzierten Fehlerquote von 3 % bis 4 %. Folglich wurde eine Einschränkung der Gerätepräzision bei niedrigen Geschwindigkeiten festgestellt. Trotz dieser Einschränkung ergab die Studie, dass selbst bei einer Geschwindigkeitsvariation von 0,02 m/s keine signifikanten Auswirkungen auf die körperliche Leistungsfähigkeit der SED-Gruppe während des Trainings beobachtet wurden. Dies deutet darauf hin, dass Variationen bei niedrigem Training möglicherweise keine signifikanten Auswirkungen auf die körperliche Leistungsfähigkeit haben, zumindest in dem in dieser Studie vorgestellten Modell. Eine weitere Einschränkung des vorgeschlagenen Geräts ist das Fehlen eines Sauerstoffsensors, wodurch es unmöglich ist, den Sauerstoffverbrauch zu messen.

Frühere Studien haben einen bemerkenswerten Unterschied in der Schwimmgeschwindigkeit zwischen erwachsenen männlichen und weiblichen Zebrafischen gezeigt, wobei morphologische Unterschiede, wie z. B. der erhöhte Umfang trächtiger Weibchen, und physiologische Unterschiede, wie z. B. eine verminderte Muskelleistung bei trächtigen Fischen, vorgeschlagen wurden 5,23,24. Bei dieser Untersuchung wurden ausschließlich weibliche Zebrafische dem Trainingsprogramm unterzogen, wobei anerkannt wurde, dass diese Weibchen vor, während und nach dem Training drei Fortpflanzungszyklen durchliefen, die den Körpermaßen konsequent vorausgingen. Dieser strategische Ansatz milderte effektiv die Unterschiede zwischen den Geschlechtern. Darüber hinaus ergab diese Studie keine erkennbaren Unterschiede in den Körperparametern zwischen den Trainingsgruppen (Abbildung 5) oder beim Vergleich der Bedingungen vor und nach dem Training bei Frauen. Es gab zwar keine Kontrolle über die Altersvariation zwischen den Individuen, aber es ist gut dokumentiert, dass die Schwimmleistung und der Energiebedarf der Fortbewegung während des gesamten Lebenszyklus aufgrund von Ontogenese, Fortpflanzung und Seneszenz stark schwanken können 25,26,27. Trotz der möglichen Altersunterschiede innerhalb jeder Gruppe wurden alle Tiere akribisch nach Größe, Körpergewicht und einem konsistenten geschlechtsreifen Erwachsenenstadium gruppiert. Bemerkenswert ist, dass keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen vor Beginn des Trainingsprogramms beobachtet wurden. Folglich wurde postuliert, dass die beobachtete Verbesserung der Schwimmkapazität allein auf die angewandten Übungsprotokolle zurückzuführen ist.

Ziel dieser Studie war es, die Wirksamkeit des Übungssystems zu bewerten, indem zwei unterschiedliche Übungsprotokolle implementiert wurden. Während MICT ein anhaltendes, kontinuierliches Trainingsprogramm beinhaltet, umfasst HIIT kurze Ausbrüche von Übungen mit maximaler Intensität, gefolgt von kurzen, weniger intensiven Erholungsphasen. Beide Protokolle wurden akribisch angepasst, um während des gesamten Trainingszeitraums gleichwertige Trainingsbelastungen zu bieten, ohne dass es zu Erschöpfung kommt. Die SED-Gruppe durchlief wie die anderen Übungsgruppen vier Wochen lang einmal pro Woche den gleichen Ausdauertest, zeigte aber nur eine minimale Leistungssteigerung. Es ist bekannt, dass Ausdauertraining das Herzzeitvolumen, den maximalen Sauerstoffverbrauch und die mitochondriale Biogenese verbessert28; Die wöchentliche Trainingsfrequenz erwies sich jedoch als unzureichend, um signifikante Veränderungen der Schwimmleistung hervorzurufen. Wenn Zebrafische einem MICT-Training unterzogen wurden, wurde nach der dritten Trainingswoche eine bemerkenswerte Verbesserung der Schwimmleistung beobachtet. In der Folgewoche gab es jedoch keine weitere Verbesserung. Bei der MICT handelt es sich um Personen, die über einen längeren Zeitraum eine submaximale Arbeitsbelastung aufrechterhalten, was eine überdurchschnittliche Leistungsabgabe erfordert22. Vor allem die HIIT-Gruppe zeigte die deutlichste Verbesserung, wobei sich bereits nach zwei Wochen Training eine signifikante Leistungssteigerung zeigte, die bis zur vierten Woche anhielt. Während es gut dokumentiert ist, dass kurzes, hochintensives Training zu einer Ausdaueranpassung führt, bleibt der spezifische Übungstyp, der für das Auslösen phänotypischer Muskelverschiebungen verantwortlich ist, ein Gegenstand laufender Untersuchungen28.

Offenlegungen

Es ist wichtig klarzustellen, dass mit der in diesem Manuskript vorgestellten Forschung keine konkurrierenden finanziellen Interessen verbunden sind. Es wurden keine finanziellen Partnerschaften oder Zugehörigkeiten zu Organisationen oder Einrichtungen geschlossen, die die Ergebnisse dieser Arbeit möglicherweise beeinflussen oder beeinflussen könnten. Diese Aussage dient als Gewissheit, dass der Forschungsprozess unkompliziert und ehrlich war und keine finanziellen Konflikte die Ergebnisse beeinflussten. Die Präsentation dieser Arbeit ist von einer echten Leidenschaft für das Thema motiviert, die allein von der Liebe zur Wissenschaft und dem Streben nach wissenschaftlichen Erkenntnissen angetrieben wird.

Danksagungen

Wir danken Dr. Omar Mertins für die großzügige Bereitstellung des Labors für die Pflege der Fische und die Durchführung von Tests. Darüber hinaus werden FAPESP, CNPq und CAPES für die Vergabe von Stipendien zur Unterstützung dieser Forschung gedankt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
CPVC Weiblicher 90-Grad-Winkel für SanitärTigre221502603/4-Zoll 
24AWG DrahtSky Cablo StoreVerbindung zwischen Komponenten in der perforierten Leiterplatte (1m)
AcrylrohrThe Clear Plastic Shop411384083/4-Zoll 
Aquarium TauchaquariumAqua Tank300w
CPVC RohrTigre101217873/4-Zoll 
Wasserschieber mit InnengewindeTigre279503103/4 Zoll 
Wasserventil mit InnengewindeTigre279405103/4 Zoll 
DurchgangswiderstandBXV10 kΩ, 0,25W t
Labor-Stützständer mit Klemme mit 30 Zoll Stab Masiye LabsRSC0001Unterstützung des LCD-Bildschirms der horizontalen Rohre
 Eichip16 x 2, Modell JHD162A
Stecker x Stecker Dupont JumperChyanVerbindung zwischen Arduino und Durchflusssensor (30 cm)
Perforierte Platine einseitigKY WIN ROBOT5 x 10 cm
PotentiometerLUSYADL-ALPSA0110kΩ
Rolle WassersperrbandOne World5603131000Zur Vermeidung von Leckagen
SilikonschlauchTigre142112502 cm innere
LötstationQHTITECEU/US STECKERArduine System Schweißen 
LötdrahtspuleBEEYIHFI001-A001-SetArduine Systemschweißen 
CPVC-Rohrverschraubung mit Gewinde und Außengewinde ohne GewindeTIgre354478493/4-Zoll 
Tricain (MS-222)Sigma-AldrichE10521Anästhetikum
UNO-R3 Platine UNO R3 CH340G+MEGA328P Chip 16Mhz FSXSEMIfür Arduino UNO R3 Entwicklungsboard
CPVC T-Rohrverschraubung ohne Gewinde, weiblichTigre222002673/4-Zoll 
CPVC-Muffen-Rohrverschraubung ohne GewindeTigre221702603/4-Zoll 
Wasserdurchflusssensor  Modell YF-B5 Siqma RoboticsSQ86591-25 L/min
Wasserpumpe SunsunModell HJ-2041, 3000L/h, 65W
WasserbehälterCustom30 L

Referenzen

  1. Seo, D. Y., et al. Humanized animal exercise model for clinical implication. Pflugers Arch Eur. J Physiol. 466 (9), 1673-1687 (2014).
  2. Nylén, E. S., Gandhi, S. M., Lakshman, R. Cardiorespiratory fitness, physical activity, and metabolic syndrome. Cardiorespiratory Fitness in Cardiometabolic Diseases: Prev. & Manag. in Clin. Pract. , Springer. 207-215 (2019).
  3. Cholewa, J., et al. Basic models modeling resistance training: an update for basic scientists interested in study skeletal muscle hypertrophy. J Cell Physiol. 229 (9), 1148-1156 (2014).
  4. Martin, B., Ji, S., Maudsley, S., Mattson, M. P. 34;Control" laboratory rodents are metabolically morbid: Why it matters. Proc Natl Acad Sci USA. 107 (14), 6127-6133 (2010).
  5. Palstra, A. P., et al. Swimming-induced exercise promotes hypertrophy and vascularization of fast skeletal muscle fibres and activation of myogenic and angiogenic transcriptional programs in adult zebrafish. BMC Genomics. 15 (1), 1-20 (2014).
  6. Blazina, A. R., Vianna, M. R., Lara, D. R. The spinning task: A new protocol to easily assess motor coordination and resistance in zebrafish. Zebrafish. 10 (4), 480-485 (2013).
  7. Gilbert, M. J. H., Zerulla, T. C., Tierney, K. B. Zebrafish (Danio rerio) as a model for the study of aging and exercise: Physical ability and trainability decrease with age. Exp Gerontol. 50, 106-113 (2014).
  8. Usui, T., et al. The French press: A repeatable and high-throughput approach to exercising zebrafish (Danio rerio). Peer J. 2018 (1), 1-12 (2018).
  9. Tierney, K. B. Swimming performance assessment in fishes. J. Vis. Exp. (51), e2572(2011).
  10. Palstra, A. P., et al. Establishing zebrafish as a novel exercise model: Swimming economy, swimming-enhanced growth and muscle growth marker gene expression. PLoS One. 5 (12), e0014483(2010).
  11. Arnold, G. P. Rheotropism in fishes. Biol Rev Camb Philos Soc. 49 (4), 515-576 (1974).
  12. Messerli, M., et al. Adaptation mechanism of the adult zebrafish respiratory organ to endurance training. PLoS One. 15 (2), 1-20 (2020).
  13. Bek, J. W., De Clercq, A., Coucke, P. J., Willaert, A. The ZE-tunnel: An affordable, easy-to-assemble, and user-friendly benchtop zebrafish swim tunnel. Zebrafish. 18 (1), 29-41 (2021).
  14. Lucon-Xiccato, T., et al. An automated low-cost swim tunnel for measuring swimming performance in fish. Zebrafish. 18 (3), 231-234 (2021).
  15. Blazina, A. R., Vianna, M. R., Lara, D. R. The spinning task: A new protocol to easily assess motor coordination and resistance in zebrafish. Zebrafish. 10 (4), 480-485 (2013).
  16. Depasquale, C., Leri, J. The influence of exercise on anxiety-like behavior in zebrafish (Danio rerio). Behav Processes. 157, 638-644 (2018).
  17. Karsenty, A. A comprehensive review of integrated hall effects in macro-, micro-, nanoscales, and quantum devices. Sensors. 20 (15), Basel, Switzerland. 4163(2020).
  18. Húngaro, T. G. R., et al. Physical exercise exacerbates acute kidney injury induced by LPS via toll-like receptor 4. Front Physiol. 11, 1-13 (2020).
  19. Marcinko, K., et al. High intensity interval training improves liver and adipose tissue insulin sensitivity. Mol Metab. 4 (12), 903-915 (2015).
  20. Chen, W., Ge, W. Gonad differentiation and puberty onset in the zebrafish: Evidence for the dependence of puberty onset on body growth but not age in females. Mol Reprod Develop. 80 (5), 384-392 (2013).
  21. Conradsen, C., Walker, J. A., Perna, C., McGuigan, K. Repeatability of locomotor performance and morphology-locomotor performance relationships. J Exp Biol. 219 (18), 2888-2897 (2016).
  22. Widrick, J. J., et al. An open source microcontroller based flume for evaluating swimming performance of larval, juvenile, and adult zebrafish. PLoS ONE. 13 (6), 1-14 (2018).
  23. Gilbert, M. J. H., Zerulla, T. C., Tierney, K. B. Zebrafish (Danio rerio) as a model for the study of aging and exercise: Physical ability and trainability decrease with age. Exp Gerontol. 50 (1), 106-113 (2013).
  24. Hammer, C. Fatigue and exercise tests with fish. Exp Gerontol. 112 (1), 1-20 (1995).
  25. Takahiro Hasumura, S. M. Exercise quantity-dependent muscle hypertrophy in adult zebrafish (Danio rerio). J Comp Physiol B. 186, 603-614 (2016).
  26. Wang, L., et al. Effect of aerobic exercise as a treatment on type 2 diabetes mellitus with depression-like behavior zebrafish. Life Sciences. 300, 120578(2022).
  27. Conradsen, C., McGuigan, K. Sexually dimorphic morphology and swimming performance relationships in wild-type zebrafish Danio rerio. J Fish Bio. 87 (5), 1219-1233 (2015).
  28. Hughes, D. C., Ellefsen, S., Baar, K. Adaptations to endurance and strength training. Cold Spring Harb Perspect Med. 8 (6), 1-18 (2018).

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