Przewlekły trening interwałowy o wysokiej intensywności i model otyłości wywołanej dietą w celu maksymalizacji wysiłku fizycznego i wywołania zmian fizjologicznych u szczurów

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia reakcje morfometryczne i wyniki treningu według protokołu treningu interwałowego o wysokiej intensywności (HIIT) w szczurzym modelu otyłości wywołanej dietą metodą Sprague'a-Dawleya. Celem tego protokołu była maksymalizacja intensywności ćwiczeń i określenie fizjologicznych reakcji na HIIT u szczupłych i otyłych szczurów.

Streszczenie

W porównaniu do treningu o umiarkowanej intensywności lub o niskiej intensywności, trening interwałowy o wysokiej intensywności (HIIT) jest bardziej efektywną czasowo alternatywną metodą, która przynosi podobne korzyści fizjologiczne. W artykule przedstawiono protokół HIIT, który można wykorzystać do oceny różnych markerów zdrowotnych w szczurzym modelu otyłości wywołanej dietą Sprague'a-Dawleya. Samice szczurów Sprague Dawley w wieku 21 dni zostały losowo przydzielone do następujących grup: kontrolna (CON, n = 10), wytrenowana fizycznie (TRN, n = 10), dieta wysokotłuszczowa (HFD, n = 10) i dieta wysokotłuszczowa/trening fizyczny (HFD / TRN, n = 10). Diety kontrolne składały się z komercyjnej karmy laboratoryjnej zawierającej 10% kilokalorii (kcal) z tłuszczu (3,82 kcal/g), a diety wysokotłuszczowe (HFD) składały się z 45% kcal z tłuszczu (4,7 kcal/g). Zwierzęta miały dostęp ad libitum do przypisanej im diety przez cały czas trwania badania. Po 8-tygodniowym okresie indukcji diety, kohorty ćwiczące wykonywały cztery sesje HIIT tygodniowo przez 8 tygodni. Każda sesja HIIT składała się z 10 interwałów po 1 minutę sprintu/2 minuty odpoczynku przy użyciu bieżni dla gryzoni z pasem napędzanym silnikiem. Po 8 tygodniach treningu zwierzęta zostały uśmiercone w celu pobrania tkanek. Wyniki nie wykazały różnic w przebiegniętym dystansie między grupami TRN i HFD/TRN, a prędkość treningu stale rosła w czasie trwania badania, z końcową prędkością biegu wynoszącą odpowiednio 115 cm/s i 111 cm/s dla grup TRN i HFD/TRN. Tygodniowe spożycie kalorii było zmniejszone (p < 0,05) w grupie TRN w stosunku do grupy CON, ale zwiększone (p < 0,05) w grupie HFD/TRN w stosunku do grupy HFD. Wreszcie, zwierzęta leczone HFD miały większą (p < 0,05) otyłość, a wyszkolone zwierzęta miały zmniejszoną (p < 0,05) otyłość w porównaniu z grupą kontrolną. Protokół ten demonstruje skuteczną metodę oceny wpływu HIIT na różne wyniki fizjologiczne w modelu otyłości wywołanej dietą.

Wprowadzenie

Otyłość i choroby współistniejące, takie jak choroby sercowo-naczyniowe, choroby metaboliczne i rak, nadal są jednymi z najpoważniejszych, najbardziej kosztownych i możliwych do uniknięcia skutków zdrowotnych. Obecnie ponad jedna trzecia dorosłych w Stanach Zjednoczonych i ponad 1,6 miliarda dorosłych na całym świecie jest klasyfikowana jako otyli zgodnie ze wskaźnikiem masy ciała (BMI; zdefiniowanym jako waga w kilogramach podzielona przez kwadrat wzrostu w metrach)¹. Otyłość jako choroba wynika z predyspozycji genetycznych, ekspozycji środowiskowej i załamania normalnych mechanizmów regulujących pobieranie i wydatkowanie energii²_. Ponieważ ludzkie i finansowe koszty epidemii otyłości nadal rosną, zintensyfikowano nacisk na próbę zrozumienia mechanizmów związanych z bilansem energetycznym oraz wpływem diety i ćwiczeń fizycznych na zwalczanie chorób metabolicznych.

Poprzednie badania wykazały, że ekspozycja na bardzo smaczne, wysokoenergetyczne diety stymuluje przejadanie się w modelach szczurzych³. Dostęp ad libitum do wysoce smacznych diet powoduje nadmierny przyrost masy ciała w wyniku zwiększonego spożycia kalorii⁴. Badania wykazały również, że ćwiczenia mogą modulować apetyt i poprawiać czułość sygnalizacji sytości u osób otyłych⁵. Istnieje teoria, że to odzyskanie wrażliwości sygnalizacji sytości podczas ćwiczeń jest częściowo pośredniczone przez wpływ treningu fizycznego na reaktywność tkanek centralnych i obwodowych na leptynę, kluczowy hormon regulatorowy pochodzący z adipocytów, który hamuje apetyt i stymuluje wydatek energetyczny⁵. Chociaż w tych badaniach analizowano różne protokoły ćwiczeń, nie ma jasnego konsensusu co do tego, która interwencja jest lepsza^6,7. Istnieją pewne dowody sugerujące, że trening interwałowy o wysokiej intensywności (HIIT), który obejmuje powtarzające się serie forsownych ćwiczeń przeplatanych interwałami regeneracji, może poprawić regulację apetytu bardziej niż inne formy ćwiczeń, takie jak ciągły trening o umiarkowanej intensywności (MICT), ciągły trening o dużej intensywności lub dobrowolna aktywność fizyczna⁸. Istnieją jednak luki w wiedzy na temat intersekcjonalności treningu interwałowego o wysokiej intensywności, diety i regulacji apetytu.

Poprzednie badania wykazały również, że ćwiczenia są potężnym mediatorem chorób współistniejących związanych z brakiem aktywności, szczególnie z punktu widzenia zmian w mięśniach i tkance tłuszczowej9^,10,11_. Przypuszcza się, że te zmiany składu prowadzą do promowania stanu przeciwzapalnego, który może być odpowiedzialny za poprawę ryzyka choroby obserwowaną przy ćwiczeniach¹². Miokiny, które są cytokinami, innymi małymi białkami i peptydami proteoglikanów uwalnianymi z mięśni szkieletowych podczas skurczów mięśni, zostały uznane za łagodzące skutki przeciwzapalne związane z aktywnością fizyczną. W przeciwieństwie do tego, wykazano, że adipokiny, cząsteczki sygnalizacji komórkowej wytwarzane przez tkankę tłuszczową, odgrywają przede wszystkim bardziej szkodliwą rolę i przyczyniają się do promowania stanu zapalnego^13,14,15,16. Chociaż istnieją znaczące dowody na to, że zmiany w składzie obserwowane w przypadku MICT sprzyjają pozytywnym wynikom zdrowotnym, wykonano mniej pracy w tym celu. ocenić potencjalne korzyści płynące z HIIT^17,18.

Na koniec, choroby sercowo-naczyniowe są powszechnie uznawane za główną przyczynę zachorowalności u ludzi i są silnie skorelowane z otyłością, dietą i aktywnością fizyczną¹. Ten protokół zapewnia efektywny sposób szkolenia gryzoni w celu oceny wpływu treningu sercowo-naczyniowego na wiele układów. W szczególności przerost mięśnia sercowego jest wyraźną adaptacją, która występuje podczas ćwiczeń sercowo-naczyniowych. Ta hipertrofia pozwala na silniejsze skurcze serca oraz dostarczanie krwi i tlenu do ćwiczących tkanek. Wcześniejsze badania sugerują, że ćwiczenia o wysokiej intensywności z większym prawdopodobieństwem wywołają przerost serca niż ćwiczenia o umiarkowanej intensywności¹⁹.

Ten protokół pomaga wypełnić luki w literaturze, dostarczając podejścia do badania wpływu HIIT na regulację apetytu, zmiany w składzie (a więc zmiany w miokinach i adipokinach) oraz adaptacje sercowo-naczyniowe w mysim modelu otyłości wywołanej dietą. Co więcej, wzrost intensywności oparty na wydajności maksymalizuje wyniki treningu i zapewnia, że zwierzęta nie przystosowują się do treningu fizycznego i zbliżają się do umiarkowanej intensywności w dalszej części protokołu treningowego.

Ogólnym celem tej metody jest maksymalizacja wysiłku związanego z ćwiczeniami i identyfikacja zmian fenotypowych u szczurów Sprague-Dawley w odpowiedzi na HIIT, otyłość wywołaną dietą i interakcję tych bodźców. Protokół ten jest wyjątkowy w porównaniu z innymi technikami ze względu na jego zdolność do maksymalizacji wysiłku przez cały okres treningu, nawet przy wzroście poziomu umiejętności i sprawności szczurów. Pozwala również na jednoczesną analizę ćwiczeń i otyłości, a nie skupianie się wyłącznie na jednym lub drugim. W szczególności badanie to miało na celu przetestowanie następujących hipotez. (1) Prędkość ćwiczeń może wzrastać w trakcie treningu, a dystans pokonywany przez szczury w grupie TRN może być większy niż w grupie HFD/TRN²⁰. (2) Średnie tygodniowe spożycie kalorii przez wyszkolone szczury może być większe niż w grupie kontrolnej, co może być widoczne w każdej kohorcie dietetycznej ²¹. (3) Średni dzienny przyrost masy może być większy u szczurów kontrolnych niż u szczurów ćwiczonych, a szczury kontrolne mogą mieć wyższą masę tłuszczową w momencie ofiarowania²¹. (4) Masa serca i wątroby może być większa u szczurów z HFD/TRN w porównaniu z TRN rats¹⁹.

Protokół

Wszystkie procedury opisane w niniejszym badaniu były zgodne z Przewodnikiem dla Opieki i Użytkowania Zwierząt Laboratoryjnych, 8. edycja. Projekt eksperymentalny został zatwierdzony przez Biuro Badań i Programów Sponsorowanych (ORSP) w ramach Instytucjonalnego Komitetu ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) 2019-5 w Szkole Medycyny Osteopatycznej Zachodniej Wirginii. Zapoznaj się z Tabelą materiałów i Tabelą 1, aby uzyskać dodatkowe informacje na temat wszystkich materiałów użytych w tym protokole. Ogólny zarys osi czasu protokołu jest wyświetlany w Rysunek 1.

1. Projekt eksperymentalny

1. Użyj 40 samic, 21-dniowych szczurów Sprague-Dawley ze źródła komercyjnego (patrz tabela materiałów).
2. Podczas obchodzenia się ze zwierzętami należy stosować odpowiedni sprzęt ochronny zgodnie z wytycznymi IACUC. Te środki bezpieczeństwa obejmują między innymi noszenie jednorazowych sterylnych rękawiczek, fartucha laboratoryjnego, ochraniaczy na buty itp.
3. Zważyć każde zwierzę i obliczyć średnią oraz błąd standardowy średniej, aby upewnić się, że grupy nie różnią się wagą. Jeśli grupy różnią się, dopasuj grupy pod względem masy ciała, redystrybuując cięższe osobniki do lżejszych grup, a lżejsze osobniki do cięższych grup.
4. Losowo podziel zwierzęta na cztery grupy: kontrolne (CON, n = 10), kontrolne dietetyczne/wytrenowane ruchowo (TRN, n = 10), dieta wysokotłuszczowa/kontrolna (HFD, n = 10) i dieta wysokotłuszczowa/wytrenowana fizycznie (HFD/TRN, n = 10).
5. Szczury należy trzymać w indywidualnych klatkach (po jednym zwierzęciu na klatkę) w kontrolowanym środowisku (12 godzin cykli światła/ciemności, 21 °C ± 2 °C, 60% ± 10% wilgotności) i odstawić wszystkie szczury od diety kontrolnej składającej się z zakupionej w handlu karmy laboratoryjnej (patrz Tabela Materiałów) przez 1 tygodniowy okres aklimatyzacji. Zaopatrz każdą klatkę w urządzenia wzbogacające (schronienie, gryzaki i materiały do gniazdowania).
   UWAGA: Dieta CON składa się z kupowanej na rynku karmy laboratoryjnej (dodatkowe informacje znajdują się w Tabeli Materiałów i Tabeli 1) zawierającej 10% kcal z tłuszczu (3,82 kcal/g).
6. Zapewnij ad libitum dostęp do jedzenia i wody przez cały czas trwania eksperymentu.
7. Po 1-tygodniowym okresie aklimatyzacji rozpocznij 8-tygodniowy okres diety, dostarczając grupom HFD i HFD/TRN karmę HFD. Karma HFD (patrz Tabela Materiałów i Tabela 1 w celu uzyskania dodatkowych informacji) składa się w 45% z tłuszczu (4,7 kcal/g), co stanowi rozkład makroskładników odżywczych występujący w typowej zachodniej diecie. Upewnij się, że wszystkie zwierzęta nadal mają dostęp ad libitum do pożywienia i wody.
   1. Na początku każdego tygodnia zważ i zapisz masę karmy podanej każdemu zwierzęciu. Użyj 140 g karmy dla każdego zwierzęcia przez cały tydzień.
   2. Aby zważyć karmę, umieść łódkę ważącą na precyzyjnej elektronicznej wadze cyfrowej (patrz Tabela materiałów) i wytaruj wagę, naciskając przycisk "tara". Umieść 140 g karmy w łódce do ważenia i zapisz wagę (g) z wagi. Jest to waga "przed".
   3. Umieść karmę w korycie na karmę w klatce dla każdego zwierzęcia.
   4. Jeśli zwierzęciu zaczyna brakować karmy, zważ dodatkową porcję (20 g na każdy pozostały dzień) i dodaj ją do tacki na karmę. Zapisz, ile dodatkowej karmy podaje się każdemu zwierzęciu. Może być konieczne dodanie masy na wierzch karmy w zbiorniku, aby umożliwić większą łatwość spożycia, jeśli zwierzęta mają trudności ze spożyciem granulek (o czym świadczą zaokrąglone granulki w zbiorniku).
8. Pod koniec każdego tygodnia zważ pozostałą karmę dla każdego zwierzęcia. Każde zwierzę powinno mieć resztki jedzenia, aby mieć pewność, że będzie w stanie jeść ad libitum. Używając tej samej skali, zapisz pozostałą żywność. To jest waga "po".
9. Odejmij wagę "po" od "przed wagą" dla każdego zwierzęcia, aby zarejestrować spożycie pokarmu (g) w ciągu tygodnia.
10. Po 8-tygodniowym okresie indukcji diety rozpocznij protokół treningowy HIIT dla szczurów w TRN i HFD/TRN. Składa się on z 8-tygodniowego schematu HIIT z sesjami treningowymi co tydzień w poniedziałki, wtorki, czwartki i piątki (patrz "Protokół treningowy HIIT" poniżej) między 08:00 a 10:00. Upewnij się, że wszystkie zwierzęta mają dostęp ad libitum do przypisanych im diet eksperymentalnych w całym protokole.
    UWAGA: Nie ma standaryzacji protokołu między grupami, ponieważ protokół ten ma na celu maksymalizację wydajności każdej kohorty, a każda kohorta może się różnić (ze względu na fenotypy wywołane dietą).
11. Poddaj szczury eutanazji 48 godzin po ostatniej sesji ćwiczeń poprzez pobranie niezbędnych tkanek po indukcji znieczulenia przy użyciu wziewnego izofluranu (5%).
    1. Zacznij od upewnienia się, że w systemie jest wystarczająca ilość tlenu i izofluranu, aby wywołać znieczulenie. Otwórz butlę tlenu, przekręcając główny zawór (zwykle na górze zbiornika) w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Może, ale nie musi, znajdować się zawór regulacyjny, który należy również otworzyć na zbiorniku tlenu, w zależności od wielkości butli tlenu. Dodatkowo sprawdź, czy przewód wydechowy jest odpowiednio zabezpieczony i czy kanister zbiorczy nie ma nadwagi.
    2. Zważ kanister przed użyciem i zanotuj datę i wagę z boku kanistra. Sprawdź, czy zawór odcinający w komorze indukcyjnej jest otwarty, a zawór odcinający do stożka nosowego jest zamknięty.
    3. Aby wywołać znieczulenie, umieść zwierzę w komorze indukcyjnej i uszczelnij komorę, zabezpieczając urządzenia blokujące. Ustaw izofluran na 5%, naciskając blokadę bezpieczeństwa i obracając pokrętło w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
    4. Następnie przekręć pokrętło u podstawy przepływomierza tlenu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż miernik wskaże 1,5-2 l/min.
    5. Po 1-2 minutach, gdy zwierzę nie jest już przytomne, wyłącz izofluran, obracając pokrętło zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jednocześnie wciskając blokadę bezpieczeństwa. Przepłucz komorę indukcyjną tlenem, naciskając zawór spustowy tlenu przez 3-5 sekund. Odblokuj komorę indukcyjną i usuń nieprzytomne zwierzę.
    6. Połóż nieprzytomne zwierzę na grzbiecie i zabezpiecz stożek nosowy, aby podać dalsze znieczulenie. Otwórz kran do dostarczania maski na twarz i zamknij kran do komory indukcyjnej. Dostarczyć 5% izofluranu ze 100% tlenem do znieczulenia przez maskę twarzową, aż do braku odruchów pedałowania.
       1. Sprawdź odruchy pedałowania, wywierając ściskający nacisk na palce znieczulonego zwierzęcia i szukając reakcji odruchowej.
12. Zwierzę należy uśmiercić zgodnie z metodami zatwierdzonymi przez IACUC (które mogą się różnić w zależności od badania) i dokładnie wypreparować tkanki docelowe do pomiaru i dalszej analizy (podskórna tkanka tłuszczowa, okołonerkowa tkanka tłuszczowa, mięśnie szkieletowe, wątroba, gonady i serce). W zależności od protokołów IACUC, eutanazja może być zakończona przez ścięcie głowy za pomocą gilotyny lub przez pobranie niezbędnych tkanek (serca).
    1. Aby zebrać serce, wykonaj nacięcie poniżej żeber i przez przeponę.
       1. Zlokalizuj serce i przetnij naczynia krwionośne (aortę, żyłę główną, tętnicę płucną, żyłę płucną) nożyczkami chirurgicznymi. Chwyć serce kleszczami i przetnij tkankę łączną, aby uwolnić serce. Pracując szybko, opłucz serce roztworem soli fizjologicznej, zetrzyj nadmiar płynu gazą i zapisz wagę. W razie potrzeby oddziel lewą komorę, prawą komorę i przegrodę nożyczkami chirurgicznymi i zważ je indywidualnie.
       2. Umieść próbki tkanki serca w kriowiale i błyskawicznie zamroź w ciekłym azocie.
    2. Następnie wykonaj podłużne nacięcie w dół brzucha za pomocą skalpela i dwa boczne nacięcia od okolicy pępkowej do bocznej strony zwierzęcia, aby umożliwić dostęp do narządów jamy brzusznej.
       1. Za pomocą kleszczy i nożyczek chirurgicznych usuń wszelkie interesujące Cię narządy.
          UWAGA: Do tego badania pobrano wątrobę, trzewną (brzuszną) tkankę tłuszczową, trzustkę i brzuchaty łydkę. Tkanka tłuszczowa jamy brzusznej została usunięta w jednym lub dwóch dużych odcinkach poprzez delikatne przycięcie tkanki łącznej wokół narządów i ściany jamy ciała. Podskórny tłuszcz nie został pobrany, podobnie jak w poprzednich metodach²²_.
       2. W przypadku narządów, po ich usunięciu, umieść je w czystej łodzi wagowej na wytarowanej wadze. Zapisać masę (g) i umieścić próbki w kriowialach w celu błyskawicznego zamrożenia.
    3. W przypadku mięśnia brzuchatego łydki wykonaj dwa nacięcia po bocznych stronach podudzia i jedno poziomo w poprzek ścięgna Achillesa.
       1. Przetnij lub rozerwij tkankę łączną łączącą skórę z mięśniami, aby odsłonić brzuchaty łydki. Przetnij ścięgno Achillesa nożyczkami chirurgicznymi jak najbliżej mięśnia i chwyć mięsień brzuchaty łydki kleszczami.
       2. Podążaj za mięśniem brzuchatym łydki do górnego punktu połączenia i wykonaj podobne cięcie, aby uwolnić mięsień.
       3. Zważyć próbkę na czystej, wytarowanej łodzi wagowej, umieścić w kriowiale i błyskawicznie zamrozić w ciekłym azocie.
13. Wszelkie inne pobrane próbki tkanek należy natychmiast umieścić w kriowialach, błyskawicznie zamrozić w ciekłym azocie i przechowywać w temperaturze -80 °C. Tkanki te można zapisać do przyszłych analiz laboratoryjnych, takich jak PCR, western blot lub innymi metodami zgodnie z celami badawczymi.

2. Protokół treningowy HIIT

1. Aby rozpocząć sesję treningową, włącz bieżnię (patrz tabela materiałów), przestawiając przełącznik zasilania z tyłu jednostki sterującej.
2. Ustaw wstrząs bieżni na 0.00 mA, obracając pokrętło na jednostce sterującej w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż monitor wskaże 0.00 mA.
3. Ustaw nachylenie bieżni na 5.0%, poluzowując nakrętkę zabezpieczającą na spodzie bieżni i ustawiając nachylenie na pierwsze wcięcie. Dokręć nakrętkę blokującą, aby zabezpieczyć nachylenie bieżni w tej pozycji.
4. Podpierając ciało zwierzęcia jedną ręką, drugą ręką delikatnie chwyć podstawę ogona i ułóż zwierzę na indywidualnym pasie na bieżni.
5. Powtarzaj ten proces, aż wszystkie pięć indywidualnych pasów na bieżni zostanie zajętych przez szczura z tej samej kohorty.
6. Dostosuj prędkość bieżni do 45 cm/s, obracając pokrętło prędkości zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż monitor wskaże 45 cm/s. Naciśnij przycisk Stop/Run, aby uruchomić bieżnię i pozwól jej działać przez 5 minut. Naciśnij ponownie przycisk Stop/Run, aby zatrzymać bieżnię po 5 minutach. W tym czasie nie stosuje się porażenia prądem.
   UWAGA: Zwierzęta mogą potrzebować zachęty w postaci szczotek ze sztywnego włosia, aby trzymać się z dala od siatki uderzeniowej podczas wcześniejszych etapów protokołu, aby ułatwić im naukę korzystania z bieżni.
7. Pod koniec 5 minut odczekaj 2 minuty przed rozpoczęciem okresu treningowego. Obróć pokrętło na jednostce sterującej zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż monitor odczyta odpowiednią prędkość początkową walki treningowej. Na pierwszą sesję użyj początkowej prędkości biegu 55 cm/s. W pierwszym sprincie każdego nowego dnia treningowego użyj prędkości początkowej, która jest o 4 cm/s wolniejsza niż najwyższa prędkość osiągnięta poprzedniego dnia.
   1. Uruchom bieżnię, naciskając przycisk Start, pozwól zwierzętom biegać, aż monitor wskaże 1:00 (1 min), a następnie zatrzymaj bieżnię, ponownie naciskając przycisk Stop/Run.
   2. Poruszaj zwierzęta szczotkami, aby zachęcić do ruchu do przodu, jeśli zwierzę dotrze do siatki amortyzującej (znajdującej się z tyłu bieżni). Jeśli którekolwiek zwierzę w grupie treningowej nie reaguje na szczotki więcej niż dwa razy na trening, włącz siatkę wstrząsów na 2,0 mA na pozostałą część sesji.
8. Po sprincie pozwól zwierzętom odpocząć przez 2 minuty. Pod koniec 2-minutowego odpoczynku rozpocznij następny sprint, uruchamiając bieżnię, naciskając przycisk Stop/Run na jednostce sterującej. Szczegóły dotyczące prędkości bieżni są zdefiniowane poniżej.
   1. Zwiększ prędkość o 4 cm/s dla następnego interwału sprintu w stosunku do poprzednio zastosowanej prędkości, jeśli wszystkie pięć zwierząt w kohorcie ukończy interwał sprintu bez potrzeby motywacji (zachęta szczotką ze sztywnym włosiem lub dotknięcie siatki wstrząsów więcej niż pięć razy) przez pełny 1-minutowy interwał sprintu. Prędkość zwiększa się, obracając pokrętło prędkości na jednostce sterującej zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
   2. Użyj tej samej prędkości interwału, co w poprzednim sprincie, jeśli szczotki są używane do zachęcania do biegania lub jeśli jakiekolwiek zwierzę dotknie siatki amortyzującej więcej niż pięć razy w ciągu jednego 1-minutowego sprintu.
   3. Zmniejsz prędkość dla następnego interwału o 4 cm/s, jeśli zwierzę nadmiernie się szarpie podczas interwału sprintu (więcej niż 20 s skumulowanego czasu na siatce uderzeniowej).
      UWAGA: Z naszego doświadczenia wynika, że 100% zwierząt było w stanie ukończyć wymagany bieg. Niemniej jednak może zaistnieć potrzeba usunięcia zwierząt z badania według uznania badacza, jeśli wykazują niechęć do biegania lub doświadczają nadmiernych wstrząsów.
   4. Rejestruj prędkość i przebiegnięty dystans dla każdej walki.
9. Powtórz ten proces, w sumie 10 treningów HIIT każdego dnia treningowego. Każdy trening składa się z 1 minuty intensywnego biegu, po którym następuje 2 minuty odpoczynku.
10. Pod koniec sesji treningowej wyjmij każde zwierzę z bieżni i umieść je w indywidualnej klatce.
11. Dla każdego nowego dnia treningu początkowa prędkość biegu na pierwszy atak zaczyna się od 4 cm/s wolniejszej niż najszybsza prędkość uzyskana podczas treningu poprzedniego dnia, przy minimalnej prędkości 55 cm/s.

3. Analiza statystyczna

1. Podać morfometrię i inne miary wyników jako średnie i błędy standardowe.
2. Określ różnice między grupami w oprogramowaniu analitycznym (patrz tabela materiałów) przy użyciu modelu efektów mieszanych, który pozwala na wielokrotne porównania.
   UWAGA: Poprawka Šidáka została wprowadzona w celu uwzględnienia wielokrotnych porównań. W stosownych przypadkach wdrożono model powtarzających się działań. Istotne różnice określono na podstawie p < 0,05.

Wyniki

Rysunek 2 pokazuje, że wydajność treningu wzrosła w czasie trwania protokołu. Końcowe prędkości biegu grup TRN i HFD/TRN wynosiły odpowiednio 115 cm/s i 111 cm/s. Całkowity dystans biegu nie różnił się między różnicami między grupami TRN i HFD/TRN (Rysunek 3).

Średnie tygodniowe spożycie paszy dla zwierząt na diecie kontrolnej było wyższe (p < 0,0001) niż dla tych na diecie wysokotłuszczowej (odpowiednio 103 g/tydzień ± 1,0 g/tydzień vs. 91 g/tydzień ± 1,0 g/tydzień). Średnie tygodniowe spożycie paszy było również większe (p < 0,001) w grupach wytrenowanych niż w grupach niewytrenowanych (odpowiednio 98 g/tydzień ± 1,3 g/tydzień w porównaniu z 92,2 g/tydzień ± 1,0 g/tydzień). Patrząc na interakcje, grupy CON i TRN nie różniły się od siebie, ale miały większe (p < 0,05) tygodniowe spożycie niż grupa HFD/TRN, która jadła więcej (p < 0,05) niż grupa HFD (Figura 4). Przeliczając spożycie paszy na spożycie kcal, zwierzęta na diecie wysokotłuszczowej miały wyższe (p < 0,0001) spożycie kalorii niż te na diecie kontrolnej (odpowiednio 430 kcal/tydzień ± 4,6 kcal/tydzień w porównaniu z 396 kcal/tydzień ± 3,7 kcal/tydzień). Spowodowało to różnice (p < 0,05) w tygodniowym spożyciu kalorii między wszystkimi czterema grupami, przy czym grupa HFD/TRN wykazała największe tygodniowe spożycie kalorii, a następnie kolejno grupy HFD, CON i TRN (Rysunek 5).

Masa ciała nie różniła się między grupami aż do 8 tygodnia okresu karmienia, kiedy grupy HFD i HFD/TRN osiągnęły większą (p <0,05) masę niż grupy CON i TRN (293 g ± 10,1 g i 298 g ± 13,1 g vs. 270 g ± 8,6 g i 264 g ± 6,8 g, odpowiednio). Grupy HFD i HFD/TRN pozostały cięższe (p < 0,05) niż grupy CON i TRN przez pozostałą część badania (osiągając odpowiednio 332 g ± 14,4 g, 347 g ± 16,3 g, 304 g ± 10,3 g i 304 g ± 10,1 g dla grup HFD, HFD/TRN, CON i TRN). Średni dzienny przyrost (ADG) był większy (p < 0,05) u zwierząt wyszkolonych w porównaniu z niewyszkolonymi zwierzętami w porównaniu z częścią badania dotyczącą ćwiczeń (odpowiednio 0,8 g/dzień ± 0,11 g/dzień w porównaniu z 0,5 g/dzień ± 0,09 g/dzień) i nie było różnic w ADG między grupami CON i HFD w tym okresie. Łącznie skutkowało to większym (p < 0,05) ADG w grupie HFD/TRN niż w grupie HFD i brakiem różnic między grupami CON i TRN (Rysunek 6) w okresie treningu. Jednak 8-tygodniowy okres treningowy nie spowodował różnicy w masie ciała między grupami HFD/TRN i HFD (odpowiednio 347 g ± 16,3 g vs. 331,5 g ± 14,4 g).

Po zakończeniu protokołu treningowego, pobieranie tkanek wykazało, że zwierzęta na HFD miały większą (p < 0,05) otyłość trzewną niż grupa CON (odpowiednio 25 g ± 2,1 g vs. 19 g ± 1,5 g), a zwierzęta trenowane ćwiczeniowo miały zmniejszoną (p < 0,05) otyłość trzewną w porównaniu do zwierząt kontrolnych (21 g ± 2,4 g vs. 25 g ± 2,1 g, odpowiednio). Grupa HFD miała większą (p < 0,05) otyłość trzewną niż grupy TRN i HFD/TRN (Ryc. 7). Masa serca była większa w grupie HFD/TRN niż w grupach CON, TRN i HFD (p < 0,05; 1,3 g ± 0,2 g vs. 1,1 g ± 0,1 g, 1,1 g ± 0,1 g i 1,0 g ± 0,1 g). Nie zaobserwowano różnic w masie wątroby między grupami. Nie stwierdzono różnic w masie innych narządów lub tkanek.

Rysunek 1: Oś czasu protokołu badania według wieku zwierząt w dniach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Prędkość HIIT w całym protokole treningowym dla zwierząt TRN i HFD/TRN według sesji. HIIT był wykonywany w cztery różne dni w tygodniu przez 8 tygodni, co zaowocowało 32 sesjami treningowymi. Prezentowane są średnie dane z jednego treningu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Średni dystans pokonany na sprint w grupach TRN i HFD/TRN w całym protokole treningowym. HIIT był wykonywany w cztery różne dni w tygodniu przez 8 tygodni, co zaowocowało 32 sesjami treningowymi. Dane są przedstawione jako średnia ± SEM. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Średnie tygodniowe spożycie paszy przez kohorty CON, TRN, HFD i HFD/TRN. Dane prezentowane są jako błąd średni ± standardowym średniej (SEM). ^a,b,cŚrodki o różnych literach różnią się (p < 0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Tygodniowe spożycie kalorii przez kohorty CON, TRN, HFD i HFD/TRN. Dane są prezentowane jako średnia ± SEM. ^a,b,c,dŚrednie z różnymi literami różnią się (p < 0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Średni dzienny przyrost masy ciała w kohortach CON, TRN, HFD i HFD/TRN. Dane są prezentowane jako średnia ± SEM. ^a,bGrupy o różnych literach różnią się (p < 0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Średnia masa tłuszczu trzewnego podczas sekcji zwłok. Dane są prezentowane jako średnia ± SEM. ^a,bGrupy o różnych literach różnią się (p < 0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 1: Kompozycje diet stosowanych w protokole. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Dyskusja

Protokół ten zapewnia skuteczną metodę badania wpływu HIIT na kilka markerów zdrowia w modelu otyłości wywołanej dietą. Procedura opiera się na wcześniejszych badaniach, aby umożliwić bardziej efektywną czasowo metodę badania wielu zmiennych wynikowych, takich jak zmienne treningu fizycznego, markery regulacji apetytu i inwazyjne analizy składu ciała 3,7,8,18,23,24. Zawartość diety, czas trwania i protokół interwencji ruchowej były zgodne z wcześniejszymi publikacjami^23,24_. W tym badaniu zakupiono dostępną na rynku karmę laboratoryjną (patrz tabela materiałów). Karma laboratoryjna dla diety wysokotłuszczowej i kontrolnej zawierała taką samą ilość białka i mikroelementów. Zawartość węglowodanów i tłuszczów w dietach została zmodyfikowana tak, aby zapewnić bezpieczną metodę wywoływania otyłości w grupie eksperymentalnej (patrz Tabela 1).

8-tygodniowy okres indukcji otyłości zastosowany w niniejszym badaniu został zamodelowany w oparciu o wcześniejsze badania wykazujące znaczące zmiany masy ciała po dostarczeniu komercyjnej karmy laboratoryjnej składającej się w 45% kcal z tłuszczu (4,7 kcal / g), co reprezentuje rozkład makroskładników odżywczych występujący w typowej zachodniej diecie²³. Dodatkowo, wcześniejsze badania wykazały skuteczność 8-tygodniowego protokołu HIIT w wpływie na spożycie pokarmu ^7,8, profile tłuszczowe^18,23 i przyrost mięśni¹⁸. Wyniki protokołu opisanego w tym badaniu były zgodne z wcześniejszymi badaniami donoszącymi, że HIIT wpływa na regulację apetytu, a także zmiany składu w zakresie otyłości i masy mięśniowej.

Zaletą tego protokołu jest to, że maksymalizuje intensywność treningu fizycznego u zwierząt i utrzymuje maksymalny wysiłek przez cały czas trwania protokołu. Ponieważ zwierzęta stale uczą się biegłego korzystania z bieżni i zwiększają sprawność, prędkość bieżni jest odpowiednio zwiększana w stosunku do ich wydajności. Co więcej, zastosowanie nachylenia 5,0% pozwala zwierzętom osiągnąć maksymalną intensywność w każdej sesji i przez cały czas trwania protokołu szybciej, niż byłoby to osiągnięte bez użycia nachylenia. W rezultacie, wydajność ćwiczeń jest maksymalizowana dla każdego treningu i przez cały czas trwania protokołu.

Podczas badania jedno zwierzę nie było w stanie ukończyć protokołu eksperymentalnego z powodu choroby, w wyniku czego n = 39 zwierząt ukończyło badanie, przy czym tylko n = 9 szczurów w kohorcie HFD. Protokół ten został początkowo zaprojektowany do oceny zmian w profilach cytokin w odpowiedzi na ćwiczenia i dietę, a analiza mocy wykazała ponad 90% moc identyfikacji różnicy (p < 0,05) w głównej cytokinie docelowej (iryzynie). Przyszłe badania z wykorzystaniem tego modelu powinny opierać się na unikalnych analizach mocy w celu określenia odpowiednich wielkości prób.

Badanie to miało na celu przede wszystkim zbadanie fizjologicznych wyników HIIT w modelu otyłości wywołanej dietą u gryzoni oraz maksymalizacja intensywności ćwiczeń. Protokół ten był w stanie wykazać zmienność ADG i otyłości w odpowiedzi na dietę i HIIT (ryc. 6 i ryc. 7). Przyszłe badania mogą w szczególności zidentyfikować reakcje układu hormonalnego, miokin i adipokiny na HIIT. Wyjaśnienie tych mechanizmów może okazać się korzystne w leczeniu i profilaktyce otyłości i chorób współistniejących.

Badanie to wykazało również wpływ diety i HIIT na spożycie paszy. Wyniki wskazały, że gdy zwierzęta spożywały dietę wysokotłuszczową, wyszkolone zwierzęta spożywały więcej kalorii niż zwierzęta nietrenowane. W przeciwieństwie do tego, gdy zwierzęta jadły dietę kontrolną, wyszkolone zwierzęta spożywały mniej kalorii niż zwierzęta niewyszkolone, wykazując różne reakcje regulacji apetytu w zależności od składu diety. Dlatego strategie odchudzania, które wykorzystują HIIT, mogą być mniej skuteczne dla tych, którzy jednocześnie spożywają dietę wysokotłuszczową, ponieważ mogą być bardziej skłonni do spożywania nadmiaru kalorii. Natomiast zbilansowane spożycie makroskładników odżywczych podczas HIIT może sprzyjać niskiemu spożyciu kalorii, a tym samym ułatwiać utratę wagi. Model ten może ułatwić wysiłki badawcze mające na celu głębsze zrozumienie mechanizmów stojących za bilansem energetycznym i wysiłki na rzecz opracowania skutecznych strategii odchudzania.

Wreszcie, protokół ten wykazał zmienność tkanki serca między kohortami, odzwierciedlając zmiany adaptacyjne w składzie ciała w odpowiedzi na dietę i trening fizyczny. Dane te sugerują, że indukcja otyłości, po której następuje HIIT, może predysponować osoby do przerostu mięśnia sercowego bez towarzyszących zmian w wielkości wątroby. Przyszłe analizy mające na celu określenie mechanizmów stojących za tymi odkryciami mogą być przydatne do badania przerostu mięśnia sercowego i powiązań metabolicznych między otyłością, HIIT i chorobami sercowo-naczyniowymi.

Protokół opisany w tym badaniu ma kilka ograniczeń. Po pierwsze, bieżnia użyta w tym badaniu miała pięć pasów, co pozwalało na bieganie pięciu szczurów jednocześnie. Chociaż ten sposób realizacji protokołu był skuteczny, trudno było pojedynczemu badaczowi zająć się każdym ze zwierząt jednocześnie. Zdarzały się sytuacje, w których opiekun bieżni miał trudności z podzieleniem uwagi na wiele zwierząt potrzebujących stymulacji szczotkami z włosia. W przyszłości priorytetem będzie zapewnienie dostępności większej liczby personelu badawczego, który będzie pomagał w opracowywaniu protokołów szkoleniowych. Ponadto model bieżni z pięcioma torami nie ma możliwości pomiaru wymiany gazowej, a zatem nie można było ocenić tlenowego/beztlenowego metabolizmu zwierząt podczas protokołu. Firma, która dostarczyła bieżnię dla gryzoni (patrz tabela materiałów), oferuje bieżnię z możliwością pomiaru wymiany gazowej, ale jest to bieżnia jednotorowa, a zatem wymagałaby znacznie więcej czasu i wysiłku. Wysiłek ten może być jednak opłacalny dla badaczy, którzy muszą mierzyć lub kontrolować konkretne wyniki kalorymetrii pośredniej. Ponadto dostępnych jest bardzo niewiele dowodów na to, w jaki sposób siatka wstrząsów może wpływać na wydajność ćwiczeń, co należy wziąć pod uwagę przy interpretacji wyników tego modelu. Wreszcie, protokół ćwiczeń opisany w tym badaniu został opracowany z młodymi samicami szczurów Sprague-Dawley. Wcześniejsze badania wykazały efekty dymorficzne płciowo, zwłaszcza w odniesieniu do HIIT i regulacji apetytu ^3,7. Chociaż przewiduje się podobne wyniki, w tym protokole nie testowano zwierząt różnych gatunków, wieku, płci ani wyników zdrowotnych.

W porównaniu z wcześniejszymi modelami, protokół ten demonstruje bardziej efektywną czasowo metodę oceny szeregu zmiennych wynikowych. Na przykład, protokół ten był w stanie zidentyfikować interakcje między HIIT a regulacją apetytu w protokole, który obejmował cztery sesje treningowe tygodniowo przez 8 tygodni, w porównaniu z wcześniejszymi badaniami, które obejmowały pięć sesji treningowych tygodniowo przez 8 tygodni²⁴ lub nawet 12 tygodni treningu⁸. Dodatkowo, ten projekt badania pozwolił na analizę różnych markerów zdrowia, takie jak dane dotyczące ćwiczeń, markery regulacji apetytu i skład ciała. Markery te, jak również adaptacje serca do treningu fizycznego, stanowią obiecujący sposób oceny adaptacji treningowych układu sercowo-naczyniowego. Pomiary funkcji śródbłonka, składu włókien mięśniowych i przerostu miocytów serca można łatwo dodać, aby lepiej zrozumieć te adaptacje wywołane wysiłkiem fizycznym. Co więcej, protokół ten obejmował eskalacje intensywności w oparciu o wydajność. Taki projekt pozwolił na maksymalizację wyników treningu i zapewnił, że szczury nie przystosowały się do środowiska ćwiczeń i nie zbliżyły się do modelu ciągłego treningu o umiarkowanej intensywności pod koniec interwencji. Pokazano to na rysunku 2; w szczególności prędkości sprintu tych zwierząt były ponad dwukrotnie większe niż prędkości osiągnięte w poprzednich publikacjach, które wykazały wiele adaptacji sercowo-naczyniowych, mięśni szkieletowych i termoregulacji zgodnych z interwencjami HIIT²⁵.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Komercyjna karma laboratoryjna do diety kontrolnej	Research Diets Inc., Nowy Brunszwik, NJ	D12450H
Komercyjna karma laboratoryjna do diety wysokotłuszczowej	Research Diets Inc., Nowy Brunszwik, NJ	D12451
Oprogramowanie GraphPad Prism	GraphPad Software Inc., San Diego, Kalifornia
Precyzyjna elektroniczna waga cyfrowa	Ohaus Corporation, Pine Brook, NJ	V11P30
Bieżnia dla gryzoni	Panlab, Barcelona, Hiszpania
Sprague Dawley szczury	Charles River, Durham, Karolina Północna
Stołowe urządzenie do znieczulenia	VetEquip Inc., Livermore, CA	V0557