O aparelho de exercícios projetado para peixes menos afortunados facilita a implementação de diversos protocolos de exercícios com intensidades variadas, manipulando a velocidade do fluxo de água, alcançável por meio da reotaxia.
Artigo de método
O aparelho de exercícios projetado para peixes menos afortunados facilita a implementação de diversos protocolos de exercícios com intensidades variadas, manipulando a velocidade do fluxo de água, alcançável por meio da reotaxia.
Para investigar de forma abrangente os efeitos do exercício na saúde e na doença, os modelos animais desempenham um papel fundamental. O peixe-zebra, um organismo modelo de vertebrado amplamente utilizado, oferece uma plataforma única para tais estudos. Este estudo introduziu o desenvolvimento de um aparelho econômico adaptado para estudos de exercícios de peixe-zebra utilizando materiais prontamente disponíveis. O dispositivo é baseado nos princípios de um túnel de natação e engloba uma rede de tubos e válvulas ligados a uma bomba submersível. O fluxo de água é meticulosamente monitorado por um sensor e regulado por válvulas . Para avaliar a eficácia do aparelho, foram implementados dois protocolos de treinamento: treinamento contínuo de intensidade moderada (MICT) e treinamento intervalado de alta intensidade (HIIT). Os peixes foram treinados coletivamente e seu desempenho na natação foi avaliado por meio de um teste de resistência. Ambos os protocolos de treinamento levaram a melhorias no desempenho da natação após 30 dias de treinamento e induziram alterações na resposta molecular ao exercício em comparação com um grupo controle sedentário. Notavelmente, o HIIT demonstrou eficiência superior em relação ao MICT. O sistema de treinamento do peixe-zebra provou ser uma ferramenta valiosa para investigações em fisiologia do exercício e avança ainda mais a utilidade do modelo do peixe-zebra neste campo.
O exercício físico engloba qualquer movimento corporal realizado pelos músculos esqueléticos que resulte em aumento do gasto energético, sendo o exercício um subconjunto estruturado e repetitivo das atividades físicas1. O exercício, uma atividade multifatorial e econômica que envolve todo o corpo, traz inúmeros benefícios à saúde, como a prevenção da síndrome metabólica e da sarcopenia2. Consequentemente, o campo da fisiologia do exercício tem um interesse significativo, pois busca elucidar como o corpo se adapta ao estresse agudo do exercício, ao estresse crônico do treinamento físico e ao impacto geral do exercício na saúde1.
A realização de estudos de fisiologia do exercício em humanos pode ser cara e demorada devido a desafios no projeto experimental e no monitoramento dos participantes3. Portanto, o uso de modelos animais em ambientes laboratoriais tem sido altamente recomendado devido à sua uniformidade genética e fisiológica. Além disso, em condições controladas de laboratório, os animais geralmente têm estilos de vida sedentários e ingestão regularde alimentos 4. Dentre os modelos animais, os roedores têm sido os mais empregados em pesquisas envolvendo exercício físico1. No entanto, o peixe-zebra (Danio rerio; Hamilton, 1822) é um modelo complementar aos murinos e outras espécies para estudos de exercício 5,6,7,8.
Na pesquisa com peixe-zebra, o exercício físico pode ser realizado usando túneis de natação disponíveis comercialmente ou personalizados. Dentre as opções disponíveis comercialmente, o túnel do tipo Blazka, desenvolvido pelo Sistema Loligo, é o mais utilizado 7,9,10. Este sistema induz a natação forçada através de uma hélice acoplada a um motor elétrico, gerando um fluxo contínuo de água dentro do túnel. Essa capacidade de natação está enraizada no princípio da reotaxia, um comportamento inato nos peixes que os leva a nadar contra as correntes de água e manter sua posição11. A reotaxia permite a medição da velocidade crítica de natação (Ucrit), representando a velocidade máxima que um peixe pode sustentar por um período específico. No entanto, vale ressaltar que esse equipamento, embora valioso para avaliar o comportamento de natação e o consumo de oxigênio, tem um custo significativo12.
Os pesquisadores desenvolveram aparelhos alternativos para o exercício do peixe-zebra, muitas vezes baseados no mecanismo do tipo Blazka10,13,14 ou mecanismos mais simples 8,15,16. No entanto, esses métodos podem ser limitados pelas demandas técnicas do protocolo, incluindo durações prolongadas, despesas substanciais com equipamentos e limitações de rendimento e precisão. Consequentemente, o objetivo principal do estudo foi projetar um sistema de exercícios de peixe-zebra acessível e fácil de usar, usando materiais prontamente disponíveis, fornecendo um novo aparelho alternativo para exercícios físicos em peixes. Um objetivo secundário era implementar regimes de exercícios aeróbicos e anaeróbicos em peixe-zebra, avançando ainda mais na utilização do modelo de peixe-zebra como estratégia de intervenção na pesquisa de exercícios.
Os procedimentos receberam aprovação prévia do Comitê de Ética no Uso de Animais da Universidade Federal de São Paulo (CEUA/UNIFESP nº 9206260521). Apenas fêmeas adultas de Danio rerio selvagem, com 6 meses de idade e peso de 2,5 a 3 g, foram empregadas neste estudo. O equipamento e os reagentes necessários para o estudo estão listados na Tabela de Materiais.
1. Aparelho de exercício de peixe-zebra feito sob medida
NOTA: O aparelho de exercícios foi feito sob medida. Para obter detalhes, consulte a Figura 1, a Tabela Suplementar 1, o Arquivo Suplementar 1 e o Arquivo Suplementar 2.
2. Operação do aparelho
3. Teste de resistência
NOTA: Esta etapa descreve o procedimento para o teste de resistência para determinar a velocidade máxima de natação (Umax) do peixe-zebra.
4. Grupos de exercícios e procedimento
NOTA: Para estabelecer protocolos de exercícios distintos, é essencial incluir um grupo sedentário exposto a condições experimentais idênticas para comparar os efeitos dos protocolos de exercícios, embora sem realizar exercícios de alta intensidade. Também é essencial estabelecer o Umax porque as frações do valor do Umax são necessárias para determinar a intensidade dos protocolos de exercício.
5. Medidas corporais
O aparelho de exercício demonstrou notável eficiência na regulação da velocidade do fluxo. Para aumentar gradualmente a velocidade de natação, o fluxo de água foi aumentado semanalmente para todos os grupos, exceto para o grupo SED, que foi mantido a uma velocidade de fluxo constante de 0,06 m/s. Notavelmente, o aparelho permitiu um nível notável de precisão, alcançando ajustes de velocidade de fluxo tão finos quanto 0,001 m/s. No entanto, a taxa de erro foi de 30% em baixas velocidades, como 0,06 m/s. Em altas velocidades, como 0,3 m/s e 0,5 m/s, a taxa de erro foi de 3%-4% (Figura 2). A velocidade máxima alcançada durante o treinamento foi de 0,4 m/s no SED, 0,44 m/s no MICT e 0,49 m/s nos grupos HIIT no último endurance.
O desempenho físico do peixe-zebra foi avaliado semanalmente usando Umax no teste de resistência. Os resultados revelaram melhorias significativas no desempenho físico do peixe-zebra submetido a MICT e HIIT em comparação com o grupo SED (Figura 4). Tanto o MICT quanto o HIIT foram submetidos à mesma distância percorrida durante o treinamento; no entanto, o grupo HIIT induziu melhorias rápidas, com um aumento significativo na Umax observado após apenas duas semanas (p = 0,0003). Durante o período de treinamento, o grupo HIIT demonstrou uma melhora semanal consistente de 10%, resultando em um aprimoramento geral de aproximadamente 30%. Em contraste, o treinamento MICT levou a ganhos mais graduais, com um aumento notável de ~ 10% no Umax registrado apenas na terceira semana de treinamento, seguido por nenhuma melhora adicional na semana subsequente (p = 0,0024). Esses achados destacam os efeitos diferenciais dos protocolos de treinamento HIIT e MICT no desempenho físico do peixe-zebra.

Figura 1: Projeto do aparelho. (A) Esquemas do aparelho de natação. As setas azuis indicam a direção do fluxo de água. Os comprimentos de tubo relevantes são representados. As letras representam cada componente do aparelho descrito na Tabela Suplementar 1. (B) Fotografia do aparelho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Calibração do sensor de fluxo de água medindo o tempo necessário para um fluxo de 0,5 L. A EPM foi de 0,277 nos grupos de 0,06 m/s, 0,123 nos grupos de 0,3 m/s e 0,109 nos grupos de 0,5 m/s. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Esquemas das conexões do Arduino com o LCD. Os fios apropriados do sensor devem ser conectados ou soldados entre o pino D2 do Arduino e o resistor de 10 kΩ (fio de sinal), o terra do Arduino (fio preto) e 5 V do Arduino (fio vermelho). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Desempenho de natação expresso em velocidade máxima de natação (Umax). A, B e C indicam as diferenças estatísticas entre as estimativas semanais de capacidade de natação dentro de cada grupo. *Indica a diferença entre os grupos, comparação usando análise de variância bidirecional (Tukey posthoc). *p = 0,01; **p = 0,001; p = 0,0001. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Medidas morfológicas. (A) Índices de condição corporal (peso [g] / comprimento padrão [mm]2; IMC). (B) Imagem representativa da medida corporal. (C) Pontuação de Condição Corporal (BCS). A barra de erro corresponde a um intervalo de 0,026 a 0,045 para IMC e 0,4 a 0,96 para BCS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela suplementar 1: Materiais e guia de montagem para o aparelho de exercícios de peixe-zebra. A tabela apresenta letras que se alinham com a ordem de montagem ilustrada na figura. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo Suplementar 1: Esboço anotado do Arduino para medir a velocidade da água. Os comentários para cada linha de código são incorporados após as barras duplas. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo suplementar 2: arquivo Arduino, incluindo os detalhes de configuração. Clique aqui para baixar este arquivo.
Neste estudo, foi desenvolvido um sistema de exercícios inovador e econômico inspirado no respirômetro de túnel de natação da Loligo Systems21 e no sistema de calha22 para o exame abrangente do desempenho de natação do peixe-zebra. O Umax foi determinado pelo aumento sistemático do fluxo de água em estágios discretos, com incrementos de velocidade ocorrendo em intervalos curtos (20-30 min) até que os peixes atingissem a exaustão, caracterizada por três fadigas consecutivas ou a incapacidade de superar a corrente no túnel de natação. Essas determinações foram fundamentais para a elaboração de dois protocolos de exercícios (MICT e HIIT). Ao contrário dos protocolos que envolvem durações de estágio relativamente prolongadas (variando de uma a várias horas), a velocidade do fluxo de água na exaustão é conhecida como Velocidade Crítica de Natação (Ucri)12. Os valores de Umax calculados pelo sistema de exercícios ficaram dentro da faixa observada em outros estudos7, confirmando a eficácia desse aparelho de natação em túnel na avaliação do desempenho físico do peixe-zebra. Além disso, este aparelho compacto possui a versatilidade de cobrir todo o espectro de velocidades de fluxo de água, facilitando a personalização dos protocolos de treinamento aplicados.
No desenvolvimento deste aparelho, é possível criar diferentes protocolos de exercício controlando apenas a velocidade do fluxo de água. Medir com precisão a velocidade do fluxo de água apresentou desafios em baixas velocidades, resultando em uma taxa de erro de aproximadamente 30%. No entanto, a precisão melhorou em velocidades intermediárias e altas, aproximando-se do Umax, com uma medição de velocidade mais confiável e uma taxa de erro reduzida de 3% a 4%. Consequentemente, foi identificada uma limitação na precisão do dispositivo em baixas velocidades. Apesar dessa limitação, o estudo constatou que, mesmo com uma variação de velocidade de 0,02 m/s, não foi observado impacto significativo na capacidade física do grupo SED durante o treinamento. Isso sugere que variações no treinamento de baixa intensidade podem não exercer efeitos significativos sobre a capacidade física, pelo menos no modelo apresentado neste estudo. Outra limitação do aparelho proposto é a ausência de um sensor de oxigênio, impossibilitando a medição do consumo de oxigênio.
Estudos anteriores demonstraram uma notável disparidade na velocidade de natação entre machos e fêmeas adultos, com atribuições sugeridas incluindo distinções morfológicas, como o aumento da circunferência das fêmeas grávidas, e diferenças fisiológicas, como redução da potência muscular em peixes grávidos 5,23,24. Esta investigação submeteu exclusivamente as fêmeas de peixe-zebra ao regime de treinamento, reconhecendo que essas fêmeas passaram por três ciclos reprodutivos antes, durante e após o treinamento, precedendo consistentemente as medidas corporais. Essa abordagem estratégica mitigou efetivamente as diferenças corporais entre os sexos. Além disso, este estudo não revelou diferenças perceptíveis nos parâmetros corporais entre os grupos de treinamento (Figura 5) ou ao comparar as condições pré e pós-treinamento no sexo feminino. Embora não tenha havido controle para a variação da idade entre os indivíduos, está bem documentado que o desempenho da natação e as demandas de energia de locomoção podem flutuar acentuadamente ao longo do ciclo de vida devido à ontogenia, reprodução e senescência25 , 26 , 27 . Apesar das possíveis diferenças de idade dentro de cada grupo, todos os animais foram meticulosamente agrupados com base no tamanho, peso corporal e um estágio adulto sexualmente maduro consistente. Notavelmente, não foram observadas diferenças estatisticamente significativas entre os grupos antes de iniciar o regime de exercícios. Consequentemente, postulou-se que o aumento observado na capacidade de natação pode ser atribuído com segurança apenas aos protocolos de exercícios empregados.
Este estudo teve como objetivo avaliar a eficácia do sistema de exercícios por meio da implementação de dois protocolos de exercícios distintos. Enquanto o MICT envolve um regime de exercícios sustentado e contínuo, o HIIT incorpora rajadas curtas de exercícios de intensidade máxima seguidas por períodos de recuperação breves e menos intensos. Ambos os protocolos foram meticulosamente ajustados para fornecer cargas de treinamento equivalentes durante todo o período de treinamento sem induzir exaustão. O grupo SED foi submetido ao mesmo teste de resistência uma vez por semana durante quatro semanas, como os outros grupos de exercícios, mas exibiu melhora mínima no desempenho. O treinamento de resistência é reconhecido por aumentar o débito cardíaco, o consumo máximo de oxigênio e a biogênese mitocondrial28; no entanto, a frequência semanal de exercícios mostrou-se insuficiente para provocar mudanças significativas no desempenho da natação. Quando o peixe-zebra foi submetido ao treinamento MICT, uma melhora notável no desempenho da natação foi observada após a terceira semana de treinamento. No entanto, não houve mais melhora na semana seguinte. O MICT envolve indivíduos que sustentam uma carga de trabalho submáxima por longos períodos, necessitando de uma potência acima da média22. Mais notavelmente, o grupo HIIT demonstrou a melhora mais substancial, com um aumento significativo no desempenho aparente após apenas duas semanas de treinamento, sustentado até a quarta semana. Embora esteja bem documentado que exercícios curtos e de alta intensidade levam à adaptação da resistência, o tipo específico de exercício responsável por provocar mudanças musculares fenotípicas continua sendo um tópico de investigação em andamento28.
É essencial esclarecer que não há interesses financeiros concorrentes associados à pesquisa apresentada neste manuscrito. Não foram estabelecidas parcerias financeiras ou afiliações com organizações ou entidades que possam influenciar ou influenciar os resultados deste trabalho. Essa afirmação serve como garantia de que o processo de pesquisa foi direto e honesto, sem conflitos financeiros influenciando os resultados. A apresentação deste trabalho é motivada por uma paixão genuína pelo assunto, impulsionada apenas pelo amor pela academia e pela busca do conhecimento científico.
Agradecemos ao Dr. Omar Mertins por generosamente fornecer acesso ao laboratório para a manutenção dos peixes e execução dos testes. Além disso, são agradecimentos à FAPESP, CNPq e CAPES pela concessão de bolsas para apoiar esta pesquisa.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Cotovelo Fêmea CPVC 90 Graus para Encanamento | Tigre | 22150260 | 3/4 polegadas |
| Fio 24AWG | Sky Cablo Store | Conexão entre componentes na Placa de Circuito Perfurado (1m) | |
| Tubo de acrílico | The Clear Plastic Shop | 41138408 | 3/4 de polegada |
| Tanque de Peixes Submersível para Aquário | Tanque | 300w | |
| CPVC Pipe | Tigre | 10121787 | 3/4 polegadas |
| Válvula de Água de Portão Roscado Fêmea | Tigre | 27950310 | 3/4 de polegada |
| Válvula de Água Globo com Rosca Fêmea | Tigre | 27940510 | 3/4 polegadas |
| resistor de furo de calha | BXV | 10 kΩ, 0.25W t | |
| Suporte de Laboratório com Grampo com haste de 30 polegadas | Masiye Labs | RSC0001 | Suporta a tela LCD de tubos horizontais |
| Eichip | 16 x 2, modelo JHD162A | ||
| Jumpers Dupont Macho x Macho | Chyan | Conexão entre arduino e sensor de fluxo (30 cm) | |
| Placa de Circuito Perfurada de um lado | KY WIN ROBOT | 5 x 10 cm | |
| Potenciômetro | LUSYA | DL-ALPSA01 | 10kΩ |
| Rolo de Fita de Bloqueio de Água | One World | 5603131000 | Para evitar vazamentos |
| Mangueira de silicone | Tigre | 14211250 | 2 cm interna |
| Estação de Solda | QHTITEC | PLUGUE EU/US | Sistema de soldagem Arduine |
| Carretel de Fio de Solda | BEEYIHF | I001-A001-Set | Sistema de soldagem Arduine |
| Soquete Macho Rosqueado e Soquete Fêmea Não Rosqueado Encaixe de Tubo CPVC | 35447849 | 3/4 de polegada | |
| Tricaine (MS-222) | Sigma-Aldrich | E10521 | Anestésico |
| UNO-R3 placa UNO R3 CH340G+MEGA328P Chip 16Mhz | FSXSEMI | Para Arduino UNO R3 Placa de Desenvolvimento | |
| Conexão de Tubo CPVC Não Rosqueada, Fêmea | Tigre | 22200267 | 3/4 de polegada |
| Encaixe de Tubo de Soquete CPVC Fêmea Não Rosqueado | Tigre | 22170260 | 3/4 polegadas |
| Sensor de Fluxo de Água modelo YF-B5 | Siqma Robotics | SQ8659 | 1-25 L/min |
| Sunsun | Modelo HJ-2041, 3000L / h, | ||
| reservatório de água | 65W personalizado | 30 L |
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