Summary
Detta protokoll beskriver styrketräning och testning med statiska och dynamiska stegar i djurmodeller.
Abstract
Styrketräning är en fysisk träningsmodell med djupgående fördelar för hälsan under hela livet. Användningen av resistensövningsdjurmodeller är ett sätt att få insikt i de underliggande molekylära mekanismerna som orkestrerar dessa anpassningar. Syftet med denna artikel är att beskriva träningsmodeller och träningsprotokoll utformade för styrketräning och utvärdering av resistens i djurmodeller och ge exempel. I den här artikeln baseras styrketräning och motståndsutvärdering på stegklättringsaktivitet med statiska och dynamiska stegar. Dessa enheter tillåter en mängd olika träningsmodeller samt ger exakt kontroll över de viktigaste variablerna som bestämmer motståndsträning: volym, belastning, hastighet och frekvens. Dessutom, till skillnad från motståndsträning hos människor, är detta en tvångsövning. Således måste aversiva stimuli undvikas i detta ingrepp för att bevara djurens välbefinnande. Före implementeringen är en detaljerad design nödvändig, tillsammans med en acklimatiserings- och inlärningsperiod. Acklimatisering till träningsanordningar, såsom stegar, vikter och klinisk tejp, liksom till de manipuleringar som krävs, är nödvändig för att undvika träningsavstötning och för att minimera stress. Samtidigt lärs djuren att klättra upp stegen, inte ner, till viloplatsen på toppen av stegen. Motståndsutvärdering kan karakterisera fysisk styrka och möjliggöra justering och kvantifiering av träningsbelastningen och svaret på träning. Vidare kan olika typer av styrka utvärderas. När det gäller träningsprogram, med lämplig design och enhetsanvändning, kan de vara tillräckligt mångsidiga för att modulera olika typer av styrka. Dessutom bör de vara tillräckligt flexibla för att modifieras beroende på djurens adaptiva och beteendemässiga svar eller förekomsten av skador. Sammanfattningsvis är styrketräning och bedömning med stegar och vikter mångsidiga metoder inom djurförsök.
Introduction
Fysisk träning är en avgörande livsstilsfaktor för att främja hälsa och minska förekomsten av de vanligaste kroniska sjukdomarna samt vissa typer av cancer hos människor1.
Motståndsträning har ökat intresset på grund av dess överväldigande relevans för hälsan under hela livet2, särskilt på grund av dess fördelar med att motverka åldersrelaterade sjukdomar som påverkar rörelsesystemet, såsom sarkopeni, osteoporos etc3. Dessutom påverkar motståndsträning också vävnader och organ som inte är direkt involverade i utförandet av rörelse, såsom hjärnan4. Denna relevans under de senaste åren har uppmuntrat utvecklingen av resistensträningsmodeller hos djur för att studera de underliggande tissulära och molekylära mekanismerna, när det inte är möjligt hos människor eller när djuren ger bättre insikt och är en mer kontrollerad modell.
Till skillnad från motståndsträning hos människor förlitar sig forskare för djurmodeller vanligtvis på tvångsprocedurer. Aversiva stimuli måste dock undvikas i detta sammanhang, främst för att bevara djurens välbefinnande, minska stress och minska svårighetsgraden av försöksförfarandena5. Det bör noteras att djur tycker om träning även i naturen6. Av dessa skäl är det nödvändigt att förbättra anpassningen till experimentet genom långvarig stegvis acklimatisering.
De anordningar, material och protokoll som används för motståndsträning och bedömning i försöksdjur skall möjliggöra exakt kontroll och modulering av ett stort antal variabler: belastning, volym, hastighet och frekvens7. De bör också tillåta olika typer av muskelsammandragningar: koncentrisk, excentrisk eller isometrisk. Med tanke på ovanstående bör de använda protokollen specifikt kunna utvärdera eller träna för olika tillämpningar av styrka: maximal styrka, hypertrofi, hastighet och uthållighet.
Det finns flera metoder för styrketräning, som att hoppa i vatten8,9, viktad simning i vatten 10 eller muskelelektrostimulering11. Statiska och dynamiska stegar är dock mångsidiga enheter som används i stor utsträckning12,13,14.
Resistensbedömning i experimentella djurmodeller ger värdefull information för många forskningsmiljöer, såsom att beskriva de fenotypiska egenskaperna hos genetiskt modifierade djur, utvärdera effekten av olika interventionsprotokoll (kostkomponenttillskott, läkemedelsbehandlingar, mikrobiotatransplantation etc.) eller bedöma effekten av träningsprotokoll. Träningsmodeller ger insikt i fysiologin för anpassning till styrketräning, vilket hjälper till att bättre förstå effekten av träning på hälsotillstånd och patofysiologi.
Följaktligen finns det inget universellt protokoll för motståndsträning eller funktionell bedömning av styrka i djurmodeller, så mångsidiga protokoll behövs.
Syftet med denna studie är att identifiera de mest relevanta faktorerna som ska beaktas vid utformning och tillämpning av ett protokoll för motståndsträning och utvärdering med hjälp av statiska och dynamiska stegar i djurmodeller, samt ge specifika exempel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
De metoder som presenteras i detta protokoll har utvärderats och godkänts av den tekniska kommittén för djurförsök (referens PROAE 04/2018, Principado de Asturias, Spanien).
1. Planering
- Välj noggrant djur för studien baserat på egenskaperna av intresse (genetiskt modifierade, patologimodeller, ålder etc.) och tillämpa specifika anpassningar till protokollet (klättring utan vikter, minskning av antalet steg att klättra och lutning).
- Identifiera styrkemodaliteten som ska bedömas eller tränas: maximal styrka, uthållighetsmotstånd, hastighet etc. beroende på studiens mål.
- Justera parametrarna noggrant när funktionell bedömning eller träning är inramad, med tanke på om den fokuserar på resultaten av dessa tester eller om de kompletterar andra typer av kliniska, funktionella, histologiska eller molekylära bestämningar.
- Planera alla frågor som rör utbildning, särskilt schema, utbildningsperiodens längd och frekvens av sessioner, och rita en träningstabell.
- Ange uppvärmningsstegen och stegens lutning, som kommer att vara densamma under hela träningen. Ange uppsättningar, repetitioner, belastning (baserat på resultaten av motståndstesterna som gjorts före träningsperioden) och vila däremellan, var uppmärksam på belastningsökningar baserat på föregående session.
- Ändra planen, som med mänsklig träning, beroende på djurets välbefinnande. Ändringar inkluderar minskande repetitioner, ökad vilotid mellan uppsättningar eller repetitioner och minskad belastning för att undvika överträning och skada.
- När du är klar ska du lämna in designen för utvärdering och godkännande av den djurförsöksetiska forskningskommittén.
2. Anordningar och material för motståndsträning
- Enheter: Statiska och dynamiska stegar
OBS: Två typer av stegar, så kallade statiska och dynamiska stegar (se figur 1), kan användas för motståndsträning och utvärdering (se materialförteckning).- Använd en vertikal stege med minst 30 ståltrådssteg med en diameter på 1,5 mm, åtskilda av 15 mm, och en viloplats på minst 20 x 20 cm på toppen av stegen. Stegens lutning måste vara justerbar från 80° till 110° med horisontalplanet (figur 1C). Avgränsa två körfält för att förhindra icke-linjär klättring.
- Använd en dynamisk stege som liknar den statiska stegen, med en plastfilamentbarriär högst upp, som kan öppnas för att kontrollera åtkomsten till viloplatsen och en plastfilamentbarriär längst ner för att förhindra att djuren klättrar ner. Stegens lutningsvinkel måste kunna justeras mellan 80° och 100°, den vanligaste är 85°.
OBS: Stegen kan cirkulera med hjälp av en övre och en nedre axel med en diameter av 8 cm. Nedre axeln drivs av en elmotor som gör att stegen sjunker fram och stiger bak, vilket skapar en oändlig stege. Den är utrustad med en reduktionsväxel och en hastighetsregulator för att sänka hastigheten från 11,6 cm/s till 3,3 cm/s, och den vanligaste hastigheten är 5,6 cm/s.
Figur 1: Motståndsträningsanordningar: statiska och dynamiska stegar. (A) Musträning med yttre vikt på en statisk stege. (B) Två möss som tränar med vikt på en dynamisk stege. (C) Schematisk representation av stegvinklar för träning och utvärdering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Material
- Förbered följande material: vikter, tråd för att hålla vikter, stålgatorklämma och klinisk tejp.
OBS: Vikterna är stålcylindrar med olika massa (5, 10, 15, 20, 25 och 50 g), med ett hål med en diameter på 5 mm i mitten för att stränga dem på en tråd (materialtabell). Tråden för att hålla vikterna är gjord av stål med en diameter på 1-1,5 mm och en längd på 5-10 cm, beroende på antalet vikter som ska laddas. - Skär en bit elastiskt självhäftande bandage (materialtabell) med ca 3,0-3,5 cm x 1,0-1,5 cm storlek och fäst den runt djurets svans för att hålla vikterna. Var noga med att inte dra åt för mycket eftersom det kan leda till blodflödesbegränsning.
OBS: Först kommer djurens beteende att kämpa mot tejpen och bita den, men efter ett par dagar kommer de att tolerera det, sköta som vanligt och inte visa några tecken på stress. - Sätt in önskade vikter i tråden och haka fast gatorklämman (Materialtabell: Stålgatorklämma och tråd för att hålla vikter).
- Kläm fast gator till det kliniska tejpen som är fäst vid djurets svans.
- Omedelbart efter att ha klättrat de nödvändiga stegen, ta bort klämman och låt djuret vila med det kliniska tejpen på svansen, men utan vikt (Figur 1).
- Förbered följande material: vikter, tråd för att hålla vikter, stålgatorklämma och klinisk tejp.
3. Acklimatisering
OBS: Korrekt acklimatisering är viktigt för att undvika avstötning av träning och för att minimera stress. Acklimatisering är ett avgörande steg innan motståndsutvärderingstester eller träningsprotokoll utförs. Tillräcklig tid bör spenderas för att uppnå beteendemässiga tecken på komfort hos djuren. Detaljer om daglig acklimatisering med de statiska och dynamiska stegarna visas i tabell 1 respektive tabell 2.
- Vänj djuren att stanna i viloplatsen högst upp på stegen (statisk eller dynamisk). Lämna djuren på denna plats i grupper om fyra, med sängkläder från buret, i 15 min varje dag. Vanligtvis, efter 3-5 dagar, kommer djuren inte att visa några tecken på stress.
- Lär djur att klättra upp, inte ner, stegen. Använd den statiska stegen och placera mössen på en ringning nära toppen, varifrån de kan se viloplatsen. De kommer instinktivt att gå till det. Lär dem sedan successivt att klättra upp från fem rungs (3x) den första dagen, till 10 rungs (3x) följande dag, upp till 15 rungs (3x) (tabell 1).
Använd samma procedur med den dynamiska stegen, först utan rörelse, och sedan med stegen som rör sig i 5,4 cm / s och 6,6 cm / s och djuren klättrar upp i 2 minuter och slutför fem serier (tabell 2). - Anpassa djuren för att bära vikter, från och med den tredje dagen av acklimatisering. Fäst en bit klinisk tejp på svansens botten som kommer att användas för att hålla vikter.
- Från den sjunde dagen av acklimatisering, fäst små vikter (5-10 g) till det kliniska tejpen med ett gatorklipp. Undvik att utföra för många serier, så anpassningen omvandlas inte till träning.
OBS: Acklimatisering av kontrollgruppen är obligatorisk om denna grupp utför motståndstestet. Efter denna period, utför en stegklättringspåminnelse en gång i veckan, med tejp men utan vikter.
4. Utvärdering av resistens
- Inkrementella tester för att bedöma maximal styrka
OBS: Detta test syftar till att bestämma det maximala motståndet mätt som den maximala vikt vid vilken djuren kan klättra 10 stegar på den statiska stegen, vilket definierar maximalt 10 repetition (10 RM)4. Detta protokoll har anpassats från tidigare studier (granskade i Kregel et al.15).- För uppvärmning utför tre serier med 10-repetitioner, 10 steg/repetition, utan extern belastning. För den första serien sätter du lutningen på 90° och därefter på 85°. Tillåt en viloperiod på 60 s mellan serierna.
- Ställ lutningen på 85° (för att förhindra att vikterna betar eller hakar på stegens stegar).
- Fäst tejpen runt djurets svans för att hålla vikterna och förbereda vikterna som tidigare förklarats.
- Starta testet med en extern belastning på 10 g och utför en serie med 10 steg.
- Ta bort vikten och tillåt en viloperiod på 120 s i viloplatsen.
- Utför successiva serier med 10 steg som ökar den externa belastningen med 5 g tills utmattning. Tillåt viloperioden (120 s) mellan serierna.
- Om ett djur misslyckas med att klättra 10 steg med en viss viktbelastning, tillåt ett nytt försök med samma belastning efter 120 s vila. Om den lyckas klättra med lasten fortsätter den testet med nästa last. Om den misslyckas igen registrerar du viktbelastningen för den senast slutförda serien som dess maximala viktbelastning.
- Testresultatet kan uttryckas som absolut yttre vikt (g), som maximal belastning i förhållande till kroppsvikt (%), eller som massan lyft per gram kroppsvikt, enligt forskarens bedömning.
OBS: Det tidigare protokollet representerar en modell där många modifieringar är möjliga, till exempel för att bedöma maximal resistens hos genetiskt modifierade möss med neuromuskulära funktionshinder. Dessa djur kan inte klättra med yttre belastningar och har svårt att klättra 10 stegar med stegen inställd på 90 ° lutning (opublicerade data). Protokollet bestod av att klättra fem steg utan extern belastning, med början med en lutning på 110°. Lutningen minskade 5° i varje serie till 85° med 120 s vila efter varje serie. I detta fall uttrycktes maximalt motstånd när det ackumulerade antalet steg klättrade (utan att överväga upprepningar efter misslyckanden). Kontrollgruppen av vild typ, efter att ha nått 85 ° lutning, kommer att fortsätta med testet genom att lägga till yttre vikt i svansen, enligt föregående protokoll, tills den är uttömd.
- Provning av maximal uthållighetsbeständighet med den statiska stegen
- För uppvärmning utför tre serier med 10-repetitioner, 10 steg/repetition, utan extern belastning. För den första serien, ställ in lutningen på 90° och därefter på 85°. Tillåt en viloperiod på 60 s mellan serierna.
- Ställ lutningen på 85°.
- Klipp vikten på det kliniska tejpen som placeras runt musens svans.
OBS: Beroende på djurens ålder och egenskaper kan den yttre belastningen vara den maximala vikt som erhållits i ett tidigare inkrementellt test, en procentandel av den (t.ex. 50%) eller en procentandel av kroppsvikten (t.ex. 100%-200%). Om detta test utförs efter en träningsperiod rekommenderas att du använder samma belastning som i det ursprungliga testet för att bedöma förändringarna. - Utför på varandra följande serier med 10 steg tills utmattning. Ingen vilotid är tillåten efter varje serie.
- Testresultatet är antalet klättrade steg.
- Provning av maximal uthållighetsbeständighet med den dynamiska stegen
OBS: Användningen av den dynamiska stegen gör det möjligt för forskaren att kontrollera klättringshastigheten.- Ställ lutningen på 85°.
- Ställ in hastigheten på 4,2 cm/s.
- För uppvärmning utför tre serier med 100 steg, utan extern belastning. Tillåt en viloperiod på 60 s mellan serierna.
- Klipp vikten på det kliniska tejpen som placeras runt mussvansen.
OBS: Beroende på djurens ålder och egenskaper kan den yttre belastningen vara den maximala vikt som erhållits i ett tidigare inkrementellt test, en procentandel av den (t.ex. 50%) eller en procentandel av kroppsvikten (t.ex. 100%-200%). Om detta test utförs efter en träningsperiod rekommenderas att du använder samma belastning som i det ursprungliga testet för att bedöma förändringarna. - Börja med 4,2 cm/s och öka hastigheten med 1,2 cm/s var 60:e sekund tills den är uttömd.
OBS: Testresultatet är träningstiden, antalet klättrade steg eller maxhastigheten.
5. Motståndsträning med statisk stege
OBS: Innan du börjar träningsperioden är acklimatisering (tabell 1) och träningsplanering nödvändig. För att minska ångest, anpassa och träna mössen i grupper om fyra djur som delar samma bur.
- För daglig uppvärmning utför tre serier med 10 repetitioner, 10 steg/repetition, utan extern belastning. För den första serien sätter du lutningen på 90° och därefter på 85°. Tillåt en viloperiod på 60 s mellan serierna.
- Träningspasset börjar i viloplatsen. Klipp gator med vikten på det kliniska tejpen.
- Placera försiktigt musen 10-20 rungs under viloplatsen. Låt musen greppa ringen och klättra upp till viloplatsen.
Upprepa denna process tills antalet stegar i denna serie (t.ex. 10 rungs x 10-serien) är klart. - Ta bort vikten från mussvansen och vänta i 120 s tills nästa serie.
- Öka antalet steg och den maximala viktbelastningen för serien under hela träningsperioden, samtidigt som du behåller veckoschemat.
OBS: Ett exempel på variationen av laster under en veckas planering visas i tabell 3. Inom kort, tisdag och fredag med hög viktbelastning (40-50 g) och ett lågt antal steg (500-400); Måndag och torsdag med mellanliggande viktbelastning (25-35 g) och ett mellanliggande antal steg (800-600); och onsdag utan viktbelastning men ett stort antal steg (2 000). Denna design underlättar återhämtning från tidigare träningspass och undviker skador och överträning. Exempel på 3 veckors träning med flera konstruktioner med hjälp av den statiska stegen visas i tabell 4 (i början, i mitten respektive i slutet av träningsperioden)4.
6. Motståndsträning med dynamisk stege
OBS: Efter acklimatisering är träningen på den dynamiska stegen ganska lik den statiska (tabell 2). Träning utförs på 2-4 möss åt gången.
- Ställ in lutningen på 85°, stäng dörren till rastplatsen och starta stegen med önskad hastighet (t.ex. 5,4 cm/s).
- För uppvärmning utför tre serier med 100 steg, utan extern belastning. Tillåt en viloperiod på 60 s mellan serierna.
- Innan träningspassen börjar, när musen är i viloplatsen, klipp gatorn med vikten på det kliniska tejpen. Alternativt kan vikten fästas när musen redan är på stegen.
- Placera försiktigt musen högst upp på den rörliga trappan med vikten på svansen. Låt mössen greppa ringen och klättra.
- När antalet steg i denna serie har uppnåtts (t.ex. 100), ta bort vikterna. Sedan öppnas dörren så att djuret kan gå till viloplatsen. Vilotiden är 120 s innan nästa serie.
OBS: Antalet klättrade steg räknas som en funktion av klättringstiden vid den inställda hastigheten. - Upprepa den här proceduren tills träningspasset är klart. Det detaljerade dagliga träningsprogrammet visas i tabell 5.
7. Utvärdering av crossover-effekten av motståndsträning på uthållighetsprestanda
OBS: För detta utförs ett inkrementellt löpbandstest4, efter 24 timmars vila.
- Efter en uppvärmning på 3 min vid 10 cm/s, starta det inkrementella testet med 10 cm/s och 10° lutningsvinkel.
- Öka hastigheten med 3,33 cm/s var 3:e minut tills det är utmattat.
OBS: Inga elektriska stötar används, så en målarborste placeras på baksidan av löpbandet för att förhindra att mössen rinner av den.
8. Djurbeteende under försök
OBS: Kontinuerlig övervakning av mössens anpassning till träning bör utföras för att upptäcka extrem trötthet, överträning eller skada.
- Observera tecken på djurskydd, särskilt gromning och vägran till utbildning. Musens normala beteende, efter en serie intensiv träning, är att förbli inaktiv i ungefär en minut på grund av trötthet. Därefter börjar de sköta, utforska eller försöka ta bort tejpen på svansen.
- Om en mus vägrar att träna en serie, försök att ge längre vila eller till och med inte utföra den serien för att förhindra hämning.
- Ibland, när du utför lätta övningar, tryck försiktigt på djurets svans för att uppmuntra det att avsluta serien. Djuren slutar klättra eftersom det inte är en krävande uppgift. Omvänt, när djur bär en tung belastning, flytta försiktigt djurets vikt för att underlätta belastningen och uppmuntra den att avsluta serien och låt sedan djuret vila till nästa träningspass. Djuren kan stanna eller till och med försöka sjunka på grund av den tunga belastningen.
9. Säkerhetsförfaranden
- Säkerhetsrutiner för forskare: Utför forskning i djuranläggningens laboratorium och använd skoskydd, överdragskläder, handskar, mössor och masker. Det finns inga andra krav än de som är specifika för djurförsök.
- Säkerhet för djur: Under träningspassen måste kontinuerlig uppmärksamhet ägnas åt djuren på grund av potentiella risker, såsom fall eller hopp. Placera en hand under vikterna för att fånga och hålla mössen vid fall på grund av utmattning, eftersom dess förmåga att hålla fast vid rungs ordentligt kommer att begränsas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultat med statisk stege
Det progressiva motståndsträningsprotokollet som används och beskrivs av Codina-Martinez et al.4 (tabell 4) testades i en preliminär studie bestående av 7 veckors träning på en statisk stege med 6 månader gamla vildtyp C57BL6J-möss (n = 4). I denna förstudie utfördes inkrementella tester för att bedöma maximal styrka före och efter träningsperioden. Vi observerade en ökning av maximal styrka med 46,4%, vilket innebär att de i slutet av träningsperioden kunde klättra med 1,9 gånger sin kroppsvikt (opublicerade data).
I studien av Codina-Martínez et al.4 tränades hanmöss (C57BL6N/129Sv) med brist på Atg4b 16 och deras motsvarande kontroller av vildtyp (8 veckor gamla, n = 36 per genotyp) i 14 veckor (tabell 4). Inkrementella tester för att bedöma maximal resistens, före och efter träningsperioden, visade en procentuell förändring på 44% hos tränade vilda djur och 15,3% hos atg4b-/- möss.
I en annan studie tränades 8 veckor gamla C57BL6N-möss i 4 veckor, 5 dagar/vecka (n = 8) (opublicerade data). Alla pass utformades för att uppnå samma träningsvolym genom en kombination av antalet klättrade steg (eller avstånd mot tyngdkraften) och viktbelastning17 och baserades på resultaten som erhållits i ett maximalt styrketest före träningsperioden. Antalet steg per träningspass varierade mellan 400-2 000 beroende på den maximala viktbelastningen, som varierade mellan 25-65% av den maximala viktbelastningen vid förträningstestet. Vi valde dessa maximala viktintervall eftersom det har beskrivits att under 75% av maximal vikt finns det ingen hastighetsförlust för att klättra 1 RM, vilket är viktigt för att standardisera intensiteten för submaximala ansträngningar18. Återigen, före och efter träningsperioden, utfördes inkrementella tester för att bedöma maximal styrka. Den genomsnittliga procentandelen variation i denna parameter var 40%. Toppstyrkan nåddes av en 27 g mus, som kunde klättra 10 RM med 120 g efter träningsperioden.
Resultat med dynamisk stege
För att utvärdera den dynamiska stegen som ett verktyg för motståndsträning genomförde vi ett experiment i syfte att bedöma effekten av två typer av styrketräning: uthållighet-motståndsträning och styrketräning. Utformningen och resultaten av denna studie visas här för första gången. 8 veckor gamla C57BL6N-möss delades in i tre grupper: Icke-tränad kontroll (C, n = 5), uthållighetsmotstånd (E-R, n = 8) och styrka (S, n = 7). Efter en 3-veckors (12 sessioner) acklimatiseringsperiod (tabell 2) tränades möss i 6 veckor, 5 dagar / vecka (måndag till fredag), med början klockan 9:00, för totalt 22 sessioner. För att minska ångest tränades möss i grupper om fyra djur som delar samma bur. Aversiva stimuli undviks, för att minimera stress. E-R-gruppen utförde tre gånger fler repetitioner med 1/3 av viktbelastningen jämfört med S-gruppen, så de utförde alla samma ackumulerade arbete, med olika kombinationer av belastning och repetitioner. Hastigheten var konstant för alla grupper, satt till 5,4 cm/s. Lutningen sattes till 85°.
Variablernas normalitet testades med Shapiro-Wilk-testet. Resultaten visas som medelvärde ± standardavvikelse (SD). t-test och ANOVA (Bonferroni post-hoc) användes för statistiska skillnader. Betydande förändringar sattes till p < 0,05. Statistikprogrammet R (www.r-project.org) användes för alla statistiska analyser.
Alla djur som ingick i tränings- och kontrollgruppen slutförde studien. Det genomsnittliga dagliga födointaget per mus var 2,8 ± 0,11 g för C, 3,2 ± 0,24 g för E-R och 3,3 ± 0,13 g för S. Tränade möss hade ett högre födointag än kontrollmöss (p < 0,05). Det fanns dock ingen skillnad i kroppsvikt efter interventionen (C: 28,0 ± 3,18 g, E-R: 28,5 ± 1,93 och S: 28,1 ± 2,52 g).
Den signifikanta ökningen av maximal styrka efter träningsperioden observerades i S (29,5 ±1 0,9%) och E-R-grupper (41,5 ± 2,5% ökning), medan en icke-signifikant ökning observerades för C (20,0 ± 4,0%) (Figur 2). Uthållighetsmotståndet mätt i slutet av träningsperioden (figur 3) var signifikant högre i E-R-gruppen jämfört med S (122,5 vs 26,9 steg, p = 0,005) och C-grupperna (122,5 mot 18,8 steg, p = 0,013).
Cross-training-effekten av dessa modeller och effekten av styrketräning på uthållighet studerades också. För detta ändamål utförde alla djur stegvisa maximala uthållighetstester på ett löpband före och efter träningsperioden, i enlighet med de protokoll som tidigare beskrivits19. En signifikant förlust i uthållighet observerades i C (Pre: 1219 ± 133 s vs. Post: 982 ± 149 s, p = 0,004), medan inga signifikanta förändringar observerades för S (Pre: 1364 ± 285 s vs. Post: 1225 ± 94 s, p = 0,253) och E-R (Pre: 1139 ± 96 s vs. Post: 1185 ± 84 s, p = 0,164).
Figur 2: Maximal styrka uppmätt med hjälp av ett inkrementellt test, före och efter en 6-veckors motståndsträningsperiod på en dynamisk stege enligt två träningsmodeller: Styrka och uthållighetsmotstånd. Förklaring: * p < 0,05; ** p < 0,01. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Maximal uthållighetsresistens uppmätt med ett maximalt uthållighetsmotståndstest, före och efter en 6-veckors motståndsträningsperiod på en dynamisk stege, enligt två träningsmodeller: Styrka och uthållighetsmotstånd. Förklaring: C: Kontroll; S: Styrka och E-R: uthållighet-motstånd. * p < 0,05. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Tabell 1: Exempel på ett 10-dagars acklimatiseringsprotokoll med en statisk stege och vildtypsmöss. Klicka här för att ladda ner den här tabellen.
Tabell 2: Exempel på ett 14-dagars acklimatiseringsprotokoll med en dynamisk stege och vildtypsmöss. Klicka här för att ladda ner den här tabellen.
Tabell 3: Exempel på en träningsvecka med en statisk stege. Förklaring: Rep: repetitioner, Steg: antal steg, Lutning: vinkel med horisontalplanet och belastning: vikt (g) fäst vid svansen. Klicka här för att ladda ner den här tabellen.
Tabell 4: Exempel på tre veckors träning med en statisk stege som en del av en 14-veckors träningsperiod. Märkt som låg (sessioner 1-4), medium (10-14) och hög belastning (30-34). Förklaring: Rep: repetitioner, Steg: antal steg, Lutning: vinkel med horisontalplanet och belastning: vikt (g) fäst vid svansen. Denna tabell är anpassad från Codina-Martinez et al. 20204. Klicka här för att ladda ner den här tabellen.
Tabell 5: Exempel på träning med en dynamisk stege. Program för två grupper av uthållighetsmotstånd och styrketräning. Förklaring: Uppvärmningen är gemensam för båda grupperna. Lutningen är inställd på 85°. Klicka här för att ladda ner den här tabellen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Träning är en intervention med flera tillämpningar inom forskning, förutom studiet av själva träningen. Således har analysen av dess effekt på åldrande20 eller vissa patologiska tillstånd och sjukgymnastik21 fått stor uppmärksamhet de senaste åren. Dessutom har många författare analyserat effekten av farmakologiska22 ellerdietiska 21 interventioner på fysisk kondition. I detta sammanhang har intresse uppstått för att analysera olika träningsmetoder separat, med ett växande intresse för motståndsträning. Motståndsträning framkallar ett annat molekylärt svar på uthållighet i många vävnader 23,24 och har också visat sig ha en specifik effekt på ett antal patologiska tillstånd21.
Användningen av djurmodeller för studier av motståndsträning är ett verktyg med flera tillämpningar. Det möjliggör karakterisering av en specifik fenotyp i modeller av patologier eller genetiskt modifierade djur, även om denna beskrivning vanligtvis inte ingår. Dessutom ger implementeringen av träningsprotokoll och utvärderingen av deras inverkan på dessa modeller insikt i fysiologin eller patofysiologin för dessa tillstånd25.
Vissa författare har tidigare genomfört styrketräning med råttorna 12,13 och möss 4,14, med hjälp av olika träningsmodeller. Vissa författare har tillämpat isometriska muskelkontraktionsprotokoll för att träna och bedöma styrka26. Överbelastning hoppade i vattnet och viktad simning tillämpades också 9,10. Nervstimulering utförd under anestesi11 och kombination av motståndsträning med kirurgiska ingrepp för att orsaka biomekanisk muskelöverbelastning och muskelhypertrofi27 har också gjorts.
Några av insatserna för att förbättra motståndet har dock vissa svagheter. Påtvingad träning med elchocker har visat sig störa experimentella resultat28. Vissa av procedurerna är stressande eftersom de förlitar sig på tvångssimning för att förhindra att djuret drunknar 9,10. Nervstimulering är inte en frivillig muskelkontraktion och utförs under anestesi11. Det enklaste tillvägagångssättet för motståndsträning och bedömning är det för icke-invasiva procedurer med koncentriska / excentriska muskelkontraktioner.
Även om de vanligaste enheterna för att tillämpa dessa protokoll är statiska stegar där djuren klättrar med yttre vikter, kan motståndsträning också utföras med dynamiska enheter. I detta avseende använde Konhilas et al.29 viktade hjul. Detta tillvägagångssätt är dock mer som en högintensiv uthållighetsövning, så specificitet skulle gå förlorad. I den här artikeln visar vi för första gången protokoll för motståndsträning och motståndsutvärdering med hjälp av en dynamisk stege, vilket möjliggör mycket mångsidiga tillvägagångssätt. Resultat vid genomförandet ingår också. Dessutom innebär användningen av en dynamisk stege mindre manipulation av djuren, eftersom de kan klättra med vikt kontinuerligt utan att behöva klättra en serie steg som med en statisk stege.
Kraftbedömningen av toppkrafter kan utföras med hjälp av greppstyrka30 och vridmoment som genereras av direkt nervstimulering31. Bedömningen av styrka med hjälp av stegarna är användbar för efterföljande träningsplanering. Den dynamiska stegen gör det också möjligt att utföra tidsgränstester och utvärdera antalet steg som en funktion av lasten. Denna procedur motsvarar det maximala antalet viktrepetitionstester som utförs på människor7.
Dessutom, i förhållande till tränings- och bedömningsmetoder, betonar vi i denna artikel acklimatisering som en nyckelfaktor för att undvika träningsvägran på både statiska och dynamiska stegar. Denna acklimatisering uppnås inte genom matbelöning, som beskrivs i Yarsheski et al.13, utan genom att lära mössen att nå viloplatserna högst upp på stegarna, så att de är motiverade att klättra, utan behov av matbegränsningar. Vårt mål har varit att uppnå humaniserad djurträning, som föreslagits av Seo et al.32. I detta avseende är det också värt att notera att mössen, efter detta protokoll, utbildas i grupper samtidigt som den sociala interaktionen upprätthålls. I de protokoll som visas i detta dokument var djurens vägran av träning obefintlig i både de statiska och dynamiska stegarna. Detta kan bero på anpassningsprotokollet.
Våra resultat visar att olika protokoll med olika djurmodeller var effektiva för att förbättra maximal styrka. De var också tillräckligt känsliga för att upptäcka skillnader mellan genetiskt modifierade djur med förändringar i muskelfunktion och vilda djur, både i maximal resistens och som svar på träning4. Dessutom visade en jämförelse av träningsprogrammen med den dynamiska stegen (styrka och uthållighetsmotstånd) att alla grupper av möss ökade sin maximala styrka, inklusive C. För C kan det bero på att mössen var unga i början av träningsperioden och fortfarande växer. Ändå var förbättringen i S- och E-R-grupperna mycket större, vilket är bevis på effekten av träning. I uthållighetstestet efter träningen, som bestod av att klättra så många steg som möjligt med den maximala vikt som erhölls i det inkrementella testet före träning, var E-R-gruppen klart överlägsen S- och C-grupperna. Vidare visade det inkrementella löpbandstestet att det inte fanns någon minskning av uthålligheten i någon av de tränade grupperna medan en minskning observerades i C-gruppen. Detta överensstämmer med styrketräningens korsträningseffekt på uthållighet som tidigare beskrivits33. Dessa resultat tyder å ena sidan på specificiteten hos de motståndsträningsprotokoll som presenteras i denna studie för att öka motståndet och uthållighetskapaciteten. Samtidigt visar båda träningsmetoderna en mångsidig effekt på fysisk kondition34, förmodligen på grund av en mängd olika molekylära mekanismer som utlöses av varje träningsmodell, överlappande till viss del23.
Även om dessa träningsmodeller påverkade det totala motståndet hos de inblandade djurgrupperna, har vi också observerat en stor heterogenitet både i individernas startmotstånd och i svaret på träning (figur 2 och figur 3). Denna iakttagelse ligger i linje med vad som har beskrivits av andra författare35. Detta bör beaktas vid tolkningen av resultaten av interventionen i de olika parametrar som ska utvärderas i de prover som erhållits från dessa djur.
Slutligen är den statiska stegen också lämplig för excentrisk träning. Det kan utföras genom att sjunka med en nästan maximal eller supramaximal belastning. Den belastning som används för denna procedur måste vara hög (t.ex. 90%-100% eller högre av den maximala inkrementella koncentriska testbelastningen). När möss bär en nästan maximal belastning försöker de naturligtvis sjunka. Vid excentrisk träning är det nödvändigt att låta djuren sjunka snarare än att stiga upp under acklimatiseringsperioden. Av denna anledning är det inte lätt att kombinera både koncentrisk och excentrisk träning hos möss, och endast en träningsmodell är möjlig vid en given tidpunkt.
Huvudbegränsningen för de protokoll som presenteras här är att utvärdering av någon typ av styrka, såsom maximal isometrisk styrka inte är möjlig så andra enheter och protokoll, såsom greppstyrka, måste användas.
Sammanfattningsvis är motståndsträning och bedömning med statiska och dynamiska stegar en genomförbar metod inom djurförsök, med ett brett spektrum av protokoll beroende på syftet med studien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Den korresponderande författaren ser till att alla författare inte har några intressekonflikter.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes delvis av Ministerio de Economía y Competitividad, Spanien (DEP2012-39262 till EI-G och DEP2015-69980-P till BF-G). Tack till Frank Mcleod Henderson Higgins från McLeod's English Centre i Asturien, Spanien, för språkhjälp.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dynamic ladder | in-house production | ||
| Elastic adhesive bandage 6 cm x 2.5 m | BSN medical | 4005556 | |
| Gator Clip Steel NON-INSUL 10A | Digikey electronics | BC60ANP | |
| Static ladder | in-house production | ||
| Weights | in-house production | ||
| Wire for holding weigths | in-house production |
References
- Pedersen, B. K., Saltin, B. Exercise as medicine - evidence for prescribing exercise as therapy in 26 different chronic diseases. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 25, Suppl 3 1-72 (2015).
- Westcott, W. L. Resistance training is medicine: effects of strength training on health. Current Sports Medicine Reports. 11 (4), 209-216 (2012).
- Garatachea, N., et al. Exercise attenuates the major hallmarks of aging. Rejuvenation Research. 18 (1), 57-89 (2015).
- Codina-Martinez, H., et al. Autophagy is required for performance adaptive response to resistance training and exercise-induced adult neurogenesis. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 30 (2), 238-253 (2020).
- Conner, J. D., Wolden-Hanson, T., Quinn, L. S. Assessment of murine exercise endurance without the use of a shock grid: an alternative to forced exercise. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), e51846 (2014).
- Meijer, J. H., Robbers, Y.
- Suchomel, T. J., Nimphius, S., Bellon, C. R., Hornsby, W. G., Stone, M. H. Training for muscular strength: Methods for monitoring and adjusting training intensity. Sports Medicine. 51 (10), 2051-2066 (2021).
- Pousson, M., Perot, C., Goubel, F. Stiffness changes and fibre type transitions in rat soleus muscle produced by jumping training. Pflügers Archive. 419 (2), 127-130 (1991).
- Marqueti, R. C., et al. Biomechanical responses of different rat tendons to nandrolone decanoate and load exercise. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 21 (6), 91-99 (2011).
- Cunha, T. S., Tanno, A. P., Costa Sampaio Moura, M. J., Marcondes, F. K. Influence of high-intensity exercise training and anabolic androgenic steroid treatment on rat tissue glycogen content. Life Sciences. 77 (9), 1030-1043 (2005).
- Heinemeier, K. M., et al. Expression of collagen and related growth factors in rat tendon and skeletal muscle in response to specific contraction types. The Journal of Physiology. 582, 1303-1316 (2007).
- Hornberger, T. A., Farrar, R. P. Physiological hypertrophy of the FHL muscle following 8 weeks of progressive resistance exercise in the rat. Canadian Journal of Applied Physiology. 29 (1), 16-31 (2004).
- Yarasheski, K. E., Lemon, P. W., Gilloteaux, J. Effect of heavy-resistance exercise training on muscle fiber composition in young rats. Journal of Applied Physiology. 69 (2), 434-437 (1990).
- Khamoui, A. V., et al. Aerobic and resistance training dependent skeletal muscle plasticity in the colon-26 murine model of cancer cachexia. Metabolism. 65 (5), 685-698 (2016).
- Kregel, K. C., et al. Resource book for the design of animal exercise protocols. American Physiological Society. 152, (2006).
- Marino, G., et al. Autophagy is essential for mouse sense of balance. The Journal of Clinical Investigation. 120 (7), 2331-2344 (2010).
- Figueiredo, V. C., de Salles, B. F., Trajano, G. S. Volume for muscle hypertrophy and health outcomes: The most effective variable in resistance training. Sports Medicine. 48 (3), 499-505 (2018).
- Gentil, P., et al. Using velocity loss for monitoring resistance training effort in a real-world setting. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 43 (8), 833-837 (2018).
- Fernández-Sanjurjo, M., et al. Is physical performance (in mice) increased by Veillonella atypica or decreased by Lactobacillus bulgaricus. Journal of Sport and Health Science. 9 (3), 197-200 (2020).
- Shiguemoto, G. E., et al. Effects of resistance training on matrix metalloproteinase-2 activity and biomechanics and physical properties of bone in ovariectomized and intact rats. Scandivavian Journal of Medicine & Science in Sports. 22 (5), 607-617 (2012).
- de Sousa Neto, I. V., et al. Effects of resistance training on matrix metalloproteinase activity in skeletal muscles and blood circulation during aging. Frontiers in Physiology. 9, 190 (2018).
- Ghosh, S., Golbidi, S., Werner, I., Verchere, B. C., Laher, I. Selecting exercise regimens and strains to modify obesity and diabetes in rodents: an overview. Clinical Science. 119 (2), 57-74 (2010).
- Mônico-Neto, M., et al. Resistance training minimizes catabolic effects induced by sleep deprivation in rats. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 40 (11), 1143-1150 (2015).
- Hawley, J. A., Hargreaves, M., Joyner, M. J., Zierath, J. R.
- Booth, F. W., Laye, M. J., Spangenburg, E. E. Gold standards for scientists who are conducting animal-based exercise studies. Journal of Applied Physiology. 108 (1), 219-221 (1985).
- Kruger, K., et al. Functional and muscular adaptations in an experimental model for isometric strength training in mice. PLoS One. 8 (11), 79069 (2013).
- Hendrickse, P. W., Krusnauskas, R., Hodson-Tole, E., Venckunas, T., Degens, H. Endurance exercise plus overload induces fatigue resistance and similar hypertrophy in mice irrespective of muscle mass. Experimental Physiology. 105 (12), 2110-2122 (2020).
- Knab, A. M., et al.
- Konhilas, J. P., et al. Loaded wheel running and muscle adaptation in the mouse. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 289 (1), 455-465 (2005).
- Reiter, A., et al. Functional measures of grip strength and gait remain altered long-term in a rat model of post-traumatic elbow contracture. The Journal of Biomechanical Engineering. , (2019).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Seo, D. Y., et al. Humanized animal exercise model for clinical implication. Pflügers Archiv. 466 (9), 1673-1687 (2014).
- Tanaka, H., Swensen, T. Impact of resistance training on endurance performance. A new form of cross-training. Sports Medicine. 25 (3), 191-200 (1998).
- Hakkinen, K., Mero, A., Kauhanen, H. Specificity of endurance, sprint and strength training on physical performance capacity in young athletes. The Journal of Sports Medicine and Physical Fitness. 29 (1), 27-35 (1989).
- Vellers, H. L., Kleeberger, S. R., Lightfoot, J. T. Inter-individual variation in adaptations to endurance and resistance exercise training: genetic approaches towards understanding a complex phenotype. Mammalian Genome. 29 (1), 48-62 (2018).
