Summary
Il presente protocollo descrive l'allenamento e i test di resistenza utilizzando scale statiche e dinamiche in modelli animali.
Abstract
L'allenamento di resistenza è un modello di esercizio fisico con profondi benefici per la salute per tutta la vita. L'uso di modelli animali di esercizi di resistenza è un modo per ottenere informazioni sui meccanismi molecolari sottostanti che orchestrano questi adattamenti. Lo scopo di questo articolo è descrivere modelli di esercizi e protocolli di allenamento progettati per l'allenamento della forza e la valutazione della resistenza in modelli animali e fornire esempi. In questo articolo, l'allenamento della forza e la valutazione della resistenza si basano sull'attività di arrampicata su scale, utilizzando scale statiche e dinamiche. Questi dispositivi consentono una varietà di modelli di allenamento e forniscono un controllo preciso delle principali variabili che determinano l'esercizio di resistenza: volume, carico, velocità e frequenza. Inoltre, a differenza dell'esercizio di resistenza negli esseri umani, questo è un esercizio forzato. Pertanto, gli stimoli avversivi devono essere evitati in questo intervento per preservare il benessere degli animali. Prima dell'implementazione, è necessaria una progettazione dettagliata, insieme a un periodo di acclimatazione e apprendimento. L'acclimatazione ai dispositivi di allenamento, come scale, pesi e nastro clinico, nonché alle manipolazioni richieste, è necessaria per evitare il rifiuto dell'esercizio e ridurre al minimo lo stress. Allo stesso tempo, agli animali viene insegnato a salire la scala, non giù, fino all'area di riposo in cima alla scala. La valutazione della resistenza può caratterizzare la forza fisica e consentire di regolare e quantificare il carico di allenamento e la risposta all'allenamento. Inoltre, possono essere valutati diversi tipi di forza. Per quanto riguarda i programmi di allenamento, con un design e un uso del dispositivo appropriati, possono essere sufficientemente versatili da modulare diversi tipi di forza. Inoltre, dovrebbero essere abbastanza flessibili da essere modificati a seconda della risposta adattiva e comportamentale degli animali o della presenza di lesioni. In conclusione, l'allenamento di resistenza e la valutazione con scale e pesi sono metodi versatili nella ricerca sugli animali.
Introduction
L'esercizio fisico è un fattore determinante dello stile di vita per promuovere la salute e ridurre l'incidenza delle malattie croniche più diffuse e di alcuni tipi di cancro nell'uomo1.
L'esercizio di resistenza ha suscitato interesse a causa della sua schiacciante rilevanza per la salute per tutta la vita2, soprattutto a causa dei suoi benefici nel contrastare le malattie legate all'età che colpiscono il sistema locomotore, come la sarcopenia, l'osteoporosi, ecc3. Inoltre, l'esercizio di resistenza colpisce anche tessuti e organi non direttamente coinvolti nell'esecuzione del movimento, come il cervello4. Questa rilevanza negli ultimi anni ha incoraggiato lo sviluppo di modelli di esercizi di resistenza negli animali per studiare i meccanismi tissutali e molecolari sottostanti, quando non è possibile nell'uomo o quando gli animali forniscono una migliore comprensione e sono un modello più controllato.
A differenza dell'esercizio di resistenza negli esseri umani, per i modelli animali i ricercatori di solito si affidano a procedure forzate. Tuttavia, gli stimoli avversivi devono essere evitati in questo contesto, principalmente per preservare il benessere degli animali, ridurre lo stress e diminuire la gravità delle procedure sperimentali5. Va notato che gli animali godono di esercizio fisico anche in natura6. Per questi motivi, è necessario migliorare l'adattamento all'esperimento attraverso un acclimatamento graduale prolungato.
I dispositivi, i materiali e i protocolli utilizzati per l'allenamento e la valutazione della resistenza negli animali da esperimento devono consentire il controllo preciso e la modulazione di numerose variabili: carico, volume, velocità e frequenza7. Dovrebbero anche consentire di eseguire diversi tipi di contrazioni muscolari: concentriche, eccentriche o isometriche. Considerando quanto sopra, i protocolli utilizzati dovrebbero essere in grado di valutare o allenare specificamente per diverse applicazioni di forza: forza massima, ipertrofia, velocità e resistenza.
Esistono diversi metodi di allenamento della forza, come il salto in acqua8,9, il nuoto ponderato in acqua 10 o l'elettrostimolazione muscolare11. Tuttavia, le scale statiche e dinamiche sono dispositivi versatili ampiamente utilizzati12,13,14.
La valutazione della resistenza in modelli animali sperimentali fornisce informazioni preziose per molti contesti di ricerca, come la descrizione delle caratteristiche fenotipiche degli animali geneticamente modificati, la valutazione dell'effetto di diversi protocolli di intervento (integrazione di componenti dietetici, trattamenti farmacologici, trapianto di microbiota, ecc.) o la valutazione dell'effetto dei protocolli di allenamento. I modelli di allenamento forniscono informazioni sulla fisiologia dell'adattamento all'esercizio di forza, che aiuta a comprendere meglio l'effetto dell'esercizio sullo stato di salute e sulla fisiopatologia.
Di conseguenza, non esiste un protocollo universale per l'allenamento di resistenza o la valutazione funzionale della forza nei modelli animali, quindi sono necessari protocolli versatili.
Lo scopo di questo studio è identificare i fattori più rilevanti da considerare quando si progetta e si applica un protocollo per l'allenamento e la valutazione della resistenza utilizzando scale statiche e dinamiche in modelli animali, nonché fornire esempi specifici.
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Protocol
I metodi presentati in questo protocollo sono stati valutati e approvati dal comitato tecnico per la ricerca animale (riferimento PROAE 04/2018, Principado de Asturias, Spagna).
1. Pianificazione
- Selezionare accuratamente gli animali per lo studio in base alle caratteristiche di interesse (geneticamente modificati, modelli patologici, età, ecc.) e applicare adattamenti specifici al protocollo (arrampicata senza pesi, riduzione del numero di pioli da salire e inclinazione).
- Identificare la modalità di forza da valutare o allenare: forza massima, resistenza-resistenza, velocità, ecc. a seconda degli obiettivi dello studio.
- Regolare attentamente i parametri quando viene inquadrata la valutazione funzionale o l'allenamento, considerando se si concentra sui risultati di questi test o se sono complementari ad altri tipi di determinazioni cliniche, funzionali, istologiche o molecolari.
- Pianificare tutte le questioni relative alla formazione, in particolare l'orario, la durata del periodo di formazione e la frequenza delle sessioni e disegnare una tabella di allenamento.
- Specificare i passaggi di riscaldamento e l'inclinazione della scala, che sarà la stessa durante l'allenamento. Specificare le serie, le ripetizioni, il carico (in base ai risultati dei test di resistenza eseguiti prima del periodo di allenamento) e riposare nel mezzo, prestando attenzione agli aumenti di carico in base alla sessione precedente.
- Modificare il piano, come con l'addestramento umano, a seconda del benessere dell'animale. Le modifiche includono la diminuzione delle ripetizioni, l'aumento del tempo di riposo tra le serie o le ripetizioni e la diminuzione del carico per evitare sovrallenamento e lesioni.
- Al termine, presentare il progetto per la valutazione e l'approvazione da parte del comitato di ricerca sull'etica animale.
2. Dispositivi e materiali per l'esercizio di resistenza
- Dispositivi: scale statiche e dinamiche
NOTA: Due tipi di scale, le cosiddette scale statiche e dinamiche (vedi Figura 1), possono essere utilizzate per l'allenamento e la valutazione della resistenza (vedi Tabella dei materiali).- Utilizzare una scala verticale con almeno 30 gradini di filo d'acciaio di 1,5 mm di diametro, separati da 15 mm, e un'area di appoggio di almeno 20 x 20 cm sulla parte superiore della scala. La pendenza della scala deve essere regolabile da 80° a 110° con il piano orizzontale (Figura 1C). Delimitare due corsie per impedire l'arrampicata non lineare.
- Utilizzare una scala dinamica simile alla scala statica, con una barriera di filamenti di plastica nella parte superiore, che può essere aperta per controllare l'accesso all'area di riposo, e una barriera di filamenti di plastica nella parte inferiore, per impedire agli animali di scendere. L'angolo di inclinazione della scala deve essere regolabile tra 80° e 100°, il più comune è 85°.
NOTA: La scala può circolare per mezzo di un albero superiore e uno inferiore con un diametro di 8 cm. L'albero inferiore è azionato da un motore elettrico che fa scendere i gradini nella parte anteriore e salire nella parte posteriore, creando una scala senza fine. È dotato di un riduttore e di un regolatore di velocità per abbassare la velocità da 11,6 cm/s a 3,3 cm/s, e la velocità più comune è di 5,6 cm/s.
Figura 1: Dispositivi di allenamento della resistenza: scale statiche e dinamiche. (A) Allenamento del mouse con peso esterno su una scala statica. (B) Due topi che si allenano con il peso su una scala dinamica. (C) Rappresentazione schematica degli angoli delle scale per la formazione e la valutazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
- Materiali
- Preparare i seguenti materiali: pesi, filo per tenere pesi, clip per alligatori in acciaio e nastro adesivo clinico.
NOTA: I pesi sono cilindri di acciaio di massa diversa (5, 10, 15, 20, 25 e 50 g), con un foro di 5 mm di diametro al centro per infilarli su un filo (Tabella dei materiali). Il filo per contenere i pesi è realizzato in acciaio con un diametro di 1-1,5 mm e una lunghezza di 5-10 cm, a seconda del numero di pesi da caricare. - Tagliare un pezzo di benda adesiva elastica (Table of Materials) di circa 3,0-3,5 cm x 1,0-1,5 cm e attaccarlo intorno alla coda dell'animale per sostenere i pesi. Assicurati di non stringere eccessivamente in quanto potrebbe portare a una restrizione del flusso sanguigno.
NOTA: All'inizio, il comportamento degli animali combatterà contro il nastro e lo morderà, ma dopo un paio di giorni, lo tollereranno, toelettando come al solito e non mostrando segni di stress. - Inserire i pesi desiderati nel filo e agganciare la clip gator (Tabella dei materiali: clip gator in acciaio e filo per tenere i pesi).
- Blocca l'alligatore al nastro clinico attaccato alla coda dell'animale.
- Immediatamente dopo aver scalato i pioli richiesti, rimuovere il morsetto e lasciare riposare l'animale con il nastro clinico sulla coda, ma senza il peso (Figura 1).
- Preparare i seguenti materiali: pesi, filo per tenere pesi, clip per alligatori in acciaio e nastro adesivo clinico.
3. Acclimatazione
NOTA: Una corretta acclimatazione è essenziale per evitare il rifiuto dell'esercizio e ridurre al minimo lo stress. L'acclimatazione è una fase cruciale prima che vengano eseguiti test di valutazione della resistenza o protocolli di allenamento. Dovrebbe essere speso un tempo adeguato per ottenere segni comportamentali di comfort negli animali. I dettagli dell'acclimatazione giornaliera con le scale statiche e dinamiche sono mostrati rispettivamente nella Tabella 1 e nella Tabella 2.
- Abituare gli animali a stare nell'area di riposo in cima alla scala (statica o dinamica). Lascia gli animali in questo posto in gruppi di quattro, con lettiere dalla loro gabbia, per 15 minuti ogni giorno. Di solito, dopo 3-5 giorni, gli animali non mostreranno segni di stress.
- Insegna agli animali a salire, non a scendere, la scala. Usando la scala statica, posiziona i topi su un gradino vicino alla cima, da dove possono vedere l'area di riposo. Istintivamente ci andranno. Quindi, insegna loro a salire progressivamente da cinque gradini (3x) il primo giorno, a 10 gradini (3x) il giorno seguente, fino a 15 gradini (3x) (Tabella 1).
Utilizzare la stessa procedura con la scala dinamica, prima senza movimento, poi con la scala che si muove a 5,4 cm/s e 6,6 cm/s e gli animali che salgono per 2 minuti, completando cinque serie (Tabella 2). - Adattare gli animali a trasportare pesi, a partire dal terzo giorno di acclimatazione. Attaccare un pezzo di nastro clinico alla base della coda che verrà utilizzato per contenere i pesi.
- Dal settimo giorno di acclimatazione, attaccare piccoli pesi (5-10 g) al nastro clinico con una clip di gator . Evita di eseguire troppe serie, in modo che l'adattamento non si trasformi in allenamento.
NOTA: L'acclimatazione del gruppo di controllo è obbligatoria nel caso in cui questo gruppo esegua il test di resistenza. Dopo questo periodo, eseguire un promemoria di arrampicata una volta alla settimana, con nastro adesivo ma senza pesi.
4. Valutazione della resistenza
- Test incrementali per valutare la resistenza massima
NOTA: Questo test intende determinare la resistenza massima misurata come il peso massimo al quale gli animali possono salire 10 pioli sulla scala statica, che definisce il massimo di 10 ripetizioni (10 RM)4. Questo protocollo è stato adattato da studi precedenti (rivisti in Kregel et al.15).- Per il riscaldamento eseguire tre serie di 10 ripetizioni, 10 passi/ripetizione, senza carico esterno. Per la prima serie impostare la pendenza a 90°, e successivamente a 85°. Lasciare un periodo di riposo di 60 s tra una serie e l'altra.
- Impostare la pendenza a 85° (per evitare che i pesi sfiorano o si aggancino ai pioli della scala).
- Attacca il nastro intorno alla coda dell'animale per contenere i pesi e prepara i pesi come spiegato in precedenza.
- Inizia il test con un carico esterno di 10 g ed esegui una serie di 10 passaggi.
- Rimuovere il peso e consentire un periodo di riposo di 120 s nell'area di riposo.
- Eseguire serie successive di 10 passaggi aumentando il carico esterno di 5 g fino all'esaurimento. Lasciare il periodo di riposo (120 s) tra una serie e l'altra.
- Se un animale non riesce a salire 10 gradini con un particolare carico di peso, consentire un altro tentativo con lo stesso carico dopo 120 s di riposo. Se riesce a salire con il carico, continua il test con il carico successivo. Se si guasta di nuovo, registrare il carico di peso dell'ultima serie completata come carico di peso massimo.
- Il risultato del test può essere espresso come peso esterno assoluto (g), come carico massimo in relazione al peso corporeo (%), o come massa sollevata per grammo di peso corporeo, a discrezione del ricercatore.
NOTA: Il protocollo precedente rappresenta un modello su cui sono possibili numerose modifiche, ad esempio, per valutare la massima resistenza di topi geneticamente modificati con disabilità neuromuscolari. Questi animali non sono in grado di arrampicarsi con carichi esterni e hanno difficoltà a salire 10 pioli con la scala impostata a 90° di pendenza (dati non pubblicati). Il protocollo consisteva nel salire cinque gradini senza carico esterno, partendo da una pendenza di 110°. La pendenza è diminuita di 5° in ogni serie fino a 85° con 120 s di riposo dopo ogni serie. In questo caso, la resistenza massima è stata espressa come il numero accumulato di passi saliti (senza considerare le ripetizioni dopo i fallimenti). Il gruppo di controllo wild-type, dopo aver raggiunto la pendenza di 85°, proseguirà con la prova aggiungendo peso esterno alla coda, seguendo il protocollo precedente, fino ad esaurimento.
- Test di massima resistenza-resistenza con la scala statica
- Per il riscaldamento eseguire tre serie di 10 ripetizioni, 10 passi/ripetizione, senza carico esterno. Per la prima serie, impostare la pendenza a 90° e successivamente a 85°. Lasciare un periodo di riposo di 60 s tra una serie e l'altra.
- Impostare la pendenza a 85°.
- Agganciare il peso sul nastro clinico posto intorno alla coda del mouse.
NOTA: A seconda dell'età e delle caratteristiche degli animali, il carico esterno può essere il peso massimo ottenuto in un precedente test incrementale, una percentuale di esso (ad esempio, 50%) o una percentuale del peso corporeo (ad esempio, 100% -200%). Se questo test viene eseguito dopo un periodo di allenamento, si consiglia di utilizzare lo stesso carico del test iniziale per valutare le modifiche. - Eseguire serie consecutive di 10 passaggi fino all'esaurimento. Non è consentito alcun tempo di riposo dopo ogni serie.
- Il risultato del test è il numero di pioli saliti.
- Test di massima resistenza-resistenza con la scala dinamica
NOTA: L'uso della scala dinamica consente al ricercatore di controllare la velocità di salita.- Impostare la pendenza a 85°.
- Impostare la velocità a 4,2 cm/s.
- Per il riscaldamento eseguire tre serie di 100 passi, senza carico esterno. Lasciare un periodo di riposo di 60 s tra una serie e l'altra.
- Agganciare il peso sul nastro clinico posto intorno alla coda del mouse.
NOTA: A seconda dell'età e delle caratteristiche degli animali, il carico esterno può essere il peso massimo ottenuto in un precedente test incrementale, una percentuale di esso (ad esempio, 50%) o una percentuale del peso corporeo (ad esempio, 100% -200%). Se questo test viene eseguito dopo un periodo di allenamento, si consiglia di utilizzare lo stesso carico del test iniziale per valutare le modifiche. - Iniziare a 4,2 cm/s e aumentare la velocità di 1,2 cm/s ogni 60 s fino ad esaurimento.
NOTA: Il risultato del test è il tempo di esercizio, il numero di pioli saliti o la velocità massima.
5. Allenamento di resistenza con scala statica
NOTA: Prima di iniziare il periodo di formazione, sono necessari l'acclimatazione (Tabella 1) e la pianificazione dell'allenamento. Per ridurre l'ansia, adattare e addestrare i topi in gruppi di quattro animali che condividono la stessa gabbia.
- Per il riscaldamento quotidiano eseguire tre serie di 10 ripetizioni, 10 passi/ripetizione, senza carico esterno. Per la prima serie impostare la pendenza a 90°, e successivamente a 85°. Lasciare un periodo di riposo di 60 s tra una serie e l'altra.
- La sessione di allenamento inizia nell'area di riposo. Aggancia l'alligatore con il peso sul nastro clinico.
- Posizionare delicatamente il mouse 10-20 pioli sotto il luogo di riposo. Consentire al mouse di afferrare il gradino e salire sull'area di riposo.
Ripetere questo processo fino al completamento del numero di pioli in questa serie (ad esempio, 10 pioli x 10 serie). - Rimuovere il peso dalla coda del mouse e attendere 120 secondi fino alla serie successiva.
- Aumentare il numero di passi e i carichi di peso massimi della serie durante tutto il periodo di allenamento, mantenendo il programma settimanale.
NOTA: un esempio della variazione dei carichi durante la pianificazione settimanale è mostrato nella tabella 3. A breve, martedì e venerdì con carico di peso elevato (40-50 g) e un basso numero di passi (500-400); lunedì e giovedì con carico di peso intermedio (25-35 g) e un numero intermedio di passi (800-600); e mercoledì senza carico di peso ma un numero elevato di passi (2.000). Questo design facilita il recupero dalle precedenti sessioni di allenamento ed evita infortuni e sovrallenamento. Esempi di 3 settimane di allenamento con più progetti utilizzando la scala statica sono mostrati nella Tabella 4 (rispettivamente all'inizio, al centro e alla fine del periodo di formazione)4.
6. Allenamento di resistenza con scala dinamica
NOTA: Dopo l'acclimatazione, l'allenamento sulla scala dinamica è abbastanza simile a quello statico (Tabella 2). L'allenamento viene eseguito su 2-4 topi alla volta.
- Impostare la pendenza a 85°, chiudere la porta dell'area di riposo e avviare la scala alla velocità desiderata (ad esempio, 5,4 cm/s).
- Per il riscaldamento eseguire tre serie di 100 passi, senza carico esterno. Lasciare un periodo di riposo di 60 s tra una serie e l'altra.
- Prima dell'inizio delle sessioni di allenamento, quando il topo si trova nell'area di riposo, agganciare l'alligatore con il peso sul nastro clinico. In alternativa, il peso può essere fissato quando il mouse è già sulla scala.
- Posiziona delicatamente il mouse in cima alla scala mobile con il peso sulla coda. Lascia che i topi afferrino il gradino e salire.
- Quando viene raggiunto il numero di pioli in questa serie (ad esempio, 100), rimuovere i pesi. Quindi la porta viene aperta in modo che l'animale possa andare nell'area di riposo. Il tempo di riposo è di 120 s prima della serie successiva.
NOTA: Il numero di gradini saliti viene conteggiato in funzione del tempo di salita alla velocità impostata. - Ripetere questa procedura fino al completamento della sessione di allenamento. Il programma di allenamento giornaliero dettagliato è mostrato nella Tabella 5.
7. Valutazione dell'effetto crossover dell'allenamento di resistenza sulle prestazioni di resistenza
NOTA: Per questo, viene eseguito un test incrementale sul tapis roulant4, dopo 24 ore di riposo.
- Dopo un riscaldamento di 3 minuti a 10 cm/s, iniziare la prova incrementale a 10 cm/s e angolo di inclinazione di 10°.
- Aumentare la velocità di 3,33 cm/s ogni 3 minuti fino ad esaurimento.
NOTA: non vengono utilizzate scosse elettriche, quindi un pennello da pittore viene posizionato sul retro del tapis roulant per evitare che i topi scappino via.
8. Comportamento animale durante le procedure
NOTA: Il monitoraggio continuo dell'adattamento dei topi all'allenamento deve essere eseguito per rilevare affaticamento estremo, sovrallenamento o lesioni.
- Osservare i segni del benessere degli animali, in particolare la toelettatura e il rifiuto dell'addestramento. Il comportamento normale del topo, dopo una serie di allenamenti intensi, è quello di rimanere inattivo per circa un minuto a causa della stanchezza. Dopo di ciò, iniziano a pulire, esplorare o cercare di rimuovere il nastro sulla coda.
- Nel caso in cui un topo si rifiuti di allenare una serie, prova a dare pause più lunghe o addirittura a non eseguire quella serie per prevenire l'inibizione.
- Occasionalmente, quando si eseguono esercizi leggeri, spingere delicatamente la coda dell'animale, per incoraggiarlo a finire la serie. Gli animali smettono di arrampicarsi perché non è un compito impegnativo. Al contrario, quando gli animali trasportano un carico pesante, sposta delicatamente il peso dell'animale per alleggerire il carico e incoraggiarlo a finire la serie, quindi consentire all'animale di riposare fino alla prossima sessione di allenamento. Gli animali possono fermarsi o addirittura tentare di scendere a causa del carico pesante.
9. Procedure di sicurezza
- Procedure di sicurezza per i ricercatori: condurre ricerche nel laboratorio della struttura per animali e utilizzare copriscarpe, tute, guanti, berretti e maschere. Non ci sono requisiti aggiuntivi oltre a quelli specifici per la ricerca sugli animali.
- Sicurezza per gli animali: Durante le sessioni di allenamento è necessario prestare un'attenzione continua agli animali, a causa di potenziali rischi, come cadute o salti. Metti una mano sotto i pesi per catturare e tenere i topi in caso di caduta a causa dell'esaurimento, poiché la sua capacità di trattenere correttamente i pioli sarà limitata.
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Representative Results
Risultati con scala statica
Il protocollo di allenamento progressivo di resistenza utilizzato e descritto da Codina-Martinez et al.4 (Tabella 4) è stato testato in uno studio preliminare consistente in 7 settimane di allenamento su una scala statica con topi C57BL6J wild-type di 6 mesi (n = 4). In questo studio preliminare, sono stati eseguiti test incrementali per valutare la forza massima prima e dopo il periodo di allenamento. Abbiamo osservato un aumento del 46,4% della forza massima, il che significa che alla fine del periodo di allenamento sono stati in grado di salire con 1,9 volte il loro peso corporeo (dati non pubblicati).
Nello studio di Codina-Martínez et al.4, topi maschi (C57BL6N/129Sv) carenti di Atg4b 16 e dei loro corrispondenti controlli wild-type (8 settimane, n = 36 per genotipo) sono stati addestrati per 14 settimane (Tabella 4). Test incrementali per valutare la resistenza massima, prima e dopo il periodo di addestramento, hanno mostrato una variazione percentuale del 44% negli animali selvatici addestrati e del 15,3% nei topi atg4b-/-.
In un altro studio, topi C57BL6N di 8 settimane sono stati addestrati per 4 settimane, 5 giorni / settimana (n = 8) (dati non pubblicati). Tutte le sessioni sono state progettate per ottenere lo stesso volume di esercizio attraverso una combinazione del numero di passi saliti (o distanza contro la gravità) e del carico di peso17 e si sono basate sui risultati ottenuti in un test di forza massima prima del periodo di allenamento. Il numero di passi per sessione di allenamento variava tra 400-2.000 a seconda del carico di peso massimo, che variava tra il 25-65% del carico di peso massimo al test pre-allenamento. Abbiamo selezionato questi intervalli di peso massimo perché è stato descritto che al di sotto del 75% del peso massimo non vi è alcuna perdita di velocità per salire 1 RM, che è importante per standardizzare l'intensità degli sforzi submassimali18. Ancora una volta, prima e dopo il periodo di allenamento, sono stati eseguiti test incrementali per valutare la forza massima. La percentuale media di variazione di questo parametro è stata del 40%. La forza di picco è stata raggiunta da un topo da 27 g, che è stato in grado di salire 10 RM con 120 g dopo il periodo di allenamento.
Risultati con scala dinamica
Per valutare la scala dinamica come strumento per l'allenamento di resistenza, abbiamo condotto un esperimento con l'obiettivo di valutare l'effetto di due tipi di allenamento della forza: allenamento di resistenza-resistenza e allenamento della forza. Il design e i risultati di questo studio sono mostrati qui per la prima volta. I topi C57BL6N di 8 settimane sono stati divisi in tre gruppi: controllo non addestrato (C, n = 5), resistenza alla resistenza (E-R, n = 8) e forza (S, n = 7). Dopo un periodo di acclimatazione di 3 settimane (12 sessioni) (Tabella 2), i topi sono stati addestrati per 6 settimane, 5 giorni / settimana (dal lunedì al venerdì), a partire dalle 9:00, per un totale di 22 sessioni. Per ridurre l'ansia, i topi sono stati addestrati in gruppi di quattro animali che condividono la stessa gabbia. Gli stimoli avversivi sono stati evitati, per ridurre al minimo lo stress. Il gruppo E-R ha eseguito tre volte più ripetizioni con 1/3 del carico di peso rispetto al gruppo S, quindi tutti hanno eseguito lo stesso lavoro accumulato, con diverse combinazioni di carico e ripetizioni. La velocità era costante per tutti i gruppi, fissata a 5,4 cm/s. La pendenza è stata fissata a 85°.
La normalità delle variabili è stata testata utilizzando il test di Shapiro-Wilk. I risultati sono mostrati come media ± deviazione standard (SD). t-test e ANOVA (Bonferroni post-hoc) sono stati utilizzati per le differenze statistiche. Variazioni significative sono state fissate a p < 0,05. Il software statistico R (www.r-project.org) è stato utilizzato per tutte le analisi statistiche.
Tutti gli animali inclusi nel gruppo addestrato e di controllo hanno completato lo studio. L'assunzione media giornaliera di cibo per topo è stata di 2,8 ± 0,11 g per C, 3,2 ± 0,24 g per E-R e 3,3 ± 0,13 g per S. I topi esercitati avevano un apporto alimentare più elevato rispetto ai topi di controllo (p < 0,05). Tuttavia, non vi è stata alcuna differenza nel peso corporeo dopo l'intervento (C: 28,0 ± 3,18 g, E-R: 28,5 ± 1,93 e S: 28,1 ± 2,52 g).
L'aumento significativo della forza massima dopo il periodo di allenamento è stato osservato nei gruppi S (29,5 ±1 0,9%) ed E-R (aumento del 41,5 ± del 2,5%), mentre un aumento non significativo è stato osservato per C (20,0 ± 4,0%) (Figura 2). La resistenza alla resistenza misurata alla fine del periodo di allenamento (Figura 3) era significativamente più alta nel gruppo E-R rispetto ai gruppi S (122,5 vs 26,9 pioli, p = 0,005) e C (122,5 vs 18,8 pioli, p = 0,013).
È stato studiato anche l'effetto cross-training di questi modelli e l'effetto dell'allenamento della forza sulla resistenza. A tal fine, tutti gli animali hanno eseguito un test incrementale di resistenza massimale su un tapis roulant prima e dopo il periodo di allenamento, secondo i protocolli precedentemente descritti19. Una perdita significativa di resistenza è stata osservata in C (Pre: 1219 ± 133 s vs. Post: 982 ± 149 s, p = 0,004), mentre non sono stati osservati cambiamenti significativi per S (Pre: 1364 ± 285 s vs. Post: 1225 ± 94 s, p = 0,253) ed E-R (Pre: 1139 ± 96 s vs. Post: 1185 ± 84 s, p = 0,164).
Figura 2: Forza massima misurata utilizzando un test incrementale, prima e dopo un periodo di allenamento di resistenza di 6 settimane su una scala dinamica seguendo due modelli di allenamento: Forza e Resistenza-Resistenza. Legenda: * p < 0.05; ** p < 0,01. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Massima resistenza-resistenza misurata utilizzando un test di resistenza-resistenza massimale, prima e dopo un periodo di allenamento di resistenza di 6 settimane su una scala dinamica, seguendo due modelli di allenamento: Forza e Resistenza-Resistenza. Legenda: C: Controllo; S: Forza ed E-R: Resistenza-Resistenza. * p < 0,05. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Tabella 1: Esempio di un protocollo di acclimatazione di 10 giorni con una scala statica e topi wild-type. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 2: Esempio di un protocollo di acclimatazione di 14 giorni con una scala dinamica e topi wild-type. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 3: Esempio di una settimana di allenamento con una scala statica. Legenda: Rep: ripetizioni, Passi: numero di pioli saliti, Pendenza: angolo con il piano orizzontale e carico: peso (g) attaccato alla coda. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 4: Esempio di tre settimane di allenamento con una scala statica come parte di un periodo di allenamento di 14 settimane. Etichettato come basso (sessioni 1-4), medio (10-14) e carico alto (30-34). Legenda: Rep: ripetizioni, Passi: numero di pioli saliti, Pendenza: angolo con il piano orizzontale e carico: peso (g) attaccato alla coda. Questa tabella è adattata da Codina-Martinez et al. 20204. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 5: Esempio di allenamento con scala dinamica. Programma di due gruppi di resistenza-resistenza e allenamento della forza. Legenda: Il riscaldamento è comune a entrambi i gruppi. La pendenza è impostata a 85°. Clicca qui per scaricare questa tabella.
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Discussion
La formazione è un intervento con molteplici applicazioni nella ricerca, oltre allo studio dell'esercizio stesso. Pertanto, l'analisi del suo effetto sull'invecchiamento20 o su determinate condizioni patologiche e sulla terapia fisica21 ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni. Inoltre, numerosi autori hanno analizzato l'effetto degli interventi farmacologici22 o dietetici21 sulla forma fisica. In questo contesto, è sorto interesse nell'analizzare separatamente diverse modalità di esercizio, con un interesse emergente per l'esercizio di resistenza. L'esercizio di resistenza provoca una diversa risposta molecolare alla resistenza in numerosi tessuti 23,24 e ha anche dimostrato di avere un effetto specifico su una serie di condizioni patologiche21.
L'uso di modelli animali per lo studio dell'esercizio di resistenza è uno strumento con molteplici applicazioni. Permette la caratterizzazione di un fenotipo specifico in modelli di patologie o animali geneticamente modificati, sebbene questa descrizione non sia solitamente inclusa. Inoltre, l'implementazione di protocolli di esercizio e la valutazione del loro impatto su questi modelli fornisce informazioni sulla fisiologia o fisiopatologia di queste condizioni25.
Alcuni autori hanno precedentemente condotto un allenamento di resistenza con ratti 12,13 e topi 4,14, utilizzando diversi modelli di allenamento. Alcuni autori hanno applicato protocolli isometrici di contrazione muscolare per allenare e valutare la forza26. Sono stati applicati anche il salto di sovraccarico in acqua e il nuoto ponderato 9,10. Sono stati eseguiti anche la stimolazione nervosa eseguita in anestesia11 e la combinazione di allenamento di resistenza con procedure chirurgiche per causare sovraccarico muscolare biomeccanico e ipertrofia muscolare27.
Tuttavia, alcuni degli interventi per migliorare la resistenza hanno alcuni punti deboli. È stato dimostrato che l'esercizio forzato con scosse elettriche interferisce con i risultati sperimentali28. Alcune delle procedure sono stressanti perché si basano sul nuoto forzato per evitare che l'animale anneghi 9,10. La stimolazione nervosa non è una contrazione muscolare volontaria e viene eseguita in anestesia11. L'approccio più semplice all'allenamento e alla valutazione della resistenza è quello delle procedure non invasive che utilizzano contrazioni muscolari concentriche/eccentriche.
Sebbene i dispositivi più comuni per applicare questi protocolli siano scale statiche su cui gli animali si arrampicano con pesi esterni, l'esercizio di resistenza potrebbe essere effettuato anche utilizzando dispositivi dinamici. A questo proposito, Konhilas et al.29 hanno utilizzato ruote ponderate. Tuttavia, questo approccio è più simile a un esercizio di resistenza ad alta intensità, quindi la specificità andrebbe persa. In questo articolo, mostriamo, per la prima volta, protocolli per l'allenamento di resistenza e la valutazione della resistenza utilizzando una scala dinamica, che consente approcci molto versatili. Sono inclusi anche i risultati della loro attuazione. Inoltre, l'uso di una scala dinamica significa meno manipolazione degli animali, in quanto possono arrampicarsi con il peso continuamente, senza la necessità di salire una serie di gradini come con una scala statica.
La valutazione della forza delle forze di picco può essere eseguita utilizzando la forza di presa30 e la coppia generata dalla stimolazione nervosa diretta31. La valutazione della forza utilizzando le scale è utile per la successiva pianificazione dell'allenamento. La scala dinamica consente inoltre di effettuare prove time-limit, valutando il numero di gradini in funzione del carico. Questa procedura equivale al numero massimo di test di ripetizione del peso eseguiti nell'uomo7.
Inoltre, in relazione ai metodi di formazione e valutazione, in questo articolo sottolineiamo l'acclimatazione come fattore chiave per evitare il rifiuto dell'allenamento su scale sia statiche che dinamiche. Questa acclimatazione non si ottiene con la ricompensa alimentare, come descritto in Yarsheski et al.13, ma insegnando ai topi a raggiungere le aree di riposo in cima alle scale, in modo che siano motivati a salire, senza la necessità di restrizioni alimentari. Il nostro obiettivo è stato quello di ottenere un esercizio umanizzato sugli animali, come suggerito da Seo et al.32. A questo proposito, vale anche la pena notare che, seguendo questo protocollo, i topi vengono addestrati in gruppi mantenendo l'interazione sociale. Nei protocolli mostrati in questo documento, il rifiuto degli animali di addestrarsi era inesistente sia nelle scale statiche che dinamiche. Ciò potrebbe essere dovuto al protocollo di adattamento.
I nostri risultati mostrano che diversi protocolli con diversi modelli animali sono stati efficaci nel migliorare la forza massima. Erano anche abbastanza sensibili da rilevare differenze tra animali geneticamente modificati con alterazioni nella funzione muscolare e animali selvatici, sia nella massima resistenza che in risposta all'addestramento4. Inoltre, un confronto dei programmi di allenamento con la scala dinamica (forza e resistenza-resistenza) ha mostrato che tutti i gruppi di topi hanno aumentato la loro forza massima, incluso C. Per C, questo potrebbe essere dovuto al fatto che i topi erano giovani all'inizio del periodo di allenamento e ancora in crescita. Anche così, il miglioramento nei gruppi S ed E-R è stato molto maggiore, il che è la prova dell'effetto dell'allenamento. Inoltre, nel test di resistenza post-allenamento, che consisteva nel salire il maggior numero possibile di passi con il peso massimo ottenuto nel test incrementale prima dell'allenamento, il gruppo E-R era chiaramente superiore ai gruppi S e C. Inoltre, il test incrementale del tapis roulant ha mostrato che non vi è stata alcuna diminuzione della resistenza in nessuno dei gruppi allenati, mentre è stata osservata una diminuzione nel gruppo C. Ciò è coerente con l'effetto cross-training dell'allenamento di resistenza sulla resistenza precedentemente descritto33. Questi risultati suggeriscono, da un lato, la specificità dei protocolli di allenamento di resistenza presentati in questo studio per aumentare le capacità di resistenza e resistenza. Allo stesso tempo, entrambe le modalità di allenamento mostrano un effetto diverso sulla forma fisica34, probabilmente a causa di un insieme diversificato di meccanismi molecolari innescati da ciascun modello di allenamento, sovrapponendosi in una certa misura23.
Sebbene questi modelli di allenamento abbiano influenzato la resistenza complessiva dei gruppi di animali coinvolti, abbiamo anche osservato una grande eterogeneità sia nella resistenza iniziale degli individui che nella risposta all'addestramento (Figura 2 e Figura 3). Questa osservazione è in linea con quanto descritto da altri autori35. Questo dovrebbe essere considerato quando si interpretano i risultati dell'intervento nei diversi parametri da valutare nei campioni ottenuti da questi animali.
Infine, la scala statica è adatta anche per l'allenamento eccentrico. Può essere eseguito scendendo con un carico quasi massimale o sopramassimale. Il carico applicato per questa procedura deve essere elevato (ad esempio, 90%-100% o superiore al carico di prova concentrico incrementale massimo). Quando i topi portano un carico quasi massimo, cercano naturalmente di scendere. Nel caso di addestramento eccentrico, è necessario consentire agli animali di scendere piuttosto che salire durante il periodo di acclimatazione. Per questo motivo, non è facile combinare sia l'allenamento concentrico che quello eccentrico nei topi e solo un modello di allenamento è fattibile in un dato momento.
La principale limitazione dei protocolli qui presentati è che la valutazione di alcuni tipi di forza, come la forza isometrica massima, non è possibile, quindi devono essere utilizzati altri dispositivi e protocolli, come la forza di presa.
In conclusione, l'allenamento di resistenza e la valutazione utilizzando scale statiche e dinamiche, è un metodo fattibile nella ricerca sugli animali, con una vasta gamma di protocolli a seconda dell'obiettivo dello studio.
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Disclosures
L'autore corrispondente garantisce che tutti gli autori non abbiano conflitti di interesse.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato in parte sostenuto dal Ministerio de Economía y Competitividad, Spagna (DEP2012-39262 a EI-G e DEP2015-69980-P a BF-G). Grazie a Frank Mcleod Henderson Higgins del McLeod's English Centre nelle Asturie, Spagna, per l'assistenza linguistica.
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 |
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