Summary
הליך זה מתאר מודל אימון התנגדות גלגל ריצה טעון פרוגרסיבי הניתן לתרגום בעכברים. היתרון העיקרי של מודל אימון התנגדות זה הוא שהוא התנדבותי לחלוטין, ובכך מפחית את הלחץ על בעלי החיים ואת העומס על החוקר.
Abstract
מודלים של תרגילים המבוססים על התנגדות מכרסמים שפותחו בעבר, כולל אבלציה סינרגטית, גירוי חשמלי, טיפוס בסולם משוקלל, ולאחרונה, משיכה במזחלות משוקללות, יעילים מאוד במתן גירוי היפרטרופי כדי לגרום להסתגלות שרירי השלד. בעוד שמודלים אלה הוכחו כבעלי ערך רב למחקר שרירי שלד, הם פולשניים או לא רצוניים ועתירי עבודה. למרבה המזל, זני מכרסמים רבים רצים מרצונם למרחקים ארוכים כאשר ניתנת להם גישה לגלגל ריצה. מודלים של ריצת גלגלים טעונים (LWR) במכרסמים מסוגלים לגרום להתאמות הנצפות בדרך כלל באימוני התנגדות בבני אדם, כגון עלייה במסת שריר והיפרטרופיה של סיבים, כמו גם גירוי של סינתזת חלבון שריר. עם זאת, תוספת של עומס גלגלים מתון אינה מצליחה להרתיע עכברים מלרוץ מרחקים גדולים, מה שמשקף יותר מודל אימון סיבולת/התנגדות, או שהעכברים מפסיקים לרוץ כמעט לחלוטין בגלל שיטת יישום העומס. לכן, מודל ריצה חדשני של גלגל בעומס גבוה (HLWR) פותח עבור עכברים שבו ההתנגדות החיצונית מופעלת וגדלה בהדרגה, מה שמאפשר לעכברים להמשיך לרוץ עם עומסים גבוהים בהרבה ממה שהיה בשימוש בעבר. תוצאות ראשוניות ממודל HLWR חדשני זה מצביעות על כך שהוא מספק גירוי מספיק כדי לגרום להסתגלות היפרטרופית במהלך פרוטוקול האימון של 9 שבועות. כאן מתוארים הנהלים הספציפיים לביצוע מודל האימון הפשוט אך הזול הזה, המבוסס על אימוני התנגדות פרוגרסיביים, בעכברים.
Introduction
מסת שרירי השלד מהווה כ-40% ממסת הגוף בבני אדם בוגרים; לכן, שמירה על מסת שריר השלד לאורך כל החיים היא קריטית. מסת שרירי השלד ממלאת תפקיד אינטגרלי בחילוף החומרים האנרגטי, בשמירה על טמפרטורת הליבה של הגוף ובהומאוסטזיס גלוקוז1. שמירה על שרירי השלד היא איזון בין סינתזת חלבונים לבין פירוק חלבונים, אך עדיין קיימים פערים רבים בהבנת המנגנונים המולקולריים המורכבים המניעים תהליכים אלה. כדי לחקור את המנגנונים המולקולריים המווסתים את התחזוקה והצמיחה של מסת שריר, מודלים מחקריים של נבדקים אנושיים משתמשים לעתים קרובות בהתערבויות המבוססות על תרגילי התנגדות, שכן גירויים מכניים ממלאים תפקיד אינטגרלי בוויסות מסת שריר השלד. בעוד שהמחקר בבני אדם היה מוצלח, הזמן הדרוש כדי להציג התאמות וחששות אתיים לגבי הליכים פולשניים (כלומר, ביופסיות שרירים) מגבילים את כמות הנתונים שניתן להשיג. בעוד שההתאמות לאימוני התנגדות נמצאות בכל מקום בקרב מיני יונקים, מודלים של בעלי חיים מספקים את היתרון של היכולת לשלוט במדויק במשטר התזונה והפעילות הגופנית תוך שהם מאפשרים גם איסוף של רקמות שלמות בכל הגוף, כגון המוח, הכבד, הלב ושרירי השלד.
מודלים רבים לאימוני התנגדות פותחו לשימוש במכרסמים: אבלציה סינרגטית2, גירוי חשמלי3,4, טיפוס סולם משוקלל5, משיכת מזחלת משוקללת6 וסקוואט7. ברור כי כל המודלים הללו, אם נעשים בצורה נכונה, יכולים להיות מודלים יעילים כדי לגרום להסתגלות שרירי השלד, כגון היפרטרופיה. עם זאת, הנפילות של מודלים אלה הן שהם ברובם לא רצוניים, לא חלק מהתנהגות מכרסמים רגילה, עתירי זמן/עבודה ופולשניים.
למרבה המזל, זנים רבים של עכברים וחולדות רצים מרצונם למרחקים ארוכים כאשר ניתנת להם גישה לגלגל ריצה. יתר על כן, מודלים של תרגילי גלגל ריצה חופשי (FWR) אינם מסתמכים על התניה נרחבת, חיזוק חיובי/שלילי או הרדמה כדי לכפות תנועה או פעילות שרירים 8,9. פעילות הריצה תלויה מאוד במתח העכבר, במין, בגיל ובבסיס אישי. Lightfoot et al. השוו את פעילות הריצה של 15 זני עכברים שונים ומצאו כי מרחק הריצה היומי נע בין 2.93 ק"מ ל-7.93 ק"מ, כאשר עכברי C57BL/6 רצים הכי רחוק, ללא קשר למין10. FWR מקובל כמודל מצוין לגרימת התאמות סיבולת בשרירי השלד והלב 11,12,13,14,15,16; עם זאת, שימוש בריצות גלגלים בדגמי אימוני התנגדות נחקר פחות.
כפי שניתן לחשוד, ההשפעה ההיפרטרופית של ריצת גלגל עשויה להיות מוגברת על ידי הוספת התנגדות לגלגל הריצה, המכונה ריצת גלגל טעון (LWR), ובכך דורשת מאמצים גדולים יותר לרוץ על הגלגל כדי לחקות באופן הדוק יותר אימוני התנגדות. באמצעות שיטות מגוונות של יישום עומס, מחקרים קודמים הראו כי מודל LWR המשתמש בחולדות ועכברים הציג באופן שגרתי עלייה במסת שריר הגפיים של 5%-30% תוך 6-8 שבועות 17,18,19,20,21. יתר על כן, D'hulst et al. הראו כי התקף יחיד של LWR הוביל לעלייה של 50% בהפעלה של מסלול האיתות של סינתזת חלבונים בהשוואה ל-FWR22. התנגדות הגלגלים מיושמת לרוב בשיטת העמסה קבועה מבוססת חיכוך, לפיה בלם מגנטי או בורג מתח משמשים להפעלת התנגדות גלגל 12,19,23,24. אחת האזהרות של שיטת העומס הקבוע המבוססת על חיכוך היא שכאשר מופעלת התנגדות בינונית עד גבוהה, בעל החיים אינו יכול להתגבר על ההתנגדות הגבוהה ליזום תנועה של הגלגל, ובכך למעשה להפסיק את האימון. והכי חשוב, רבות ממערכות הכלובים והגלגלים המשמשות לדגמי גלגלי ריצה של מכרסמים הן יקרות למדי ודורשות ציוד מיוחד.
לאחרונה, Dungan et al. פיתחו מודל מתקדם של ריצה משוקללת (PoWeR), אשר מפעיל עומס על הגלגל באופן אסימטרי באמצעות מסות חיצוניות המודבקות לצד יחיד של הגלגל. העמסת הגלגלים הלא מאוזנת וההתנגדות המשתנה של דגם PoWeR נחשבים כמעודדים את המשך פעילות הריצה ומקדמים התפרצויות קצרות יותר של ריצות גלגלים טעונות בעכברים, תוך חיקוי הדוק יותר של הסטים והחזרות המבוצעות עם אימוני התנגדות17. למרות שמרחק הריצה הממוצע היה 10-12 ק"מ ביום, מודל PoWeR הניב עלייה של 16% ו-17% במסת השריר של פלנטריס ובאזור חתך הסיבים (CSA), בהתאמה. למרות יתרונות מעשיים רבים, למודל PoWeR של LWR יש כמה מגבלות. כפי שהוכר על ידי המחברים, מודל PoWeR הוא גירוי "היברידי" בנפח גבוה המשקף מודל משולב של תרגילי סיבולת/התנגדות (כלומר, אימון בו זמנית בבני אדם), בניגוד למודל המבוסס יותר על תרגילי התנגדות, מה שעשוי להציג אפקט הפרעה ולתרום להיפרטרופיה הפחות בולטת או למנגנונים שונים שבאמצעותם מושרה היפרטרופיה25 . ההבטחה שתופעת אימון מקבילה לא תתרחש במה שאמור להיות מודל אימון התנגדות היא הכרחית. לכן, מודל PoWeR שונה כדי לפתח מודל LWR המנצל עומסים גבוהים יותר ממה שהיה בעבר כדי להידמות יותר למודל אימון התנגדות. כאן, מפורטים פרטים עבור דגם LWR פשוט וזול של אימון התנגדות פרוגרסיבי בן 9 שבועות בעכברי C57BL/6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
מחקר זה אושר על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת אפלאצ'יאן סטייט (#22-05).
1. בעלי חיים
- רכשו עכברי C57BL/6 ממושבת העכברים הפנימית.
הערה: נעשה שימוש בעכברים זכרים בני 5-8 חודשים בתחילת המחקר. פעילות הריצה היומית מגיעה לשיאה בסביבות 9-10 שבועות של גיל26. מחקרים קודמים הראו כי עכברים זקנים (22-24 חודשים) יבצעו גם הפעלת גלגל טעון27. - אכסנו את העכברים בנפרד בכלוב מכרסמים סטנדרטי עם מכסה תיל ושמרו על הכלוב בסביבה מבוקרת (20-24 מעלות צלזיוס עם מחזור אור:חושך של 12:12 שעות).
- ספק צ'או מכרסם סטנדרטי ומים ad libitum.
2. מנגנון גלגל ריצה
- הגדרת גלגל ריצה:
הערה: גלגלי ריצה מורכבים/מוגדרים באופן דומה עבור כל פרוטוקולי הריצה, למעט הוספת 1 גרם או 2.5 גרם מגנטים להעמסה.- הדביקו מגנט חיישן יחיד במשקל 1 גרם להיקף האמצעי החיצוני של גלגל הריצה (איור 1).
- השתמש בגלגל זה עם מגנט חיישן יחיד של 1 גרם למשך השבוע הראשון בלבד של התאקלמות הגלגל.
- הפעלת גלגל טעון (LWR; פרוטוקול טעינה זהה ל- PoWeR17): בצע את השלבים 2.1.4-2.1.6.
- שבוע 2 עבור LWR דורש 2 גרם של עומס (ראה טבלה 1) .
- הדביקו שני מגנטים במשקל 1 גרם זה לצד זה על ההיקף החיצוני של הגלגל (איור 2A).
הערה: כאן, כדאי להשתמש בסרט כדי להחזיק את המגנטים במקום עד שהדבק מתייבש היטב; אחרת, הם עלולים להימשך למגנט החיישן ולהיעקם. - יש למרוח עומס נוסף בשבועות 3, 4 ו-6 על ידי הנחת מגנט נוסף של 1 גרם על גבי אחד מהמגנטים שכבר קיימים.
הערה: אין צורך בדבק מכיוון שהמגנטים נצמדים זה לזה בחוזקה. לדוגמה, עם עומס של 6 גרם בשבוע 6, כל אחד מהמגנטים ייערם בגובה שלושה גבוהים (איור 2B). - הפעלת גלגלים בעומס גבוה (HLWR): בצע את השלבים 2.1.8-2.1.11.
הערה: פרוטוקול HLWR דורש שלושה סטים של גלגלים. הרכבת סטים שונים של גלגלים מאפשרת לחוקר לעשות שימוש חוזר בתצורות גלגלים עבור עכברים אחרים לאחר ניקוי וחיטוי יסודי של הגלגל (המספרים של כל קבוצה צריכים להיקבע על ידי החוקר על סמך גודל הקבוצה/קבוצה). - סט הגלגלים הראשון (נדרש לשבוע 2 בלבד) יהיה מגנט יחיד של 2.5 גרם; דבק (עיין בהערה שלהלן שלב 2.1.5) מגנט אחד במשקל 2.5 גרם על ההיקף החיצוני של הגלגל (איור 3A).
- סט הגלגלים השני (נדרש לשבוע 3 בלבד) יכלול שני מגנטים של 2.5 גרם; דבק (עיין בהערה שלהלן שלב 2.1.5) שני מגנטים במשקל 2.5 גרם זה לצד זה על ההיקף החיצוני של הגלגל (איור 3B).
- סט הגלגלים השלישי (הנדרש לשבוע 4 ואילך) יכלול שלושה מגנטים של 2.5 גרם זה לצד זה; דבק (עיין בהערה שלהלן שלב 2.1.5) שלושה מגנטים במשקל 2.5 גרם זה לצד זה על ההיקף החיצוני של הגלגל (איור 3C).
- הפעילו עומס נוסף במשך שבועות 6 ו-8 על ידי הנחת מגנט נוסף של 2.5 גרם על גבי אחד מהמגנטים שכבר קיימים (איורים 3D, E).
איור 1: גלגל ריצה בסיסי עם מגנט חיישן יחיד של 1 גרם המודבק להיקף החיצוני האמצעי של הגלגל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: גלגל ריצה טעון (LWR) עם מגנט חיישן ומגנט העמסה של 1 גרם. (A) דוגמה לעומס של 2 גרם, שני מגנטים של 1 גרם המודבקים זה לצד זה לקצה החיצוני של הגלגל; (B) דוגמה של 6 גרם של עומס, שני מגנטים של 1 גרם מודבקים זה לצד זה לקצה החיצוני של הגלגל עם 4 גרם נוספים של עומס מוחל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: גלגל ריצה טעון גבוה (HLWR) עם מגנט חיישן ומגנטים להעמסה של 2.5 גרם. (A) דוגמה לעומס של 2.5 גרם, מגנט אחד של 2.5 גרם המודבק לקצה החיצוני של הגלגל; (B) דוגמה לעומס של 5 גרם, שני מגנטים של 2.5 גרם המודבקים זה לצד זה לקצה החיצוני של הגלגל; (C) דוגמה לעומס של 7.5 גרם, שלושה מגנטים של 2.5 גרם המודבקים זה לצד זה לקצה החיצוני של הגלגל; (D) דוגמה לעומס של 10 גרם, שלושה מגנטים של 2.5 גרם המודבקים זה לצד זה לקצה החיצוני של הגלגל, עם תוספת של 2.5 גרם של עומס; (E) דוגמה לעומס של 12.5 גרם, שלושה מגנטים של 2.5 גרם המודבקים זה לצד זה לקצה החיצוני של הגלגל, עם תוספת של 5 גרם של עומס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
3. מכלול כלוב
- הרכבת גלגלי ריצה באמצעות כלוב המצויד במחשב אופניים דיגיטלי לניטור זמן פעילות גופנית (h) ומרחק נסיעה (ק"מ). המהירות הממוצעת (קמ"ש) נגזרת באופן אריתמטי.
- ודא שסוללה חדשה מוכנסת למחשב האופניים לפני ההרכבה.
- להגדיר את גודל הגלגל במהלך תכנות המחשב הראשוני של האופניים (ראה הוראות היצרן); חשב את המרחק לכל סיבוב על ידי מדידת ההיקף החיצוני של גלגל הריצה (לדוגמה, 3,580 מ"מ עבור סוג הגלגל המשמש כאן).
- מקם את חיישן מחשב האופניים בתוך משטח מוצק בצד החיצוני של מכסה הכלוב, ישירות מעל המקום שבו נמצא מגנט החיישן של הגלגל. ודא שכל רכיבי המחשב והחיישנים כלולים בתוך מחסום מוצק מחוץ לכלוב כדי למנוע מעכברים ללעוס רכיבים.
- נצלו את המכסה של קופסת קצה פיפטה ריקה עם מלבן קטן שנחתך החוצה כדי שחיישן האופניים המגנטי יוכל לשכון, ואת החלק העיקרי של הקופסה (עם הסרת רשת מתלה הקצה) כדי להחזיק את המחשב והחוט של האופניים (איור 4A).
- קדחו שני חורים דרך פינות המשטח המוצק כדי לאבטח את חיישן האופניים המגנטי ואת מעמד גלגל הריצה במקומם בצד החיצוני של הכלוב (איור 4A).
- הכנס את בסיס גלגל הריצה, הפוך, דרך המרווחים במכסה הכלוב אך על גבי המשטח המוצק המתואר בשלב 3.2 (איור 4B).
- הצמידו את בסיס הגלגלים ואת חיישן המחשב לחלק העליון של הכלוב באמצעות חומרה (איור 4C, D).
- ודא שמגנט החיישן וחיישן המחשב מרווחים במרחק של לא יותר מ-1 ס"מ זה מזה כדי לאפשר הקלטה נכונה של תנועת הגלגלים (רוב החיישנים הסטנדרטיים של מחשב האופניים הם דו-כיווניים ויתעדו תנועת גלגל חיובית בשני כיווני הסיבוב).
- חברו את גלגל הריצה המתאים (כפי שתואר לעיל) לבסיס הגלגל מתוך מכסה הכלוב, והניחו היטב את המכסה על הכלוב (איור 4E, F).
- כאשר הגלגל תלוי ממכסה הכלוב, הקפידו על מרווח של 2.5 ס"מ לפחות מרצפת הכלוב. הניחו כמות מינימלית של חומר מצעים בכלוב כדי להבטיח שהגלגל יסתובב בחופשיות אך לא ייפגע על ידי הצטברות מצעים.
- במהלך הניסוי, תעד נתונים ממחשב האופניים בלוח זמנים קבוע של מרווחים כדי להבטיח ניטור פעילות מדויק.
- להכיר בכך שעכברים הם מין לילי; לכן, רוב פעילות הכלוב הטבעית שלהם (כולל הפעלת גלגלים) תבוצע בשעות החשוכות של מחזור האור.
איור 4: מכלול כלוב גלגל ריצה. (A) מחשב אופניים וחיישן מגנטי המונחים במשטח/מגש מוצק; (B) בסיס גלגל הפוך המונח על גבי משטח/מגש מוצקים וחיישן (מבט מלמעלה; שימו לב לשני החורים במשטח החיישן/מגש לאבטחת בסיס למכסה הכלוב באמצעות חומרה), (C) בסיס גלגל הפוך עם חומרה מורכבת (מבט תחתון); (D) בסיס גלגלים הפוך עם חומרה מורכבת (מבט מלמעלה); (E) מכלול כלוב מלא (מבט מלמעלה); ו-(F) מכלול כלוב מלא (מבט מהצד). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
4. פרוטוקולי טעינת אימונים
- בית בנפרד בישיבה (SED) עכברים במשך 9 שבועות בכלוב המכיל גלגל ריצה נעול כדי למנוע כל ריצה.
הערה: טבלה 1 מספקת את לוח הזמנים לטעינה של פרוטוקולי LWR (PoWeR) ו-HLWR המשמשים בתכנון הניסוי. - הפחת את העומס עבור קבוצות LWR ו- HLWR, במידת הצורך, כדי להבטיח שהעכברים ימשיכו להתאמן במשך כל הפרוטוקול של 9 שבועות.
| שבוע | ||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
| LWR (n = 4) | עומס (גרם) | 0.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | 5.0 | 6.0 | 6.0 | 6.0 |
| % BM | -- | 8% | 11% | 15% | 19% | 19% | 23% | 23% | 23% | |
| HLWR (n =7) | עומס (גרם) | 0.0 | 2.5 | 5.0 | 7.5 | 7.5 | 10.0 | 10.0 | 12.5 | 12.5 |
| % BM | -- | 10% | 19% | 28% | 28% | 38% | 38% | 48% | 48% | |
טבלה 1. פרוטוקולי הפעלת גלגלים טעונים
5. בדיקת תפקודי שרירים באתרם , קצירת רקמות וניתוח רקמות
- לאחר התערבות האימון בת 9 השבועות, יש להרדים עכברים באמצעות איזופלורן בשאיפה (4% אינדוקציה; 2% תחזוקה) בתוספת חמצן, ולהבטיח ניטור תקין של מישור ההרדמה לאורך כל ההליך.
- בצע בדיקת תפקוד שרירים באתרה על קומפלקס גסטרוקנמיוס, פלנטריס, סולאוס (GPS) כדי לבדוק חוזק שרירים איזומטרי28. צור עקומת תדר כוח על ידי גירוי ישיר של העצב הסיאטי עם 27 מחטי אלקטרודה G ב -11 תדרים עולים בין 1-300 הרץ, עם התכווצויות טטניות המתרחשות סביב 100-150 הרץ29.
- מיד לאחר בדיקת תפקוד השרירים, מרדימים את העכברים באמצעות נקע צוואר הרחם ומאשרים המתת חסד על ידי הסרת הלב. בזהירות הכנסו לשרירי הפלנטריס והסולאוס ורשמו את מסת הרקמה הרטובה.
- מצפים כל דגימת שריר במדיום הטבעה (OCT) ומרכיבים אותה על פקק. הקפיאו אותו באיזופנטן נוזלי מקורר חנקן, ואחסנו אותו בטמפרטורה של -80 מעלות צלזיוס עד לביצוע ניתוח אימונוהיסטוכימי נוסף (IHC) על מקטעי רקמת שריר (בעובי 10 מיקרומטר).
- לנתח סיבי שריר CSA באמצעות immunofluorescence עבור laminin. מדוד סיבים CSA באמצעות פלטפורמת כימות תמונה אוטומטית30.
6. ניתוח סטטיסטי
- להביע את כל הנתונים כממוצע ± SD.
- בצע ניתוחים סטטיסטיים באמצעות תוכנת ניתוח סטטיסטי עם מובהקות שנקבעה בעמ' ≤ 0.05.
- השווה בין נתוני נפח הריצה והאימון באמצעות מדידות חוזרות ונשנות של ANOVA דו-כיווני.
- השווה את מסת הגוף, מסת הרקמה, CSA ותפקוד השרירים באמצעות ANOVA חד-כיווני. אם נמצאו יחסי F משמעותיים, השווה הבדלים בתוך הקבוצה באמצעות ניתוחי פישר LSD לאחר הוק.
- חשב את גודלי האפקטים, ולאחר מכן פרש אותם כ- 0.01, 0.06 ו- 0.14 עבור גדלי אפקטים קטנים, בינוניים וגדולים, בהתאמה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
במחקר זה, 24 עכברי C57BL/6 (6.3 ± 0.7 חודשים בתחילת מחקר זה) הוקצו באופן אקראי לאחת משלוש קבוצות טיפול: בישיבה (SED), הפעלת גלגלים טעונה (LWR; זהה ל- PoWeR שתואר על ידי Dungan et al.17), או LWR גבוה (HLWR), ולאחר מכן השלימו את פרוטוקול 9 השבועות שלהם בהתאמה. לאחר שבוע ההתאקלמות (שבוע 1), לא היו הבדלים של קבוצה או קבוצה x בזמן במרחק הריצה או בנפח האימון (איור 5).
איור 5: מאפייני גלגל ריצה עבור קבוצות LWR (ריבועים מלאים בירוק) ו-HLWR (משולשים מלאים באדום). (A) מרחק ריצה יומי ממוצע (ק"מ); (B) נפח אימון ממוצע (ק"מ/יום∙גרם) מבוטא כמרחק ריצה יומי (ק"מ/יום) כפול עומס גלגל יומי (ב-g). הנתונים מבוטאים כממוצע קבוצתי ± SD. LWR, n = 4; HLWR, n = 7. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
מסת סולאוס מנורמלת הייתה גדולה ב-21.4% בקבוצת HLWR מאשר בקבוצת SED (p < 0.001), למרות שלא היה הבדל בסיבים CSA (p = 0.536) (איור 6A). אף על פי שמסת השריר של פלנטריס והסיבים הממוצעים CSA לא הראו הבדלים מובהקים סטטיסטית (p = 0.573 ו- p = 0.111, בהתאמה), נראה שיש שינוי בשיעור הסיבים עם CSA גדול יותר בפלנטריס של HLWR, בהשוואה ל- SED ו- LWR (איור 6B). לא נמצאו הבדלים משמעותיים בעוויתות או בכוח השיא של קומפלקס ה-GPS בין הקבוצות כפי שנמדד על ידי מבחן תפקוד שרירים in situ (טבלה 2).
איור 6: פרופורציות שטח חתך של סיבים. (A) פרופורציות סיבי שריר סולאוס ו-(B) פלנטריס (%) לפי שטח חתך עבור קבוצות SED (עיגולים מלאים שחורים), LWR (ריבועים מלאים ירוקים) ו-HLWR (משולשים אדומים מלאים) (n = 3-4/קבוצה). שריר הסולאוס מכיל פרופורציות CSA דומות בכל הקבוצות. נראה כי לשריר הפלנטריס של קבוצת HLWR יש שיעור גבוה יותר של סיבים עם CSA גדול יותר, בהשוואה לקבוצות SED ו-LWR. הנתונים מבוטאים כממוצע קבוצתי עבור כל קטגוריית גודל סיבים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
| קבוצה | |||||
| סד | LWR | HLWR | ערך P | גודל אפקט (ƞ2) | |
| מסת גוף לפני אימון (ז) | 26.35 ± 2.12 | 28.07 ± 3.42 | 25.71 ± 2.22 | 0.299 | 0.324 |
| מסת גוף לאחר אימון (g) | 26.82 ± 1.96 | 28.91 ± 2.80 | 27.43 ± 2.07 | 0.251 | 0.341 |
| מסת סולאוס (מ"ג/גרם BM) | 0.28 ± 0.03 | 0.31 ± 0.02 | 0.34 ± 0.03# | 0.003 | 0.611 |
| מסת פלנטריס (מ"ג/גרם BM) | 0.61 ± 0.06 | 0.64 ± 0.03 | 0.63 ± 0.06 | 0.573 | 0.239 |
| סולאוס CSA (μm²) | 2042 ± 320 | 1964 ± 357 | 1800 ± 206 | 0.536 | 0.130 |
| פלנטריס CSA (μm²) | 2032 ± 159 | 2483 ± 579 | 2754 ± 109 | 0.111 | 0.519 |
| כוח עוויתות (N/g GPS) | 2.96 ± 0.47 | 3.19 ± 0.58 | 3.42 ± 0.78 | 0.254 | 0.340 |
| כוח טטני מרבי (N/g GPS) | 11.43 ± 1.77 | 13.04 ± 2.87 | 13.13 ± 1.70 | 0.136 | 0.395 |
| # - מציין שונה באופן מובהק מ- SED; גודל אפקט (ƞ2): קטן = 0.01; בינוני = 0.06; גדול = 0.140 | |||||
טבלה 2. מאפיינים של בעלי חיים, מסת רקמות, כוח שרירים ואזור חתך סיבים
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מודלים קיימים של תרגילי התנגדות במכרסמים הוכיחו את עצמם כבעלי ערך רב למחקר שרירי השלד; עם זאת, רבים מהמודלים הללו הם פולשניים, לא רצוניים ו/או עתירי זמן ועבודה. LWR הוא מודל מצוין שלא רק משרה התאמות שרירים דומות לאלה שנצפו במודלים מקובלים אחרים של אימוני אימוני התנגדות, אלא גם מספק גירוי כרוני בלחץ נמוך לבעל החיים עם מחויבות מינימלית של זמן / עבודה על ידי החוקר. בנוסף, מאחר שמודלים של LWR דורשים התערבות ישירה מינימלית של החוקר, קבוצות שלמות של עכברים יכולות בקלות להתאמן בו-זמנית למחקרי התערבות קצרי טווח או ארוכים. עם זאת, היישום של עומס גלגלים מתון אינו מצליח להרתיע עכברים מלרוץ למרחקים גדולים (התנגדות מועטה מדי), או שהעכברים מפסיקים לרוץ כמעט לחלוטין בגלל שיטת יישום העומס (התנגדות רבה מדי). דגם ה-LWR המשוקלל המתקדם (PoWeR) שפותח על ידי Dungan et al. (2019)17 מניב התאמות שרירים משמעותיות, כגון היפרטרופיה של סיבים, אך גם מקדם מעבר לפנוטיפ חמצוני יותר. המגבלה של PoWeR כמודל "מבוסס התנגדות" באמת היא שהוא מעורר גירוי בעל נפח גבוה יותר (מרחק) ועומס נמוך יותר (התנגדות), המשקף יותר משטר אימונים היברידי המספק שילוב של גירויי התנגדות וסיבולת. לכן, פותח עבור עכברים מודל חדשני של ריצה בגלגלים בעלי מטען גבוה (HLWR) ששינה את דגם PoWeR כדי לספק יותר גירוי מוטה התנגדות שבו העומס החיצוני מופעל וגדל בהדרגה, מה שמאפשר לעכברים להמשיך לרוץ, אך בעומסים גבוהים בהרבה מבעבר. המודל שלנו השתמש באותו רעיון של העמסת גלגלים לא מאוזנת כמו דגם PoWeR אך עם מערכת פשוטה וזולה יותר. בנוסף להתנהגות הגלגלים ה"רגילה" (הפעלה וכיבוי) של עכברים, העמסת גלגלים לא מאוזנת גורמת לעכברים לרוץ ב"פרצים" מופרעים. הסיבה לכך היא שהעכבר נדרש למשוך את העומס לחלק העליון של הגלגל (כוח משיכה מנוגד) במהלך המחצית הראשונה של המהפכה, רק כדי "חוף" או "גלגל חופשי" כאשר העומס נופל לכיוון החלק התחתון עם כוח הכבידה במהלך המחצית השנייה של המהפכה.
לאחר 9 שבועות של אימונים, שריר הסולאוס של עכברי HLWR הציג עלייה של 21.4% במסת השריר, אך לא היה הבדל בסיבים CSA. בעוד ששריר הפלנטריס של עכברי HLWR לא גילה עלייה משמעותית במסת השריר, נראה כי שיעור הסיבים עם CSA גדול יותר עלה. Konhilas et al. ו- Soffe et al. לא הבחינו בהבדלים בצמיחת השרירים בין התנגדות נמוכה לגלגל התנגדות גבוהההפועל 19,23; עם זאת, במחקר הנוכחי, מסת סולאוס גדלה ב~10% ו~20% בקבוצות LWR ו-HLWR, בהתאמה. נראה סביר כי היפרטרופיה של שרירים בתגובה למודל אימוני ההתנגדות החדש HLWR עשויה להיות ספציפית לשרירים ולסיבים תזונתיים; עם זאת, יש צורך בחקירה נוספת כדי לאשר רעיון זה. בדיקת תפקוד השרירים באתרה בוצעה כטיפול חריף יחיד, רק על הגפה הימנית של העכבר בסוף פרוטוקול 9 שבועות, מיד לפני המתת חסד ואיסוף רקמות. מסת השריר (מסה רטובה המנורמלת למסת הגוף) המדווחת כאן היא רק מהגפה השמאלית של העכבר, שכן יש נפיחות/בצקת משמעותית מההליך הכירורגי שיכולה לשנות את המסה הרטובה בשרירי הגפה הימנית.
המשמעות של דגם HLWR חדשני זה היא בכך שהוא מדגים שעכברים ימשיכו לרוץ עם עומסים גבוהים יחסית המופעלים על הגלגל. עומס הגלגלים ביחס למסת הגוף הממוצעת (% BM) של עכברי C57BL/6 מבוסס על מסת הגוף הממוצעת של עכברים המשמשים בפרויקט זה (~26 גרם). מסת הגוף הממוצעת של עכבר תשתנה בהתאם לזן, לגיל ולמין. העומסים הגבוהים ביותר של 10-12.5 גרם בדגם HLWR (שווה ערך ל~40%-50% ממסת הגוף של העכבר) גבוהים משמעותית מאלו של דגם PoWeR (מקסימום = 6 גרם), או בערך פי שניים מהתנגדות הגלגלים. למרות שאינו מובהק סטטיסטית, נראה כי ישנה ירידה חדה במרחק הריצה כאשר עומס הגלגלים התקדם מעבר ל-7.5 גרם בשבוע 6 ואילך לדגם HLWR, בעוד ש-LWR שמרה על מרחק ריצה ממוצע קבוע למשך שארית פרוטוקול 9 השבועות. הכישלון של עומסי גלגלים גבוהים בדגם HLWR להחליש משמעותית את מרחק הריצה הוא מגבלה לממצאים אלה; עם זאת, ניתן למתן זאת עם גדלי קבוצות גדולים יותר מכיוון שהייתה שונות גבוהה מאוד בביצועי הריצה בתוך הקבוצות.
זה יכול להיות קשה להעריך את הנטייה של עכבר לרוץ באופן עקבי בשבוע הראשון של התאקלמות לריצת גלגלים. מכיוון שחלק מהעכברים פשוט לא יפעלו מספיק כדי לגרום להסתגלות שרירית, מומלץ ליישם חתך סף מינימלי להמשך הכללתו של עכבר מסוים בקבוצות ריצה על גלגלים. סף הסף המינימלי צריך להיות מרחק ריצה ממוצע של לפחות 1 ק"מ ליום במהלך השבוע הראשון להתאקלמות. אם עכבר אינו רץ לפחות 1 ק"מ ליום בממוצע במהלך השבוע הראשון, אין זה סביר שהעכבר יגדיל באופן משמעותי את מרחק הריצה במשך שארית פרוטוקול 9 השבועות כדי לספק גירוי משמעותי להסתגלות להתרחש. במקרה זה, אם עכבר מסוים אינו עומד בסף המינימלי של 1 ק"מ ליום לאחר שבוע ההתאקלמות הראשון, נעל את הגלגל והקצה מחדש את העכבר לקבוצת הישיבה. יישום חתך סף מינימלי זה יפחית את השונות בסטטיסטיקות הריצה ויבטיח שהעכברים ירכשו גירוי אימון הולם במהלך הפרוטוקול של 9 שבועות. זאת ברוח שלושת ה-"R's" של מחקר בבעלי חיים, ובפרט הפחתה. שנית, חשוב שתהיה תוכנית מגירה מובנית אם עכבר לא מצליח לרוץ מרחק מסוים כאשר מופעלים עומסי גלגלים גבוהים. כדי להבטיח שהעכברים ימשיכו להתאמן במשך כל פרוטוקול 9 השבועות, יש להפחית את העומס לזה של השבוע הקודם אם מרחק הריצה יורד מתחת ל-0.25 ק"מ ליום במשך 3 ימים רצופים. במקרה זה, אם עכבר מסוים אינו רץ בממוצע לפחות 0.25 ק"מ במשך 3 ימים רצופים לאחר הוספת עומס, ייתכן שיהיה צורך להפחית את עומס הגלגלים בחזרה לעומס הקודם כדי להבטיח שהעכבר ימשיך להתאמן במשך שארית פרוטוקול 9 שבועות. במחקר זה נצפה שרוב העכברים היו מסוגלים להמשיך לרוץ מרחקים > 0.25 ק"מ ליום, אפילו עם העומסים הגבוהים ביותר (12.5 גרם) בפרוטוקול HLWR (איור 5A). עם זאת, תוכנית מגירה זו יושמה עבור שלושה מתוך שבעת העכברים בקבוצת HLWR, לפיה היה צורך להפחית את העומס ל-10 גרם או 7.5 גרם בשלב מסוים במהלך פרוטוקול האימון בן 9 השבועות. זה יהיה מצער אם עכבר ירוץ בהצלחה במשך רוב הפרוטוקול רק כדי להיות מוסר מהמחקר כי זה לא יכול להגיע לשלב הבא בעומסי גלגלים גבוהים מאוד. הפחתת העומס מעט כדי להבטיח המשך ריצה ממקסמת את השימוש בבעל חיים בודד מבלי לפגוע ברווחה. לבסוף, חשוב גם לעקוב אחר צריכת המזון היומית (או לפחות השבועית) כדי לוודא שהעכברים צורכים מספיק מזון כדי לפצות על הפעילות הגופנית המוגברת. זה פשוט יחסית כאשר עכברים שוכנים בנפרד. צפו לעלייה בצריכת המזון של ~20% בהשוואה לעכברים יושבניים31.
קשה להשוות ישירות את התוצאות הללו (למשל, מרחקי ריצה) לאלה שפורסמו במקור עבור מודל PoWeR. Dungan et al. דיווחו על מרחקי ריצה של ~10-12 ק"מ ליום17, בעוד שעכברים בפרוטוקול הנוכחי שביצעו את פרוטוקול LWR רצו ~5-6 ק"מ ביום. ניתן לייחס את הפער החד לעכברים הזכרים המשמשים בפרוטוקול הנוכחי, בהשוואה לעכברים הנקבות המשמשים את Dungan et al., שכן נקבות עכברים נצפו רצות ~20%-40% רחוק יותר10,32. יתר על כן, Dungan et al. השתמשו בגלגלי מתכת עם משטח ריצה מוט מתכת, מה שעשוי להוביל לביצועי ריצה טובים יותר בהשוואה לגלגלי הריצה מפלסטיק המשמשים בפרוטוקול הנוכחי. בעבר דווח כי נקבות צעירות C57BL/6 עכברות רצו בממוצע 8-10 ק"מ ליום על אותו מערך גלגלי ריצה מפלסטיק33. לכן, מומלץ מאוד לבצע בדיקות פיילוט עבור הגדרות מעבדה בודדות כדי לקבוע את ביצועי הריצה של עכברים עקב גורמים כגון מתח, מין, סוג גלגל ושונות אישית.
היתרון העיקרי של דגם הריצה של גלגל התנגדות לעומס גבוה המתואר כאן הוא שהוא הרבה יותר חסכוני מדגמים אחרים הדורשים ציוד מיוחד יקר. ציוד להתקנת גלגל ריצה זה עולה שבריר ממנגנוני גלגלי ריצה מיוחדים הזמינים מספקים מסחריים. לבסוף, דגמי ריצת גלגלים טעונים ממלאים עוד אחד משלושת ה-"R's" של מחקר-עידון בבעלי חיים. מכיוון שהפעלת גלגלים היא גירוי וולונטרי לחלוטין, דגמים אלה אינם פולשניים ופחות מלחיצים באופן משמעותי עבור עכברים בהשוואה לדגמי היפרטרופיה אחרים, במיוחד אבלציה סינרגטית או מודלים אחרים הדורשים ימים או שבועות של התניה אופרנטית. מחקרים עתידיים צריכים לאשר כי מודל HLWR מספק גירוי היפרטרופי גדול יותר בהשוואה לגירוי הסיבולת/התנגדות המשולב של מודל LWR. לסיכום, אם הוא מבוצע כהלכה, היישום הפוטנציאלי של דגם ריצה חדשני, מתקדם ועמיד בעומס גבוה זה הוא התערבות פשוטה אך זולה, בעלת תפוקה גבוהה והתנגדות נמוכה לעכברים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.
Acknowledgments
ברצוננו להודות לאגודת הסטודנטים לתארים מתקדמים, למשרד למחקר סטודנטים ולמחלקה למדעי הבריאות וההתעמלות באוניברסיטת מדינת אפלאצ'יאן על מתן מימון לתמיכה בפרויקט זה. בנוסף, ברצוננו להודות למוניק אקרד ות'רין ויליאמס-פריי על הפיקוח על הפעילות היומיומית של מתקן המחקר בבעלי חיים.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1 g disc neodymium magnets | Applied Magnets | ND018-6 | Used for all sensor magnets and 1 g increments of wheel loading |
| 2.5 g disc neodymium magnets | Applied Magnets | ND022 | Used for 2.5 g increments of wheel loading |
| 8-32 x 1" stainless steel screws | Amazon | https://www.amazon.com/gp/product/B07939RS23/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1 | |
| 8-32 Wing Nuts | Amazon | https://www.amazon.com/gp/product/B07YYWW2SB/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&th=1 | |
| 10 µL pipette tip box (empty) | Thermo Scientific | 2140 | We used empty ART Pipette tip boxes, but any similar sized boxes/trays would suffice |
| Extreme Liquid Glue | Loctite | ||
| Laminin primary antibody | Novus Biologicals | NB300-144AF647 | primary antibody conjugated with AF657; 1:200 in PBS containing 10% normal goat serum |
| Lithium 3 V battery | n/a | CR2032 | |
| M10 (3/16" x 1 1/4") stainless steel fender washers | Amazon | https://www.amazon.com/gp/product/B00OHUHEU8/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&th=1 | |
| MyoVision: Automated Image Quantification Platform | Wen et al. (2017) | v1.0 | https://www.uky.edu/chs/center-for-muscle-biology/myovision |
| Polycarbonate rodent cage (430 mm L x 290 mm W x 201 mm H), with narrow width stainless steel wired bar lid | Orchid Scientific | Polycarbonate Rat Cage Type II | https://orchidscientific.com/product/rat-cage/ - 1519974600758-c29bc1c5-6dfa |
| Sigma Sport 509 Bike Computer | Sigma Sport | Does not need to be this model in particular, but must have distance and time monitoring capabilities | |
| Silent Spinner Running Wheel (mini 11.4 cm) | Kaytee | SKU# 100079369 | https://www.kaytee.com/all-products/small-animal/silent-spinner-wheel |
References
- Frontera, W. R., Ochala, J. Skeletal muscle: A brief review of structure and function. Calcified Tissue International. 96 (3), 183-195 (2015).
- Goldberg, A. L. Protein synthesis during work-induced growth of skeletal muscle. Journal of Cell Biology. 36 (3), 653-658 (1968).
- Baar, K., Esser, K. Phosphorylation of p70S6k correlates with increased skeletal muscle mass following resistance exercise. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 276 (1), 120-127 (1999).
- Wong, T. S., Booth, F. W. Skeletal muscle enlargement with weight-lifting exercise by rats. Journal of Applied Physiology. 65 (2), 950-954 (1988).
- Hornberger Jr, 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).
- Zhu, W. G., et al. Weight pulling: A novel mouse model of human progressive resistance exercise. Cells. 10 (9), 2459 (2021).
- Tamaki, T., Uchiyama, S., Nakano, S. A weight-lifting exercise model for inducing hypertrophy in the hindlimb muscles of rats. Medicine and Science in Sports and Exercise. 24 (8), 881-886 (1992).
- De Bono, J. P., Adlam, D., Paterson, D. J., Channon, K. M. Novel quantitative phenotypes of exercise training in mouse models. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 290 (4), 926-934 (2006).
- Goh, J., Ladiges, W.
- Lightfoot, J. T., Turner, M. J., Daves, M., Vordermark, A., Kleeberger, S. R. Genetic influence on daily wheel running activity level. Physiological Genomics. 19 (3), 270-276 (2004).
- Allen, D. L., et al. Cardiac and skeletal muscle adaptations to voluntary wheel running in the mouse. Journal of Applied Physiology. 90 (5), 1900-1908 (2001).
- Ishihara, A., et al. Effects of running exercise with increasing loads on tibialis anterior muscle fibres in mice. Experimental Physiology. 87 (2), 113-116 (2002).
- Kurosaka, M., et al. Effects of voluntary wheel running on satellite cells in the rat plantaris muscle. Journal of Sports Science and Medicine. 8 (1), 51-57 (2009).
- Lambert, M. I., Noakes, T. D. Spontaneous running increases VO2max and running performance in rats. Journal of Applied Physiology. 68 (1), 400-403 (1990).
- Rodnick, K. J., Reaven, G. M., Haskell, W. L., Sims, C. R., Mondon, C. E. Variations in running activity and enzymatic adaptations in voluntary running rats. Journal of Applied Physiology. 66 (3), 1250-1257 (1989).
- Sexton, W. L. Vascular adaptations in rat hindlimb skeletal muscle after voluntary running-wheel exercise. Journal of Applied Physiology. 79 (1), 287-296 (1995).
- Dungan, C. M., et al. Elevated myonuclear density during skeletal muscle hypertrophy in response to training is reversed during detraining. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 316 (5), 649-654 (2019).
- Ishihara, A., Roy, R. R., Ohira, Y., Ibata, Y., Edgerton, V. R. Hypertrophy of rat plantaris muscle fibers after voluntary running with increasing loads. Journal of Applied Physiology. 84 (6), 2183-2189 (1998).
- 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).
- Legerlotz, K., Elliott, B., Guillemin, B., Smith, H. K. Voluntary resistance running wheel activity pattern and skeletal muscle growth in rats: Wheel running activity pattern and muscle growth. Experimental Physiology. 93 (6), 754-762 (2008).
- Mobley, C. B., et al. Progressive resistance-loaded voluntary wheel running increases hypertrophy and differentially affects muscle protein synthesis, ribosome biogenesis, and proteolytic markers in rat muscle. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition. 102 (1), 317-329 (2018).
- D'Hulst, G., Palmer, A. S., Masschelein, E., Bar-Nur, O., De Bock, K. Voluntary resistance running as a model to induce mTOR activation in mouse skeletal muscle. Frontiers in Physiology. 10, 1271 (2019).
- Soffe, Z., Radley-Crabb, H. G., McMahon, C., Grounds, M. D., Shavlakadze, T. Effects of loaded voluntary wheel exercise on performance and muscle hypertrophy in young and old male C57Bl/6J mice: Exercise and muscle hypertrophy in old mice. Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports. 26 (2), 172-188 (2016).
- White, Z., et al. Voluntary resistance wheel exercise from mid-life prevents sarcopenia and increases markers of mitochondrial function and autophagy in muscles of old male and female C57BL/6J mice. Skeletal Muscle. 6 (1), 45 (2016).
- Murach, K. A., McCarthy, J. J., Peterson, C. A., Dungan, C. M. Making mice mighty: Recent advances in translational models of load-induced muscle hypertrophy. Journal of Applied Physiology. 129 (3), 516-521 (2020).
- Swallow, J. G., Garland, T., Carter, P. A., Zhan, W. -Z., Sieck, G. C. Effects of voluntary activity and genetic selection on aerobic capacity in house mice (Mus domesticus). Journal of Applied Physiology. 84 (1), 69-76 (1998).
- Murach, K. A., et al. Late-life exercise mitigates skeletal muscle epigenetic aging. Aging Cell. 21 (1), 13527 (2022).
- Mackay, A. D., Marchant, E. D., Louw, M., Thomson, D. M., Hancock, C. R. Exercise, but not metformin prevents loss of muscle function due to doxorubicin in mice using an in situ method. International Journal of Molecular Sciences. 22 (17), 9163 (2021).
- Godwin, J. S., Hodgman, C. F., Needle, A. R., Zwetsloot, K. A., Andrew, R. Whole-body heat shock accelerates recovery from impact- induced skeletal muscle damage in mice. Conditioning Medicine. 2 (4), 184-191 (2020).
- Wen, Y., et al. MyoVision: Software for automated high-content analysis of skeletal muscle immunohistochemistry. Journal of Applied Physiology. 124 (1), 40-51 (2018).
- Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: Patterns and physiological effects in mice. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 52 (1), 7830 (2019).
- Bartling, B., et al. Sex-related differences in the wheel-running activity of mice decline with increasing age. Experimental Gerontology. 87, 139-147 (2017).
- Zwetsloot, K. A., Westerkamp, L. M., Holmes, B. F., Gavin, T. P. AMPK regulates basal skeletal muscle capillarization and VEGF expression, but is not necessary for the angiogenic response to exercise: AMPK and the skeletal muscle angiogenic response to exercise. The Journal of Physiology. 586 (24), 6021-6035 (2008).
