Summary
Dette papir præsenterer de morfometriske reaktioner og træningspræstationsresultater af en højintensiv intervaltræningsprotokol (HIIT) i en Sprague-Dawley rottemodel af diætinduceret fedme. Formålet med denne protokol var at maksimere træningsintensiteten og bestemme de fysiologiske reaktioner på HIIT hos magre og fede rotter.
Abstract
Sammenlignet med kontinuerlig-moderat eller lavintensiv træning er højintensiv intervaltræning (HIIT) en mere tidseffektiv alternativ metode, der resulterer i lignende fysiologiske fordele. Dette papir præsenterer en HIIT-protokol, der kan bruges til at vurdere forskellige sundhedsmarkører i en Sprague-Dawley rottemodel af diætinduceret fedme. Hunrotter i alderen 21 dage blev tilfældigt tildelt følgende grupper: kontrol (CON, n = 10), træningstrænet (TRN, n = 10), fedtfattig kost (HFD, n = 10) og fedtfattig kost / træningstræning (HFD / TRN, n = 10). Kontroldiæterne bestod af kommercielt laboratoriechow med 10% kilokalorier (kcal) fra fedt (3,82 kcal/g), og fedtfattigt foder (HFD) bestod af 45% kcal fra fedt (4,7 kcal/g). Dyrene havde ad libitum adgang til deres tildelte kost gennem hele undersøgelsen. Efter en 8 ugers diætinduktionsperiode gennemførte træningskohorterne fire HIIT-sessioner om ugen i 8 uger. Hver HIIT-session bestod af 10 intervaller på 1 min sprints/2 min hvile ved hjælp af et gnaverløbebånd med et motordrevet bælte. Efter de 8 ugers træning blev dyrene ofret til vævsindsamling. Resultaterne afslørede ingen forskelle i distanceløbet mellem TRN- og HFD/TRN-grupperne, og træningshastigheden steg støt i løbet af undersøgelsens varighed med en endelig kørehastighed på henholdsvis 115 cm/s og 111 cm/s for TRN- og HFD/TRN-grupperne. Det ugentlige kalorieindtag faldt (p < 0,05) i TRN-gruppen i forhold til CON-gruppen, men steg (p < 0,05) i HFD/TRN-gruppen i forhold til HFD-gruppen. Endelig havde dyrene på HFD større (p < 0,05) fedme, og de trænede dyr havde reduceret (p < 0,05) fedme i forhold til kontroller. Denne protokol demonstrerer en effektiv metode til at evaluere virkningerne af HIIT på forskellige fysiologiske resultater i en diætinduceret fedmemodel.
Introduction
Fedme og comorbide tilstande, såsom hjerte-kar-sygdomme, stofskiftesygdomme og kræft, er fortsat nogle af de mest alvorlige, dyre og forebyggelige af alle sundhedsmæssige resultater. I øjeblikket er over en tredjedel af voksne i USA og mere end 1,6 milliarder voksne verden over klassificeret som overvægtige i henhold til deres body mass index (BMI; defineret som vægt i kg divideret med kvadratet af højde i meter)1. Fedme som sygdom skyldes en genetisk disposition, miljømæssige eksponeringer og et sammenbrud i de normale mekanismer, der regulerer energiindtag og energiforbrug2. Da de menneskelige og økonomiske omkostninger ved fedmeepidemien fortsætter med at stige, har der været et intensiveret fokus på at forsøge at forstå de mekanismer, der er involveret i energibalance og virkningerne af kost og motion i bekæmpelsen af metabolisk sygdom.
Tidligere undersøgelser har vist, at eksponering for meget velsmagende, energitæt kost stimulerer overspisning i rottemodeller3. Ad libitum adgang til meget velsmagende kost driver overdreven vægtøgning som følge af øget kalorieindtag4. Undersøgelser har også vist, at motion kan modulere appetitten og forbedre følsomheden af mæthedssignalering hos overvægtige personer5. Det er teoretiseret, at denne genopretning af følsomheden af mæthedssignalering med træning delvist medieres gennem virkningen af træningstræning på reaktiviteten af det centrale og perifere væv til leptin, et vigtigt adipocytafledt reguleringshormon, der undertrykker appetitten og stimulerer energiforbruget5. Mens disse undersøgelser har undersøgt en række træningsprotokoller, er der ingen klar konsensus om, hvilken intervention der er overlegen 6,7. Der er noget, der tyder på, at højintensiv intervaltræning (HIIT), som involverer gentagne udbrud af anstrengende træning sammenvævet med restitutionsintervaller, kan forbedre appetitreguleringen mere end andre former for motion, såsom kontinuerlig træningstræning med moderat intensitet (MICT), kontinuerlig træning med kraftig intensitet eller frivillig fysisk aktivitet8. Der er dog huller i viden omkring intersektionaliteten af højintensiv intervaltræning, kost og appetitregulering.
Tidligere undersøgelser har også vist, at motion er en stærk mediator af inaktivitetsrelaterede comorbiditeter, især set ud fra ændringer i muskel- og fedtvæv 9,10,11. Det antages, at disse sammensætningsændringer fører til fremme af en antiinflammatorisk tilstand, der kan være ansvarlig for forbedring af sygdomsrisiko set med øvelse12. Myokiner, som er cytokiner, andre små proteiner og proteoglycanpeptider frigivet fra skeletmuskulatur under muskelsammentrækninger, er blevet fremsat som modererende de antiinflammatoriske resultater forbundet med fysisk aktivitet. I modsætning hertil har adipokiner, cellesignalmolekyler produceret af fedtvæv, vist sig primært at spille en mere skadelig rolle og bidrage til fremme af en inflammatorisk tilstand13,14,15,16. Selvom der er betydelige beviser, der viser, at de sammensætningsændringer, der ses med MICT, fremmer positive sundhedsresultater, er der gjort mindre arbejde for at evaluere de potentielle fordele ved HIIT1 7,18.
Endelig er hjerte-kar-sygdomme veletablerede som den førende årsag til sygelighed hos mennesker og er stærkt korreleret med fedme, kost og fysisk aktivitet1. Denne protokol giver en effektiv måde at træne gnavere til evaluering af virkningerne af kardiovaskulær træning på mange systemer. Især hjertehypertrofi er en markant tilpasning, der opstår ved kardiovaskulær træning. Denne hypertrofi giver mulighed for mere robuste hjertesammentrækninger og levering af blod og ilt til træningsvævene. Tidligere forskning tyder på, at træning med høj intensitet er mere tilbøjelig til at fremkalde hjertehypertrofi end træning med moderat intensitet19.
Denne protokol hjælper med at udfylde hullerne i litteraturen ved at give en tilgang til undersøgelse af virkningerne af HIIT på appetitregulering, sammensætningsændringer (således myokin- og adipokinændringer) og kardiovaskulære tilpasninger i en murinmodel af diætinduceret fedme. Desuden maksimerer de præstationsbaserede stigninger i intensitet træningsresultaterne og sikrer, at dyrene ikke tilpasser sig træningstræningen og nærmer sig en moderat intensitet senere i træningsprotokollen.
Det overordnede mål med denne metode er at maksimere træningsindsatsen og identificere fænotypiske ændringer hos Sprague-Dawley-rotter som reaktion på HIIT, diætinduceret fedme og samspillet mellem disse stimuli. Denne protokol er unik sammenlignet med andre teknikker på grund af dens evne til at maksimere indsatsen i hele træningsperioden, selv med stigninger i rotternes færdigheds- og konditionsniveauer. Det giver også mulighed for samtidig analyse af motion og fedme, snarere end udelukkende at fokusere på den ene eller den anden. Specifikt havde denne undersøgelse til formål at teste følgende hypoteser. (1) Træningshastigheden kan øges under hele træningen, og den afstand, der tilbagelægges af rotter i TRN-gruppen, kan være større end i HFD/TRN-gruppen20. (2) Det gennemsnitlige ugentlige kalorieindtag hos de trænede rotter kan være større end kontrolgruppens, og dette kan være tydeligt inden for hver diætkohorte21. (3) Den gennemsnitlige daglige massetilvækst kan være større hos kontrolrotter end hos motionerede rotter, og kontrolrotter kan have højere fedtmasse ved ofring21. (4) Hjertets og leverens masse kan være større hos HFD/TRN-rotter i forhold til TRN-rotter19.
Protocol
Alle procedurer, der er beskrevet i denne undersøgelse, fulgte vejledningen om pasning og brug af forsøgsdyr, 8. udgave. Det eksperimentelle design blev godkendt af Office of Research and Sponsored Programs (ORSP) under Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) 2019-5 ved West Virginia School of Osteopathic Medicine. Se materialetabellen og tabel 1 for yderligere oplysninger om alle de materialer, der anvendes i denne protokol. En generel oversigt over protokollens tidslinje vises i figur 1.
1. Eksperimentelt design
- Brug 40 hunrotter, 21 dage gamle Sprague-Dawley-rotter fra en kommerciel kilde (se materialetabel).
- Brug korrekt beskyttelsesudstyr ved håndtering af dyrene i overensstemmelse med IACUC-retningslinjerne. Disse sikkerhedsforanstaltninger omfatter, men er ikke begrænset til, iført sterile engangshandsker, en laboratoriefrakke, skoovertræk osv.
- Hvert dyr vejes, og middelværdiens middelværdi og standardafvigelse beregnes for at sikre, at grupperne ikke vejer forskelligt. Hvis grupperne er forskellige, skal du matche grupperne for kropsvægt ved at omfordele de tungere individer i de lettere grupper og de lettere individer i de tungere grupper.
- Opdel dyrene tilfældigt i fire grupper: kontrol (CON, n = 10), kontroldiæt / træningstrænet (TRN, n = 10), fedtfattig kost / kontrol (HFD, n = 10) og fedtfattig kost / træningstrænet (HFD / TRN, n = 10).
- Opstald rotterne i individuelle bure (et dyr pr. bur) i et kontrolleret miljø (12 timers lys/mørke cyklusser, 21 °C ± 2 °C, 60 % ± 10 % fugtighed), og vænn alle rotterne til en kontroldiæt med kommercielt købt laboratoriechow (se materialetabellen) i en akklimatiseringsperiode på 1 uge. Forsyn hvert bur med berigelsesanordninger (husly, gnawables og nestemateriale).
BEMÆRK: CON-diæten består af kommercielt købt laboratoriechow (se materialetabel og tabel 1 for yderligere detaljer) med 10% kcal fra fedt (3,82 kcal/g). - Tillad ad libitum adgang til mad og vand under hele eksperimentet.
- Efter 1 uges akklimatiseringsperiode begynder du 8 ugers diætperioden ved at forsyne HFD- og HFD/TRN-grupperne med HFD-chow. HFD chow (se tabel over materialer og tabel 1 for yderligere detaljer) består af 45% kcal fra fedt (4,7 kcal / g), der repræsenterer makronæringsstofnedbrydningen, der findes i en typisk vestlig kost. Sørg for, at alle dyr fortsat har adgang til mad og vand ad libitum .
- I begyndelsen af hver uge vejer og registrerer massen af chow, der gives til hvert dyr. Brug 140 g chow til at fodre hvert dyr i en hel uge.
- For at veje chowen skal du placere en vejebåd på en elektronisk præcisionsvægt (se materialetabellen) og tara vægten ved at trykke på "tara"-knappen. Anbring 140 g chow i vejebåden, og registrer vægten (g) fra vægten. Dette er "før" vægten.
- Placer chowen i fodertruget i hvert enkelt dyrs bur.
- Hvis et dyr begynder at løbe tør for chow, skal du veje en ekstra tildeling (20 g for hver resterende dag) og tilføje den chow til madbakken. Optag, hvor meget ekstra chow der gives til hvert dyr. Det kan være nødvendigt at tilføje vægt oven på maden i tragten for at give større lettelse af forbruget, hvis dyrene kæmper for at forbruge pellets (som det fremgår af afrundede pellets i tragten).
- I slutningen af hver uge vejer den resterende chow for hvert dyr. Hvert dyr skulle have rester af chow for at sikre, at de var i stand til at spise ad libitum. Brug samme skala til at registrere den resterende mad. Dette er "efter" vægten.
- Træk "eftervægten" fra "førvægten" for hvert enkelt dyr for at registrere fødeindtagelsen (g) pr. uge.
- Efter 8 ugers diætinduktionsperioden begynder HIIT-træningsprotokollen for rotter i TRN og HFD / TRN. Dette består af et 8 ugers HIIT-regime med træningssessioner hver uge mandag, tirsdag, torsdag og fredag (se "HIIT Training Protocol" nedenfor) mellem 08:00 og 10:00. Sørg for, at alle dyr har ad libitum adgang til deres tildelte eksperimentelle diæter gennem hele protokollen.
BEMÆRK: Der er ingen standardisering af protokollen mellem grupperne, da denne protokol er designet til at maksimere ydeevnen for hver kohorte, og hver kohorte kan variere (på grund af fænotyper induceret af kost). - Aflive rotterne 48 timer efter deres sidste træningssession via vital vævshøst efter anæstesiinduktion ved hjælp af inhaleret isofluran (5%).
- Begynd med at sikre, at der er tilstrækkelig ilt og isofluran i systemet til at fremkalde anæstesi. Åbn ilttanken ved at dreje hovedventilen (typisk oven på tanken) mod uret. Der er måske eller måske ikke en regulatorventil, der også skal åbnes på ilttanken, afhængigt af ilttankens størrelse. Kontroller desuden, at udstødningsslangen er korrekt fastgjort, og at opsamlingsbeholderen ikke er overvægtig.
- Vej beholderen før brug, og noter dato og vægt på siden af beholderen. Kontroller, at stophanen er åben til induktionskammeret, og at stophanen til næsekeglen er lukket.
- For at fremkalde anæstesi skal du placere dyret i induktionskammeret og forsegle kammeret ved at fastgøre låseanordningerne. Indstil isofluran til 5 % ved at trykke sikkerhedslåsen ned og dreje drejeknappen mod uret.
- Drej derefter drejeknappen i bunden af iltflowmåleren mod uret, indtil måleren viser mellem 1,5-2 l / min.
- Efter 1-2 min, når dyret ikke længere er ved bevidsthed, slukkes isofluran ved at dreje drejeknappen med uret, mens sikkerhedslåsen trykkes ned. Skyl induktionskammeret med ilt ved at trykke på iltudløsningsventilen i 3-5 sekunder. Lås induktionskammeret op, og fjern det bevidstløse dyr.
- Placer det bevidstløse dyr på ryggen, og fastgør en næsekegle for at levere yderligere bedøvelse. Åbn stophanen for levering af ansigtsmaske, og luk stophanen til induktionskammeret. Aflever 5% isofluran med 100% ilt til anæstesi via ansigtsmasken, indtil pedalreflekser er fraværende.
- Kontroller pedalreflekserne ved at anvende et klemtryk på tæerne på det bedøvede dyr og kigge efter et refleksrespons.
- Dyret skal ofres i henhold til IACUC-godkendte metoder (som kan variere fra undersøgelse til undersøgelse), og målvævet skal omhyggeligt dissekeres til måling og yderligere analyse (subkutant fedtvæv, perirenal fedtvæv, skeletmuskulatur, lever, gonader og hjerte). Afhængigt af IACUC-protokollerne kan eutanasi afsluttes ved halshugning med en guillotine eller ved vital væv (hjerte) høst.
- For at samle hjertet skal du lave et snit under ribbenene og gennem membranen.
- Find hjertet, og skær vaskulaturen (aorta, vena cava, lungearterie, lungevene) med kirurgisk saks. Grib hjertet med tang, og skær ethvert bindevæv for at frigøre hjertet. Arbejd hurtigt, skyl hjertet med saltopløsning, dup overskydende væske med gasbind, og registrer vægten. Hvis det er nødvendigt, adskille venstre ventrikel, højre ventrikel og septum med kirurgisk saks, og vej dem individuelt.
- Placer hjertevævsprøverne i en kryovial og lynfrysning i flydende nitrogen.
- Lav derefter et langsgående snit ned ad maven med en skalpel og to laterale snit fra navlestrengen til dyrets laterale side for at give adgang til abdominale organer.
- Brug tang og kirurgisk saks til at fjerne eventuelle organer af interesse.
BEMÆRK: Til denne undersøgelse blev leveren, visceralt (abdominalt) fedtvæv, bugspytkirtlen og gastrocnemius indsamlet. Det abdominale fedtvæv blev fjernet i en eller to store sektioner ved forsigtigt at trimme bindevævet omkring organerne og kropshulevæggen. Det subkutane fedt blev ikke opsamlet, svarende til tidligere metoder22. - For organerne, efter fjernelse, placere dem i en ren vejebåd på en tjæret skala. Vægten (g) registreres, og prøverne anbringes i kryoialer til lynfrysning.
- Brug tang og kirurgisk saks til at fjerne eventuelle organer af interesse.
- For gastrocnemius skal du lave to snit ned ad underbenets laterale sider og et vandret over akillessenen.
- Skær eller riv bindevævet, der forbinder huden med muskulaturen for at udsætte gastrocnemius. Klip akillessenen med kirurgisk saks så tæt på musklen som muligt, og tag fat i gastrocnemius med tang.
- Følg gastrocnemius til det øverste forbindelsespunkt, og lav et lignende snit for at frigøre musklen.
- Prøven vejes på en ren, tjæret vejebåd, anbringes i en kryovial og lynfryses i flydende nitrogen.
- For at samle hjertet skal du lave et snit under ribbenene og gennem membranen.
- Andre indsamlede vævsprøver anbringes straks i kryovialer, lynfryses i flydende nitrogen og opbevares ved -80 °C. Disse væv kan gemmes til fremtidige laboratorieanalyser såsom PCR, western blot, eller andre metoder i henhold til forskningsmålene.
2. HIIT-træningsprotokol
- For at starte et træningspas skal du tænde løbebåndet (se materialetabellen) ved at dreje på afbryderen bag på styreenheden.
- Juster løbebåndets støddæmper til 0,00 mA ved at dreje drejeknappen på styreenheden mod uret, indtil skærmen læser 0,00 mA.
- Indstil løbebåndets hældning til 5,0% ved at løsne låsemøtrikken i bunden af løbebåndet og indstille hældningen til det første hak. Stram låsemøtrikken igen for at fastgøre løbebåndets hældning i denne position.
- Støtte dyrets krop med den ene hånd, tag forsigtigt fat i bunden af halen med den anden hånd og placer dyret i en individuel bane på løbebåndet.
- Gentag processen, indtil alle fem individuelle baner på løbebåndet er optaget af en rotte fra samme kohorte.
- Juster løbebåndets hastighed til 45 cm/s ved at dreje hurtigvælgeren med uret, indtil skærmen viser 45 cm/s. Tryk på knappen Stop / Kør for at starte løbebåndet, og lad det køre i 5 minutter. Tryk på Stop/Kør-knappen igen for at stoppe løbebåndet efter 5 min. Der anvendes ikke elektrisk stød i løbet af denne tid.
BEMÆRK: Dyrene kan have brug for opmuntring med stive børster for at holde sig væk fra stødgitteret i de tidligere stadier af protokollen for at lette deres læring af, hvordan man bruger løbebåndet. - I slutningen af de 5 minutter skal du give 2 minutters hvile, inden du begynder træningsperioden. Drej drejeknappen på kontrolenheden med uret, indtil skærmen læser den tilsvarende starthastighed for træningskampen. Brug en indledende kørehastighed til det første træningspas på 55 cm/s. Til den første sprint på hver ny træningsdag skal du bruge en starthastighed, der er 4 cm/s langsommere end den højeste hastighed, der blev opnået den foregående dag.
- Start løbebåndet ved at trykke på Start-knappen , lad dyrene løbe, indtil skærmen viser 1:00 (1 min), og stop derefter løbebåndet ved at trykke på Stop/Run-knappen igen.
- Omrør dyrene med børster for at tilskynde til fremadgående bevægelse, hvis dyret når stødgitteret (placeret bag på løbebåndet). Hvis et dyr pr. træningsgruppe ikke reagerer på børsterne mere end to gange pr. træningskamp, skal du tænde stødgitteret til 2,0 mA resten af træningspasset.
- Efter sprinten, lad dyrene hvile i 2 min. I slutningen af 2 minutters hvile skal du starte den næste sprint ved at starte løbebåndet ved at trykke på Stop / Kør-knappen på styreenheden. Detaljerne vedrørende løbebåndets hastighed er defineret nedenfor.
- Forøg hastigheden med 4 cm/s for det følgende sprintinterval fra den tidligere anvendte hastighed, hvis alle fem dyr i en kohorte gennemfører sprintintervallet uden at behøve motivation (opmuntring med en stiv børste eller berøring af stødgitteret mere end fem gange) i hele 1 minuts sprintinterval. Hastigheden øges ved at dreje hastighedsknappen på styreenheden med uret.
- Brug samme intervalhastighed som det foregående sprintinterval, hvis børsterne bruges til at tilskynde til løb, eller hvis et dyr rører stødgitteret mere end fem gange i en enkelt 1 min sprint.
- Sænk hastigheden for det følgende interval med 4 cm/s, hvis et dyr kæmper for meget under et sprintinterval (mere end 20 sek. akkumuleret tid på stødgitteret).
BEMÆRK: Det er vores erfaring, at 100% af dyrene var i stand til at gennemføre den krævede kørsel. Ikke desto mindre kan det være nødvendigt at fjerne dyr fra forsøget efter investigators skøn, hvis de udviser manglende vilje til at løbe eller oplever voldsomme chok. - Registrer hastigheden og distancen for hver kamp.
- Gentag processen for i alt 10 HIIT-træningskampe hver træningsdag. Hver træningskamp består af 1 minuts løb med høj intensitet efterfulgt af 2 minutters hvile.
- Ved afslutningen af træningssessionen skal du fjerne hvert dyr fra løbebåndet og placere det i sit individuelle bur.
- For hver ny træningsdag begynder den indledende løbehastighed for den første kamp 4 cm/s langsommere end den hurtigste hastighed, der blev opnået i den foregående dags træning, med en minimumshastighed på 55 cm/s.
3. Statistisk analyse
- Rapporter morfometri og andre resultatmål som middel- og standardfejl.
- Bestem forskellene mellem grupperne i en analysesoftware (se materialetabel) ved hjælp af en model med blandede effekter, der giver mulighed for flere sammenligninger.
BEMÆRK: Šidák-korrektion blev implementeret for at tage højde for flere sammenligninger. Der blev anvendt en model med gentagne foranstaltninger, når det var hensigtsmæssigt. Signifikante forskelle blev bestemt af p < 0, 05.
Representative Results
Figur 2 viser, at træningspræstationen steg i løbet af protokollens varighed. De endelige kørehastigheder for TRN- og HFD/TRN-grupperne var henholdsvis 115 cm/s og 111 cm/s. Den samlede køreafstand varierede ikke mellem forskellen mellem TRN- og HFD/TRN-grupperne (figur 3).
Det gennemsnitlige ugentlige foderindtag for dyrene på kontrolkosten var højere (p < 0,0001) end for dyrene på fedtrig kost (henholdsvis 103 g/uge ± 1,0 g/uge vs. 91 g/uge ± 1,0 g/uge). Det gennemsnitlige ugentlige foderindtag var også større (p < 0,001) i trænede grupper end i de ikke-trænede grupper (henholdsvis 98 g/uge ± 1,3 g/uge vs. 92,2 g/uge ± 1,0 g/uge). Når man ser på interaktionerne, adskilte CON versus TRN-grupperne sig ikke fra hinanden, men havde større (p < 0,05) ugentligt indtag end HFD / TRN-gruppen, der spiste mere (p < 0,05) end HFD-gruppen (figur 4). Ved omregning af foderindtag til kcalindtag havde dyrene på fedtrig kost et højere (p < 0,0001) kalorieindtag end dyrene på kontrolkosten (henholdsvis 430 kcal/uge ± 4,6 kcal/uge vs. 396 kcal/uge ± 3,7 kcal/uge). Dette resulterede i forskelle (p < 0,05) i det ugentlige kalorieindtag blandt alle fire grupper, hvor HFD / TRN-gruppen viste det største ugentlige kalorieindtag, efterfulgt af HFD-, CON- og TRN-grupperne sekventielt (figur 5).
Kropsvægten varierede ikke mellem grupperne før uge 8 i fodringsperioden, hvor HFD- og HFD/TRN-grupperne nåede en større (p < 0,05) masse end CON- og TRN-grupperne (293 g ± 10,1 g og 298 g ± 13,1 g vs. 270 g ± henholdsvis 8,6 g og 264 g ± 6,8 g). HFD- og HFD/TRN-grupperne forblev tungere (p < 0,05) end CON- og TRN-grupperne i resten af undersøgelsen (nåede 332 g ± 14,4 g, 347 g ± 16,3 g, 304 g ± 10,3 g og 304 g ± 10,1 g for henholdsvis HFD-, HFD/TRN-, CON- og TRN-grupperne). Den gennemsnitlige daglige tilvækst (ADG) var større (p < 0,05) hos de trænede versus ikke-trænede dyr i løbet af træningsdelen af undersøgelsen (henholdsvis 0,8 g/dag ± 0,11 g/dag vs. 0,5 g/dag ± 0,09 g/dag), og der var ingen forskelle i ADG mellem CON versus HFD-grupperne i denne periode. Tilsammen resulterede dette i større (p < 0,05) ADG i HFD/TRN-gruppen end i HFD-gruppen og ingen forskelle mellem CON- og TRN-grupperne (figur 6) i løbet af træningsperioden. Den 8 ugers træningsperiode inducerede imidlertid ikke en vægtforskel mellem HFD/TRN- og HFD-grupperne (henholdsvis 347 g ± 16,3 g vs. 331,5 g ± 14,4 g).
Efter afslutningen af træningsprotokollen afslørede vævsudtagningen, at dyr på HFD havde større (p < 0,05) visceral fedme end CON-gruppen (henholdsvis 25 g ± 2,1 g vs. 19 g ± 1,5 g), og de træningstrænede dyr havde reduceret (p < 0,05) visceral fedme i forhold til kontroldyrene (21 g ± 2,4 g vs. 25 g ± 2,1 g, henholdsvis). HFD-gruppen havde en større (p < 0,05) visceral fedme end TRN- og HFD/TRN-grupperne (figur 7). Hjertemassen var større i HFD / TRN-gruppen end i CON-, TRN- og HFD-grupperne (p < 0,05; 1,3 g ± 0,2 g vs. 1,1 g ± 0,1 g, 1,1 g ± 0,1 g og 1,0 g ± 0,1 g). Der blev ikke observeret forskelle i levermassen blandt grupperne. Der blev ikke identificeret forskelle i massen af andre organer eller væv.
Figur 1: Tidslinje for undersøgelsesprotokol efter dyrealder i dage. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: HIIT-hastighed i hele træningsprotokollen for TRN- og HFD/TRN-dyrene efter træningspas. HIIT blev udført på fire forskellige dage hver uge i 8 uger, hvilket resulterede i 32 træningssessioner. De gennemsnitlige data pr. træning præsenteres. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Gennemsnitlig tilbagelagt distance pr. sprint i TRN- og HFD/TRN-grupperne i hele træningsprotokollen. HIIT blev udført på fire forskellige dage hver uge i 8 uger, hvilket resulterede i 32 træningssessioner. Dataene præsenteres som gennemsnitlige ± SEM. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Gennemsnitligt ugentligt foderindtag af CON-, TRN-, HFD- og HFD/TRN-kohorterne. Data præsenteres som middelværdi ± standardfejl for middelværdien (SEM). a,b,cMidler med forskellige bogstaver adskiller sig (p < 0, 05). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Ugentligt kalorieindtag af CON-, TRN-, HFD- og HFD/TRN-kohorterne. Data præsenteres som middelværdi ± SEM. a,b,c,dMidler med forskellige bogstaver er forskellige (p < 0,05). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Gennemsnitlig daglig vægtøgning i CON-, TRN-, HFD- og HFD/TRN-kohorterne. Data præsenteres som gennemsnit ± SEM. a,bGrupper med forskellige bogstaver er forskellige (p < 0,05). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: Gennemsnitlig visceral fedtmasse ved obduktion. Data præsenteres som gennemsnit ± SEM. a,bGrupper med forskellige bogstaver er forskellige (p < 0,05). Klik her for at se en større version af denne figur.
Tabel 1: Sammensætninger af de diæter, der anvendes i protokollen. Klik her for at downloade denne tabel.
Discussion
Denne protokol giver en effektiv metode til at undersøge virkningerne af HIIT på flere sundhedsmarkører i en diætinduceret fedmemodel. Proceduren trækker på tidligere undersøgelser for at muliggøre en mere tidseffektiv metode til at undersøge flere udfaldsvariabler, såsom træningsvariabler, appetitreguleringsmarkører og invasive analyser af kropssammensætning 3,7,8,18,23,24. Diætindholdet, varigheden og træningsinterventionsprotokollen var i overensstemmelse med tidligere publikationer23,24. I denne undersøgelse blev kommercielt tilgængelig laboratoriechow købt (se materialetabel). Laboratoriet chow for fedtfattig og kontrol kost indeholdt den samme mængde protein og mikronæringsstoffer. Kulhydrat- og fedtindholdet i kosten blev modificeret for at give en sikker metode til at fremkalde fedme i forsøgsgruppen (se tabel 1).
Den 8 ugers fedmeinduktionsperiode, der blev brugt i denne undersøgelse, blev modelleret baseret på tidligere forskning, der viste signifikante ændringer i vægt efter levering af kommerciel laboratoriechow bestående af 45% kcal fra fedt (4,7 kcal / g), hvilket repræsenterer makronæringsstofnedbrydningen, der findes i den typiske vestlige kost23. Derudover har tidligere undersøgelser vist effektiviteten af en 8 ugers HIIT-protokol til påvirkning af fødeindtagelse 7,8, fedtprofiler 18,23 og muskelforøgelse 18. Resultaterne af protokollen beskrevet i denne undersøgelse var i overensstemmelse med tidligere undersøgelser, der rapporterede, at HIIT påvirker appetitregulering samt sammensætningsændringer i fedme og muskelmasse.
En fordel ved denne protokol er, at den maksimerer intensiteten af træningstræningen hos dyrene og opretholder maksimal indsats gennem hele protokollen. Da dyrene løbende lærer at bruge løbebåndet dygtigt og opnå fitnessgevinster, øges løbebåndets hastighed tilsvarende i forhold til deres ydeevne. Desuden giver brugen af 5,0% hældning dyrene mulighed for at nå maksimal intensitet i hver session og gennem hele protokollen hurtigere, end det ville være muligt uden hældning. Som et resultat maksimeres træningsydelsen for hver træning og for protokollens varighed.
Under undersøgelsen var et dyr ikke i stand til at gennemføre forsøgsprotokollen på grund af sygdom, hvilket resulterede i, at n = 39 dyr, der gennemførte undersøgelsen, med kun n = 9 rotter i HFD-kohorten. Denne protokol blev oprindeligt designet til at vurdere ændringer i cytokinprofiler som reaktion på motion og diæt, og effektanalysen resulterede i mere end 90% effekt til at identificere en forskel (p < 0,05) i det primære målcytokin (irisin). Fremtidige undersøgelser, der bruger denne model, bør stole på unikke effektanalyser for at bestemme passende prøvestørrelser.
Denne undersøgelse var primært designet til at undersøge de fysiologiske resultater af HIIT i en gnavermodel af diætinduceret fedme og for at maksimere træningsintensiteten. Denne protokol var i stand til at demonstrere variation i ADG og fedme som reaktion på diæt og HIIT (figur 6 og figur 7). Fremtidige undersøgelser kunne specifikt identificere endokrine, myokin- og adipokinresponser på HIIT. Belysning af disse mekanismer kan vise sig gavnlig i behandlingen og forebyggelsen af fedme og dens comorbiditeter.
Denne undersøgelse viste også virkningen af kost og HIIT på foderindtag. Resultaterne viste, at når dyrene indtog en fedtrig kost, indtog de trænede dyr flere kalorier end de ikke-trænede dyr. I modsætning hertil, når dyrene spiste kontrolkosten, indtog de trænede dyr mindre kalorier end de ikke-trænede dyr, hvilket viste forskellige appetitreguleringsreaktioner afhængigt af kostens sammensætning. Derfor kan strategier for vægttab, der udnytter HIIT, være mindre effektive for dem, der samtidig indtager en fedtfattig kost, da de kan være mere tilbøjelige til at forbruge overskydende kalorier. I modsætning hertil kan afbalanceret makronæringsindtag under HIIT fremme lavt kalorieindtag og derfor lette vægttab. Denne model kan lette forskningsindsatsen for at udvikle en dybere forståelse af mekanismerne bag energibalance og bestræbelser på at udvikle effektive vægttabsstrategier.
Endelig viste denne protokol variation i hjertevæv blandt kohorterne, hvilket afspejler tilpasningsændringer i kropssammensætningen som reaktion på kost og træningstræning. Disse data tyder på, at fedmeinduktion efterfulgt af HIIT kan prædisponere personer for myokardiehypertrofi uden ledsagede ændringer i leverstørrelse. Fremtidige analyser for at bestemme mekanismerne bag disse fund kan være nyttige til undersøgelse af myokardiehypertrofi og de metaboliske forbindelser mellem fedme, HIIT og hjerte-kar-sygdomme.
Protokollen beskrevet i denne undersøgelse har flere begrænsninger. For det første havde løbebåndet, der blev brugt i denne undersøgelse, fem baner, hvilket gjorde det muligt at køre fem rotter ad gangen. Mens denne måde at udføre protokollen på var effektiv, var det svært for en enkelt forsker at tage sig af hvert af dyrene på én gang. Der var lejligheder, hvor det var svært for løbebåndsledsageren at dele deres opmærksomhed blandt de mange dyr, der havde brug for stimulering med børstehår. I fremtiden vil det være en prioritet at sikre, at der er mere forskningspersonale til rådighed til at hjælpe med uddannelsesprotokollerne. Derudover har den femsporede løbebåndsmodel ikke kapacitet til at måle gasudveksling, og derfor kunne dyrenes aerobe/anaerobe metabolisme under protokollen ikke vurderes. Virksomheden, der leverede gnaverløbebåndet (se materialetabellen), tilbyder et løbebånd med evnen til at måle gasudveksling, men det er et løbebånd med en bane og ville derfor kræve betydeligt større tid og kræfter. Denne indsats kan dog være umagen værd for efterforskere, der har brug for at måle eller kontrollere for specifikke resultater af indirekte kalorimetri. Derudover er der meget lidt dokumentation tilgængelig for, hvordan stødgitteret kan påvirke træningspræstationen, hvilket bør overvejes, når resultaterne fra denne model fortolkes. Endelig blev træningsprotokollen beskrevet i denne undersøgelse designet med unge kvindelige Sprague-Dawley-rotter. Tidligere undersøgelser har vist seksuelt dimorfe virkninger, især med hensyn til HIIT og appetitregulering 3,7. Selvom lignende resultater forventes, testede denne protokol ikke dyr af forskellige arter, aldre, køn eller sundhedsresultater.
Sammenlignet med tidligere modeller demonstrerer denne protokol en mere tidseffektiv metode til evaluering af en række udfaldsvariabler. For eksempel var denne protokol i stand til at identificere interaktioner mellem HIIT og appetitregulering i en protokol, der involverede fire træningssessioner om ugen i 8 uger sammenlignet med tidligere undersøgelser, der involverede fem træningssessioner om ugen i 8 uger24 eller endda 12 ugers træning8. Derudover tillod dette undersøgelsesdesign analyse af en række sundhedsmarkører, såsom træningsdata, markører for appetitregulering og kropssammensætning. Disse markører, såvel som hjertetilpasningerne til træningstræning, repræsenterer lovende midler til også at evaluere træningstilpasningerne i det kardiovaskulære system. Målinger af endotelfunktion, muskelfibertypesammensætning og hjertemyocythypertrofi kunne let tilføjes for yderligere forståelsen af disse træningsinducerede tilpasninger. Desuden omfattede denne protokol præstationsbaserede eskaleringer i intensitet. Dette design muliggjorde maksimering af træningsresultaterne og sikrede, at rotterne ikke tilpassede sig træningsmiljøet og nærmede sig en kontinuerlig træningsmodel med moderat intensitet mod slutningen af interventionen. Dette er vist i figur 2; specifikt var disse dyrs sprinthastigheder mere end dobbelt så høje som de hastigheder, der blev opnået i tidligere publikationer, som fortsatte med at demonstrere mange kardiovaskulære, skeletmuskulatur- og termoregulerende tilpasninger i overensstemmelse med HIIT-interventioner25.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikter vedrørende offentliggørelsen af dette papir.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke Michael Pankey, Chris Butler og WVSOM-personalet for deres hjælp med dyrepleje og dataindsamling.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Commercial laboratory chow for control diet | Research Diets Inc., New Brunswick, NJ | D12450H | |
| Commercial laboratory chow for high-fat diet | Research Diets Inc., New Brunswick, NJ | D12451 | |
| GraphPad Prism software | GraphPad Software Inc., San Diego, CA | ||
| Precision Electronic Digital Scale | Ohaus Corporation, Pine Brook, NJ | V11P30 | |
| Rodent treadmill | Panlab, Barcelona, Spain | ||
| Sprague Dawley rats | Charles River, Durham, NC | ||
| Table top anesthesia machine | VetEquip Inc., Livermore, CA | V0557 |
References
- Overweight & obesity. Centers for Disease Control and Prevention. , Available from: https://www.cdc.gov/obesity/ (2019).
- Ylli, D., Sidhu, S., Parikh, T., Burman, K. D.
- Eckel, L. A., Moore, S. R. Diet-induced hyperphagia in the rat is influenced by sex and exercise. American Journal of Physiology, Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 287 (5), R1080-R1085 (2004).
- Martins, C., Morgan, L., Truby, H. A review of the effects of exercise on appetite regulation: An obesity perspective. International Journal of Obesity. 32 (9), 1337-1347 (2008).
- Steinberg, G. R., et al. Endurance training partially reverses dietary-induced leptin resistance in rodent skeletal muscle. American Journal of Physiology, Endocrinology, and Metabolism. 286 (1), E57-E63 (2004).
- Blundell, J. E., Stubbs, R. J., Hughes, D. A., Whybrow, S., King, N. A. Cross talk between physical activity and appetite control: Does physical activity stimulate appetite. Proceedings of the Nutrition Society. 62 (3), 651-661 (2003).
- Nance, D. M., Bromley, B., Barnard, R. J., Gorski, R. A. Sexually dimorphic effects of forced exercise on food intake and body weight in the rat. Physiology and Behavior. 19 (1), 155-158 (1977).
- Sim, A. Y., Wallman, K. E., Fairchild, T. J., Guelfi, K. J. Effects of high-intensity intermittent exercise training on appetite regulation. Medicine & Science in Sports & Exercise. 47 (11), 2441-2449 (2015).
- Booth, F. W., Gordon, S. E., Carlson, C. J., Hamilton, M. T. Waging war on modern chronic diseases: primary prevention through exercise biology. Journal of Applied Physiology. 88 (2), 774-787 (1985).
- Görgens, S. W., Eckardt, K., Jensen, J., Drevon, C. A., Eckel, J. Exercise and regulation of adipokine and myokine production. Progress in Molecular Biology and Translation Science. 135, 313-336 (2015).
- Gleeson, M., et al. The anti-inflammatory effects of exercise: mechanisms and implications for the prevention and treatment of disease. Nature Reviews Immunology. 11 (9), 607-615 (2011).
- Leal, L. G., Lopes, M. A., Batista, M. L. Physical exercise-induced myokines and muscle-adipose tissue crosstalk: A review of current knowledge and the implications for health and metabolic diseases. Frontiers in Physiology. 9, 1307 (2018).
- Ilich, J. Z., et al. Interrelationship among muscle, fat, and bone: Connecting the dots on cellular, hormonal, and whole body levels. Ageing Research Reviews. 15, 51-60 (2014).
- Greenberg, A. S., Obin, M. S. Obesity and the role of adipose tissue in inflammation and metabolism. American Journal of Clinical Nutrition. 83 (2), 461 (2006).
- Sallam, N., Laher, I. Exercise modulates oxidative stress and inflammation in aging and cardiovascular diseases. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2016, 7239639 (2016).
- Conroy, S. M., et al. Impact of aerobic exercise on levels of IL-4 and IL-10: Results from two randomized intervention trials. Cancer Medicine. 5 (9), 2385-2397 (2016).
- Dennett, A. Exercise has a positive effect on low-grade inflammation in women with breast cancer [commentary. Journal of Physiotherapy. 62 (4), 227 (2016).
- Wu, S., Park, K. S., McCormick, J. B. Effects of exercise training on fat loss and lean mass gain in Mexican-American and Korean premenopausal women. International Journal of Endocrinology. 2017, 5465869 (2017).
- Wang, Y., Wilsof, U., Kemi, O. J. Animal models in the study of exercise-induced cardiac hypertrophy. Physiology. 59 (5), 633-644 (2010).
- Shirvani, H., Arabzadeh, E. Metabolic cross-talk between skeletal muscle and adipose tissue in high-intensity interval training vs. moderate-intensity continuous training by regulation of PGC-1α. Eating and Weight Disorders. 25 (1), 17-24 (2020).
- Evans, C. C., et al. Exercise prevents weight gain and alters the gut microbiota in a mouse model of high fat diet-induced obesity. PLoS One. 9 (3), e92193 (2014).
- Castro-Rodríguez, D. C., et al. Strengths and validity of three methods for assessing rat body fat across the life course. International Journal of Obesity. 44 (12), 2430-2435 (2020).
- Marques, C. M., Motta, V. F., Torres, T. S., Aguila, M. B., Mandarim-de-Lacerda, C. A. Beneficial effects of exercise training (treadmill) on insulin resistance and nonalcoholic fatty liver disease in high-fat fed C57BL/6 mice. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 43 (5), 467-475 (2010).
- Ferreira, J. C., et al. Maximal lactate steady state in running mice: effect of exercise training. Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology. 34 (8), 760-765 (2007).
- Beleza, J., et al. Self-paced free-running wheel mimics high-intensity interval training impact on rats' functional, physiological, biochemical, and morphological features. Frontiers in Physiology. 10, 593 (2019).
