Summary
Dit artikel presenteert de morfometrische responsen en trainingsprestatieresultaten van een HIIT-protocol (High-Intensity Interval Training) in een Sprague-Dawley-rattenmodel van door voeding geïnduceerde obesitas. Het doel van dit protocol was om de trainingsintensiteit te maximaliseren en de fysiologische reacties op HIIT bij magere en zwaarlijvige ratten te bepalen.
Abstract
Vergeleken met continue, matige of lage intensiteitstraining is intervaltraining met hoge intensiteit (HIIT) een tijdbesparende alternatieve methode die resulteert in vergelijkbare fysiologische voordelen. Dit artikel presenteert een HIIT-protocol dat kan worden gebruikt om verschillende gezondheidsmarkers te beoordelen in een Sprague-Dawley-rattenmodel van door voeding geïnduceerde obesitas. Vrouwelijke Sprague Dawley-ratten van 21 dagen oud werden willekeurig toegewezen aan de volgende groepen: controle (CON, n = 10), trainingstraining (TRN, n = 10), vetrijk dieet (HFD, n = 10) en vetrijk dieet/inspanningstraining (HFD/TRN, n = 10). De controlediëten bestonden uit commercieel laboratoriumvoer met 10% kilocalorieën (kcal) uit vet (3,82 kcal/g), en de vetrijke diëten (HFD) bestonden uit 45% kcal uit vet (4,7 kcal/g). De dieren hadden gedurende het hele onderzoek ad libitum toegang tot hun toegewezen dieet. Na een inductieperiode van 8 weken voltooiden de trainingscohorten gedurende 8 weken vier HIIT-sessies per week. Elke HIIT-sessie bestond uit 10 intervallen van 1 minuut sprints/2 minuten rust met behulp van een knaagdierloopband met een door een motor aangedreven riem. Na de 8 weken durende training werden de dieren opgeofferd voor het verzamelen van weefsel. De resultaten onthulden geen verschillen in de gelopen afstand tussen de TRN- en HFD/TRN-groepen, en de trainingssnelheid nam gestaag toe gedurende de duur van het onderzoek, met een uiteindelijke loopsnelheid van respectievelijk 115 cm/s en 111 cm/s voor de TRN- en HFD/TRN-groepen. De wekelijkse calorie-inname was gedaald (p < 0,05) in de TRN-groep ten opzichte van de CON-groep, maar verhoogd (p < 0,05) in de HFD/TRN-groep ten opzichte van de HFD-groep. Ten slotte hadden de dieren op de HFD een grotere (p < 0,05) adipositas en de getrainde dieren een lagere (p < 0,05) adipositas in vergelijking met de controlegroep. Dit protocol demonstreert een efficiënte methode om de effecten van HIIT op verschillende fysiologische uitkomsten te evalueren in een door voeding geïnduceerd obesitasmodel.
Introduction
Obesitas en comorbide aandoeningen, zoals hart- en vaatziekten, stofwisselingsziekten en kanker, blijven enkele van de meest ernstige, kostbare en vermijdbare van alle gezondheidsuitkomsten. Momenteel wordt meer dan een derde van de volwassenen in de Verenigde Staten en meer dan 1,6 miljard volwassenen wereldwijd geclassificeerd als zwaarlijvig op basis van hun body mass index (BMI; gedefinieerd als gewicht in kilogrammen gedeeld door het kwadraat van de lengte in meters)1. Obesitas als ziekte is het gevolg van een genetische aanleg, blootstelling aan het milieu en een storing in de normale mechanismen die de energie-inname en het energieverbruik reguleren2. Naarmate de menselijke en financiële kosten van de obesitas-epidemie blijven stijgen, is er een intensievere focus geweest op het proberen te begrijpen van de mechanismen die betrokken zijn bij de energiebalans en de effecten van voeding en lichaamsbeweging bij het bestrijden van stofwisselingsziekten.
Eerdere studies hebben aangetoond dat blootstelling aan zeer smakelijke, energierijke diëten overeten inrattenmodellen stimuleert. Ad libitum toegang tot zeer smakelijke diëten leidt tot overmatige gewichtstoename als gevolg van een verhoogde calorie-inname4. Studies hebben ook aangetoond dat lichaamsbeweging de eetlust kan moduleren en de gevoeligheid van verzadigingssignalering bij zwaarlijvige personen kanverbeteren5. Er wordt getheoretiseerd dat dit herstel van de gevoeligheid van verzadigingssignalering bij inspanning gedeeltelijk wordt gemedieerd door de impact van inspanningstraining op de reactiviteit van de centrale en perifere weefsels op leptine, een belangrijk van adipocyten afgeleid regulerend hormoon dat de eetlust onderdrukt en het energieverbruik stimuleert. Hoewel deze studies een verscheidenheid aan oefenprotocollen hebben onderzocht, is er geen duidelijke consensus over welke interventie superieur is 6,7. Er zijn aanwijzingen dat intervaltraining met hoge intensiteit (HIIT), waarbij herhaalde uitbarstingen van inspannende oefeningen worden afgewisseld met intervallen van herstel, de eetlustregulatie meer kan verbeteren dan andere vormen van lichaamsbeweging, zoals continue training met matige intensiteit (MICT), continue training met hoge intensiteit of vrijwillige fysieke activiteit8. Er zijn echter hiaten in de kennis over de intersectionaliteit van intervaltraining, voeding en eetlustregulatie met hoge intensiteit.
Eerdere studies hebben ook aangetoond dat lichaamsbeweging een krachtige bemiddelaar is van inactiviteitsgerelateerde comorbiditeiten, met name vanuit het perspectief van veranderingen in spier- en vetweefsel 9,10,11. Er wordt verondersteld dat deze veranderingen in de samenstelling leiden tot de bevordering van een ontstekingsremmende toestand die verantwoordelijk kan zijn voor de verbetering van het ziekterisico bij lichaamsbeweging12. Myokines, cytokines, andere kleine eiwitten en proteoglycaanpeptiden die vrijkomen uit skeletspieren tijdens spiercontracties, zijn geponeerd als het matigen van de ontstekingsremmende resultaten die verband houden met fysieke activiteit. Daarentegen is aangetoond dat adipokines, celsignaalmoleculen die door vetweefsel worden geproduceerd, voornamelijk een meer schadelijke rol spelen en bijdragen aan de bevordering van een ontstekingstoestand13,14,15,16. Hoewel er significant bewijs is dat aantoont dat de veranderingen in de samenstelling die met MICT worden waargenomen, positieve gezondheidsresultaten bevorderen, is er minder werk verricht om de potentiële voordelen van HIIT1 7,18 te evalueren.
Ten slotte is hart- en vaatziekten algemeen bekend als de belangrijkste oorzaak van morbiditeit bij mensen en is het sterk gecorreleerd met obesitas, voeding en lichaamsbeweging1. Dit protocol biedt een efficiënte manier om knaagdieren te trainen voor de evaluatie van de effecten van cardiovasculaire training op tal van systemen. In het bijzonder is cardiale hypertrofie een duidelijke aanpassing die optreedt bij cardiovasculaire oefeningen. Deze hypertrofie zorgt voor robuustere hartcontracties en de toevoer van bloed en zuurstof naar de oefenweefsels. Eerder onderzoek suggereert dat lichaamsbeweging met hoge intensiteit meer kans heeft om cardiale hypertrofie te veroorzaken dan lichaamsbeweging met matigeintensiteit19.
Dit protocol helpt de hiaten in de literatuur op te vullen door een benadering te bieden voor het onderzoeken van de effecten van HIIT op eetlustregulatie, veranderingen in de samenstelling (dus myokine- en adipokineveranderingen) en cardiovasculaire aanpassingen in een muizenmodel van door voeding geïnduceerde obesitas. Verder maximaliseren de op prestaties gebaseerde intensiteitsverhogingen de trainingsresultaten en zorgen ze ervoor dat dieren zich niet aanpassen aan de trainingstraining en later in het trainingsprotocol een matige intensiteit benaderen.
Het algemene doel van deze methode is om de inspanningsinspanning te maximaliseren en fenotypische veranderingen bij Sprague-Dawley-ratten te identificeren als reactie op HIIT, door voeding geïnduceerde obesitas en de interactie van deze stimuli. Dit protocol is uniek in vergelijking met andere technieken vanwege het vermogen om de inspanning gedurende de trainingsperiode te maximaliseren, zelfs met een toename van de vaardigheid en fitheid van de ratten. Het maakt ook de gelijktijdige analyse van lichaamsbeweging en obesitas mogelijk, in plaats van alleen op het een of het ander te focussen. Concreet was deze studie bedoeld om de volgende hypothesen te testen. (1) De trainingssnelheden kunnen tijdens de training toenemen en de afstand die ratten in de TRN-groep afleggen, kan groter zijn dan in de HFD/TRN-groep20. (2) De gemiddelde wekelijkse calorie-inname van de getrainde ratten kan hoger zijn dan die van controles, en dit kan duidelijk zijn binnen elk dieetcohort21. (3) De gemiddelde dagelijkse toename in massa kan groter zijn bij controleratten dan bij getrainde ratten, en controleratten kunnen een hogere vetmassa hebben bij hetofferen 21. (4) De massa van het hart en de lever kan groter zijn bij de HFD/TRN-ratten dan bij de TRN-ratten19.
Protocol
Alle procedures die in deze studie worden beschreven, volgden de Gids voor de verzorging en het gebruik van proefdieren, 8e editie. Het experimentele ontwerp werd goedgekeurd door het Office of Research and Sponsored Programs (ORSP) onder de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) 2019-5 aan de West Virginia School of Osteopathic Medicine. Raadpleeg de Materiaaltabel en Tabel 1 voor meer informatie over alle materialen die in dit protocol worden gebruikt. Een algemeen overzicht van de tijdlijn van het protocol wordt weergegeven in figuur 1.
1. Experimenteel ontwerp
- Gebruik 40 vrouwelijke Sprague-Dawley-ratten van 21 dagen oud uit een commerciële bron (zie Materiaaltabel).
- Gebruik de juiste beschermingsmiddelen bij het hanteren van de dieren in overeenstemming met de IACUC-richtlijnen. Deze veiligheidsmaatregelen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, het dragen van steriele handschoenen voor eenmalig gebruik, een laboratoriumjas, schoenovertrekken, enz.
- Weeg elk dier en bereken de gemiddelde en standaardfout van het gemiddelde om ervoor te zorgen dat de groepen niet in gewicht verschillen. Als de groepen verschillen, stem dan de groepen af op lichaamsgewicht door de zwaardere individuen te herverdelen in de lichtere groepen en de lichtere individuen in de zwaardere groepen.
- Verdeel de dieren willekeurig in vier groepen: controle (CON, n = 10), controledieet/trainingstraining (TRN, n = 10), vetrijk dieet/controle (HFD, n = 10) en vetrijk dieet/trainingstraining (HFD/TRN, n = 10).
- Huisvest de ratten in individuele kooien (één dier per kooi) in een gecontroleerde omgeving (12 uur licht/donker-cycli, 21 °C ± 2 °C, 60% ± 10% luchtvochtigheid) en spenen alle ratten voor een controledieet van commercieel gekocht laboratoriumvoer (zie Materiaaltabel) gedurende een acclimatisatieperiode van 1 week. Voorzie elke kooi van verrijkingsapparaten (beschutting, knaagdieren en nestmateriaal).
OPMERKING: Het CON-dieet bestaat uit commercieel gekocht laboratoriumvoer (zie Tabel met materialen en Tabel 1 voor aanvullende details) met 10% kcal uit vet (3,82 kcal/g). - Zorg voor ad libitum toegang tot voedsel en water tijdens het experiment.
- Begin na de acclimatisatieperiode van 1 week met de dieetperiode van 8 weken door de HFD- en HFD/TRN-groepen te voorzien van HFD-voer. De HFD-chow (zie de materiaaltabel en tabel 1 voor meer informatie) bestaat voor 45% uit vet (4,7 kcal/g), wat overeenkomt met de afbraak van macronutriënten in een typisch westers dieet. Zorg ervoor dat alle dieren ad libitum toegang blijven hebben tot voedsel en water.
- Weeg aan het begin van elke week de hoeveelheid voer die aan elk dier is gegeven en noteer deze. Gebruik 140 g voer om elk dier een volledige week te voeren.
- Om het voer te wegen, plaatst u een weegboot op een elektronische digitale precisieweegschaal (zie Materiaaltabel) en tarreert u de weegschaal door op de "tarra"-knop te drukken. Plaats 140 g voer in de weegboot en noteer het gewicht (g) van de weegschaal. Dit is het "voor" gewicht.
- Plaats het voer in de voerbak in de stal van elk individueel dier.
- Als een dier bijna geen voer meer heeft, weeg dan een extra hoeveelheid af (20 g voor elke resterende dag) en voeg dat voer toe aan het voerbakje. Noteer hoeveel extra voer aan elk dier wordt gegeven. Het kan nodig zijn om gewicht toe te voegen aan het voer in de trechter om meer gebruiksgemak mogelijk te maken als de dieren moeite hebben om de pellets te consumeren (zoals blijkt uit afgeronde pellets in de trechter).
- Weeg aan het einde van elke week het resterende voer voor elk dier. Elk dier zou voer over moeten hebben om ervoor te zorgen dat ze ad libitum konden eten. Noteer met dezelfde weegschaal het resterende voedsel. Dit is het "na" gewicht.
- Trek het "na"-gewicht af van het "voorgewicht" voor elk individueel dier om de voedselopname (g) per week te registreren.
- Begin na de 8 weken durende dieetinductieperiode met het HIIT-trainingsprotocol voor ratten in TRN en HFD/TRN. Dit bestaat uit een HIIT-regime van 8 weken met elke week trainingssessies op maandag, dinsdag, donderdag en vrijdag (zie "HIIT-trainingsprotocol" hieronder) tussen 08:00 uur en 10:00 uur.
OPMERKING: Er is geen standaardisatie van het protocol tussen de groepen, aangezien dit protocol is ontworpen om de prestaties van elk cohort te maximaliseren en elk cohort kan verschillen (als gevolg van fenotypes die door voeding worden geïnduceerd). - Euthanaseer de ratten 48 uur na hun laatste trainingssessie via vitale weefseloogst na anesthesie-inductie met behulp van geïnhaleerd isofluraan (5%).
- Begin met ervoor te zorgen dat er voldoende zuurstof en isofluraan in het systeem is om anesthesie te induceren. Open de zuurstoftank door de hoofdklep (meestal bovenop de tank) tegen de klok in te draaien. Er kan al dan niet een regelklep zijn die ook op de zuurstoftank moet worden geopend, afhankelijk van de grootte van de zuurstoftank. Controleer bovendien of de uitlaatslang goed vastzit en of de opvangbak niet te zwaar is.
- Weeg de bus voor gebruik en noteer de datum en het gewicht op de zijkant van de bus. Controleer of de kraan naar de inductiekamer open is en de kraan naar de neuskegel gesloten is.
- Om anesthesie te induceren, plaatst u het dier in de inductiekamer en sluit u de kamer af door de sloten vast te zetten. Stel de isofluraan in op 5% door de veiligheidsvergrendeling in te drukken en de draaiknop tegen de klok in te draaien.
- Draai vervolgens de draaiknop aan de onderkant van de zuurstofflowmeter tegen de klok in totdat de meter tussen 1.5-2 l/min aangeeft.
- Na 1-2 minuten, wanneer het dier niet meer bij bewustzijn is, schakelt u de isofluraan uit door de draaiknop met de klok mee te draaien terwijl u de veiligheidsvergrendeling indrukt. Spoel de inductiekamer met zuurstof door het zuurstofontlastingsventiel 3-5 s ingedrukt te houden. Ontgrendel de inductiekamer en verwijder het bewusteloze dier.
- Leg het bewusteloze dier op zijn rug en zet een neuskegel vast om verdere anesthesie toe te dienen. Open de kraan voor de levering van het gezichtsmasker en sluit de kraan voor de inductiekamer. Lever 5% isofluraan met 100% zuurstof voor anesthesie via het gezichtsmasker totdat pedaalreflexen afwezig zijn.
- Controleer de pedaalreflexen door een knijpende druk uit te oefenen op de tenen van het verdoofde dier en op zoek te gaan naar een reflexreactie.
- Offer het dier volgens door de IACUC goedgekeurde methoden (die per onderzoek kunnen verschillen) en ontleed zorgvuldig de doelweefsels voor meting en verdere analyse (onderhuids vetweefsel, perirenaal vetweefsel, skeletspieren, lever, geslachtsklieren en hart). Afhankelijk van de IACUC-protocollen kan euthanasie worden voltooid door onthoofding met een guillotine of door het oogsten van vitaal weefsel (hart).
- Om het hart te verzamelen, maakt u een incisie onder de ribben en door het middenrif.
- Lokaliseer het hart en knip het vaatstelsel (aorta, vena cava, longslagader, longader) door met een chirurgische schaar. Pak het hart vast met een tang en snijd eventueel bindweefsel door om het hart los te maken. Werk snel, spoel het hart met een zoutoplossing, dep het overtollige vocht af met gaas en noteer het gewicht. Scheid indien nodig de linkerventrikel, de rechterventrikel en het septum met een chirurgische schaar en weeg ze afzonderlijk.
- Plaats de hartweefselmonsters in een cryovial en vries ze snel in vloeibare stikstof in.
- Maak vervolgens een longitudinale incisie in de buik met een scalpel en twee laterale incisies van de navelstreng naar de laterale zijde van het dier om toegang tot de buikorganen mogelijk te maken.
- Gebruik een pincet en een chirurgische schaar om alle interessante organen te verwijderen.
OPMERKING: Voor dit onderzoek werden de lever, het viscerale (abdominale) vetweefsel, de alvleesklier en de gastrocnemius verzameld. Het buikvetweefsel werd in één of twee grote delen verwijderd door het bindweefsel rond de organen en de lichaamsholtewand voorzichtig bij te snijden. Het onderhuidse vet werd niet verzameld, vergelijkbaar met eerdere methoden22. - Voor de organen, na verwijdering, plaats ze in een schone weegboot op een getarreerde weegschaal. Noteer het gewicht (g) en plaats de monsters in cryovials om ze snel in te vriezen.
- Gebruik een pincet en een chirurgische schaar om alle interessante organen te verwijderen.
- Maak voor de gastrocnemius twee incisies langs de zijkanten van het onderbeen en één horizontaal over de achillespees.
- Snijd of scheur het bindweefsel dat de huid met de musculatuur verbindt om de gastrocnemius bloot te leggen. Knip de achillespees met een chirurgische schaar zo dicht mogelijk bij de spier af en pak de gastrocnemius vast met een pincet.
- Volg de gastrocnemius naar het bovenste verbindingspunt en maak een soortgelijke snede om de spier vrij te maken.
- Weeg het monster op een schone, getarreerde weegboot, plaats het in een cryovial en vries het snel in vloeibare stikstof.
- Om het hart te verzamelen, maakt u een incisie onder de ribben en door het middenrif.
- Plaats alle andere verzamelde weefselmonsters onmiddellijk in cryovials, vries ze snel in vloeibare stikstof in en bewaar ze bij -80 °C. Deze weefsels kunnen worden bewaard voor toekomstige laboratoriumanalyses zoals PCR, western blot of andere methoden, afhankelijk van de onderzoeksdoelen.
2. HIIT-trainingsprotocol
- Om een trainingssessie te beginnen, zet u de loopband aan (zie Materiaaltabel) door de aan/uit-schakelaar aan de achterkant van de besturingseenheid om te zetten.
- Stel de schokdemper van de loopband in op 0.00 mA door de draaiknop op de bedieningseenheid tegen de klok in te draaien totdat de monitor 0.00 mA aangeeft.
- Stel de helling van de loopband in op 5.0% door de borgmoer aan de onderkant van de loopband los te draaien en de helling op de eerste inkeping in te stellen. Draai de borgmoer weer vast om de helling van de loopband in deze positie vast te zetten.
- Ondersteun het lichaam van het dier met één hand, pak voorzichtig de basis van de staart vast met de andere hand en plaats het dier in een individuele baan op de loopband.
- Herhaal het proces totdat alle vijf afzonderlijke rijstroken op de loopband bezet zijn door een rat uit hetzelfde cohort.
- Stel de snelheid van de loopband in op 45 cm/s door de snelheidsregelaar met de klok mee te draaien totdat de monitor 45 cm/s aangeeft. Druk op de Stop/Run-knop om de loopband te starten en laat deze 5 minuten draaien. Druk nogmaals op de Stop/Run-knop om de loopband na 5 minuten te stoppen. Gedurende deze tijd wordt geen elektrische schok gebruikt.
OPMERKING: De dieren hebben mogelijk aanmoediging nodig met borstels met harde haren om tijdens de eerdere stadia van het protocol uit de buurt van het schokrooster te blijven om hen te helpen bij het leren gebruiken van de loopband. - Laat aan het einde van de 5 minuten 2 minuten rusten voordat u aan de trainingsperiode begint. Draai de draaiknop op de besturingseenheid met de klok mee totdat de monitor de overeenkomstige startsnelheid van de trainingsperiode afleest. Gebruik voor de eerste sessie een beginsnelheid van 55 cm/s. Gebruik voor de eerste sprint van elke nieuwe trainingsdag een startsnelheid die 4 cm/s langzamer ligt dan de hoogste snelheid van de vorige dag.
- Start de loopband door op de Start-knop te drukken, laat de dieren rennen totdat de monitor 1:00 (1 min) aangeeft en stop de loopband vervolgens door nogmaals op de Stop/Run-knop te drukken.
- Beweeg de dieren met borstels om de voorwaartse beweging te stimuleren als het dier het schokrooster (aan de achterkant van de loopband) bereikt. Als een dier per trainingsgroep niet meer dan twee keer per trainingsperiode op de borstels reageert, zet dan het schokrooster aan op 2.0 mA voor de rest van de sessie.
- Laat de dieren na de sprint 2 minuten rusten. Begin aan het einde van de rust van 2 minuten aan de volgende sprint door de loopband te starten door op de Stop/Run-knop op de bedieningseenheid te drukken. De details met betrekking tot de snelheid van de loopband worden hieronder gedefinieerd.
- Verhoog de snelheid met 4 cm/s voor het volgende sprintinterval ten opzichte van de vorige gebruikte snelheid als alle vijf dieren binnen een cohort het sprintinterval voltooien zonder motivatie nodig te hebben (aanmoediging met een stijve borstel of het meer dan vijf keer aanraken van het schokrooster) gedurende een volledig sprintinterval van 1 minuut. De snelheid wordt verhoogd door de snelheidsknop op de besturingseenheid met de klok mee te draaien.
- Gebruik dezelfde intervalsnelheid als het vorige sprintinterval als de borstels worden gebruikt om rennen aan te moedigen of als een dier het schokrooster meer dan vijf keer aanraakt in een enkele sprint van 1 minuut.
- Verlaag de snelheid voor het volgende interval met 4 cm/s als een dier overmatig worstelt tijdens een sprintinterval (meer dan 20 s geaccumuleerde tijd op het schokrooster).
OPMERKING: Onze ervaring is dat 100% van de dieren in staat was om de vereiste run te voltooien. Desalniettemin kan het nodig zijn om dieren naar goeddunken van de onderzoeker uit het onderzoek te verwijderen als ze blijk geven van onwil om uit te voeren of buitensporige schokken ervaren. - Noteer de snelheid en de gelopen afstand voor elke wedstrijd.
- Herhaal het proces voor in totaal 10 HIIT-trainingsperiodes per trainingsdag. Elke trainingsperiode bestaat uit 1 minuut intensief hardlopen, gevolgd door 2 minuten rust.
- Verwijder aan het einde van de trainingssessie elk dier van de loopband en plaats het in zijn individuele kooi.
- Voor elke nieuwe trainingsdag begint de initiële loopsnelheid voor de eerste wedstrijd met 4 cm/s langzamer dan de hoogste snelheid die in de training van de vorige dag is behaald, met een minimale snelheid van 55 cm/s.
3. Statistische analyse
- Rapporteer de morfometrie en andere uitkomstmaten als gemiddelden en standaardfouten.
- Bepaal de verschillen tussen de groepen in een analysesoftware (zie Tabel met materialen) met behulp van een mixed-effects model dat meerdere vergelijkingen mogelijk maakt.
OPMERKING: De Šidák-correctie is geïmplementeerd om rekening te houden met meerdere vergelijkingen. Waar nodig werd een model met herhaalde maatregelen geïmplementeerd. Significante verschillen werden bepaald door p < 0,05.
Representative Results
Figuur 2 laat zien dat de trainingsprestaties toenamen gedurende de duur van het protocol. De uiteindelijke loopsnelheden van de TRN- en HFD/TRN-groepen waren respectievelijk 115 cm/s en 111 cm/s. De totale loopafstand verschilde niet tussen de TRN- en HFD/TRN-groepen (Figuur 3).
De gemiddelde wekelijkse voeropname voor de dieren op het controledieet was hoger (p < 0,0001) dan voor de dieren op het vetrijke dieet (respectievelijk 103 g/week ± 1,0 g/week vs. 91 g/week ± 1,0 g/week). De gemiddelde wekelijkse voeropname was ook hoger (p < 0,001) in getrainde groepen dan in de niet-getrainde groepen (respectievelijk 98 g/week ± 1,3 g/week vs. 92,2 g/week ± 1,0 g/week). Als we naar de interacties kijken, verschilden de CON- versus TRN-groepen niet van elkaar, maar hadden ze een grotere (p < 0,05) wekelijkse inname dan de HFD/TRN-groep, die meer at (p < 0,05) dan de HFD-groep (Figuur 4). Bij het omrekenen van de voeropname naar de kcal-inname hadden de dieren op het vetrijke dieet een hogere (p < 0,0001) calorie-inname dan die op het controledieet (respectievelijk 430 kcal/week ± 4,6 kcal/week vs. 396 kcal/week ± 3,7 kcal/week). Dit resulteerde in verschillen (p < 0,05) in de wekelijkse calorie-inname tussen alle vier de groepen, waarbij de HFD/TRN-groep de grootste wekelijkse calorie-inname vertoonde, gevolgd door de HFD-, CON- en TRN-groepen achtereenvolgens (Figuur 5).
Het lichaamsgewicht verschilde niet tussen de groepen tot week 8 van de voedingsperiode, toen de HFD- en HFD/TRN-groepen een grotere (p < 0,05) massa bereikten dan de CON- en TRN-groepen (293 g ± 10,1 g en 298 g ± 13,1 g vs. 270 g ± 8,6 g en respectievelijk 264 g ± 6,8 g). De HFD- en HFD/TRN-groepen bleven zwaarder (p < 0,05) dan de CON- en TRN-groepen voor de rest van het onderzoek (tot respectievelijk 332 g ± 14,4 g, 347 g ± 16,3 g, 304 g ± 10,3 g en 304 g ± 10,1 g voor de HFD-, HFD/TRN-, CON- en TRN-groepen). De gemiddelde dagelijkse toename (ADG) was groter (p < 0,05) bij de getrainde versus niet-getrainde dieren gedurende het trainingsgedeelte van het onderzoek (respectievelijk 0,8 g/dag ± 0,11 g/dag vs. 0,5 g/dag ± 0,09 g/dag), en er waren geen verschillen in ADG tussen de CON- en HFD-groepen gedurende deze periode. Samen resulteerde dit in een grotere (p < 0,05) ADG in de HFD/TRN-groep dan in de HFD-groep en geen verschillen tussen de CON- en TRN-groepen (Figuur 6) gedurende de trainingsperiode. De trainingsperiode van 8 weken veroorzaakte echter geen verschil in gewicht tussen de HFD/TRN- en HFD-groepen (respectievelijk 347 g ± 16,3 g vs. 331,5 g ± 14,4 g).
Na voltooiing van het trainingsprotocol bleek uit het ophalen van weefsel dat dieren op de HFD een grotere (p < 0,05) viscerale adipositas hadden dan de CON-groep (respectievelijk 25 g ± 2,1 g vs. 19 g ± 1,5 g), en dat de door inspanning getrainde dieren een verminderde (p < 0,05) viscerale adipositas hadden ten opzichte van de controledieren (21 g ± 2,4 g vs. 25 g ± 2,1 g, respectievelijk). De HFD-groep had een grotere (p < 0,05) viscerale adipositas dan de TRN- en HFD/TRN-groepen (Figuur 7). De hartmassa was groter in de HFD/TRN-groep dan in de CON-, TRN- en HFD-groepen (p < 0,05; respectievelijk 1,3 g ± 0,2 g vs. 1,1 g ± 0,1 g, 1,1 g ± 0,1 g en 1,0 g ± 0,1 g). Er werden geen verschillen waargenomen in de levermassa tussen de groepen. Er werden geen verschillen vastgesteld in de massa van andere organen of weefsels.
Figuur 1: Tijdlijn van het onderzoeksprotocol per leeftijd van het dier in dagen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: HIIT-snelheid gedurende het trainingsprotocol voor de TRN- en HFD/TRN-dieren per sessie. HIIT werd gedurende 8 weken op vier verschillende dagen per week uitgevoerd, wat resulteerde in 32 trainingssessies. De gemiddelde gegevens per training worden weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Gemiddelde afgelegde afstand per sprint in de TRN- en HFD/TRN-groepen gedurende het trainingsprotocol. HIIT werd gedurende 8 weken op vier verschillende dagen per week uitgevoerd, wat resulteerde in 32 trainingssessies. De gegevens worden weergegeven als gemiddelde ± SEM. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Gemiddelde wekelijkse voeropname van de CON-, TRN-, HFD- en HFD/TRN-cohorten. Gegevens worden gepresenteerd als gemiddelde ± standaardfout van het gemiddelde (SEM). a,b,cGemiddelden met verschillende letters verschillen (p < 0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Wekelijkse calorie-inname van de CON-, TRN-, HFD- en HFD/TRN-cohorten. Gegevens worden weergegeven als gemiddelde ± SEM. a,b,c,dGemiddelden met verschillende letters verschillen (p < 0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Gemiddelde dagelijkse gewichtstoename in de CON-, TRN-, HFD- en HFD/TRN-cohorten. De gegevens worden weergegeven als gemiddelde ± SEM. a,bGroepen met verschillende letters verschillen (p < 0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Gemiddelde viscerale vetmassa bij obductie. De gegevens worden weergegeven als gemiddelde ± SEM. a,bGroepen met verschillende letters verschillen (p < 0,05). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Tabel 1: Samenstelling van de diëten die in het protocol worden gebruikt. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Discussion
Dit protocol biedt een effectieve methode voor het onderzoeken van de effecten van HIIT op verschillende gezondheidsmarkers in een door voeding geïnduceerd obesitasmodel. De procedure is gebaseerd op eerdere studies om een meer tijdbesparende methode mogelijk te maken voor het onderzoeken van meerdere uitkomstvariabelen, zoals variabelen voor trainingstraining, markers voor eetlustregulatie en invasieve analyses van de lichaamssamenstelling 3,7,8,18,23,24. De inhoud, de duur en het interventieprotocol voor lichaamsbeweging waren consistent met eerdere publicaties23,24. In deze studie werd in de handel verkrijgbaar laboratoriumvoer gekocht (zie Materiaaltabel). Het laboratoriumvoer voor de vetrijke en controlediëten bevatte dezelfde hoeveelheid eiwitten en micronutriënten. Het koolhydraat- en vetgehalte van de diëten werd aangepast om een veilige methode te bieden voor het induceren van obesitas in de experimentele groep (zie tabel 1).
De inductieperiode van 8 weken voor obesitas die in de huidige studie wordt gebruikt, is gemodelleerd op basis van eerder onderzoek dat significante veranderingen in gewicht aantoont na het verstrekken van commercieel laboratoriumvoer bestaande uit 45% kcal uit vet (4,7 kcal/g), wat de afbraak van macronutriënten vertegenwoordigt die wordt aangetroffen in het typische westerse dieet23. Bovendien hebben eerdere studies de effectiviteit aangetoond van een HIIT-protocol van 8 weken op het beïnvloeden van de voedselinname 7,8, vetprofielen 18,23 en spiergroei18. De resultaten van het protocol dat in deze studie werd beschreven, kwamen overeen met eerdere onderzoeken die meldden dat HIIT invloed heeft op de regulering van de eetlust, evenals op veranderingen in de samenstelling van adipositas en spiermassa.
Een voordeel van dit protocol is dat het de intensiteit van de trainingstraining bij de dieren maximaliseert en de maximale inspanning gedurende het hele protocol handhaaft. Omdat de dieren voortdurend leren hoe ze de loopband vakkundig moeten gebruiken en fitnesswinst kunnen boeken, wordt de snelheid van de loopband dienovereenkomstig verhoogd in verhouding tot hun prestaties. Bovendien zorgt het gebruik van de helling van 5,0% ervoor dat de dieren in elke sessie en gedurende het hele protocol sneller de maximale intensiteit kunnen bereiken dan zonder het gebruik van helling zou worden bereikt. Als gevolg hiervan worden de trainingsprestaties gemaximaliseerd voor elke training en voor de duur van het protocol.
Tijdens het onderzoek was één dier niet in staat om het experimentele protocol te voltooien vanwege ziekte, wat resulteerde in n = 39 dieren die het onderzoek voltooiden, met slechts n = 9 ratten in het HFD-cohort. Dit protocol was oorspronkelijk ontworpen om veranderingen in cytokineprofielen te beoordelen als reactie op lichaamsbeweging en dieet, en de vermogensanalyse resulteerde in een vermogen van meer dan 90% om een verschil (p < 0,05) in het primaire doelcytokine (irisine) te identificeren. Toekomstige studies die dit model gebruiken, moeten gebaseerd zijn op unieke vermogensanalyses om de juiste steekproefomvang te bepalen.
Deze studie was in de eerste plaats bedoeld om de fysiologische uitkomsten van HIIT te onderzoeken in een knaagdiermodel van door voeding geïnduceerde obesitas en om de intensiteit van lichaamsbeweging te maximaliseren. Dit protocol was in staat om variatie in ADG en adipositas aan te tonen als reactie op voeding en HIIT (Figuur 6 en Figuur 7). Toekomstige studies zouden specifiek endocriene, myokine en adipokine reacties op HIIT kunnen identificeren. De opheldering van deze mechanismen kan nuttig zijn bij de behandeling en preventie van obesitas en de comorbiditeiten ervan.
Deze studie toonde ook de impact van voeding en HIIT op de voeropname aan. De resultaten gaven aan dat wanneer de dieren een vetrijk dieet consumeerden, de getrainde dieren meer calorieën consumeerden dan de niet-getrainde dieren. Wanneer de dieren daarentegen het controledieet aten, consumeerden de getrainde dieren minder calorieën dan de niet-getrainde dieren, wat verschillende eetlustregulerende reacties vertoonde, afhankelijk van de samenstelling van het dieet. Daarom kunnen strategieën voor gewichtsverlies die HIIT gebruiken minder effectief zijn voor degenen die tegelijkertijd een vetrijk dieet volgen, omdat ze meer kans hebben om overtollige calorieën te consumeren. Daarentegen kan een evenwichtige inname van macronutriënten tijdens HIIT een lage calorie-inname bevorderen en daardoor gewichtsverlies vergemakkelijken. Dit model kan onderzoeksinspanningen vergemakkelijken om een beter begrip te ontwikkelen van de mechanismen achter de energiebalans en inspanningen om effectieve strategieën voor gewichtsverlies te ontwikkelen.
Ten slotte toonde dit protocol variatie in hartweefsel tussen de cohorten, als gevolg van adaptieve veranderingen in de lichaamssamenstelling als reactie op dieet en trainingstraining. Deze gegevens suggereren dat inductie van obesitas gevolgd door HIIT individuen vatbaar kan maken voor myocardiale hypertrofie zonder enige begeleidende veranderingen in de levergrootte. Toekomstige analyses om de mechanismen achter deze bevindingen te bepalen, kunnen nuttig zijn voor het onderzoeken van myocardiale hypertrofie en de metabole verbanden tussen obesitas, HIIT en hart- en vaatziekten.
Het protocol dat in deze studie wordt beschreven, heeft verschillende beperkingen. Ten eerste had de loopband die in dit onderzoek werd gebruikt vijf rijstroken, waardoor er vijf ratten tegelijk konden worden gebruikt. Hoewel deze manier om het protocol uit te voeren efficiënt was, was het moeilijk voor een enkele onderzoeker om elk van de dieren tegelijk te behandelen. Er waren momenten waarop het moeilijk was voor de loopbandbediende om zijn aandacht te verdelen over de vele dieren die stimulatie nodig hadden met borstelharen. In de toekomst zal het een prioriteit zijn om ervoor te zorgen dat er meer onderzoekspersoneel beschikbaar is om te helpen bij de trainingsprotocollen. Bovendien heeft het vijfbaans loopbandmodel niet de mogelijkheid om de gasuitwisseling te meten, en daarom kon het aërobe/anaërobe metabolisme van de dieren tijdens het protocol niet worden beoordeeld. Het bedrijf dat de knaagdierloopband leverde (zie Materiaaltabel) biedt wel een loopband aan met de mogelijkheid om de gasuitwisseling te meten, maar het is een loopband met één rijstrook en zou daarom aanzienlijk meer tijd en moeite vergen. Die inspanning kan echter de moeite waard zijn voor onderzoekers die specifieke uitkomsten van indirecte calorimetrie moeten meten of controleren. Bovendien is er zeer weinig bewijs beschikbaar over hoe het schokrooster de trainingsprestaties kan beïnvloeden, waarmee rekening moet worden gehouden bij het interpreteren van de resultaten van dit model. Ten slotte is het oefenprotocol dat in deze studie wordt beschreven, ontworpen met jonge vrouwelijke Sprague-Dawley-ratten. Eerdere studies hebben seksueel dimorfe effecten aangetoond, vooral met betrekking tot HIIT en eetlustregulatie 3,7. Hoewel vergelijkbare resultaten worden verwacht, testte dit protocol geen dieren van verschillende soorten, leeftijden, geslachten of gezondheidsresultaten.
In vergelijking met eerdere modellen demonstreert dit protocol een meer tijdbesparende methode om een reeks uitkomstvariabelen te evalueren. Dit protocol was bijvoorbeeld in staat om interacties tussen HIIT en eetlustregulatie te identificeren in een protocol dat vier trainingssessies per week gedurende 8 weken omvatte, in vergelijking met eerdere studies die vijf trainingssessies per week gedurende 8 weken24 of zelfs 12 weken training8 inhielden. Bovendien maakte deze onderzoeksopzet de analyse mogelijk van een verscheidenheid aan gezondheidsmarkers, zoals bewegingsgegevens, markers van eetlustregulatie en lichaamssamenstelling. Deze markers, evenals de hartaanpassingen aan trainingstraining, zijn veelbelovende middelen om ook de trainingsaanpassingen van het cardiovasculaire systeem te evalueren. Metingen van de endotheelfunctie, de samenstelling van het spiervezeltype en de hypertrofie van cardiale myocyten kunnen gemakkelijk worden toegevoegd om het begrip van deze door inspanning geïnduceerde aanpassingen te vergroten. Verder omvatte dit protocol op prestaties gebaseerde escalaties in intensiteit. Dit ontwerp zorgde voor het maximaliseren van de trainingsresultaten en zorgde ervoor dat de ratten zich niet aanpasten aan de trainingsomgeving en tegen het einde van de interventie een continu trainingsmodel met matige intensiteit benaderden. Dit wordt geïllustreerd in figuur 2; in het bijzonder waren de sprintsnelheden van deze dieren meer dan het dubbele van de snelheden die werden bereikt in eerdere publicaties, die vervolgens veel cardiovasculaire, skeletspier- en thermoregulerende aanpassingen aantoonden die consistent waren met HIIT-interventies25.
Disclosures
De auteurs verklaren dat er geen sprake is van belangenverstrengeling met betrekking tot de publicatie van dit artikel.
Acknowledgments
De auteurs willen Michael Pankey, Chris Butler en het WVSOM-personeel bedanken voor hun hulp bij de verzorging van dieren en het verzamelen van gegevens.
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).
