Summary
この論文では、食事誘発性肥満のSprague-Dawleyラットモデルにおける高強度インターバルトレーニング(HIIT)プロトコルの形態測定応答とトレーニングパフォーマンスの結果を紹介します。このプロトコルの目的は、運動強度を最大化し、痩せたラットと肥満のラットにおけるHIITに対する生理学的反応を決定することでした。
Abstract
高強度インターバルトレーニング(HIIT)は、中強度または低強度の継続的なトレーニングと比較して、より時間効率の高い代替方法であり、同様の生理学的効果をもたらします。この論文では、食事誘発性肥満のSprague-Dawleyラットモデルにおけるさまざまな健康マーカーを評価するために使用できるHIITプロトコルを紹介します。生後21日の雌のSprague Dawleyラットは、対照群(CON、n = 10)、運動訓練群(TRN、n = 10)、高脂肪食群(HFD、n = 10)、高脂肪食/運動訓練群(HFD/TRN、n = 10)に無作為に割り付けられた。対照食は、脂肪(3.82 kcal/g)から10%キロカロリー(kcal)を配合した市販の実験用チャウで構成され、高脂肪食(HFD)は、脂肪(4.7 kcal/g)から45%kcalで構成されていました。動物は、研究全体を通して、割り当てられた食事に自由にアクセスすることができました。8週間の食事導入期間の後、運動コホートは週に4回のHIITセッションを8週間完了しました。各HIITセッションは、モーター駆動ベルトを備えたげっ歯類のトレッドミルを使用して、1分間のスプリント/2分間の休憩の10インターバルで構成されていました。8週間の訓練の後、動物は組織採取のために犠牲にされました。その結果、TRN群とHFD/TRN群の間で走距離に差はなく、トレーニング速度は研究期間中に着実に増加し、最終的な走行速度はTRN群で115cm/s、HFD/TRN群で111cm/sとなりました。週のカロリー摂取量は、TRN群ではCON群に比べて減少した(p < 0.05)が、HFD/TRN群ではHFD群に比べて増加した(p < 0.05)。最後に、HFDの動物は対照と比較して脂肪性が大きく(p < 0.05)、訓練された動物は脂肪性<減少しました(p 0.05)。このプロトコルは、食事誘発肥満モデルにおけるさまざまな生理学的結果に対するHIITの効果を評価する効率的な方法を示しています。
Introduction
肥満と、心血管疾患、代謝性疾患、がんなどの併存疾患は、すべての健康上の転帰の中で最も深刻で、費用がかかり、予防可能な疾患であり続けています。現在、米国では成人の3分の1以上、世界では16億人以上が、肥満度指数(BMI、キログラム単位の体重をメートル単位の身長の2乗で割った値で定義)1に従って肥満に分類されています。病気としての肥満は、遺伝的素因、環境への曝露、およびエネルギー摂取量とエネルギー消費を調節する正常なメカニズムの崩壊に起因します2。肥満の蔓延による人的および経済的コストが上昇し続ける中、エネルギーバランスに関与するメカニズムと、代謝性疾患との闘いにおける食事と運動の効果を理解しようとすることにますます焦点が当てられています。
以前の研究では、嗜好性が高くエネルギー密度の高い食事への曝露がラットモデルで過食を刺激することが実証されています3。嗜好性の高い食事への自由アクセスは、カロリー摂取量の増加の結果として過度の体重増加を引き起こします4。また、運動は肥満者の食欲を調節し、満腹感シグナル伝達の感受性を向上させることが研究で示されています5。運動による満腹感受性のこの回復は、食欲を抑制し、エネルギー消費を刺激する重要な脂肪細胞由来調節ホルモンであるレプチンに対する中枢組織および末梢組織の反応性に対する運動トレーニングの影響によって部分的に媒介されるという理論が立てられています5。これらの研究では、さまざまな運動プロトコルが調査されていますが、どの介入が優れているかについて明確なコンセンサスはありません6,7。高強度インターバルトレーニング(HIIT)は、回復のインターバルを織り交ぜた激しい運動を繰り返すことで、中強度の連続運動トレーニング(MICT)、激しい強度の連続トレーニング、自発的な身体活動など、他の形態の運動よりも食欲の調節を改善する可能性があることを示唆するエビデンスがいくつかある8.しかし、高強度インターバルトレーニング、食事、食欲調節の交差性をめぐる知識にはギャップがあります。
以前の研究では、運動が運動に関連する併存疾患の強力なメディエーターであることも実証されており、特に筋肉と脂肪組織の変化の観点から9,10,11。これらの組成の変化は、運動で見られる疾患リスクの改善に関与している可能性のある抗炎症状態の促進につながるという仮説が立てられています12。ミオカインは、サイトカイン、その他の低分子タンパク質、および筋肉収縮中に骨格筋から放出されるプロテオグリカンペプチドであり、身体活動に関連する抗炎症結果を緩和するものとして仮定されています。対照的に、脂肪組織によって産生される細胞シグナル伝達分子であるアディポカインは、主により有害な役割を果たし、炎症状態の促進に寄与することが示されています13,14,15,16。MICTで見られる組成の変化が健康上の転帰を促進することを示す重要な証拠がある一方で、HIITの潜在的な利益を評価するための研究はあまり行われていません1 7,18。
最後に、心血管疾患はヒトの罹患率の主な原因として確立されており、肥満、食事、身体活動と高い相関関係があります1。このプロトコルは、多数のシステムに対する心血管トレーニングの効果を評価するためにげっ歯類を訓練する効率的な方法を提供します。特に、心肥大は、心血管運動で発生する顕著な適応です。この肥大により、より強力な心臓収縮と、運動組織への血液と酸素の供給が可能になります。以前の研究では、高強度の運動は中強度の運動よりも心肥大を誘発する可能性が高いことが示唆されています19。
このプロトコルは、食欲調節、組成変化(したがって、マイオカインとアディポカインの変化)、および食事誘発性肥満のマウスモデルにおける心血管適応に対するHIITの効果を調べるためのアプローチを提供することにより、文献のギャップを埋めるのに役立ちます。さらに、パフォーマンスベースの強度の増加は、トレーニングの成果を最大化し、動物が運動トレーニングに適応せず、トレーニングプロトコルの後半で中程度の強度に近づくことを保証します。
この方法の全体的な目標は、運動努力を最大化し、HIIT、食事誘発性肥満、およびこれらの刺激の相互作用に応答するSprague-Dawleyラットの表現型の変化を特定することです。このプロトコルは、ラットのスキルとフィットネスレベルが増加しても、トレーニング期間を通じて努力を最大化する能力があるため、他の技術と比較してユニークです。また、運動と肥満のどちらか一方だけに焦点を当てるのではなく、同時に分析することができます。具体的には、本研究は、以下の仮説を検証することを意図した。(1)訓練中、運動速度が速くなり、TRN群のラットの走行距離がHFD/TRN群よりも長くなる可能性がある20。(2)訓練されたラットの週平均カロリー摂取量は対照よりも大きい可能性があり、これは各食事コホート内で明らかである可能性があります21。(3)体重の1日平均増加は、運動ラットよりも対照ラットの方が大きい可能性があり、対照ラットは犠牲時に脂肪量が多い可能性があります21。(4)心臓と肝臓の質量は、TRNラットよりもHFD/TRNラットの方が大きい可能性があります19。
Protocol
本研究で説明されているすべての手順は、実験動物のケアと使用に関するガイド、第8版に従っています。実験デザインは、ウェストバージニアオステオパシー医学部のInstitutional Animal Care and Use Committee(IACUC)2019-5の下で、Office of Research and Sponsored Programs(ORSP)によって承認されました。このプロトコルで使用されるすべての材料の詳細については、 材料表 と 表1 を参照してください。プロトコルのタイムラインの一般的な概要を 図1に示します。
1. 実験計画
- 市販の雌、21日齢のSprague-Dawleyラットを40匹使用しました( 資料表を参照)。
- IACUCガイドラインに従って動物を取り扱うときは、適切な保護具を使用してください。これらの安全対策には、使い捨ての滅菌手袋、白衣、靴カバーなどの着用が含まれますが、これらに限定されません。
- 各動物の体重を量り、平均と平均の標準誤差を計算して、グループの体重に差がないことを確認します。グループが異なる場合は、体重の重い個人を軽いグループに、体重の軽い個人を重いグループに再配分して、体重のグループを一致させます。
- 動物を無作為に4つのグループに分けます:対照(CON、n = 10)、対照食/運動訓練(TRN、n = 10)、高脂肪食/対照(HFD、n = 10)、および高脂肪食/運動訓練(HFD / TRN、n = 10)。
- 制御された環境(12時間の明暗サイクル、21°C±2°C、湿度60%±10%)でラットを個々のケージ(ケージごとに1匹)に収容し、すべてのラットを市販の実験室用チャウ( 材料表を参照)の対照食に1週間順応させます。各ケージに濃縮装置(シェルター、かじり物、巣材)を提供します。
注:CONダイエットは、市販の実験室用チャウ( 詳細については、材料 表と 表1 を参照)と脂肪から10%kcal(3.82 kcal / g)で構成されています。 - 実験全体を通して、食物と水への 自由アクセス を許可します。
- 1週間の順応期間の後、HFDおよびHFD / TRNグループにHFDチャウを供給することにより、8週間の食事療法期間を開始します。HFDチャウ(詳細については、 材料 表および 表1 を参照)は、脂肪からの45%kcal(4.7 kcal / g)で構成されており、典型的な西洋の食事に見られる主要栄養素の分解を表しています。すべての動物が食物と水を 自由自 在に入手し続けられるようにする。
- 各週の初めに、各動物に与えられたチャウの質量を量り、記録します。140gのチャウを使用して、各動物に1週間餌を与えます。
- チャウの重量を量るには、計量ボートを精密電子デジタルスケール( 材料表を参照)に置き、「風袋引き」ボタンを押してスケールを風袋引きします。計量ボートに140gのチャウを入れ、はかりの重量(g)を記録します。これは「前」の重みです。
- チャウを個々の動物の飼育ケージの飼料トラフに入れます。
- 動物がチャウの量が少なくなり始めたら、追加の割り当て量(残りの日ごとに20 g)を量り、そのチャウをフードトレイに追加します。各動物にどれだけのチャウを追加で与えるかを記録します。動物がペレットを消費するのに苦労している場合に、より簡単に消費できるように、ホッパー内の餌の上に重量を追加する必要がある場合があります(ホッパー内の丸みを帯びたペレットで証明されるように)。
- 各週の終わりに、各動物の残りのチャウの重さを量ります。すべての動物は、 アドリビタムを食べることができるように、チャウを余分に持っている必要があります。同じスケールを使用して、残りの食品を記録します。これが「後」の重みです。
- 個々の動物の「前体重」から「後」の体重を差し引いて、1週間あたりの食物摂取量(g)を記録します。
- 8週間の食事導入期間の後、TRNおよびHFD / TRNのラットのHIITトレーニングプロトコルを開始します。これは、毎週月曜日、火曜日、木曜日、金曜日の午前8時から午前10時までのトレーニングセッション(以下の「HIITトレーニングプロトコル」を参照)を含む8週間のHIITレジメンで構成されています。
注:このプロトコルは各コホートのパフォーマンスを最大化するように設計されており、各コホートは異なる可能性があるため、グループ間のプロトコルの標準化はありません(食事によって誘発される表現型のため)。 - 吸入イソフルラン(5%)を使用した麻酔導入後の重要な組織採取 により 、最後の運動セッションの48時間後にラットを安楽死させます。.
- まず、麻酔を誘発するのに十分な酸素とイソフルランがシステムにあることを確認します。メインバルブ(通常はタンクの上部)を反時計回りに回して、酸素タンクを開きます。酸素タンクのサイズによっては、酸素タンクにも開く必要があるレギュレーターバルブがある場合とない場合があります。さらに、排気チューブが適切に固定されていること、および収集キャニスターが重量を超えていないことを確認してください。
- 使用前にキャニスターの重量を量り、キャニスターの側面にある日付と重量をメモします。活栓が誘導室に対して開いており、ノーズコーンへの活栓が閉じていることを確認してください。
- 麻酔を誘発するには、動物を誘導室に入れ、ロック装置を固定して室を密閉します。安全ロックを押し下げ、ダイヤルを反時計回りに回して、イソフルランを5%に設定します。
- 次に、酸素流量計の底部にあるダイヤルを、メーターが1.5〜2 L / minになるまで反時計回りに回します。
- 1〜2分後、動物が意識を失ったら、安全ロックを押しながらダイヤルを時計回りに回してイソフルランをオフにします。酸素放出バルブを3〜5秒間押して、誘導チャンバーを酸素で洗い流します。誘導チャンバーのロックを解除し、意識不明の動物を取り除きます。
- 意識を失った動物を仰向けに寝かせ、ノーズコーンを固定してさらに麻酔をかけます。フェイスマスクの配送には活栓を開き、誘導チャンバーには活栓を閉じます。ペダル反射がなくなるまで、フェイスマスク を介して 麻酔用の5%イソフルランと100%酸素を投与します。.
- 麻酔をかけられた動物のつま先をつまむ力を加え、反射反応を探すことで、ペダル反射を確認します。
- IACUCが承認した方法(研究によって異なる場合があります)に従って動物を犠牲にし、測定とさらなる分析のために標的組織(皮下脂肪組織、腎周囲脂肪組織、骨格筋、肝臓、生殖腺、および心臓)を慎重に解剖します。IACUCのプロトコルに応じて、安楽死はギロチンによる斬首または重要な組織(心臓)の採取によって完了することができます。
- 心臓を集めるには、肋骨の下と横隔膜を切開します。
- 心臓の位置を特定し、血管系(大動脈、大静脈、肺動脈、肺静脈)を手術用ハサミで切断します。鉗子で心臓をつかみ、結合組織を切断して心臓を解放します。素早く作業し、生理食塩水で心臓をすすぎ、ガーゼで余分な水分を軽くたたき、体重を記録します。必要に応じて、左心室、右心室、中隔を手術用ハサミで分離し、個別に重量を量ります。
- 心臓組織サンプルをクライオバイアルに入れ、液体窒素で急速凍結します。
- 次に、メスで腹部を縦方向に切開し、臍帯から動物の外側に2つの横切開を行い、腹部の臓器にアクセスできるようにします。
- 鉗子と手術用ハサミを使用して、目的の臓器をすべて取り除きます。
注:この研究では、肝臓、内臓(腹部)脂肪組織、膵臓、および腓腹筋が収集されました。腹部脂肪組織は、臓器および体腔壁の周りの結合組織を穏やかにトリミングすることにより、1つまたは2つの大きなセクションに分けて除去されました。皮下脂肪は、以前の方法22と同様に収集されませんでした。 - 臓器については、摘出後、風袋引きスケールの清潔な計量ボートに入れます。重量(g)を記録し、サンプルをクライオバイアルに入れて急速凍結します。
- 鉗子と手術用ハサミを使用して、目的の臓器をすべて取り除きます。
- 腓腹筋の場合は、下腿の外側に2回、アキレス腱を横切って水平に1回切開します。
- 皮膚と筋肉組織をつなぐ結合組織を切断または引き裂いて、腓腹筋を露出させます。アキレス腱を手術用ハサミでできるだけ筋肉の近くで切り、鉗子で腓腹筋をつかみます。
- 腓腹筋を上部の接続点までたどり、同様の切り込みを入れて筋肉を解放します。
- 清潔で風袋入りの計量ボートでサンプルを秤量し、クライオバイアルに入れ、液体窒素で瞬間凍結します。
- 心臓を集めるには、肋骨の下と横隔膜を切開します。
- 採取した他の組織サンプルは直ちにクライオバイアルに入れ、液体窒素で急速凍結し、-80°Cで保存します。 これらの組織は、研究目標に応じて、PCR、ウェスタンブロット、またはその他の方法などの将来の実験室分析のために保存することができます。
2. HIITトレーニングプロトコル
- トレーニングセッションを開始するには、コントロールユニットの背面にある電源スイッチを切り替えて、トレッドミル( 材料表を参照)をオンにします。
- モニターが0.00mAを示すまでコントロールユニットのダイヤルを反時計回りに回して、トレッドミルショックを0.00mAに調整します。
- トレッドミルの底にあるロックナットを緩め、傾斜を最初のノッチに設定して、トレッドミルの傾斜を5.0%に設定します。ロックナットを締め直して、トレッドミルの傾斜をこの位置に固定します。
- 片手で動物の体を支え、もう片方の手で尻尾の付け根をそっとつかみ、トレッドミルの個々のレーンに動物を置きます。
- トレッドミルの 5 つのレーンすべてが同じコホートのラットによって占有されるまで、このプロセスを繰り返します。
- モニターが45cm / sになるまでスピードダイヤルを時計回りに回して、トレッドミルの速度を45cm / sに調整します。 停止/ 実行ボタンを押してトレッドミルを開始し、5分間実行します。停止 /実行 ボタンをもう一度押すと、5分後にトレッドミルが停止します。この間、感電は使用されません。
注:動物は、トレッドミルの使用方法の学習を容易にするために、プロトコルの初期段階でショックグリッドから離れるために、硬い毛のブラシで励ましが必要な場合があります。 - 5分間が終わったら、2分間休憩してからトレーニングを開始します。モニターがトレーニングの試合の開始速度を読み取るまで、コントロールユニットのダイヤルを時計回りに回します。最初のセッションでは、55 cm/sの初期走行速度を使用します。新しいトレーニング日の最初のスプリントでは、前日に達成した最高速度よりも4cm/秒遅い開始速度を使用します。
- スタートボタンを押してトレッドミルを始動し、モニターが1:00(1分)を示すまで動物を走らせてから、もう一度停止/実行ボタンを押してトレッドミルを停止します。
- ブラシで動物をかき混ぜて、動物がショックグリッド(トレッドミルの後部にある)に到達した場合に前進を促します。トレーニンググループごとに、トレーニングの1試合に2回以上ブラシに反応しない動物がいる場合は、残りのセッションでショックグリッドを2.0mAにオンにします。
- スプリントの後、動物を2分間休ませます。2分間の休憩が終わったら、コントロールユニットの ストップ/ラン ボタンを押してトレッドミルを開始し、次のスプリントを開始します。トレッドミルの速度に関する詳細は以下のとおりです。
- コホート内の5匹の動物すべてが、1分間のスプリントインターバルでモチベーション(硬い毛ブラシで励ましたり、ショックグリッドに5回以上触れたり)を必要とせずにスプリントインターバルを完了した場合、次のスプリント間隔で速度を前回使用した速度から4cm/s上げます。コントロールユニットのスピードノブを時計回りに回すと、スピードが上がります。
- ブラシを使用してランニングを促す場合、または動物が1分間のスプリントで5回以上ショックグリッドに触れる場合は、前のスプリントインターバルと同じインターバル速度を使用します。
- スプリントインターバル中に動物が過度にもがいた場合(ショックグリッドの累積時間が20秒以上)は、次のインターバルの速度を4cm/s下げます。
注:私たちの経験では、100%の動物が必要なランニングを完了することができました。それにもかかわらず、動物は、走ることを望まない、または過度のショックを経験した場合、研究者の裁量で研究から除外する必要がある場合があります。 - 各試合のスピードと距離を記録します。
- このプロセスを繰り返して、トレーニング日ごとに合計10回のHIITトレーニングを行います。各トレーニングの試合は、1分間の高強度ランニングと2分間の休憩で構成されています。
- トレーニングセッションの最後に、各動物をトレッドミルから取り出し、個別のケージに入れます。
- 新しいトレーニング日ごとに、最初の試合の最初のランニング速度は、前日のトレーニングで得られた最高速度よりも4cm/秒遅く、最低速度は55cm/sです。
3. 統計解析
- 形態測定値とその他の結果指標を平均誤差と標準誤差として報告します。
- 多重比較を可能にする混合効果モデルを使用して、分析ソフトウェア( 材料表を参照)でグループ間の差異を決定します。
注:Šidák補正は、多重比較を考慮して実装されました。必要に応じて、反復測定モデルが実装されました。有意差は p <0.05で決定した。
Representative Results
図2 は、プロトコルの期間中にトレーニングパフォーマンスが向上することを示しています。TRN群とHFD/TRN群の最終的な走行速度は、それぞれ115cm/sと111cm/sでした。総走行距離は、TRN群とHFD/TRN群の間で差はありませんでした(図3)。
対照飼料の動物の週平均飼料摂取量は、高脂肪飼料の動物よりも高かった(p < 0.0001)は、高脂肪飼料の動物よりも高かった(103g/週±1.0g/週、それぞれ91g/週±1.0g/週)。また、週平均飼料摂取量は、訓練を受けていない群よりも訓練群の方が多かった(<98g/週±1.3g/週 vs 92.2g/週±1.0g/週)。交互作用を見ると、CON群とTRN群は互いに差はなかったが、HFD群よりも多く食べた(p < 0.05)のHFD/TRN群よりも週の摂取量が多かった(p < 0.05)であった(図4)。飼料摂取量をkcal摂取量に換算すると、高脂肪食の動物は対照食の動物よりもカロリー摂取量が高かった(p < 0.0001)カロリー摂取量(430 kcal/週±4.6 kcal/週 vs 396 kcal/週±3.7 kcal/週)。その結果、4群すべてで週のカロリー摂取量に差(p < 0.05)が見られ、HFD/TRN群が最も多く、次いでHFD、CON、TRN群が順次増加しました(図5)。
体重は摂食期間8週目まで群間で差はなく、HFD群とHFD/TRN群はCON群とTRN群よりも大きい(p < 0.05)質量に達した(293g±10.1gおよび298g±13.1g対270g±8.6gおよび264g±6.8g)。HFD群およびHFD/TRN群は、研究の残りの部分において、CONおよびTRN群よりも重い<まま であった(HFD、HFD/TRN、CON、およびTRN群で、それぞれ332 g ± 14.4 g、347 g ± 16.3 g、304 g±10.3 g、および304 g±10.1 gに達した)。1日平均増加量(ADG)は、訓練 された動物と訓練されていない動物で、研究の運動部分で大きく(p < 0.05)、それぞれ0.8 g/日±0.11 g/日と0.5 g/日±0.09 g/日)であり、この期間のCON群とHFD群の間でADGに差はありませんでした。その結果、HFD/TRN群ではHFD群よりもADGが大きくなり(p < 0.05)、トレーニング期間中、CON群とTRN群の間に差はありませんでした(図6)。しかし、8週間のトレーニング期間では、HFD/TRN群とHFD群の間で体重差は認められなかった(それぞれ347g±16.3g、331.5g±14.4g)。
トレーニングプロトコルの完了後、組織賦活化により、HFDの動物はCON群よりも内臓脂肪が大きい(p < 0.05)であることが明らかになり(それぞれ25g±2.1g対19g±1.5g)、運動訓練を受けた動物は対照動物と比較して内臓脂肪が減少した(p < 0.05)ことが明らかになりました(21g±2.4g対25g±2.1g、 それぞれ)。HFD群は、TRN群およびHFD/TRN群よりも内臓脂肪が大きかった(p < 0.05)。心質量は、CON、TRN、HFD群よりもHFD/TRN群の方が大きかった(p < 0.05;1.3g±0.2g、それぞれ1.1g±0.1g、1.1g±0.1g、1.0g±0.1g)。グループ間で肝臓の質量に差は観察されませんでした。.他の臓器や組織の質量に差は認められなかった。
図1:動物の年齢(日数)による研究プロトコルのタイムライン。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:TRNおよびHFD/TRN動物のトレーニングプロトコル全体のHIIT速度(セッション別)。 HIITは8週間、毎週4日間実施され、32回のトレーニングセッションが行われました。ワークアウトごとの平均データが表示されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:トレーニングプロトコル全体を通して、TRNおよびHFD/TRNグループのスプリントあたりの平均走行距離。 HIITは8週間、毎週4日間実施され、32回のトレーニングセッションが行われました。データは平均±SEMとして表示されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:CON、TRN、HFD、およびHFD/TRNコホートの週平均飼料摂取量。 データは平均±平均の標準誤差(SEM)として表されます。 a、b、c異なる文字の平均は異なります(p < 0.05)。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:CON、TRN、HFD、およびHFD/TRNコホートの毎週のカロリー摂取量。 データはSEM±平均値として表示されます。 a、b、c、d異なる文字の平均は異なります(p < 0.05)。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:CON、TRN、HFD、およびHFD/TRNコホートにおける1日の平均体重増加。 データはSEM±平均値として表示されます。 a,b文字の異なるグループは異なります(p < 0.05)。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図7:剖検時の平均内臓脂肪量。 データはSEM±平均値として表示されます。 a,b文字の異なるグループは異なります(p < 0.05)。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
表1:プロトコルで使用される食事の組成。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Discussion
このプロトコルは食事療法誘発された肥満モデルで複数の健康のマーカーのHIITの効果を調べるための有効な方法を提供する。この手順は、以前の研究から引き出され、運動トレーニング変数、食欲調節マーカー、体組成の侵襲的分析など、複数の結果変数を調べるためのより時間効率の高い方法を可能にします3,7,8,18,23,24。食事の内容、期間、および運動介入プロトコルは、以前の出版物と一致していました23,24。この研究では、市販の実験用チャウを購入しました(資料表を参照)。高脂肪食と対照食の実験室の焼きそばには、同じ量のタンパク質と微量栄養素が含まれていました。食事の炭水化物と脂肪の含有量は、実験群で肥満を誘発する安全な方法を提供するために変更されました(表1を参照)。
本研究で用いた8週間の肥満誘発期間は、典型的な西洋の食事に見られる主要栄養素の内訳を表す脂肪から45%kcal(4.7 kcal / g)からなる市販の実験室用チャウを提供した後の体重の有意な変化を示す以前の研究に基づいてモデル化されました23。さらに、以前の研究では、食物摂取量7,8、脂肪プロファイル18,23、および筋肉増加18に影響を与える8週間のHIITプロトコルの有効性が実証されています。この研究で記述されたプロトコルの結果は、HIITが食欲調節、および脂肪と筋肉量の組成変化に影響を与えることを報告している以前の研究と一致していました。
このプロトコルの利点は、動物の運動トレーニングの強度を最大化し、プロトコル全体を通して最大限の努力を維持することです。動物がトレッドミルを上手に使い、フィットネスを向上させる方法を継続的に学習すると、トレッドミルの速度はパフォーマンスに応じて向上します。さらに、5.0%の傾斜を使用することで、動物は、傾斜を使用しない場合よりも迅速に、各セッションおよびプロトコル全体で最大強度に達することができます。その結果、運動パフォーマンスは、各ワークアウトとプロトコルの期間中最大化されます。
研究中、1匹の動物が病気のために実験プロトコルを完了できなかったため、n = 39匹の動物が研究を完了し、HFDコホートにはn = 9匹のラットのみがいました。このプロトコルは当初、運動と食事に応答したサイトカインプロファイルの変化を評価するように設計されており、検出力分析により、主要な標的サイトカイン(イリシン)の違い(p < 0.05)を特定するための90%を超える検出力が得られました。このモデルを使用する今後の研究では、適切なサンプルサイズを決定するために独自の検出力分析に依存する必要があります。
この研究は、主に食事誘発性肥満のげっ歯類モデルにおけるHIITの生理学的結果を調べ、運動強度を最大化するために設計されました。このプロトコルは食事療法およびHIIT(図6 および 図7)に応答するADGおよびadiposityの変化を示せた。今後の研究では、HIITに対する内分泌、マイオカイン、およびアジポカインの反応を特異的に特定できる可能性があります。これらのメカニズムの解明は、肥満とその併存疾患の治療と予防に有益であることが証明される可能性があります。
この研究では、食事とHIITが飼料摂取量に与える影響も実証されました。その結果、動物が高脂肪食を摂取すると、訓練された動物は訓練されていない動物よりも多くのカロリーを消費することが示されました。対照的に、対照食を食べた動物は、訓練を受けていない動物よりもカロリー消費量が少なく、餌の構成に応じて異なる食欲調節反応を示しました。したがって、HIITを利用した減量戦略は、高脂肪食を同時に摂取する人にとっては、過剰なカロリーを消費する可能性が高くなるため、効果が低くなる可能性があります。対照的に、HIIT中にバランスの取れた主要栄養素を摂取すると、低カロリー摂取が促進され、体重減少が促進される可能性があります。このモデルは、エネルギーバランスの背後にあるメカニズムをより深く理解するための研究努力と、効果的な減量戦略を開発するための努力を促進することができます。
最後に、このプロトコルは、食事と運動トレーニングに反応した体組成の適応的変化を反映して、コホート間の心臓組織の変化を示しました。これらのデータは、肥満誘発とそれに続くHIITが、肝サイズの変化を伴うことなく、個人を心筋肥大にかかりやすくする可能性があることを示唆しています。これらの知見の背後にあるメカニズムを解明するための今後の解析は、心筋肥大や、肥満、HIIT、心血管疾患の間の代謝的関連性の調査に役立つ可能性があります。
この研究で説明されているプロトコルには、いくつかの制限があります。まず、この研究で使用したトレッドミルは5レーンで、一度に5匹のラットを走らせることができました。このプロトコールの実行方法は効率的でしたが、1人の研究者が一度に各動物に注意を払うことは困難でした。トレッドミルの係員が、毛ブラシで刺激を必要とする複数の動物に注意を向けるのが難しい場合がありました。将来的には、トレーニングプロトコルを支援するために、より多くの研究担当者が利用できるようにすることが優先事項になります。さらに、5レーンのトレッドミルモデルにはガス交換を測定する機能がないため、プロトコル中の動物の好気性/嫌気性代謝を評価することができませんでした。げっ歯類のトレッドミル(材料表を参照)を提供した会社は、ガス交換を測定する機能を備えたトレッドミルを提供していますが、それは単一レーンのトレッドミルであるため、非常に多くの時間と労力を必要とします。しかし、その努力は、間接熱量測定の特定の結果を測定または制御する必要がある研究者にとっては価値があるかもしれません。さらに、ショックグリッドが運動パフォーマンスにどのような影響を与えるかについては、このモデルの結果を解釈する際に考慮すべきエビデンスはほとんどありません。最後に、この研究で記述された運動プロトコルは、若い雌のSprague-Dawleyラットで設計されました。以前の研究では、特にHIITと食欲調節に関して、性的二形効果が示されています3,7。同様の結果が予想されますが、このプロトコルでは、異なる種、年齢、性別、または健康上の結果の動物をテストしませんでした。
以前のモデルと比較して、このプロトコルは、さまざまな結果変数を評価するためのより時間効率の高い方法を示しています。例えば、このプロトコルは、週に4回のトレーニングセッションを8週間行うプロトコルにおいて、HIITと食欲調節の相互作用を特定することができましたが、以前の研究では、週に5回のトレーニングセッションを8週間、24 週間、さらには12週間のトレーニング8で行いました8。さらに、この研究デザインにより、運動データ、食欲調節のマーカー、体組成など、さまざまな健康マーカーの分析が可能になりました。これらのマーカーは、運動トレーニングに対する心臓の適応と同様に、心血管系のトレーニング適応を評価する有望な手段でもあります。内皮機能、筋線維型組成、および心筋細胞肥大の測定値は、これらの運動誘発性適応の理解をさらに深めるために簡単に追加できます。さらに、このプロトコルには、パフォーマンスベースの強度のエスカレーションが含まれていました。このデザインにより、トレーニング結果の最大化が可能になり、ラットが運動環境に適応せず、介入の終盤に中程度の強度の連続トレーニングモデルに近づくことが保証されました。これを 図 2 に示します。具体的には、これらの動物のスプリント速度は、HIIT介入と一致する多くの心血管、骨格筋、および体温調節の適応を実証した以前の論文で達成された速度の2倍以上でした25。
Disclosures
著者らは、この論文の出版に関して利益相反がないことを宣言します。
Acknowledgments
著者らは、動物の世話とデータ収集に協力してくれたMichael Pankey、Chris Butler、およびWVSOMスタッフに感謝します。
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).
