Summary
В данной работе представлены морфометрические ответы и результаты тренировок протокола высокоинтенсивных интервальных тренировок (HIIT) в модели ожирения, вызванного диетой, на крысах Спрэга-Доули. Цель этого протокола состояла в том, чтобы максимизировать интенсивность упражнений и определить физиологические реакции на ВИИТ у худощавых и тучных крыс.
Abstract
По сравнению с непрерывными-умеренными или низкоинтенсивными тренировками, высокоинтенсивные интервальные тренировки (HIIT) являются более эффективным по времени альтернативным методом, который приводит к аналогичным физиологическим преимуществам. В этой статье представлен протокол HIIT, который может быть использован для оценки различных маркеров здоровья в модели ожирения, вызванного диетой, на крысах Спрэга-Доули. Самки крыс Sprague Dawley в возрасте 21 дня были случайным образом распределены в следующие группы: контрольная (CON, n = 10), обученная физическим упражнениям (TRN, n = 10), диета с высоким содержанием жиров (HFD, n = 10) и диета с высоким содержанием жиров / тренировки (HFD/TRN, n = 10). Контрольные диеты состояли из коммерческих лабораторных чау-чау с 10% килокалорий (ккал) из жиров (3,82 ккал/г), а диеты с высоким содержанием жиров (HFD) состояли из 45% ккал из жиров (4,7 ккал/г). Животные имели свободный доступ к назначенному им рациону на протяжении всего исследования. После 8-недельного периода введения диеты когорты выполняли четыре занятия HIIT в неделю в течение 8 недель. Каждая тренировка HIIT состояла из 10 интервалов по 1 минуте спринта/2 минуты отдыха с использованием беговой дорожки для грызунов с моторным ремнем. После 8 недель обучения животных приносили в жертву для забора тканей. Результаты не выявили различий в беге на дистанцию между группами TRN и HFD/TRN, а скорость тренировки неуклонно увеличивалась на протяжении всего исследования, с конечной скоростью бега 115 см/с и 111 см/с для групп TRN и HFD/TRN соответственно. Еженедельное потребление калорий было снижено (p < 0,05) в группе TRN по сравнению с группой CON, но увеличилось (p < 0,05) в группе HFD/TRN по сравнению с группой HFD. Наконец, животные, получавшие HFD, имели большую (p < 0,05) ожиренность, а обученные животные имели меньшую (p < 0,05) ожиренность по сравнению с контрольной группой. Этот протокол демонстрирует эффективный метод оценки влияния ВИИТ на различные физиологические исходы в модели ожирения, вызванного диетой.
Introduction
Ожирение и сопутствующие заболевания, такие как сердечно-сосудистые заболевания, метаболические заболевания и рак, по-прежнему остаются одними из самых серьезных, дорогостоящих и предотвратимых последствий для здоровья. В настоящее время более трети взрослых в Соединенных Штатах и более 1,6 миллиарда взрослых во всем мире классифицируются как страдающие ожирением в соответствии с их индексом массы тела (ИМТ; определяется как вес в килограммах, деленный на квадрат роста в метрах)1. Ожирение как заболевание возникает в результате генетической предрасположенности, воздействия окружающей среды и нарушения нормальных механизмов, регулирующих потребление и расход энергии. По мере того, как человеческие и финансовые издержки, связанные с эпидемией ожирения, продолжают расти, все больше внимания уделяется попыткам понять механизмы, участвующие в энергетическом балансе и влиянии диеты и физических упражнений на борьбу с метаболическими заболеваниями.
Предыдущие исследования показали, что воздействие очень вкусной, высококалорийной диеты стимулирует переедание у крыс. Неограниченный доступ к вкусным диетам приводит к чрезмерному набору веса в результате увеличения потребления калорий4. Исследования также показали, что физические упражнения могут модулировать аппетит и улучшать чувствительность сигналов сытости у людей с ожирением5. Предполагается, что это восстановление чувствительности сигналов сытости при физических упражнениях частично опосредовано воздействием физических упражнений на реактивность центральных и периферических тканей к лептину, ключевому регуляторному гормону, полученному из адипоцитов, который подавляет аппетит и стимулирует расходэнергии. Несмотря на то, что в этих исследованиях изучались различные протоколы упражнений, нет четкого консенсуса относительно того, какое вмешательство является лучшим 6,7. Существуют некоторые доказательства того, что высокоинтенсивные интервальные тренировки (HIIT), которые включают в себя повторяющиеся серии напряженных упражнений в сочетании с интервалами восстановления, могут улучшить регуляцию аппетита в большей степени, чем другие формы упражнений, такие как непрерывные тренировки умеренной интенсивности (MICT), непрерывные тренировки высокой интенсивности или произвольнаяфизическая активность. Тем не менее, существуют пробелы в знаниях, связанных с взаимодействием высокоинтенсивных интервальных тренировок, диеты и регуляции аппетита.
Предыдущие исследования также продемонстрировали, что физические упражнения являются мощным медиатором сопутствующих заболеваний, связанных с гиподинамией, особенно с точки зрения изменений в мышечной и жировой ткани 9,10,11. Предполагается, что эти изменения состава приводят к развитию противовоспалительного состояния, которое может быть ответственно за снижение риска заболевания, наблюдаемого при выполнении упражнений12. Миокины, которые представляют собой цитокины, другие малые белки и пептиды протеогликанов, высвобождаемые из скелетных мышц во время мышечных сокращений, были постулированы как смягчающие противовоспалительные эффекты, связанные с физической активностью. Напротив, было показано, что адипокины, клеточные сигнальные молекулы, вырабатываемые жировой тканью, в первую очередь играют более вредную роль и способствуют развитию воспалительного состояния13,14,15,16. Несмотря на то, что существуют значительные доказательства, демонстрирующие, что изменения состава, наблюдаемые при МИКТ, способствуют положительным результатам для здоровья, было проделано меньше работы по оценке потенциальных преимуществ ВИИТ1 7,18.
Наконец, сердечно-сосудистые заболевания хорошо известны как ведущая причина заболеваемости у людей и сильно коррелируют с ожирением, питанием ифизической активностью1. Этот протокол обеспечивает эффективный способ обучения грызунов для оценки влияния сердечно-сосудистых тренировок на многочисленные системы. В частности, гипертрофия сердца – это выраженная адаптация, возникающая при сердечно-сосудистых нагрузках. Эта гипертрофия обеспечивает более сильные сердечные сокращения и доставку крови и кислорода к тренирующимся тканям. Предыдущие исследования показывают, что высокоинтенсивные упражнения с большей вероятностью вызывают гипертрофию сердца,чем упражнения умеренной интенсивности.
Этот протокол помогает заполнить пробелы в литературе, предоставляя подход к изучению влияния ВИИТ на регуляцию аппетита, изменения состава (таким образом, изменения миокинов и адипокинов) и сердечно-сосудистую адаптацию в мышиной модели ожирения, вызванного питанием. Кроме того, увеличение интенсивности в зависимости от производительности максимизирует результаты тренировки и гарантирует, что животные не адаптируются к тренировкам и не приближаются к умеренной интенсивности на более поздних этапах тренировочного протокола.
Общая цель этого метода состоит в том, чтобы максимизировать усилия по физической нагрузке и выявить фенотипические изменения у крыс Спрэга-Доули в ответ на ВИИТ, ожирение, вызванное диетой, и взаимодействие этих стимулов. Этот протокол уникален по сравнению с другими методами из-за его способности максимизировать усилия на протяжении всего периода обучения, даже при повышении уровня мастерства и физической подготовки крыс. Это также позволяет одновременно анализировать физические упражнения и ожирение, а не сосредотачиваться только на одном или другом. В частности, данное исследование было направлено на проверку следующих гипотез. (1) Скорость упражнений может увеличиваться на протяжении всей тренировки, и расстояние, пройденное крысами в группе TRN, может быть больше, чем в группе HFD/TRN20. (2) Среднее еженедельное потребление калорий обученными крысами может быть больше, чем в контрольной группе, и это может быть очевидно в каждой диетической когорте. (3) Среднесуточный прирост массы может быть больше у контрольных крыс, чем у крыс, тренирующихся на физических упражнениях, и контрольные крысы могут иметь более высокую жировую массу при жертвоприношении. (4) Масса сердца и печени может быть больше у крыс HFD/TRN по сравнению с крысами TRN19.
Protocol
Все процедуры, описанные в настоящем исследовании, соответствовали Руководству по уходу за лабораторными животными и их использованию, 8-е издание. Экспериментальный дизайн был одобрен Управлением исследований и спонсируемых программ (ORSP) при Институциональном комитете по уходу за животными и их использованию (IACUC) 2019-5 в Школе остеопатической медицины Западной Вирджинии. Обратитесь к Таблице материалов и Таблице 1 для получения дополнительной информации обо всех материалах, используемых в этом протоколе. Общая схема временной шкалы протокола показана на рисунке 1.
1. Экспериментальный дизайн
- Используйте 40 самок 21-дневных крыс породы Спрэг-Доули из коммерческого источника (см. таблицу материалов).
- Используйте надлежащие средства защиты при обращении с животными в соответствии с рекомендациями IACUC. Эти меры безопасности включают, помимо прочего, ношение одноразовых стерильных перчаток, лабораторного халата, бахил и т. д.
- Взвесьте каждое животное и вычислите среднее значение и стандартную ошибку, чтобы убедиться, что группы не различаются по весу. Если группы различаются, сопоставьте группы по массе тела, перераспределив более тяжелых особей в более легкие, а более легких — в более тяжелые.
- Случайным образом разделите животных на четыре группы: контрольная (CON, n = 10), контрольная диета/тренировка с физическими упражнениями (TRN, n = 10), диета с высоким содержанием жиров/контрольная (HFD, n = 10) и диета с высоким содержанием жиров/тренировка с физическими упражнениями (HFD/TRN, n = 10).
- Содержате крыс в индивидуальных клетках (по одному животному в клетке) в контролируемой среде (12-часовые циклы света/темноты, 21 °C ± 2 °C, влажность 60% ± 10%) и отучите всех крыс от контрольной диеты из купленного в продаже лабораторного корма (см. Таблицу материалов) в течение 1-недельного периода акклиматизации. Снабдите каждую клетку обогатительными приспособлениями (укрытие, грызуны и гнездовой материал).
ПРИМЕЧАНИЕ: Диета CON состоит из коммерчески купленного лабораторного корма (см. Таблицу материалов и Таблицу 1 для получения дополнительной информации) с 10% ккал из жира (3,82 ккал/г). - Обеспечьте свободный доступ к пище и воде на протяжении всего эксперимента.
- После 1-недельного периода акклиматизации начните 8-недельный период диеты, снабдив группы HFD и HFD/TRN кормом HFD. Чау-чау HFD (см. Таблицу материалов и Таблицу 1 для получения дополнительной информации) состоит на 45% из ккал из жира (4,7 ккал/г), что представляет собой расщепление макронутриентов, встречающееся в типичной западной диете. Обеспечьте всем животным свободный доступ к пище и воде.
- В начале каждой недели взвешивайте и записывайте массу чау-чау, даваемую каждому животному. Используйте 140 г чау-чау для кормления каждого животного в течение полной недели.
- Чтобы взвесить чау-чау, поместите весовую лодку на прецизионные электронные цифровые весы (см. Таблицу материалов) и тарируйте весы, нажав кнопку «тары». Поместите 140 г чау-чау в лодку для взвешивания и запишите вес (г) на весах. Это вес «до».
- Поместите кормушку в кормушку в клетке для каждого отдельного животного.
- Если у животного начинает заканчиваться корм, взвесьте дополнительную порцию (20 г на каждый оставшийся день) и добавьте эту порцию в лоток с кормом. Запишите, сколько дополнительного корма дается каждому животному. Возможно, потребуется добавить вес поверх корма в бункере, чтобы обеспечить большее удобство потребления, если животные изо всех сил пытаются съесть гранулы (о чем свидетельствуют округлые гранулы в бункере).
- В конце каждой недели взвешивайте оставшийся корм для каждого животного. У каждого животного должны быть остатки корма, чтобы они могли есть вволю. Используя ту же шкалу, запишите остатки пищи. Это и есть «после» вес.
- Вычтите вес «после» из веса «до» для каждого отдельного животного, чтобы записать потребление пищи (г) в неделю.
- После 8-недельного периода введения диеты начните тренировочный протокол HIIT для крыс в TRN и HFD/TRN. Он состоит из 8-недельного режима HIIT с тренировками каждую неделю по понедельникам, вторникам, четвергам и пятницам (см. «Протокол тренировок HIIT» ниже) с 08:00 до 10:00. Убедитесь, что все животные имеют свободный доступ к назначенным экспериментальным диетам на протяжении всего протокола.
ПРИМЕЧАНИЕ: Между группами нет стандартизации протокола, так как этот протокол разработан для максимизации производительности каждой когорты, и каждая когорта может отличаться (из-за фенотипов, индуцированных диетой). - Усыпляют крыс через 48 ч после их последнего сеанса упражнений путем забора жизненно важных тканей после индукции анестезии с использованием ингаляционного изофлурана (5%).
- Начните с того, что убедитесь, что в системе достаточно кислорода и изофлурана для проведения анестезии. Откройте кислородный баллон, повернув главный клапан (обычно в верхней части баллона) против часовой стрелки. В зависимости от размера кислородного баллона на кислородном баллоне также может быть открыт или не иметь регулирующего клапана. Кроме того, убедитесь, что выхлопная трубка надежно закреплена и что сборная канистра не имеет избыточного веса.
- Взвесьте канистру перед использованием и запишите дату и вес на боковой стороне канистры. Убедитесь, что запорный кран открыт для индукционной камеры, а запорный кран для носового обтекателя закрыт.
- Чтобы вызвать анестезию, поместите животное в индукционную камеру и запечатайте камеру, закрепив замковые устройства. Установите изофлуран на 5%, нажав на предохранитель и повернув диск против часовой стрелки.
- Затем поверните диск в основании расходомера кислорода против часовой стрелки, пока измеритель не покажет 1,5-2 л/мин.
- Через 1-2 мин, когда животное уже не в сознании, выключите изофлуран, повернув диск по часовой стрелке и нажав на предохранитель. Промыть индукционную камеру кислородом, нажав на клапан выпуска кислорода в течение 3-5 с. Разблокируйте индукционную камеру и извлеките животное без сознания.
- Положите животное без сознания на спину и закрепите носовой конус для дальнейшего обезболивания. Откройте запорный кран для подачи лицевой маски и закройте запорный кран для индукционной камеры. Вводите 5% изофлуран со 100% кислородом для анестезии через маску до тех пор, пока педальные рефлексы не исчезнут.
- Проверьте педальные рефлексы, приложив щипковое давление к пальцам ног животного, находящегося под наркозом, и посмотрев на рефлекторную реакцию.
- Пожертвуйте животное в соответствии с методами, одобренными IACUC (которые могут варьироваться в зависимости от исследования), и тщательно испарите целевые ткани для измерения и дальнейшего анализа (подкожная жировая клетчатка, околопочечная жировая ткань, скелетные мышцы, печень, гонады и сердце). В зависимости от протоколов IACUC, эвтаназия может быть завершена обезглавливанием гильотиной или забором жизненно важных тканей (сердца).
- Чтобы собрать сердце, сделайте надрез ниже ребер и через диафрагму.
- Найдите сердце и перережьте сосудистую сеть (аорту, полую вену, легочную артерию, легочную вену) хирургическими ножницами. Захватите сердце щипцами и разрежьте любую соединительную ткань, чтобы освободить сердце. Работая быстро, промойте сердце солевым раствором, смокните лишнюю жидкость марлей и запишите вес. При необходимости отделите левый желудочек, правый желудочек и перегородку хирургическими ножницами и взвесьте их по отдельности.
- Поместите образцы сердечной ткани в криовиальную камеру и мгновенно заморозьте в жидком азоте.
- Затем сделайте скальпелем продольный разрез вниз по животу и два боковых разреза от пупочной области до боковой стороны животного, чтобы обеспечить доступ к органам брюшной полости.
- С помощью щипцов и хирургических ножниц удалите любые интересующие органы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого исследования были собраны печень, висцеральная (абдоминальная) жировая ткань, поджелудочная железа и икроножная мышца. Абдоминальная жировая ткань удалялась одним или двумя большими участками путем аккуратного подрезания соединительной ткани вокруг органов и стенки полости тела. Подкожно-жировая клетчатка не собиралась, аналогично предыдущим методам22. - Для органов, после извлечения, поместите их в чистую лодку для взвешивания на просмоленных весах. Запишите вес (г) и поместите образцы в криовиальные камеры для мгновенного замораживания.
- С помощью щипцов и хирургических ножниц удалите любые интересующие органы.
- Для икроножной мышцы сделайте два разреза по боковым сторонам голени и один горизонтально поперек ахиллова сухожилия.
- Разрежьте или разорвите соединительную ткань, соединяющую кожу с мускулатурой, чтобы обнажить икроножную мышцу. Разрежьте хирургическими ножницами ахиллово сухожилие как можно ближе к мышце, и захватите икроножную мышцу щипцами.
- Следуйте за икроножной мышцей к верхней точке соединения и сделайте аналогичный надрез, чтобы освободить мышцу.
- Взвесьте образец на чистой, просмоленной лодке для взвешивания, поместите в криовиальную камеру и мгновенно заморозьте в жидком азоте.
- Чтобы собрать сердце, сделайте надрез ниже ребер и через диафрагму.
- Немедленно поместите любые другие собранные образцы тканей в криовиалы, мгновенно заморозьте в жидком азоте и храните при температуре −80 °C. Эти ткани могут быть сохранены для будущих лабораторных анализов, таких как ПЦР, вестерн-блот или другие методы в соответствии с целями исследования.
2. Протокол тренировок HIIT
- Чтобы начать тренировку, включите беговую дорожку (см. Таблицу материалов), щелкнув выключателем питания на задней панели блока управления.
- Отрегулируйте удар на беговой дорожке до 0,00 мА, поворачивая диск на блоке управления против часовой стрелки, пока монитор не покажет 0,00 мА.
- Установите наклон беговой дорожки на 5,0%, ослабив стопорную гайку в нижней части беговой дорожки и установив наклон на первую ступеньку. Снова затяните стопорную гайку, чтобы зафиксировать наклон беговой дорожки в этом положении.
- Поддерживая тело животного одной рукой, другой рукой осторожно возьмитесь за основание хвоста и поставьте животное на индивидуальную дорожку на беговой дорожке.
- Повторяйте процесс до тех пор, пока все пять отдельных дорожек на беговой дорожке не будут заняты крысой из той же когорты.
- Отрегулируйте скорость беговой дорожки до 45 см/с, вращая диск скорости по часовой стрелке, пока монитор не покажет 45 см/с. Нажмите кнопку «Стоп/Бег», чтобы запустить беговую дорожку, и дайте ей поработать в течение 5 минут. Нажмите кнопку «Стоп/Бег» еще раз, чтобы остановить беговую дорожку через 5 минут. В течение этого времени не применяется электрошок.
ПРИМЕЧАНИЕ: Животные могут нуждаться в поощрении щетками с жесткой щетиной, чтобы держаться подальше от ударной сетки на ранних этапах протокола, чтобы облегчить им обучение тому, как пользоваться беговой дорожкой. - По истечении 5 минут дайте 2 минуты отдохнуть перед началом тренировки. Поворачивайте диск на блоке управления по часовой стрелке до тех пор, пока монитор не покажет соответствующую начальную скорость тренировочного поединка. Используйте начальную скорость бега для первой тренировки 55 см/с. Для первого спринта каждого нового тренировочного дня используйте стартовую скорость, которая на 4 см/с ниже, чем максимальная скорость, достигнутая в предыдущий день.
- Запустите беговую дорожку, нажав кнопку «Старт», попросите животных бежать до тех пор, пока монитор не покажет 1:00 (1 минута), а затем остановите беговую дорожку, снова нажав кнопку «Стоп/Бег».
- Взбалтывайте животных щетками, чтобы стимулировать движение вперед, если животное достигнет шоковой решетки (расположенной в задней части беговой дорожки). Если какое-либо животное в тренировочной группе не реагирует на щетки более двух раз за тренировочную схватку, включите шоковую решетку на 2,0 мА до конца тренировки.
- После спринта дайте животным отдохнуть 2 минуты. По окончании 2-минутного отдыха начните следующий спринт, запустив беговую дорожку, нажав кнопку Stop/Run на блоке управления. Подробная информация о скорости беговой дорожки приведена ниже.
- Увеличьте скорость на 4 см/с для следующего интервала спринта по сравнению с предыдущей скоростью, если все пять животных в когорте завершили интервал спринта без необходимости мотивации (поощрение щеткой с жесткой щетиной или прикосновение к решетке более пяти раз) в течение полного интервала спринта в 1 минуту. Скорость увеличивается поворотом ручки скорости на блоке управления по часовой стрелке.
- Используйте ту же интервальную скорость, что и предыдущий интервал спринта, если кисти используются для поощрения бега или если какое-либо животное касается шоковой решетки более пяти раз за один спринт продолжительностью 1 минуту.
- Уменьшите скорость на следующий интервал на 4 см/с, если животное испытывает чрезмерные трудности во время интервала спринта (более 20 с накопленного времени на ударной решетке).
ПРИМЕЧАНИЕ: По нашему опыту, 100% животных смогли выполнить требуемый бег. Тем не менее, животные могут быть исключены из исследования по усмотрению исследователя, если они демонстрируют нежелание бегать или испытывают чрезмерные потрясения. - Записывайте скорость и дистанцию бега для каждой схватки.
- Повторяйте этот процесс в общей сложности для 10 тренировок HIIT каждый тренировочный день. Каждая тренировка состоит из 1 минуты высокоинтенсивного бега с последующим 2 минутами отдыха.
- В конце тренировки снимите каждое животное с беговой дорожки и поместите его в индивидуальную клетку.
- Для каждого нового дня тренировки начальная скорость бега для первой схватки начинается на 4 см/с медленнее, чем самая высокая скорость, достигнутая на тренировке предыдущего дня, с минимальной скоростью 55 см/с.
3. Статистический анализ
- Сообщайте морфометрические и другие критерии оценки исходов как средние значения и стандартные ошибки.
- Определите различия между группами в аналитическом программном обеспечении (см. Таблицу материалов) с помощью модели смешанных эффектов, позволяющей проводить множественные сравнения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Исправление Шидака было реализовано для учета множественных сравнений. При необходимости применялась модель повторяющихся измерений. Достоверные различия определяли р < 0,05.
Representative Results
На рисунке 2 показано, что эффективность обучения увеличивалась с течением времени действия протокола. Конечная скорость движения в группах TRN и HFD/TRN составила 115 см/с и 111 см/с соответственно. Общая дистанция бега не различалась между группами TRN и HFD/TRN (рис. 3).
Среднее недельное потребление корма для животных на контрольном рационе было выше (р < 0,0001), чем у животных на диете с высоким содержанием жиров (103 г/нед ± 1,0 г/нед против 91 г/нед ± 1,0 г/нед соответственно). Среднее еженедельное потребление корма также было выше (p < 0,001) в тренированных группах, чем в нетренированных группах (98 г/нед ± 1,3 г/нед против 92,2 г/нед ± 1,0 г/нед соответственно). При рассмотрении взаимодействий группы CON и TRN не отличались друг от друга, но имели большее (p < 0,05) еженедельное потребление, чем группа HFD/TRN, которая ела больше (p < 0,05), чем группа HFD (рис. 4). При переводе потребления корма в потребление ккал животные на рационе с высоким содержанием жиров имели более высокое (р < 0,0001) потребление калорий, чем животные на контрольном рационе (430 ккал/неделя ± 4,6 ккал/неделю против 396 ккал/неделю ± 3,7 ккал/неделю соответственно). Это привело к различиям (p < 0,05) в еженедельном потреблении калорий между всеми четырьмя группами, при этом группа HFD/TRN показала наибольшее еженедельное потребление калорий, за ней последовательно следовали группы HFD, CON и TRN (рисунок 5).
Масса тела не различалась между группами до 8-й недели периода кормления, когда группы HFD и HFD/TRN достигали большей (p < 0,05) массы, чем группы CON и TRN (293 г ± 10,1 г и 298 г ± 13,1 г против 270 г ± 8,6 г и 264 г ± 6,8 г соответственно). Группы HFD и HFD/TRN оставались более тяжелыми (p < 0,05), чем группы CON и TRN в течение оставшейся части исследования (достигая 332 г ± 14,4 г, 347 г ± 16,3 г, 304 г ± 10,3 г и 304 г ± 10,1 г для групп HFD, HFD/TRN, CON и TRN соответственно). Среднесуточный прирост (ADG) был выше (p < 0,05) у обученных и необученных животных в течение части исследования с физической нагрузкой (0,8 г/сут ± 0,11 г/сут против 0,5 г/сут ± 0,09 г/сут соответственно), и за этот период не было различий в ADG между группами CON и HFD. В совокупности это привело к большему (p < 0,05) ADG в группе HFD/TRN, чем в группе HFD, и к отсутствию различий между группами CON и TRN (рис. 6) в течение периода обучения. Тем не менее, 8-недельный период тренировок не вызвал разницы в весе между группами HFD/TRN и HFD (347 г ± 16,3 г против 331,5 г ± 14,4 г соответственно).
После завершения тренировочного протокола забор тканей показал, что животные на HFD имели большее (p < 0,05) висцеральное ожирение, чем группа CON (25 г ± 2,1 г против 19 г ± 1,5 г соответственно), а у животных, тренированных с физической нагрузкой, наблюдалось снижение (p < 0,05) висцерального ожирения по сравнению с контрольными животными (21 г ± 2,4 г против 25 г ± 2,1 г, соответственно). В группе HFD наблюдалось большее (p < 0,05) висцеральное ожирение, чем в группах TRN и HFD/TRN (рис. 7). Масса сердца была выше в группе ВЧД/ТРН, чем в группах КОН, ТРН и ВЧД (р < 0,05; 1,3 г ± 0,2 г против 1,1 г ± 0,1 г, 1,1 г ± 0,1 г и 1,0 г ± 0,1 г соответственно). Различий в массе печени между группами не наблюдалось. Различий в массе каких-либо других органов или тканей выявлено не было.
Рисунок 1: Хронология протокола исследования по возрасту животных в днях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Скорость HIIT на протяжении всего протокола дрессировки для животных с TRN и HFD/TRN по сеансам. HIIT выполнялся в четыре разных дня каждую неделю в течение 8 недель, в результате чего было проведено 32 тренировки. Приведены средние данные по одной тренировке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Средняя дистанция, пройденная за спринт в группах TRN и HFD/TRN на протяжении всего тренировочного протокола. HIIT выполнялся в четыре разных дня каждую неделю в течение 8 недель, в результате чего было проведено 32 тренировки. Данные представлены в виде среднего значения ± SEM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Среднее еженедельное потребление корма в когортах CON, TRN, HFD и HFD/TRN. Данные представлены в виде среднего значения ± стандартной ошибки среднего значения (SEM). А,В,ВСредства с разными буквами отличаются (р < 0,05). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Еженедельное потребление калорий в когортах CON, TRN, HFD и HFD/TRN. Данные представлены в виде среднего ± SEM. a,b,c,dСредние значения с разными буквами различаются (p < 0,05). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Среднесуточный прирост массы тела в когортах CON, TRN, HFD и HFD/TRN. Данные представлены в виде среднего ± SEM. a,bГруппы с разными буквами различаются (p < 0,05). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Средняя масса висцерального жира при вскрытии. Данные представлены в виде среднего ± SEM. a,bГруппы с разными буквами различаются (p < 0,05). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Таблица 1: Составы диет, использованных в протоколе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.
Discussion
Этот протокол представляет собой эффективный метод изучения влияния ВИИТ на несколько маркеров здоровья в модели ожирения, вызванного питанием. Процедура основана на предыдущих исследованиях, чтобы обеспечить более эффективный по времени метод изучения нескольких переменных исхода, таких как переменные тренировки с физической нагрузкой, маркеры регуляции аппетита и инвазивный анализ состава тела 3,7,8,18,23,24. Содержание диеты, продолжительность и протокол физических упражнений соответствовали предыдущим публикациям23,24. В данном исследовании был приобретен коммерчески доступный лабораторный корм (см. Таблицу материалов). Лабораторный корм для диеты с высоким содержанием жиров и контрольной диеты содержал одинаковое количество белка и микроэлементов. Содержание углеводов и жиров в рационах было изменено таким образом, чтобы обеспечить безопасный метод индуцирования ожирения в опытной группе (см. табл. 1).
8-недельный период индукции ожирения, использованный в настоящем исследовании, был смоделирован на основе предыдущих исследований, показывающих значительные изменения в весе после предоставления коммерческого лабораторного корма, состоящего из 45% ккал из жира (4,7 ккал/г), что представляет собой распад макронутриентов, обнаруженный в типичнойзападной диете. Кроме того, предыдущие исследования продемонстрировали эффективность 8-недельного протокола HIIT на потребление пищи 7,8, жировые профили 18,23 и набор мышечной массы 18. Результаты протокола, описанного в этом исследовании, согласуются с предыдущими исследованиями, в которых сообщалось, что ВИИТ влияет на регуляцию аппетита, а также на изменения состава ожирения и мышечной массы.
Преимущество этого протокола заключается в том, что он максимизирует интенсивность тренировок у животных и поддерживает максимальные усилия на протяжении всего протокола. По мере того, как животные постоянно учатся умело пользоваться беговой дорожкой и добиваться успехов в физической форме, скорость беговой дорожки соответственно увеличивается по сравнению с их производительностью. Кроме того, использование наклона 5,0% позволяет животным достигать максимальной интенсивности на каждом сеансе и на протяжении всего протокола быстрее, чем это было бы достигнуто без использования наклона. В результате эффективность упражнений максимальна для каждой тренировки и в течение всего срока действия протокола.
Во время исследования одно животное не смогло завершить протокол эксперимента из-за болезни, в результате чего n = 39 животных завершили исследование, и только n = 9 крыс в когорте HFD. Этот протокол был первоначально разработан для оценки изменений в цитокиновых профилях в ответ на физические упражнения и диету, и анализ мощности показал более 90% мощности для выявления различий (p < 0,05) в первичном цешенном цитокине (иризине). Будущие исследования с использованием этой модели должны опираться на уникальный анализ мощности для определения подходящих размеров выборки.
Это исследование было в первую очередь разработано для изучения физиологических результатов ВИИТ в модели ожирения, вызванного диетой, и максимизации интенсивности упражнений. Этот протокол смог продемонстрировать вариабельность ADG и ожирения в ответ на диету и HIIT (Рисунок 6 и Рисунок 7). Будущие исследования могут конкретно идентифицировать эндокринные, миокиновые и адипокиновые реакции на ВИИТ. Выяснение этих механизмов может оказаться полезным при лечении и профилактике ожирения и его сопутствующих заболеваний.
Это исследование также продемонстрировало влияние диеты и ВИИТ на потребление корма. Результаты показали, что, когда животные потребляли пищу с высоким содержанием жиров, обученные животные потребляли больше калорий, чем необученные животные. Напротив, когда животные ели контрольную диету, обученные животные потребляли меньше калорий, чем необученные животные, демонстрируя различные реакции регуляции аппетита в зависимости от состава рациона. Таким образом, стратегии снижения веса, использующие HIIT, могут быть менее эффективными для тех, кто одновременно придерживается диеты с высоким содержанием жиров, поскольку они могут с большей вероятностью потреблять лишние калории. Напротив, сбалансированное потребление макронутриентов во время HIIT может способствовать низкому потреблению калорий и, следовательно, способствовать потере веса. Эта модель может способствовать исследованиям, направленным на более глубокое понимание механизмов, лежащих в основе энергетического баланса, и усилиям по разработке эффективных стратегий снижения веса.
Наконец, этот протокол продемонстрировал различия в сердечной ткани среди когорт, отражающие адаптационные изменения в составе тела в ответ на диету и физические упражнения. Эти данные свидетельствуют о том, что индукция ожирения с последующей ВИИТ может предрасполагать людей к гипертрофии миокарда без каких-либо сопутствующих изменений размера печени. Будущие анализы для определения механизмов, лежащих в основе этих результатов, могут быть полезны для изучения гипертрофии миокарда и метаболических связей между ожирением, ВИИТ и сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Протокол, описанный в данном исследовании, имеет ряд ограничений. Во-первых, беговая дорожка, используемая в этом исследовании, имела пять дорожек, что позволяло запускать пять крыс одновременно. Несмотря на то, что такой способ выполнения протокола был эффективным, одному исследователю было трудно заниматься каждым из животных одновременно. Бывали случаи, когда работнику беговой дорожки было трудно распределить свое внимание между многочисленными животными, нуждающимися в стимуляции щетинными щетками. В будущем приоритетной задачей будет обеспечение наличия большего количества научно-исследовательского персонала для оказания помощи в составлении протоколов обучения. Кроме того, модель беговой дорожки с пятью дорожками не имеет возможности измерять газообмен, и, следовательно, аэробный/анаэробный метаболизм животных во время протокола не может быть оценен. Компания, которая предоставила беговую дорожку для грызунов (см. таблицу материалов), действительно предлагает беговую дорожку с возможностью измерения газообмена, но это однополосная беговая дорожка и, следовательно, потребует значительно больше времени и усилий. Тем не менее, эти усилия могут быть полезны для исследователей, которым необходимо измерять или контролировать конкретные результаты непрямой калориметрии. Кроме того, существует очень мало доказательств того, как ударная решетка может влиять на выполнение упражнений, что следует учитывать при интерпретации результатов этой модели. Наконец, протокол упражнений, описанный в этом исследовании, был разработан на молодых самках крыс Спрэга-Доули. Предыдущие исследования показали эффекты полового диморфизма, особенно в отношении ВИИТ и регуляции аппетита 3,7. Несмотря на то, что ожидаются аналогичные результаты, в этом протоколе не тестировались животные разных видов, возрастов, полов или показателей здоровья.
По сравнению с предыдущими моделями, этот протокол демонстрирует более эффективный по времени метод оценки ряда переменных результата. Например, этот протокол смог выявить взаимодействие между ВИИТ и регуляцией аппетита в протоколе, который включал четыре тренировки в неделю в течение 8 недель, по сравнению с предыдущими исследованиями, которые включали пять тренировок в неделю в течение 8 недель,24 или даже 12недель тренировок. Кроме того, этот дизайн исследования позволил проанализировать различные маркеры здоровья, такие как данные о физических упражнениях, маркеры регуляции аппетита и состав тела. Эти маркеры, а также адаптация сердца к физическим упражнениям, представляют собой перспективные средства оценки тренировочных адаптаций сердечно-сосудистой системы. Показатели функции эндотелия, типа мышечных волокон и гипертрофии сердечного миоцита могут быть легко добавлены для дальнейшего понимания этих адаптаций, вызванных физическими упражнениями. Кроме того, этот протокол включал в себя повышение интенсивности в зависимости от производительности. Такая конструкция позволила максимизировать результаты тренировки и гарантировала, что крысы не адаптируются к условиям тренировки и не приближаются к модели непрерывной тренировки умеренной интенсивности к концу вмешательства. Это показано на рисунке 2; В частности, скорость бега этих животных была более чем в два раза выше, чем в предыдущих публикациях, которые продемонстрировали многие сердечно-сосудистые, скелетные мышцы и терморегуляторные адаптации, согласующиеся свмешательствами HIIT.
Disclosures
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Майкла Пэнки, Криса Батлера и сотрудников WVSOM за их помощь в уходе за животными и сборе данных.
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).
