Summary
Denna artikel presenterar de morfometriska svaren och träningsprestationsresultaten av ett högintensivt intervallträningsprotokoll (HIIT) i en Sprague-Dawley-råttmodell av dietinducerad fetma. Syftet med detta protokoll var att maximera träningsintensiteten och bestämma de fysiologiska reaktionerna på HIIT hos magra och överviktiga råttor.
Abstract
Jämfört med kontinuerlig-måttlig eller lågintensiv träning är högintensiv intervallträning (HIIT) en mer tidseffektiv alternativ metod som resulterar i liknande fysiologiska fördelar. Denna artikel presenterar ett HIIT-protokoll som kan användas för att bedöma olika hälsomarkörer i en Sprague-Dawley-råttmodell av dietinducerad fetma. Honråttor av rasen Sprague Dawley i åldern 21 dagar delades slumpmässigt in i följande grupper: kontrollgrupp (CON, n = 10), träningstränad (TRN, n = 10), fettrik kost (HFD, n = 10) och fettrik kost/motionsträning (HFD/TRN, n = 10). Kontrolldieterna bestod av kommersiell laboratoriekost med 10 % kilokalorier (kcal) från fett (3,82 kcal/g), och de fettrika dieterna (HFD) bestod av 45 % kcal från fett (4,7 kcal/g). Djuren hade fri tillgång till sin tilldelade föda under hela studien. Efter en 8 veckors dietintroduktionsperiod genomförde träningskohorterna fyra HIIT-pass per vecka i 8 veckor. Varje HIIT-pass bestod av 10 intervaller på 1 min sprint/2 min vila med hjälp av ett gnagarlöpband med motordrivet bälte. Efter 8 veckors träning offrades djuren för vävnadsinsamling. Resultaten visade inga skillnader i distanslöpning mellan TRN- och HFD/TRN-grupperna, och träningshastigheten ökade stadigt under studiens gång, med en slutlig löphastighet på 115 cm/s och 111 cm/s för TRN- respektive HFD/TRN-grupperna. Det veckovisa kaloriintaget minskade (p < 0,05) i TRN-gruppen jämfört med CON-gruppen men ökade (p < 0,05) i HFD/TRN-gruppen jämfört med HFD-gruppen. Slutligen hade djuren på HFD högre (p < 0,05) fetma och de tränade djuren hade minskad (p < 0,05) fetma i förhållande till kontrollerna. Detta protokoll visar en effektiv metod för att utvärdera effekterna av HIIT på olika fysiologiska resultat i en kostinducerad fetmamodell.
Introduction
Fetma och komorbida tillstånd, såsom hjärt- och kärlsjukdomar, metabola sjukdomar och cancer, fortsätter att vara några av de allvarligaste, mest kostsamma och förebyggbara av alla hälsoutfall. För närvarande klassificeras över en tredjedel av de vuxna i USA och mer än 1,6 miljarder vuxna världen över som feta enligt deras kroppsmasseindex (BMI; definierat som vikt i kilogram dividerat med kvadraten på längden i meter)1. Fetma som sjukdom beror på en genetisk predisposition, miljöexponeringar och ett sammanbrott i de normala mekanismerna som reglerar energiintag och energiförbrukning2. I takt med att de mänskliga och ekonomiska kostnaderna för fetmaepidemin fortsätter att öka har det blivit ett ökat fokus på att försöka förstå de mekanismer som är involverade i energibalansen och effekterna av kost och motion för att bekämpa metabola sjukdomar.
Tidigare studier har visat att exponering för mycket välsmakande, energität kost stimulerar överätning i råttmodeller3. Ad libitum-tillgång till mycket välsmakande dieter driver överdriven viktökning som ett resultat av ökat kaloriintag4. Studier har också visat att träning kan modulera aptiten och förbättra känsligheten för mättnadssignalering hos överviktiga individer5. Det är teoretiserat att denna återhämtning av känsligheten för mättnadssignalering med träning delvis förmedlas genom effekten av träningsträning på reaktiviteten hos de centrala och perifera vävnaderna till leptin, ett viktigt adipocyt-härlett regleringshormon som dämpar aptiten och stimulerarenergiförbrukningen. Även om dessa studier har undersökt en mängd olika träningsprotokoll, finns det ingen tydlig konsensus om vilken intervention som är överlägsen 6,7. Det finns vissa bevis som tyder på att högintensiv intervallträning (HIIT), som innebär upprepade utbrott av ansträngande träning sammanvävd med återhämtningsintervaller, kan förbättra aptitregleringen mer än andra träningsformer, såsom kontinuerlig träning med måttlig intensitet (MICT), kontinuerlig träning med hög intensitet eller frivillig fysisk aktivitet8. Det finns dock kunskapsluckor kring intersektionaliteten mellan högintensiv intervallträning, kost och aptitreglering.
Tidigare studier har också visat att träning är en kraftfull förmedlare av inaktivitetsrelaterade samsjukligheter, särskilt ur perspektivet förändringar i muskel- och fettvävnad 9,10,11. Det antas att dessa sammansättningsförändringar leder till främjande av ett antiinflammatoriskt tillstånd som kan vara ansvarigt för förbättringen av sjukdomsrisken som ses med träning12. Myokiner, som är cytokiner, andra små proteiner och proteoglykanpeptider som frisätts från skelettmuskulaturen under muskelsammandragningar har antagits dämpa de antiinflammatoriska resultaten i samband med fysisk aktivitet. Däremot har adipokiner, cellsignalmolekyler som produceras av fettvävnad, visat sig främst spela en mer skadlig roll och bidra till att främja ett inflammatoriskt tillstånd13,14,15,16. Även om det finns betydande bevis som visar att de sammansättningsförändringar som ses med MICT främjar positiva hälsoresultat, har mindre arbete gjorts för att utvärdera de potentiella fördelarna med HIIT1 7,18.
Slutligen är hjärt-kärlsjukdom väletablerat som den främsta orsaken till sjuklighet hos människor och är starkt korrelerad med fetma, kost och fysisk aktivitet1. Detta protokoll ger ett effektivt sätt att träna gnagare för utvärdering av effekterna av kardiovaskulär träning på många system. I synnerhet hjärthypertrofi är en markant anpassning som sker vid kardiovaskulär träning. Denna hypertrofi möjliggör mer robusta hjärtsammandragningar och leverans av blod och syre till träningsvävnaderna. Tidigare forskning tyder på att högintensiv träning är mer benägen att inducera hjärthypertrofi än träning med måttlig intensitet19.
Detta protokoll hjälper till att fylla luckorna i litteraturen genom att tillhandahålla ett tillvägagångssätt för att undersöka effekterna av HIIT på aptitreglering, sammansättningsförändringar (alltså myokin- och adipokinförändringar) och kardiovaskulära anpassningar i en murin modell av kostinducerad fetma. Dessutom maximerar de prestationsbaserade ökningarna i intensitet träningsresultaten och säkerställer att djuren inte anpassar sig till träningsträningen och närmar sig en måttlig intensitet senare i träningsprotokollet.
Det övergripande målet med denna metod är att maximera träningsansträngningen och identifiera fenotypiska förändringar hos Sprague-Dawley-råttor som svar på HIIT, dietinducerad fetma och interaktionen mellan dessa stimuli. Detta protokoll är unikt jämfört med andra tekniker på grund av dess förmåga att maximera ansträngningen under hela träningsperioden, även med ökningar av råttornas skicklighet och konditionsnivåer. Det gör det också möjligt att samtidigt analysera träning och fetma, snarare än att enbart fokusera på det ena eller det andra. Specifikt avsåg denna studie att testa följande hypoteser. (1) Motionshastigheten kan öka under träningen och den sträcka som råttor i TRN-gruppen tillryggalägger kan vara större än i HFD/TRN-gruppen20. (2) Det genomsnittliga veckokaloriintaget hos tränade råttor kan vara större än hos kontrollerna, och detta kan vara tydligt inom varje foderkohort21. (3) Den genomsnittliga dagliga viktökningen kan vara större hos kontrollråttor än hos motionerade råttor, och kontrollråttor kan ha högre fettmassa vid avlivning21. (4) Hjärtats och leverns massa kan vara större hos HFD/TRN-råttor jämfört med TRN-råttor19.
Protocol
Alla procedurer som beskrivs i denna studie följde Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 8:e upplagan. Den experimentella designen godkändes av Office of Research and Sponsored Programs (ORSP) under Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) 2019-5 vid West Virginia School of Osteopathic Medicine. Se materialtabellen och tabell 1 för ytterligare information om alla material som används i detta protokoll. En allmän översikt över protokollets tidslinje visas i figur 1.
1. Experimentell design
- Använd 40 honor, 21 dagar gamla Sprague-Dawley-råttor från en kommersiell källa (se Materialförteckning).
- Använd lämplig skyddsutrustning när du hanterar djuren i enlighet med IACUC:s riktlinjer. Dessa säkerhetsåtgärder inkluderar, men är inte begränsade till, att bära sterila engångshandskar, en labbrock, skoskydd, etc.
- Väg varje djur och beräkna medelvärdet och medelfelet för medelvärdet för att säkerställa att grupperna inte skiljer sig åt i vikt. Om grupperna skiljer sig åt, matcha grupperna för kroppsvikt genom att omfördela de tyngre individerna till de lättare grupperna och de lättare individerna till de tyngre grupperna.
- Dela slumpmässigt in djuren i fyra grupper: kontrollgrupp (CON, n = 10), kontrolldiet/motionstränad (TRN, n = 10), fettrik kost/kontrollgrupp (HFD, n = 10) och fettrik kost/motionstränad (HFD/TRN, n = 10).
- Inhysa råttorna i enskilda burar (ett djur per bur) i en kontrollerad miljö (12 timmars ljus/mörker-cykler, 21 °C ± 2 °C, 60 % ± 10 % luftfuktighet) och avvänj alla råttor till en kontrolldiet med kommersiellt inköpt laboratoriemat (se materialtabell) under en veckas acklimatiseringsperiod. Förse varje bur med berikningsanordningar (skydd, gnagbara föremål och bomaterial).
OBS: CON-dieten består av kommersiellt köpt laboratoriemat (se materialtabell och tabell 1 för ytterligare information) med 10 % kcal från fett (3,82 kcal/g). - Se till att det finns fri tillgång till mat och vatten under hela försöket.
- Efter 1 veckas acklimatiseringsperiod börjar du den 8 veckor långa dietperioden med att förse HFD- och HFD/TRN-grupperna med HFD-mat. HFD-konvaljen (se materialtabell och tabell 1 för ytterligare information) består av 45 % kcal från fett (4,7 kcal/g), vilket motsvarar den nedbrytning av makronäringsämnen som finns i en typisk västerländsk kost. Se till att alla djur fortsätter att ha fri tillgång till mat och vatten.
- I början av varje vecka ska du väga upp och registrera massan av mat som ges till varje djur. Använd 140 g chow för att mata varje djur i en hel vecka.
- För att väga chowen, placera en vågbåt på en elektronisk digital precisionsvåg (se materialtabell) och tarera vågen genom att trycka på "tara"-knappen. Lägg 140 g chow i vågbåten och anteckna vikten (g) från vågen. Detta är "före"-vikten.
- Placera maten i fodertråget i varje enskilt djurs bur.
- Om ett djur börjar få ont om mat, väg en extra tilldelning (20 g för varje återstående dag) och lägg den maten på matbrickan. Anteckna hur mycket extra mat som ges till varje djur. Vikt kan behöva läggas ovanpå fodret i behållaren för att möjliggöra enklare konsumtion om djuren kämpar för att konsumera pelletsen (vilket framgår av rundade pellets i behållaren).
- I slutet av varje vecka väger du den återstående maten för varje djur. Varje djur borde ha överbliven mat för att säkerställa att de kunde äta ad libitum. Använd samma skala för att registrera den återstående maten. Detta är "eftervikten".
- Subtrahera "eftervikten" från "förevikten" för varje enskilt djur för att registrera födointaget (g) per vecka.
- Efter 8 veckors dietinduktionsperiod, börja HIIT-träningsprotokollet för råttor i TRN och HFD/TRN. Detta består av en 8 veckors HIIT-regim med träningspass varje vecka på måndag, tisdag, torsdag och fredag (se "HIIT Training Protocol" nedan) mellan 08:00 och 10:00 Se till att alla djur har fri tillgång till sina tilldelade experimentella dieter under hela protokollet.
OBS: Det finns ingen standardisering av protokollet mellan grupperna, eftersom detta protokoll är utformat för att maximera prestandan för varje kohort, och varje kohort kan skilja sig åt (på grund av fenotyper inducerade av kosten). - Avliva råttorna 48 timmar efter deras sista träningspass via vitalvävnadsskörd efter anestesiinduktion med inhalerad isofluran (5%).
- Börja med att se till att det finns tillräckligt med syre och isofluran i systemet för att inducera anestesi. Öppna syrgastanken genom att vrida huvudventilen (vanligtvis ovanpå tanken) moturs. Det kan finnas en regulatorventil som måste öppnas på syrgastanken också, beroende på syrgastankens storlek. Kontrollera dessutom att avgasslangen är ordentligt fastsatt och att uppsamlingsbehållaren inte är överviktig.
- Väg behållaren före användning och notera datum och vikt på sidan av behållaren. Kontrollera att kranen är öppen mot induktionskammaren och att kranen till noskonen är stängd.
- För att inducera anestesi, placera djuret i induktionskammaren och försegla kammaren genom att säkra låsanordningarna. Ställ in isofluran på 5 % genom att trycka in säkerhetslåset och vrida ratten moturs.
- Vrid sedan ratten vid basen av syreflödesmätaren moturs tills mätaren visar mellan 1.5-2 L/min.
- Efter 1-2 minuter, när djuret inte längre är vid medvetande, stäng av isofluran genom att vrida ratten medurs samtidigt som du trycker på säkerhetslåset. Spola induktionskammaren med syre genom att trycka på syrgasfrigöringsventilen i 3-5 s. Lås upp induktionskammaren och ta bort det medvetslösa djuret.
- Placera det medvetslösa djuret på rygg och fäst en noskonte för att ge ytterligare bedövning. Öppna kranen för ansiktsmaskleverans och stäng kranen för induktionskammaren. Leverera 5 % isofluran med 100 % syre för anestesi via ansiktsmasken tills pedalreflexer saknas.
- Kontrollera pedalreflexerna genom att trycka på tårna på det sövda djuret och leta efter en reflexrespons.
- Avliva djuret enligt IACUC-godkända metoder (som kan variera beroende på studie) och dissekera noggrant målvävnaderna för mätning och vidare analys (subkutan fettvävnad, perirenal fettvävnad, skelettmuskulatur, lever, könskörtlar och hjärta). Beroende på IACUC-protokollen kan eutanasi fullbordas genom halshuggning med giljotin eller genom skörd av vital vävnad (hjärta).
- För att samla upp hjärtat, gör ett snitt under revbenen och genom diafragman.
- Lokalisera hjärtat och klipp av kärlen (aorta, hålven, lungartär, lungven) med en kirurgisk sax. Ta tag i hjärtat med en pincett och skär av eventuell bindväv för att frigöra hjärtat. Arbeta snabbt, skölj hjärtat med saltlösning, badda bort överflödig vätska med gasbinda och registrera vikten. Om det behövs, separera vänster kammare, höger kammare och septum med kirurgisk sax och väg dem individuellt.
- Placera hjärtvävnadsproverna i en kryovial och snabbfrys i flytande kväve.
- Gör sedan ett längsgående snitt ner i buken med en skalpell och två laterala snitt från navelregionen till djurets laterala sida för att ge tillgång till bukorganen.
- Använd en pincett och en kirurgisk sax för att ta bort alla organ av intresse.
OBS: För denna studie samlades lever, visceral (buk) fettvävnad, bukspottkörteln och gastrocnemius in. Bukfettvävnaden avlägsnades i en eller två stora sektioner genom att försiktigt trimma bindväven runt organen och kroppshålväggen. Det subkutana fettet samlades inte in, i likhet med tidigare metoder22. - För organen, efter avlägsnandet, placera dem i en ren vågbåt på en tarerad våg. Anteckna vikten (g) och placera proverna i kryovialer för blixtfrysning.
- Använd en pincett och en kirurgisk sax för att ta bort alla organ av intresse.
- För gastrocnemius, gör två snitt längs de laterala sidorna av underbenet och ett horisontellt över akillessenan.
- Skär eller riv bindväven som förbinder huden med muskulaturen för att exponera gastrocnemius. Klipp av hälsenan med en kirurgisk sax så nära muskeln som möjligt och ta tag i gastrocnemius med en pinc.
- Följ gastrocnemius till den övre anslutningspunkten och gör ett liknande snitt för att frigöra muskeln.
- Väg provet på en ren, tjärad vågbåt, placera i en kryovial och snabbfrys i flytande kväve.
- För att samla upp hjärtat, gör ett snitt under revbenen och genom diafragman.
- Placera omedelbart alla andra insamlade vävnadsprover i kryovialer, snabbfrys i flytande kväve och förvara vid −80 °C. Dessa vävnader kan sparas för framtida laboratorieanalyser som PCR, western blot eller andra metoder enligt forskningsmålen.
2. HIIT-träningsprotokoll
- För att påbörja ett träningspass, slå på löpbandet (se Materialtabell) genom att vrida på strömbrytaren på baksidan av styrenheten.
- Justera löpbandets stötdämpare till 0.00 mA genom att vrida ratten på styrenheten moturs tills monitorn visar 0.00 mA.
- Ställ in löpbandets lutning på 5.0 % genom att lossa låsmuttern på löpbandets undersida och ställa in lutningen på det första hacket. Dra åt låsmuttern igen för att säkra löpbandets lutning i detta läge.
- Stöd djurets kropp med ena handen, ta försiktigt tag i svansroten med den andra handen och placera djuret i en individuell bana på löpbandet.
- Upprepa processen tills alla fem individuella banor på löpbandet är upptagna av en råtta från samma kohort.
- Justera löpbandets hastighet till 45 cm/s genom att vrida hastighetsratten medurs tills monitorn visar 45 cm/s. Tryck på stopp/kör-knappen för att starta löpbandet och låt det gå i 5 minuter. Tryck på stopp/kör-knappen igen för att stoppa löpbandet efter 5 minuter. Inga elektriska stötar används under denna tid.
OBS: Djuren kan behöva uppmuntran med styva borstar för att hålla sig borta från stötgallret under de tidigare stadierna av protokollet för att underlätta deras inlärning av hur man använder löpbandet. - I slutet av 5 minuterna, låt en vila på 2 minuter innan du börjar träningsperioden. Vrid ratten på kontrollenheten medurs tills monitorn läser av motsvarande starthastighet för träningsmatchen. Använd en initial löphastighet för det första passet på 55 cm/s. För den första sprinten på varje ny träningsdag, använd en starthastighet som är 4 cm/s långsammare än den högsta hastigheten som uppnåddes föregående dag.
- Starta löpbandet genom att trycka på Start-knappen , låt djuren springa tills monitorn visar 1:00 (1 min) och stoppa sedan löpbandet genom att trycka på stopp/kör-knappen igen.
- Skaka djuren med borstar för att uppmuntra framåtrörelse om djuret når stötgallret (placerat på baksidan av löpbandet). Om något djur per träningsgrupp inte svarar på borstarna mer än två gånger per träningsmatch, slå på stötgallret till 2.0 mA under resten av passet.
- Efter sprinten, låt djuren vila i 2 min. I slutet av 2 minuters vila, börja nästa sprint genom att starta löpbandet genom att trycka på Stop/Run-knappen på styrenheten. Detaljerna om löpbandets hastighet definieras nedan.
- Öka hastigheten med 4 cm/s för följande sprintintervall från den tidigare använda hastigheten om alla fem djuren i en kohort slutför sprintintervallet utan att behöva motivera (uppmuntran med en styv borste eller vidröra stötgallret mer än fem gånger) under ett helt sprintintervall på 1 minut. Hastigheten ökas genom att vrida hastighetsratten på styrenheten medurs.
- Använd samma intervallhastighet som föregående sprintintervall om borstarna används för att uppmuntra löpning eller om något djur vidrör stötgallret mer än fem gånger i en enda 1 minuts sprint.
- Sänk hastigheten för följande intervall med 4 cm/s om ett djur kämpar för mycket under ett sprintintervall (mer än 20 s ackumulerad tid på stötgallret).
OBS: Enligt vår erfarenhet kunde 100 % av djuren slutföra den nödvändiga körningen. Försöksledaren kan dock behöva avlägsna djur från studien om de visar en ovilja att springa eller utsätts för kraftiga stötar. - Registrera hastigheten och distansen för varje match.
- Upprepa processen för totalt 10 HIIT-träningspass varje träningsdag. Varje träningsomgång består av 1 min högintensiv löpning följt av 2 min vila.
- I slutet av träningspasset tar du bort varje djur från löpbandet och placerar det i sin individuella bur.
- För varje ny träningsdag börjar den initiala löphastigheten för den första matchen vid 4 cm/s långsammare än den snabbaste hastigheten som erhölls under föregående dags träning, med en lägsta hastighet på 55 cm/s.
3. Statistisk analys
- Rapportera morfometri och andra utfallsmått som medelvärden och standardfel.
- Bestäm skillnaderna mellan grupperna i ett analysprogram (se Materialförteckning) med hjälp av en modell med blandade effekter som möjliggör flera jämförelser.
Anm.: Šidák-korrigeringen genomfördes för att ta hänsyn till flera jämförelser. En modell med upprepade åtgärder implementerades när det var lämpligt. Signifikanta skillnader bestämdes av p < 0,05.
Representative Results
Figur 2 visar att träningsprestandan ökade under protokollets varaktighet. Den slutliga körhastigheten för TRN- och HFD/TRN-grupperna var 115 cm/s respektive 111 cm/s. Den totala körsträckan skilde sig inte åt mellan TRN- och HFD/TRN-grupperna (figur 3).
Det genomsnittliga veckovisa foderintaget för djuren på kontrolldieten var högre (p < 0,0001) än för dem på den fettrika kosten (103 g/vecka ± 1,0 g/vecka respektive 91 g/vecka ± 1,0 g/vecka). Det genomsnittliga veckovisa foderintaget var också större (p < 0,001) i tränade grupper än i de icke-tränade grupperna (98 g/vecka ± 1,3 g/vecka jämfört med 92,2 g/vecka ± 1,0 g/vecka). När man tittade på interaktionerna skilde sig inte CON kontra TRN-grupperna från varandra men hade ett större (p < 0,05) veckointag än HFD/TRN-gruppen, som åt mer (p < 0,05) än HFD-gruppen (Figur 4). När man översatte foderintag till kcal-intag hade djuren på den fettrika kosten ett högre (p < 0,0001) kaloriintag än de på kontrolldieten (430 kcal/vecka ± 4,6 kcal/vecka respektive 396 kcal/vecka ± 3,7 kcal/vecka). Detta resulterade i skillnader (p < 0,05) i det veckovisa kaloriintaget mellan alla fyra grupperna, där HFD/TRN-gruppen uppvisade det största veckovisa kaloriintaget, följt av HFD-, CON- och TRN-grupperna sekventiellt (Figur 5).
Kroppsvikten skilde sig inte åt mellan grupperna förrän vecka 8 av utfodringsperioden, då HFD- och HFD/TRN-grupperna nådde en större (p < 0,05) vikt än CON- och TRN-grupperna (293 g ± 10,1 g och 298 g ± 13,1 g jämfört med 270 g ± 8,6 g respektive 264 g ± 6,8 g). HFD- och HFD/TRN-grupperna förblev tyngre (p < 0,05) än CON- och TRN-grupperna under resten av studien (332 g ± 14,4 g, 347 g ± 16,3 g, 304 g ± 10,3 g och 304 g ± 10,1 g för HFD-, HFD/TRN-, CON- respektive TRN-grupperna). Den genomsnittliga dagliga ökningen (ADG) var större (p < 0,05) hos de tränade jämfört med icke-tränade djuren jämfört med träningsdelen av studien (0,8 g/dag ± 0,11 g/dag jämfört med 0,5 g/dag ± 0,09 g/dag), och det fanns inga skillnader i ADG mellan CON- och HFD-grupperna under denna period. Sammantaget resulterade detta i högre (p < 0,05) ADG i HFD/TRN-gruppen än i HFD-gruppen och inga skillnader mellan CON- och TRN-grupperna (Figur 6) under träningsperioden. Den 8 veckor långa träningsperioden inducerade dock ingen skillnad i vikt mellan HFD/TRN- och HFD-grupperna (347 g ± 16,3 g jämfört med 331,5 g ± 14,4 g).
Efter slutförandet av träningsprotokollet visade vävnadsuttagningen att djuren på HFD hade större (p < 0,05) visceral fetma än CON-gruppen (25 g ± 2,1 g respektive 19 g ± 1,5 g), och de träningstränade djuren hade minskad (p < 0,05) visceral fetma i förhållande till kontrolldjuren (21 g ± 2,4 g jämfört med 25 g ± 2,1 g, respektive). HFD-gruppen hade en större (p < 0,05) visceral fetma än TRN- och HFD/TRN-grupperna (Figur 7). Hjärtmassan var större i HFD/TRN-gruppen än i CON-, TRN- och HFD-grupperna (p < 0,05; 1,3 g ± 0,2 g jämfört med 1,1 g ± 0,1 g, 1,1 g ± 0,1 g respektive 1,0 g ± 0,1 g). Det observerades inga skillnader i levermassa mellan grupperna. Inga skillnader identifierades i massan hos några andra organ eller vävnader.
Figur 1: Studieprotokollets tidslinje efter djurets ålder i dagar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: HIIT-hastighet genom hela träningsprotokollet för TRN- och HFD/TRN-djuren per pass. HIIT utfördes på fyra olika dagar varje vecka under 8 veckor, vilket resulterade i 32 träningspass. Medeldata per träningspass presenteras. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Genomsnittlig tillryggalagd sträcka per sprint i TRN- och HFD/TRN-grupperna under hela träningsprotokollet. HIIT utfördes på fyra olika dagar varje vecka under 8 veckor, vilket resulterade i 32 träningspass. Uppgifterna presenteras som medelvärde ± SEM. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Genomsnittligt foderintag per vecka för kohorterna CON, TRN, HFD och HFD/TRN. Data presenteras som medelvärde ± medelfel av medelvärdet (SEM). a,b,cMedel med olika bokstäver skiljer sig åt (p < 0,05). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Veckovis kaloriintag för CON-, TRN-, HFD- och HFD/TRN-kohorterna. Data presenteras som medelvärde ± SEM. a,b,c,dMedelvärden med olika bokstäver skiljer sig åt (p < 0,05). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Genomsnittlig daglig viktökning i kohorterna CON, TRN, HFD och HFD/TRN. Data presenteras som medelvärde ± SEM. a,bGrupper med olika bokstäver skiljer sig åt (p < 0,05). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Genomsnittlig visceral fettmassa vid obduktion. Data presenteras som medelvärde ± SEM. a,bGrupper med olika bokstäver skiljer sig åt (p < 0,05). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Tabell 1: Sammansättning av de dieter som används i protokollet. Klicka här för att ladda ner denna tabell.
Discussion
Detta protokoll ger en effektiv metod för att undersöka effekterna av HIIT på flera hälsomarkörer i en kostinducerad fetmamodell. Proceduren bygger på tidigare studier för att möjliggöra en mer tidseffektiv metod för att undersöka flera utfallsvariabler, såsom träningsvariabler, aptitregleringsmarkörer och invasiva analyser av kroppssammansättning 3,7,8,18,23,24. Kostens innehåll, varaktighet och träningsinterventionsprotokoll överensstämde med tidigare publikationer23,24. I denna studie köptes kommersiellt tillgänglig laboratoriemat (se Materialförteckning). Laboratoriedieten för fettrik kost och kontrolldiet innehöll samma mängd protein och mikronäringsämnen. Kolhydrat- och fettinnehållet i dieterna modifierades för att ge en säker metod för att inducera fetma i experimentgruppen (se tabell 1).
Den 8 veckor långa induktionsperioden för fetma som användes i den aktuella studien modellerades baserat på tidigare forskning som visade signifikanta förändringar i vikt efter tillhandahållande av kommersiell laboratoriemat bestående av 45 % kcal från fett (4,7 kcal/g), vilket representerar den makronutrientnedbrytning som finns i den typiska västerländska kosten23. Dessutom har tidigare studier visat effektiviteten av ett 8 veckors HIIT-protokoll för att påverka matintaget7,8, fettprofilerna 18,23 och muskeltillväxten 18. Resultaten av protokollet som beskrivs i denna studie överensstämde med tidigare studier som rapporterat att HIIT påverkar aptitregleringen, såväl som sammansättningsförändringar i fetma och muskelmassa.
En fördel med detta protokoll är att det maximerar intensiteten i träningsträningen hos djuren och bibehåller maximal ansträngning under hela protokollet. Eftersom djuren kontinuerligt lär sig att använda löpbandet skickligt och gör konditionsvinster, ökas löpbandets hastighet i enlighet med deras prestation. Dessutom gör användningen av 5,0 % lutning det möjligt för djuren att nå maximal intensitet i varje session och under hela protokollet snabbare än vad som skulle uppnås utan att använda lutning. Som ett resultat maximeras träningsprestandan för varje träningspass och under protokollets varaktighet.
Under studien kunde ett djur inte slutföra försöksprotokollet på grund av sjukdom, vilket resulterade i att n = 39 djur fullföljde studien, med endast n = 9 råttor i HFD-kohorten. Detta protokoll utformades ursprungligen för att bedöma förändringar i cytokinprofiler som svar på träning och kost, och effektanalysen resulterade i mer än 90 % effekt för att identifiera en skillnad (p < 0,05) i det primära målcytokinet (irisin). Framtida studier som använder denna modell bör förlita sig på unika effektanalyser för att bestämma lämpliga provstorlekar.
Denna studie var främst utformad för att undersöka de fysiologiska resultaten av HIIT i en gnagarmodell av dietinducerad fetma och för att maximera intensiteten i träningen. Detta protokoll kunde visa variation i ADG och fetma som svar på kost och HIIT (Figur 6 och Figur 7). Framtida studier skulle specifikt kunna identifiera endokrina, myokin- och adipokinsvar på HIIT. Klarläggandet av dessa mekanismer kan visa sig vara till nytta vid behandling och förebyggande av fetma och dess komorbiditeter.
Denna studie visade också effekten av kost och HIIT på foderintaget. Resultaten indikerade att när djuren åt en fettrik kost konsumerade de tränade djuren mer kalorier än de icke-tränade djuren. Däremot, när djuren åt kontrolldieten, konsumerade de tränade djuren mindre kalorier än de icke-tränade djuren, vilket visade olika aptitregleringssvar beroende på kostens sammansättning. Därför kan strategier för viktminskning som använder HIIT vara mindre effektiva för dem som samtidigt konsumerar en fettrik kost, eftersom de kan vara mer benägna att konsumera överflödiga kalorier. Däremot kan ett balanserat intag av makronäringsämnen under HIIT främja ett lågt kaloriintag och därför underlätta viktminskning. Denna modell kan underlätta forskningsinsatser för att utveckla en djupare förståelse för mekanismerna bakom energibalans och ansträngningar för att utveckla effektiva viktminskningsstrategier.
Slutligen visade detta protokoll variation i hjärtvävnad mellan kohorterna, vilket återspeglar adaptiva förändringar i kroppssammansättningen som svar på kost och träningsträning. Dessa data tyder på att induktion av fetma följt av HIIT kan predisponera individer för myokardhypertrofi utan några åtföljande förändringar i leverstorleken. Framtida analyser för att fastställa mekanismerna bakom dessa fynd kan vara användbara för att undersöka myokardiell hypertrofi och de metabola sambanden mellan fetma, HIIT och hjärt-kärlsjukdom.
Protokollet som beskrivs i denna studie har flera begränsningar. För det första hade löpbandet som användes i denna studie fem banor, vilket gjorde det möjligt att springa fem råttor samtidigt. Även om detta sätt att utföra protokollet var effektivt, var det svårt för en enda forskare att ta hand om vart och ett av djuren på en gång. Det fanns tillfällen då det var svårt för löpbandsskötaren att dela sin uppmärksamhet mellan de många djuren som behövde stimuleras med borstar. I framtiden kommer det att vara en prioritet att se till att mer forskningspersonal finns tillgänglig för att hjälpa till med utbildningsprotokollen. Dessutom har den femfiliga löpbandsmodellen inte förmågan att mäta gasutbytet, och därför kunde djurens aeroba/anaeroba metabolism under protokollet inte bedömas. Företaget som tillhandahöll gnagarlöpbandet (se materialförteckning) erbjuder ett löpband med möjlighet att mäta gasutbyte, men det är ett enfiligt löpband och skulle därför kräva betydligt mer tid och ansträngning. Den ansträngningen kan dock vara värd besväret för utredare som behöver mäta eller kontrollera för specifika resultat av indirekt kalorimetri. Dessutom finns det mycket lite bevis för hur stötgallret kan påverka träningsprestanda, vilket bör beaktas när man tolkar resultaten från denna modell. Slutligen utformades träningsprotokollet som beskrivs i denna studie med unga honor av Sprague-Dawley-råttor. Tidigare studier har visat sexuellt dimorfa effekter, särskilt när det gäller HIIT och aptitreglering 3,7. Även om liknande resultat förväntas, testade detta protokoll inte djur av olika arter, åldrar, kön eller hälsoresultat.
I jämförelse med tidigare modeller visar detta protokoll en mer tidseffektiv metod för att utvärdera en rad utfallsvariabler. Till exempel kunde detta protokoll identifiera interaktioner mellan HIIT och aptitreglering i ett protokoll som involverade fyra träningspass per vecka i 8 veckor, jämfört med tidigare studier som involverade fem träningspass per vecka i 8 veckor,24 eller till och med 12 veckors träning8. Dessutom möjliggjorde denna studiedesign analys av en mängd olika hälsomarkörer, såsom träningsdata, markörer för aptitreglering och kroppssammansättning. Dessa markörer, liksom hjärtats anpassningar till träning, representerar lovande sätt att utvärdera träningsanpassningarna av det kardiovaskulära systemet också. Mått på endotelfunktion, muskelfibertypsammansättning och hypertrofi av hjärtmyocyter kan enkelt läggas till för att öka förståelsen för dessa träningsinducerade anpassningar. Vidare inkluderade detta protokoll prestandabaserade eskaleringar i intensitet. Denna design möjliggjorde maximering av träningsresultaten och säkerställde att råttorna inte anpassade sig till träningsmiljön och närmade sig en kontinuerlig träningsmodell med måttlig intensitet mot slutet av interventionen. Detta visas i figur 2. Sprinthastigheterna hos dessa djur var mer än dubbelt så höga som de hastigheter som uppnåtts i tidigare publikationer, som fortsatte att visa många kardiovaskulära, skelettmuskulatur- och termoregulatoriska anpassningar som överensstämde med HIIT-interventioner25.
Disclosures
Författarna förklarar att det inte finns några intressekonflikter när det gäller publiceringen av denna artikel.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Michael Pankey, Chris Butler och WVSOM-personalen för deras hjälp med djurvård och datainsamling.
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).
