Dit artikel presenteert de morfometrische responsen en trainingsprestatieresultaten van een HIIT-protocol (High-Intensity Interval Training) in een Sprague-Dawley-rattenmodel van door voeding geïnduceerde obesitas. Het doel van dit protocol was om de trainingsintensiteit te maximaliseren en de fysiologische reacties op HIIT bij magere en zwaarlijvige ratten te bepalen.
Vergeleken met continue, matige of lage intensiteitstraining is intervaltraining met hoge intensiteit (HIIT) een tijdbesparende alternatieve methode die resulteert in vergelijkbare fysiologische voordelen. Dit artikel presenteert een HIIT-protocol dat kan worden gebruikt om verschillende gezondheidsmarkers te beoordelen in een Sprague-Dawley-rattenmodel van door voeding geïnduceerde obesitas. Vrouwelijke Sprague Dawley-ratten van 21 dagen oud werden willekeurig toegewezen aan de volgende groepen: controle (CON, n = 10), trainingstraining (TRN, n = 10), vetrijk dieet (HFD, n = 10) en vetrijk dieet/inspanningstraining (HFD/TRN, n = 10). De controlediëten bestonden uit commercieel laboratoriumvoer met 10% kilocalorieën (kcal) uit vet (3,82 kcal/g), en de vetrijke diëten (HFD) bestonden uit 45% kcal uit vet (4,7 kcal/g). De dieren hadden gedurende het hele onderzoek ad libitum toegang tot hun toegewezen dieet. Na een inductieperiode van 8 weken voltooiden de trainingscohorten gedurende 8 weken vier HIIT-sessies per week. Elke HIIT-sessie bestond uit 10 intervallen van 1 minuut sprints/2 minuten rust met behulp van een knaagdierloopband met een door een motor aangedreven riem. Na de 8 weken durende training werden de dieren opgeofferd voor het verzamelen van weefsel. De resultaten onthulden geen verschillen in de gelopen afstand tussen de TRN- en HFD/TRN-groepen, en de trainingssnelheid nam gestaag toe gedurende de duur van het onderzoek, met een uiteindelijke loopsnelheid van respectievelijk 115 cm/s en 111 cm/s voor de TRN- en HFD/TRN-groepen. De wekelijkse calorie-inname was gedaald (p < 0,05) in de TRN-groep ten opzichte van de CON-groep, maar verhoogd (p < 0,05) in de HFD/TRN-groep ten opzichte van de HFD-groep. Ten slotte hadden de dieren op de HFD een grotere (p < 0,05) adipositas en de getrainde dieren een lagere (p < 0,05) adipositas in vergelijking met de controlegroep. Dit protocol demonstreert een efficiënte methode om de effecten van HIIT op verschillende fysiologische uitkomsten te evalueren in een door voeding geïnduceerd obesitasmodel.
Obesitas en comorbide aandoeningen, zoals hart- en vaatziekten, stofwisselingsziekten en kanker, blijven enkele van de meest ernstige, kostbare en vermijdbare van alle gezondheidsuitkomsten. Momenteel wordt meer dan een derde van de volwassenen in de Verenigde Staten en meer dan 1,6 miljard volwassenen wereldwijd geclassificeerd als zwaarlijvig op basis van hun body mass index (BMI; gedefinieerd als gewicht in kilogrammen gedeeld door het kwadraat van de lengte in meters)1. Obesitas als ziekte is het gevolg van een genetische aanleg, blootstelling aan het milieu en een storing in de normale mechanismen die de energie-inname en het energieverbruik reguleren2. Naarmate de menselijke en financiële kosten van de obesitas-epidemie blijven stijgen, is er een intensievere focus geweest op het proberen te begrijpen van de mechanismen die betrokken zijn bij de energiebalans en de effecten van voeding en lichaamsbeweging bij het bestrijden van stofwisselingsziekten.
Eerdere studies hebben aangetoond dat blootstelling aan zeer smakelijke, energierijke diëten overeten inrattenmodellen stimuleert. Ad libitum toegang tot zeer smakelijke diëten leidt tot overmatige gewichtstoename als gevolg van een verhoogde calorie-inname4. Studies hebben ook aangetoond dat lichaamsbeweging de eetlust kan moduleren en de gevoeligheid van verzadigingssignalering bij zwaarlijvige personen kanverbeteren5. Er wordt getheoretiseerd dat dit herstel van de gevoeligheid van verzadigingssignalering bij inspanning gedeeltelijk wordt gemedieerd door de impact van inspanningstraining op de reactiviteit van de centrale en perifere weefsels op leptine, een belangrijk van adipocyten afgeleid regulerend hormoon dat de eetlust onderdrukt en het energieverbruik stimuleert. Hoewel deze studies een verscheidenheid aan oefenprotocollen hebben onderzocht, is er geen duidelijke consensus over welke interventie superieur is 6,7. Er zijn aanwijzingen dat intervaltraining met hoge intensiteit (HIIT), waarbij herhaalde uitbarstingen van inspannende oefeningen worden afgewisseld met intervallen van herstel, de eetlustregulatie meer kan verbeteren dan andere vormen van lichaamsbeweging, zoals continue training met matige intensiteit (MICT), continue training met hoge intensiteit of vrijwillige fysieke activiteit8. Er zijn echter hiaten in de kennis over de intersectionaliteit van intervaltraining, voeding en eetlustregulatie met hoge intensiteit.
Eerdere studies hebben ook aangetoond dat lichaamsbeweging een krachtige bemiddelaar is van inactiviteitsgerelateerde comorbiditeiten, met name vanuit het perspectief van veranderingen in spier- en vetweefsel 9,10,11. Er wordt verondersteld dat deze veranderingen in de samenstelling leiden tot de bevordering van een ontstekingsremmende toestand die verantwoordelijk kan zijn voor de verbetering van het ziekterisico bij lichaamsbeweging12. Myokines, cytokines, andere kleine eiwitten en proteoglycaanpeptiden die vrijkomen uit skeletspieren tijdens spiercontracties, zijn geponeerd als het matigen van de ontstekingsremmende resultaten die verband houden met fysieke activiteit. Daarentegen is aangetoond dat adipokines, celsignaalmoleculen die door vetweefsel worden geproduceerd, voornamelijk een meer schadelijke rol spelen en bijdragen aan de bevordering van een ontstekingstoestand13,14,15,16. Hoewel er significant bewijs is dat aantoont dat de veranderingen in de samenstelling die met MICT worden waargenomen, positieve gezondheidsresultaten bevorderen, is er minder werk verricht om de potentiële voordelen van HIIT1 7,18 te evalueren.
Ten slotte is hart- en vaatziekten algemeen bekend als de belangrijkste oorzaak van morbiditeit bij mensen en is het sterk gecorreleerd met obesitas, voeding en lichaamsbeweging1. Dit protocol biedt een efficiënte manier om knaagdieren te trainen voor de evaluatie van de effecten van cardiovasculaire training op tal van systemen. In het bijzonder is cardiale hypertrofie een duidelijke aanpassing die optreedt bij cardiovasculaire oefeningen. Deze hypertrofie zorgt voor robuustere hartcontracties en de toevoer van bloed en zuurstof naar de oefenweefsels. Eerder onderzoek suggereert dat lichaamsbeweging met hoge intensiteit meer kans heeft om cardiale hypertrofie te veroorzaken dan lichaamsbeweging met matigeintensiteit19.
Dit protocol helpt de hiaten in de literatuur op te vullen door een benadering te bieden voor het onderzoeken van de effecten van HIIT op eetlustregulatie, veranderingen in de samenstelling (dus myokine- en adipokineveranderingen) en cardiovasculaire aanpassingen in een muizenmodel van door voeding geïnduceerde obesitas. Verder maximaliseren de op prestaties gebaseerde intensiteitsverhogingen de trainingsresultaten en zorgen ze ervoor dat dieren zich niet aanpassen aan de trainingstraining en later in het trainingsprotocol een matige intensiteit benaderen.
Het algemene doel van deze methode is om de inspanningsinspanning te maximaliseren en fenotypische veranderingen bij Sprague-Dawley-ratten te identificeren als reactie op HIIT, door voeding geïnduceerde obesitas en de interactie van deze stimuli. Dit protocol is uniek in vergelijking met andere technieken vanwege het vermogen om de inspanning gedurende de trainingsperiode te maximaliseren, zelfs met een toename van de vaardigheid en fitheid van de ratten. Het maakt ook de gelijktijdige analyse van lichaamsbeweging en obesitas mogelijk, in plaats van alleen op het een of het ander te focussen. Concreet was deze studie bedoeld om de volgende hypothesen te testen. (1) De trainingssnelheden kunnen tijdens de training toenemen en de afstand die ratten in de TRN-groep afleggen, kan groter zijn dan in de HFD/TRN-groep20. (2) De gemiddelde wekelijkse calorie-inname van de getrainde ratten kan hoger zijn dan die van controles, en dit kan duidelijk zijn binnen elk dieetcohort21. (3) De gemiddelde dagelijkse toename in massa kan groter zijn bij controleratten dan bij getrainde ratten, en controleratten kunnen een hogere vetmassa hebben bij hetofferen 21. (4) De massa van het hart en de lever kan groter zijn bij de HFD/TRN-ratten dan bij de TRN-ratten19.
Dit protocol biedt een effectieve methode voor het onderzoeken van de effecten van HIIT op verschillende gezondheidsmarkers in een door voeding geïnduceerd obesitasmodel. De procedure is gebaseerd op eerdere studies om een meer tijdbesparende methode mogelijk te maken voor het onderzoeken van meerdere uitkomstvariabelen, zoals variabelen voor trainingstraining, markers voor eetlustregulatie en invasieve analyses van de lichaamssamenstelling 3,7,8,18,23,24. De inhoud, de duur en het interventieprotocol voor lichaamsbeweging waren consistent met eerdere publicaties23,24. In deze studie werd in de handel verkrijgbaar laboratoriumvoer gekocht (zie Materiaaltabel). Het laboratoriumvoer voor de vetrijke en controlediëten bevatte dezelfde hoeveelheid eiwitten en micronutriënten. Het koolhydraat- en vetgehalte van de diëten werd aangepast om een veilige methode te bieden voor het induceren van obesitas in de experimentele groep (zie tabel 1).
De inductieperiode van 8 weken voor obesitas die in de huidige studie wordt gebruikt, is gemodelleerd op basis van eerder onderzoek dat significante veranderingen in gewicht aantoont na het verstrekken van commercieel laboratoriumvoer bestaande uit 45% kcal uit vet (4,7 kcal/g), wat de afbraak van macronutriënten vertegenwoordigt die wordt aangetroffen in het typische westerse dieet23. Bovendien hebben eerdere studies de effectiviteit aangetoond van een HIIT-protocol van 8 weken op het beïnvloeden van de voedselinname 7,8, vetprofielen 18,23 es spiergroei18. De resultaten van het protocol dat in deze studie werd beschreven, kwamen overeen met eerdere onderzoeken die meldden dat HIIT invloed heeft op de regulering van de eetlust, evenals op veranderingen in de samenstelling van adipositas en spiermassa.
Een voordeel van dit protocol is dat het de intensiteit van de trainingstraining bij de dieren maximaliseert en de maximale inspanning gedurende het hele protocol handhaaft. Omdat de dieren voortdurend leren hoe ze de loopband vakkundig moeten gebruiken en fitnesswinst kunnen boeken, wordt de snelheid van de loopband dienovereenkomstig verhoogd in verhouding tot hun prestaties. Bovendien zorgt het gebruik van de helling van 5,0% ervoor dat de dieren in elke sessie en gedurende het hele protocol sneller de maximale intensiteit kunnen bereiken dan zonder het gebruik van helling zou worden bereikt. Als gevolg hiervan worden de trainingsprestaties gemaximaliseerd voor elke training en voor de duur van het protocol.
Tijdens het onderzoek was één dier niet in staat om het experimentele protocol te voltooien vanwege ziekte, wat resulteerde in n = 39 dieren die het onderzoek voltooiden, met slechts n = 9 ratten in het HFD-cohort. Dit protocol was oorspronkelijk ontworpen om veranderingen in cytokineprofielen te beoordelen als reactie op lichaamsbeweging en dieet, en de vermogensanalyse resulteerde in een vermogen van meer dan 90% om een verschil (p < 0,05) in het primaire doelcytokine (irisine) te identificeren. Toekomstige studies die dit model gebruiken, moeten gebaseerd zijn op unieke vermogensanalyses om de juiste steekproefomvang te bepalen.
Deze studie was in de eerste plaats bedoeld om de fysiologische uitkomsten van HIIT te onderzoeken in een knaagdiermodel van door voeding geïnduceerde obesitas en om de intensiteit van lichaamsbeweging te maximaliseren. Dit protocol was in staat om variatie in ADG en adipositas aan te tonen als reactie op voeding en HIIT (Figuur 6 es Figuur 7). Toekomstige studies zouden specifiek endocriene, myokine en adipokine reacties op HIIT kunnen identificeren. De opheldering van deze mechanismen kan nuttig zijn bij de behandeling en preventie van obesitas en de comorbiditeiten ervan.
Deze studie toonde ook de impact van voeding en HIIT op de voeropname aan. De resultaten gaven aan dat wanneer de dieren een vetrijk dieet consumeerden, de getrainde dieren meer calorieën consumeerden dan de niet-getrainde dieren. Wanneer de dieren daarentegen het controledieet aten, consumeerden de getrainde dieren minder calorieën dan de niet-getrainde dieren, wat verschillende eetlustregulerende reacties vertoonde, afhankelijk van de samenstelling van het dieet. Daarom kunnen strategieën voor gewichtsverlies die HIIT gebruiken minder effectief zijn voor degenen die tegelijkertijd een vetrijk dieet volgen, omdat ze meer kans hebben om overtollige calorieën te consumeren. Daarentegen kan een evenwichtige inname van macronutriënten tijdens HIIT een lage calorie-inname bevorderen en daardoor gewichtsverlies vergemakkelijken. Dit model kan onderzoeksinspanningen vergemakkelijken om een beter begrip te ontwikkelen van de mechanismen achter de energiebalans en inspanningen om effectieve strategieën voor gewichtsverlies te ontwikkelen.
Ten slotte toonde dit protocol variatie in hartweefsel tussen de cohorten, als gevolg van adaptieve veranderingen in de lichaamssamenstelling als reactie op dieet en trainingstraining. Deze gegevens suggereren dat inductie van obesitas gevolgd door HIIT individuen vatbaar kan maken voor myocardiale hypertrofie zonder enige begeleidende veranderingen in de levergrootte. Toekomstige analyses om de mechanismen achter deze bevindingen te bepalen, kunnen nuttig zijn voor het onderzoeken van myocardiale hypertrofie en de metabole verbanden tussen obesitas, HIIT en hart- en vaatziekten.
Het protocol dat in deze studie wordt beschreven, heeft verschillende beperkingen. Ten eerste had de loopband die in dit onderzoek werd gebruikt vijf rijstroken, waardoor er vijf ratten tegelijk konden worden gebruikt. Hoewel deze manier om het protocol uit te voeren efficiënt was, was het moeilijk voor een enkele onderzoeker om elk van de dieren tegelijk te behandelen. Er waren momenten waarop het moeilijk was voor de loopbandbediende om zijn aandacht te verdelen over de vele dieren die stimulatie nodig hadden met borstelharen. In de toekomst zal het een prioriteit zijn om ervoor te zorgen dat er meer onderzoekspersoneel beschikbaar is om te helpen bij de trainingsprotocollen. Bovendien heeft het vijfbaans loopbandmodel niet de mogelijkheid om de gasuitwisseling te meten, en daarom kon het aërobe/anaërobe metabolisme van de dieren tijdens het protocol niet worden beoordeeld. Het bedrijf dat de knaagdierloopband leverde (zie Materiaaltabel) biedt wel een loopband aan met de mogelijkheid om de gasuitwisseling te meten, maar het is een loopband met één rijstrook en zou daarom aanzienlijk meer tijd en moeite vergen. Die inspanning kan echter de moeite waard zijn voor onderzoekers die specifieke uitkomsten van indirecte calorimetrie moeten meten of controleren. Bovendien is er zeer weinig bewijs beschikbaar over hoe het schokrooster de trainingsprestaties kan beïnvloeden, waarmee rekening moet worden gehouden bij het interpreteren van de resultaten van dit model. Ten slotte is het oefenprotocol dat in deze studie wordt beschreven, ontworpen met jonge vrouwelijke Sprague-Dawley-ratten. Eerdere studies hebben seksueel dimorfe effecten aangetoond, vooral met betrekking tot HIIT en eetlustregulatie 3,7. Hoewel vergelijkbare resultaten worden verwacht, testte dit protocol geen dieren van verschillende soorten, leeftijden, geslachten of gezondheidsresultaten.
In vergelijking met eerdere modellen demonstreert dit protocol een meer tijdbesparende methode om een reeks uitkomstvariabelen te evalueren. Dit protocol was bijvoorbeeld in staat om interacties tussen HIIT en eetlustregulatie te identificeren in een protocol dat vier trainingssessies per week gedurende 8 weken omvatte, in vergelijking met eerdere studies die vijf trainingssessies per week gedurende 8 weken24 of zelfs 12 weken training8 inhielden. Bovendien maakte deze onderzoeksopzet de analyse mogelijk van een verscheidenheid aan gezondheidsmarkers, zoals bewegingsgegevens, markers van eetlustregulatie en lichaamssamenstelling. Deze markers, evenals de hartaanpassingen aan trainingstraining, zijn veelbelovende middelen om ook de trainingsaanpassingen van het cardiovasculaire systeem te evalueren. Metingen van de endotheelfunctie, de samenstelling van het spiervezeltype en de hypertrofie van cardiale myocyten kunnen gemakkelijk worden toegevoegd om het begrip van deze door inspanning geïnduceerde aanpassingen te vergroten. Verder omvatte dit protocol op prestaties gebaseerde escalaties in intensiteit. Dit ontwerp zorgde voor het maximaliseren van de trainingsresultaten en zorgde ervoor dat de ratten zich niet aanpasten aan de trainingsomgeving en tegen het einde van de interventie een continu trainingsmodel met matige intensiteit benaderden. Dit wordt geïllustreerd in figuur 2; in het bijzonder waren de sprintsnelheden van deze dieren meer dan het dubbele van de snelheden die werden bereikt in eerdere publicaties, die vervolgens veel cardiovasculaire, skeletspier- en thermoregulerende aanpassingen aantoonden die consistent waren met HIIT-interventies25.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen Michael Pankey, Chris Butler en het WVSOM-personeel bedanken voor hun hulp bij de verzorging van dieren en het verzamelen van gegevens.
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 |