מאמר זה מציג את התגובות המורפומטריות ואת תוצאות ביצועי האימון של פרוטוקול אימון אינטרוולים בעצימות גבוהה (HIIT) במודל של חולדות Sprague-Dawley של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. מטרת פרוטוקול זה הייתה למקסם את עצימות האימון ולקבוע את התגובות הפיזיולוגיות ל-HIIT בחולדות רזות והשמנות.
בהשוואה לאימון רציף-בינוני או בעצימות נמוכה, אימון אינטרוולים בעצימות גבוהה (HIIT) הוא שיטה חלופית חסכונית יותר בזמן שמביאה ליתרונות פיזיולוגיים דומים. מאמר זה מציג פרוטוקול HIIT שניתן להשתמש בו כדי להעריך סמנים בריאותיים שונים במודל של חולדות Sprague-Dawley של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. נקבות חולדות Sprague Dawley בנות 21 ימים חולקו באופן אקראי לקבוצות הבאות: קבוצת ביקורת (CON, n = 10), אימון גופני (TRN, n = 10), דיאטה עתירת שומן (HFD, n = 10) ודיאטה עתירת שומן/אימון גופני (HFD/TRN, n = 10). דיאטות הביקורת כללו צ’או מעבדה מסחרי עם 10% קילוקלוריות (קק”ל) משומן (3.82 קק”ל/גרם), והדיאטות עתירות השומן (HFD) כללו 45% קק”ל משומן (4.7 קק”ל/גרם). לבעלי החיים הייתה גישה אד-ליביטום לתזונה שהוקצתה להם במהלך המחקר. לאחר תקופת זירוז דיאטה של 8 שבועות, קבוצות האימון השלימו ארבעה אימוני HIIT בשבוע במשך 8 שבועות. כל אימון HIIT כלל 10 אינטרוולים של ספרינטים של דקה / 2 דקות מנוחה באמצעות הליכון מכרסמים עם חגורה מונעת מנוע. לאחר 8 שבועות של אימונים, החיות הוקרבו לאיסוף רקמות. התוצאות לא הראו הבדלים בריצת המרחק בין קבוצות TRN ו-HFD/TRN, ומהירות האימון עלתה בהתמדה במהלך המחקר, עם מהירות ריצה סופית של 115 ס”מ לשנייה ו-111 ס”מ לשנייה עבור קבוצות TRN ו-HFD/TRN, בהתאמה. צריכת הקלוריות השבועית ירדה (p < 0.05) בקבוצת TRN ביחס לקבוצת CON, אך עלתה (p < 0.05) בקבוצת HFD/TRN ביחס לקבוצת HFD. לבסוף, בעלי החיים ב-HFD היו בעלי שומן גדול יותר (p < 0.05), ובעלי החיים המאומנים הפחיתו (p < 0.05) שומן ביחס לבקרות. פרוטוקול זה מדגים שיטה יעילה להערכת ההשפעות של HIIT על תוצאות פיזיולוגיות שונות במודל השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה.
השמנת יתר ומחלות נלוות, כגון מחלות לב וכלי דם, מחלות מטבוליות וסרטן, ממשיכות להיות חלק מהתוצאות הבריאותיות החמורות, היקרות והניתנות למניעה. כיום, יותר משליש מהמבוגרים בארצות הברית ויותר מ-1.6 מיליארד מבוגרים ברחבי העולם מסווגים כסובלים מהשמנת יתר על פי מדד מסת הגוף שלהם (BMI; מוגדר כמשקל בקילוגרמים חלקי ריבוע הגובה במטרים)1. השמנת יתר כמחלה נובעת מנטייה גנטית, חשיפות סביבתיות והתמוטטות המנגנונים הנורמליים המווסתים את צריכת האנרגיה והוצאת האנרגיה2. ככל שהעלויות האנושיות והכספיות של מגיפת ההשמנה ממשיכות לעלות, יש התמקדות מוגברת בניסיון להבין את המנגנונים המעורבים במאזן האנרגיה ואת ההשפעות של תזונה ופעילות גופנית במאבק במחלות מטבוליות.
מחקרים קודמים הראו כי חשיפה לדיאטות טעימות מאוד ועתירות אנרגיה מעוררת אכילת יתר במודלים של חולדות3. גישה לדיאטות טעימות מאוד גורמת לעלייה מוגזמת במשקל כתוצאה מצריכת קלוריות מוגברת4. מחקרים הראו גם כי פעילות גופנית יכולה לווסת תיאבון ולשפר את הרגישות של איתות שובע אצל אנשים שמנים5. על פי התיאוריה, התאוששות זו של רגישות איתות השובע עם פעילות גופנית מתווכת חלקית באמצעות ההשפעה של אימון גופני על תגובתיות הרקמות המרכזיות וההיקפיות ללפטין, הורמון ויסות מרכזי המופק מאדיפוציטים המדכא תיאבון וממריץ את הוצאת האנרגיה5. בעוד שמחקרים אלה חקרו מגוון פרוטוקולים של פעילות גופנית, אין הסכמה ברורה לגבי איזו התערבות עדיפה 6,7. ישנן עדויות המצביעות על כך שאימוני הפוגות בעצימות גבוהה (HIIT), הכוללים התפרצויות חוזרות ונשנות של פעילות גופנית מאומצת השזורים במרווחי התאוששות, עשויים לשפר את ויסות התיאבון יותר מאשר צורות אחרות של פעילות גופנית, כגון אימון מתמשך בעצימות בינונית (MICT), אימון מתמשך בעצימות נמרצת או פעילות גופנית רצונית8. עם זאת, ישנם פערי ידע סביב הצטלבות של אימוני אינטרוולים בעצימות גבוהה, דיאטה וויסות תיאבון.
מחקרים קודמים הראו גם כי פעילות גופנית היא מתווך רב עוצמה של תחלואה נלווית הקשורה לחוסר פעילות, במיוחד מנקודת המבט של שינויים ברקמת השריר והשומן 9,10,11. ההשערה היא כי שינויים בהרכב אלה מובילים לקידום מצב אנטי דלקתי שעשוי להיות אחראי להקלה בסיכון למחלות שנראה בתרגיל12. מיוקינים, שהם ציטוקינים, חלבונים קטנים אחרים ופפטידים פרוטאוגליקניים המשתחררים משרירי השלד במהלך התכווצויות שרירים, הועלו כממתנים את התוצאות האנטי-דלקתיות הקשורות לפעילות גופנית. לעומת זאת, אדיפוקינים, מולקולות איתות תאי המיוצרות על ידי רקמת השומן, הוכחו בעיקר כממלאות תפקיד מזיק יותר ותורמות לקידום מצב דלקתי13,14,15,16. אמנם יש ראיות משמעותיות המוכיחות כי השינויים בהרכב שנצפו עם MICT מקדמים תוצאות בריאותיות חיוביות, אך פחות עבודה נעשתה כדי להעריך את היתרונות הפוטנציאליים של HIIT1 7,18.
לבסוף, מחלות לב וכלי דם מבוססות היטב כגורם המוביל לתחלואה בבני אדם ויש להן מתאם גבוה עם השמנת יתר, תזונה ופעילות גופנית1. פרוטוקול זה מספק דרך יעילה לאמן מכרסמים להערכת ההשפעות של אימון לב וכלי דם על מערכות רבות. בפרט, היפרטרופיה הלב היא הסתגלות ניכרת המתרחשת עם פעילות לב וכלי דם. היפרטרופיה זו מאפשרת התכווצויות לב חזקות יותר ואספקת דם וחמצן לרקמות הפעילות הגופנית. מחקרים קודמים מצביעים על כך שפעילות גופנית בעצימות גבוהה נוטה יותר לגרום להיפרטרופיה לבבית מאשר פעילות גופנית בעצימות בינונית19.
פרוטוקול זה מסייע למלא את הפערים בספרות על ידי מתן גישה לבחינת ההשפעות של HIIT על ויסות תיאבון, שינויים בהרכב (ולכן, שינויים מיוקין ואדיפוקין), והתאמות לב וכלי דם במודל מורין של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. יתר על כן, העליות מבוססות הביצועים בעצימות ממקסמות את תוצאות האימון ומבטיחות שבעלי החיים אינם מסתגלים לאימון האימון ומתקרבים לעצימות בינונית בהמשך פרוטוקול האימונים.
המטרה הכוללת של שיטה זו היא למקסם את מאמץ האימון ולזהות שינויים פנוטיפיים בחולדות ספראג-דולי בתגובה ל-HIIT, להשמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה ולאינטראקציה של גירויים אלה. פרוטוקול זה ייחודי בהשוואה לטכניקות אחרות בשל יכולתו למקסם את המאמץ לאורך כל תקופת האימונים, גם עם עלייה ברמות המיומנות והכושר של החולדות. זה גם מאפשר ניתוח סימולטני של פעילות גופנית והשמנת יתר, במקום להתמקד רק אחד או השני. באופן ספציפי, מחקר זה נועד לבחון את ההשערות הבאות. (1) מהירויות האימון עשויות לעלות במהלך האימון, והמרחק שחולדות מכסות בקבוצת TRN עשוי להיות גדול יותר מאשר בקבוצת HFD/TRN20. (2) צריכת הקלוריות השבועית הממוצעת של החולדות המאומנות עשויה להיות גדולה יותר מקבוצת הביקורת, וזה עשוי להיות ניכר בכל קבוצת דיאטה21. (3) העלייה היומית הממוצעת במסה עשויה להיות גדולה יותר בחולדות ביקורת מאשר בחולדות שהתאמנו, וחולדות ביקורת עשויות להיות בעלות מסת שומן גבוהה יותר בעת ההקרבה21. (4) מסת הלב והכבד עשויה להיות גדולה יותר בחולדות HFD/TRN לעומת חולדות TRN19.
פרוטוקול זה מספק שיטה יעילה לבחינת ההשפעות של HIIT על מספר סמנים בריאותיים במודל השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. ההליך מתבסס על מחקרים קודמים כדי לאפשר שיטה יעילה יותר בזמן של בחינת משתני תוצאה מרובים, כגון משתני אימון גופני, סמני ויסות תיאבון וניתוחים פולשניים של הרכב הגוף 3,7,8,18,23,24. תכולת הדיאטה, משך הזמן ופרוטוקול ההתערבות בפעילות גופנית היו עקביים עם פרסומים קודמים23,24. במחקר זה נרכש צ’או מעבדה זמין מסחרית (ראו טבלת חומרים). צ’או המעבדה לדיאטות עתירות שומן ובקרה הכיל את אותה כמות של חלבון ומיקרונוטריאנטים. תכולת הפחמימות והשומן בדיאטות שונתה כדי לספק שיטה בטוחה לגרימת השמנה בקבוצת הניסוי (ראה טבלה 1).
תקופת השראת ההשמנה בת 8 השבועות ששימשה במחקר הנוכחי עוצבה על בסיס מחקרים קודמים שהראו שינויים משמעותיים במשקל בעקבות מתן צ’או מעבדה מסחרי המורכב מ-45% קק”ל משומן (4.7 קק”ל/גרם), המייצג את פירוק אבות המזון העיקריים שנמצא בתזונה המערבית הטיפוסית23. נוסף על כך, מחקרים קודמים הדגימו את יעילותו של פרוטוקול HIIT למשך 8 שבועות בהשפעה על צריכת מזון 7,8, פרופילי שומן 18,23 ועלייה במסת שריר 18. תוצאות הפרוטוקול המתואר במחקר זה עלו בקנה אחד עם מחקרים קודמים שדיווחו כי HIIT משפיע על ויסות התיאבון, כמו גם על שינויים בהרכב השומן ומסת השריר.
היתרון של פרוטוקול זה הוא שהוא ממקסם את עצימות האימון בבעלי החיים ושומר על מאמץ מרבי לאורך כל הפרוטוקול. ככל שבעלי החיים לומדים ללא הרף כיצד להשתמש בהליכון במיומנות ולהשיג הישגים בכושר, מהירות ההליכון עולה בהתאם ביחס לביצועיהם. יתר על כן, השימוש בנטייה של 5.0% מאפשר לבעלי החיים להגיע לעוצמה מקסימלית בכל מפגש ולאורך כל הפרוטוקול מהר יותר ממה שהיה מושג ללא שימוש ביצר. כתוצאה מכך, ביצועי האימון מגיעים למקסימום בכל אימון ולמשך הפרוטוקול.
במהלך המחקר, חיה אחת לא הצליחה להשלים את פרוטוקול הניסוי עקב מחלה, וכתוצאה מכך n = 39 בעלי חיים השלימו את המחקר, ורק n = 9 חולדות בקבוצת HFD. פרוטוקול זה תוכנן בתחילה להעריך שינויים בפרופילי הציטוקינים בתגובה לפעילות גופנית ולתזונה, וניתוח הכוח הביא ליותר מ-90% כוח לזהות הבדל (p < 0.05) בציטוקין המטרה העיקרי (איריסין). מחקרים עתידיים המשתמשים במודל זה צריכים להסתמך על ניתוחי כוח ייחודיים כדי לקבוע את גודל המדגם המתאים.
מחקר זה נועד בעיקר לבחון את התוצאות הפיזיולוגיות של HIIT במודל מכרסמים של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה ולמקסם את עצימות הפעילות הגופנית. פרוטוקול זה הצליח להדגים שונות ב-ADG ובשומן בתגובה לתזונה ול-HIIT (איור 6 ואיור 7). מחקרים עתידיים יוכלו לזהות באופן ספציפי תגובות אנדוקריניות, מיוקינים ואדיפוקינים ל-HIIT. הבהרת מנגנונים אלה עשויה להועיל בטיפול ובמניעה של השמנת יתר ותחלואה נלווית אליה.
מחקר זה גם הדגים את ההשפעה של תזונה ו-HIIT על צריכת מזון. התוצאות הצביעו על כך שכאשר בעלי החיים צרכו תזונה עתירת שומן, החיות המאולפות צרכו יותר קלוריות מאשר החיות הלא מאולפות. לעומת זאת, כאשר בעלי החיים אכלו את דיאטת הביקורת, החיות המאולפות צרכו פחות קלוריות מאשר החיות הלא מאולפות, והפגינו תגובות שונות של ויסות תיאבון בהתאם להרכב הדיאטה. לכן, אסטרטגיות לירידה במשקל המשתמשות ב-HIIT עשויות להיות פחות יעילות עבור אלה שצורכים בו זמנית דיאטה עתירת שומן, שכן הם עשויים להיות בעלי סיכוי גבוה יותר לצרוך קלוריות עודפות. לעומת זאת, צריכה מאוזנת של אבות המזון העיקריים במהלך HIIT עשויה לקדם צריכת קלוריות נמוכה, ולכן להקל על ירידה במשקל. מודל זה יכול להקל על מאמצי המחקר לפתח הבנה עמוקה יותר של המנגנונים מאחורי מאזן האנרגיה ומאמצים לפתח אסטרטגיות הרזיה יעילות.
לבסוף, פרוטוקול זה הדגים שונות ברקמת הלב בין הקבוצות, המשקפת שינויים אדפטציוניים בהרכב הגוף בתגובה לאימוני תזונה ופעילות גופנית. נתונים אלה מצביעים על כך שהשראת השמנת יתר ואחריה HIIT עלולה לגרום לאנשים לפתח היפרטרופיה של שריר הלב ללא שינויים נלווים בגודל הכבד. ניתוחים עתידיים לקביעת המנגנונים מאחורי ממצאים אלה עשויים להיות שימושיים לחקר היפרטרופיה של שריר הלב והקשרים המטבוליים בין השמנת יתר, HIIT ומחלות לב וכלי דם.
לפרוטוקול המתואר במחקר זה מספר מגבלות. ראשית, להליכון ששימש במחקר זה היו חמישה נתיבים, שאפשרו להפעיל חמש חולדות בו זמנית. בעוד שאופן זה של ביצוע הפרוטוקול היה יעיל, היה קשה לחוקר יחיד לטפל בכל אחת מהחיות בבת אחת. היו מקרים שבהם היה קשה לדיילת ההליכון לחלק את תשומת הלב שלהם בין בעלי החיים המרובים שנזקקו לגירוי באמצעות מברשות זיפים. בעתיד, הבטחת זמינות של יותר אנשי מחקר כדי לסייע בפרוטוקולי ההכשרה תהיה בראש סדר העדיפויות. בנוסף, למודל ההליכון בעל חמשת הנתיבים אין את היכולת למדוד חילופי גזים, ולכן לא ניתן היה להעריך את חילוף החומרים האירובי/אנאירובי של בעלי החיים במהלך הפרוטוקול. החברה שסיפקה את הליכון המכרסם (ראו טבלת חומרים) אמנם מציעה הליכון בעל יכולת למדוד תחלופת גזים, אך מדובר בהליכון חד-נתיבי ולכן ידרוש זמן ומאמץ גדולים משמעותית. מאמץ זה עשוי להיות כדאי, עם זאת, עבור חוקרים שצריכים למדוד או לשלוט עבור תוצאות ספציפיות של קלוריות עקיפות. בנוסף, יש מעט מאוד ראיות זמינות לגבי האופן שבו רשת הזעזועים עשויה להשפיע על ביצועי האימון, אשר יש לקחת בחשבון כאשר מפרשים את התוצאות ממודל זה. לבסוף, פרוטוקול הפעילות הגופנית המתואר במחקר זה תוכנן עם נקבות צעירות של חולדות ספראג-דולי. מחקרים קודמים הראו השפעות דימורפיות מיניות, במיוחד לגבי HIIT וויסות תיאבון 3,7. למרות שצפויות תוצאות דומות, פרוטוקול זה לא בדק בעלי חיים ממינים, גילאים, מינים או תוצאות בריאותיות שונות.
בהשוואה למודלים קודמים, פרוטוקול זה מדגים שיטה חסכונית יותר בזמן להערכת מגוון משתני תוצאה. לדוגמה, פרוטוקול זה הצליח לזהות אינטראקציות בין HIIT לבין ויסות תיאבון בפרוטוקול שכלל ארבעה אימונים בשבוע במשך 8 שבועות, בהשוואה למחקרים קודמים שכללו חמישה אימונים בשבוע במשך 8 שבועות24 או אפילו 12 שבועות של אימון8. בנוסף, תכנון מחקר זה איפשר ניתוח של מגוון סמנים בריאותיים, כגון נתוני פעילות גופנית, סמנים של ויסות תיאבון והרכב הגוף. סמנים אלה, כמו גם הסתגלות הלב לאימונים, מייצגים אמצעים מבטיחים להערכת התאמות האימון של מערכת הלב וכלי הדם גם כן. ניתן בקלות להוסיף מדדים של תפקוד האנדותל, הרכב סיבי השריר והיפרטרופיה של מיוציטים לבביים כדי לקדם את ההבנה של התאמות אלה הנגרמות על ידי פעילות גופנית. יתר על כן, פרוטוקול זה כלל הסלמה מבוססת ביצועים בעוצמה. תכנון זה איפשר למקסם את תוצאות האימון והבטיח שהחולדות לא יסתגלו לסביבת האימון ויתקרבו למודל אימון רציף בעצימות בינונית לקראת סוף ההתערבות. זה מודגם באיור 2; באופן ספציפי, מהירויות הספרינט של בעלי חיים אלה היו יותר מכפולות מהמהירויות שהושגו בפרסומים קודמים, אשר המשיכו להדגים התאמות רבות של לב וכלי דם, שרירי השלד ותרמו-רגולציה בהתאם להתערבויות HIIT25.
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצים להודות למייקל פאנקי, כריס באטלר וצוות WVSOM על עזרתם בטיפול בבעלי חיים ואיסוף נתונים.
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 |