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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы поблагодарить Майкла Пэнки, Криса Батлера и сотрудников WVSOM за их помощь в уходе за животными и сборе данных.
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 |