In dieser Arbeit werden die morphometrischen Reaktionen und Trainingsleistungsergebnisse eines HIIT-Protokolls (High-Intensity Interval Training) in einem Sprague-Dawley-Rattenmodell für ernährungsinduzierte Adipositas vorgestellt. Der Zweck dieses Protokolls war es, die Trainingsintensität zu maximieren und die physiologischen Reaktionen auf HIIT bei schlanken und fettleibigen Ratten zu bestimmen.
Im Vergleich zu kontinuierlichem, moderatem oder niedrigintensivem Training ist das hochintensive Intervalltraining (HIIT) eine zeiteffizientere alternative Methode, die zu ähnlichen physiologischen Vorteilen führt. In dieser Arbeit wird ein HIIT-Protokoll vorgestellt, das zur Bewertung verschiedener Gesundheitsmarker in einem Sprague-Dawley-Rattenmodell für ernährungsinduzierte Fettleibigkeit verwendet werden kann. Weibliche Sprague-Dawley-Ratten im Alter von 21 Tagen wurden nach dem Zufallsprinzip in die folgenden Gruppen eingeteilt: Kontrolle (CON, n = 10), Trainingstraining (TRN, n = 10), fettreiche Diät (HFD, n = 10) und fettreiche Diät/Bewegungstraining (HFD/TRN, n = 10). Die Kontrolldiäten bestanden aus kommerziellem Laborfutter mit 10 % Kilokalorien (kcal) aus Fett (3,82 kcal/g), und die fettreichen Diäten (HFD) bestanden aus 45 % kcal aus Fett (4,7 kcal/g). Die Tiere hatten während der gesamten Studie ad libitum Zugang zu ihrer zugewiesenen Nahrung. Nach einer 8-wöchigen Einführungsphase absolvierten die Trainingskohorten 8 Wochen lang vier HIIT-Einheiten pro Woche. Jede HIIT-Einheit bestand aus 10 Intervallen von 1 Minute Sprints/2 Minuten Pause auf einem Nagetierlaufband mit einem motorbetriebenen Riemen. Nach dem 8-wöchigen Training wurden die Tiere für die Gewebeentnahme geopfert. Die Ergebnisse zeigten keine Unterschiede in der Distanz zwischen der TRN- und der HFD/TRN-Gruppe, und die Trainingsgeschwindigkeit stieg über die Dauer der Studie stetig an, mit einer Endlaufgeschwindigkeit von 115 cm/s bzw. 111 cm/s für die TRN- bzw. HFD/TRN-Gruppe. Die wöchentliche Kalorienzufuhr war in der TRN-Gruppe verringert (p < 0,05) im Vergleich zur CON-Gruppe, aber erhöht (p < 0,05) in der HFD/TRN-Gruppe im Vergleich zur HFD-Gruppe. Schließlich wiesen die Tiere auf dem HFD eine größere (p < 0,05) Adipositas auf, und die trainierten Tiere hatten eine reduzierte (p < 0,05) Adipositas im Vergleich zu den Kontrollen. Dieses Protokoll demonstriert eine effiziente Methode, um die Auswirkungen von HIIT auf verschiedene physiologische Ergebnisse in einem ernährungsinduzierten Adipositas-Modell zu bewerten.
Fettleibigkeit und Begleiterkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Stoffwechselerkrankungen und Krebs gehören nach wie vor zu den schwerwiegendsten, kostspieligsten und vermeidbarsten aller Gesundheitsfolgen. Derzeit werden mehr als ein Drittel der Erwachsenen in den Vereinigten Staaten und mehr als 1,6 Milliarden Erwachsene weltweit aufgrund ihres Body-Mass-Index (BMI; definiert als Gewicht in Kilogramm geteilt durch das Quadrat der Körpergröße in Metern) als fettleibig eingestuft1. Adipositas als Krankheit resultiert aus einer genetischen Veranlagung, Umwelteinflüssen und einem Zusammenbruch der normalen Mechanismen, die die Energieaufnahme und den Energieverbrauch regulieren2. Da die menschlichen und finanziellen Kosten der Adipositas-Epidemie weiter steigen, liegt der Schwerpunkt verstärkt auf dem Versuch, die Mechanismen des Energiehaushalts und die Auswirkungen von Ernährung und Bewegung auf die Bekämpfung von Stoffwechselerkrankungen zu verstehen.
Frühere Studien haben gezeigt, dass die Exposition gegenüber sehr schmackhaften, energiereichen Diäten übermäßiges Essen in Rattenmodellen stimuliert3. Der ad libitum Zugang zu sehr schmackhaften Diäten führt zu einer übermäßigen Gewichtszunahme als Folge einer erhöhten Kalorienzufuhr4. Studien haben auch gezeigt, dass Bewegung den Appetit modulieren und die Empfindlichkeit der Sättigungssignalisierung bei übergewichtigen Personen verbessern kann5. Es wird vermutet, dass diese Wiederherstellung der Empfindlichkeit der Sättigungssignalisierung durch körperliche Betätigung teilweise durch den Einfluss des Trainings auf die Reaktivität des zentralen und peripheren Gewebes auf Leptin vermittelt wird, ein wichtiges Adipozyten-abgeleitetes regulatorisches Hormon, das den Appetit unterdrückt und den Energieverbrauch stimuliert5. Während diese Studien eine Vielzahl von Trainingsprotokollen untersucht haben, gibt es keinen klaren Konsens darüber, welche Intervention überlegen ist 6,7. Es gibt einige Hinweise darauf, dass hochintensives Intervalltraining (HIIT), bei dem wiederholte anstrengende Trainingseinheiten mit Erholungsintervallen verwoben sind, die Appetitregulierung stärker verbessern kann als andere Formen des Trainings, wie z. B. kontinuierliches Training mit moderater Intensität (MICT), kontinuierliches Training mit hoher Intensität oder freiwillige körperliche Aktivität8. Es gibt jedoch Wissenslücken in Bezug auf die Intersektionalität von hochintensivem Intervalltraining, Ernährung und Appetitregulierung.
Frühere Studien haben auch gezeigt, dass Bewegung ein starker Vermittler von inaktivitätsbedingten Komorbiditäten ist, insbesondere aus der Perspektive von Veränderungen im Muskel- und Fettgewebe 9,10,11. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass diese Veränderungen der Zusammensetzung zur Förderung eines entzündungshemmenden Zustands führen, der für die Verbesserung des Krankheitsrisikos verantwortlich sein könnte, die bei Übung12 beobachtet wurde. Myokine, bei denen es sich um Zytokine, andere kleine Proteine und Proteoglykanpeptide handelt, die während der Muskelkontraktionen aus der Skelettmuskulatur freigesetzt werden, wurden als mildernd für die entzündungshemmenden Ergebnisse im Zusammenhang mit körperlicher Aktivität angesehen. Im Gegensatz dazu hat sich gezeigt, dass Adipokine, Zellsignalmoleküle, die vom Fettgewebe produziert werden, in erster Linie eine schädlichere Rolle spielen und zur Förderung eines Entzündungszustands beitragen13,14,15,16. Obwohl es signifikante Beweise dafür gibt, dass die bei MICT beobachteten Veränderungen der Zusammensetzung positive gesundheitliche Ergebnisse fördern, wurde weniger Arbeit geleistet, um die potenziellen Vorteile von HIITzu bewerten 1 7,18.
Schließlich sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen als Hauptursache für Morbidität beim Menschen bekannt und korrelieren stark mit Fettleibigkeit, Ernährung und körperlicher Aktivität1. Dieses Protokoll bietet eine effiziente Möglichkeit, Nagetiere für die Bewertung der Auswirkungen von Herz-Kreislauf-Training auf zahlreiche Systeme zu trainieren. Insbesondere die Herzhypertrophie ist eine ausgeprägte Anpassung, die bei kardiovaskulärem Training auftritt. Diese Hypertrophie ermöglicht robustere Herzkontraktionen und die Zufuhr von Blut und Sauerstoff zum trainierenden Gewebe. Frühere Forschungen deuten darauf hin, dass hochintensives Training eher eine Herzhypertrophie auslöst als Training mit moderater Intensität19.
Dieses Protokoll trägt dazu bei, die Lücken in der Literatur zu schließen, indem es einen Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen von HIIT auf die Appetitregulierung, Veränderungen der Zusammensetzung (also Myokin- und Adipokinveränderungen) und kardiovaskuläre Anpassungen in einem Mausmodell für ernährungsinduzierte Fettleibigkeit bietet. Darüber hinaus maximieren die leistungsabhängigen Intensitätssteigerungen die Trainingsergebnisse und stellen sicher, dass sich die Tiere nicht an das Trainingstraining anpassen und sich später im Trainingsprotokoll einer moderaten Intensität nähern.
Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, den Trainingsaufwand zu maximieren und phänotypische Veränderungen bei Sprague-Dawley-Ratten als Reaktion auf HIIT, ernährungsbedingte Fettleibigkeit und die Interaktion dieser Reize zu identifizieren. Dieses Protokoll ist im Vergleich zu anderen Techniken einzigartig, da es in der Lage ist, die Anstrengung während des gesamten Trainingszeitraums zu maximieren, selbst wenn die Fähigkeiten und das Fitnessniveau der Ratten steigen. Es ermöglicht auch die gleichzeitige Analyse von Bewegung und Fettleibigkeit, anstatt sich nur auf das eine oder das andere zu konzentrieren. Konkret ging es in dieser Studie darum, die folgenden Hypothesen zu testen. (1) Die Trainingsgeschwindigkeit kann während des Trainings zunehmen, und die von Ratten in der TRN-Gruppe zurückgelegte Distanz kann größer sein als in der HFD/TRN-Gruppe20. (2) Die durchschnittliche wöchentliche Kalorienaufnahme der trainierten Ratten kann größer sein als die der Kontrollen, und dies kann innerhalb jeder Diätkohorte21 offensichtlich sein. (3) Die durchschnittliche tägliche Massezunahme kann bei Kontrollratten größer sein als bei trainierten Ratten, und Kontrollratten können bei der Opferung eine höhere Fettmasse aufweisen21. (4) Die Masse des Herzens und der Leber kann bei den HFD/TRN-Ratten größer sein als bei den TRN-Ratten19.
Dieses Protokoll bietet eine effektive Methode, um die Auswirkungen von HIIT auf mehrere Gesundheitsmarker in einem ernährungsinduzierten Adipositas-Modell zu untersuchen. Das Verfahren stützt sich auf frühere Studien, um eine zeiteffizientere Methode zur Untersuchung mehrerer Ergebnisvariablen zu ermöglichen, wie z. B. Trainingsvariablen, Marker für die Appetitregulation und invasive Analysen der Körperzusammensetzung 3,7,8,18,23,24. Der Inhalt der Ernährung, die Dauer und das Trainingsinterventionsprotokoll stimmten mit früheren Veröffentlichungenüberein 23,24. In dieser Studie wurde kommerziell erhältliches Laborfutter gekauft (siehe Materialtabelle). Das Laborfutter für die fettreiche und die Kontrolldiät enthielt die gleiche Menge an Eiweiß und Mikronährstoffen. Der Kohlenhydrat- und Fettgehalt der Diäten wurde modifiziert, um eine sichere Methode zur Induktion von Fettleibigkeit in der Versuchsgruppe bereitzustellen (siehe Tabelle 1).
Die 8-wöchige Induktionsphase für Adipositas, die in der vorliegenden Studie verwendet wurde, wurde auf der Grundlage früherer Untersuchungen modelliert, die signifikante Gewichtsveränderungen nach der Bereitstellung von kommerziellem Laborfutter zeigten, das aus 45 % kcal aus Fett (4,7 kcal/g) bestand, was den Makronährstoffabbau in der typischen westlichen Ernährung darstellt23. Darüber hinaus haben frühere Studien die Wirksamkeit eines 8-wöchigen HIIT-Protokolls bei der Beeinflussung der Nahrungsaufnahme 7,8, des Fettprofils 18,23 und des Muskelaufbaus 18 gezeigt. Die Ergebnisse des in dieser Studie beschriebenen Protokolls stimmten mit früheren Studien überein, die berichteten, dass HIIT die Appetitregulierung sowie die Zusammensetzung von Adipositas und Muskelmasse beeinflusst.
Ein Vorteil dieses Protokolls besteht darin, dass es die Intensität des Trainings bei den Tieren maximiert und die maximale Anstrengung während des gesamten Protokolls aufrechterhält. Da die Tiere kontinuierlich lernen, das Laufband kompetent zu nutzen und Fitnessgewinne zu erzielen, wird die Geschwindigkeit des Laufbandes im Verhältnis zu ihrer Leistung entsprechend erhöht. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der 5,0%igen Inklination den Tieren, die maximale Intensität in jeder Sitzung und während des gesamten Protokolls schneller zu erreichen, als dies ohne die Verwendung der Inklination möglich wäre. Dadurch wird die Trainingsleistung für jedes Training und für die Dauer des Protokolls maximiert.
Während der Studie war ein Tier krankheitsbedingt nicht in der Lage, das Versuchsprotokoll abzuschließen, was dazu führte, dass n = 39 Tiere die Studie abschlossen, wobei nur n = 9 Ratten in der HFD-Kohorte waren. Dieses Protokoll wurde ursprünglich entwickelt, um Veränderungen der Zytokinprofile als Reaktion auf Bewegung und Ernährung zu bewerten, und die Leistungsanalyse ergab eine Trennschärfe von mehr als 90 %, um einen Unterschied (p < 0,05) im primären Zielzytokin (Irisin) zu identifizieren. Zukünftige Studien, die dieses Modell verwenden, sollten sich auf einzigartige Power-Analysen stützen, um geeignete Stichprobengrößen zu bestimmen.
Diese Studie wurde in erster Linie entwickelt, um die physiologischen Ergebnisse von HIIT in einem Nagetiermodell für ernährungsbedingte Fettleibigkeit zu untersuchen und die Intensität des Trainings zu maximieren. Dieses Protokoll war in der Lage, Variationen von ADG und Adipositas als Reaktion auf Ernährung und HIIT zu zeigen (Abbildung 6 und Abbildung 7). Zukünftige Studien könnten spezifisch endokrine, myokine und adipokine Reaktionen auf HIIT identifizieren. Die Aufklärung dieser Mechanismen kann sich bei der Behandlung und Vorbeugung von Adipositas und ihren Begleiterkrankungen als nützlich erweisen.
Diese Studie zeigte auch den Einfluss von Ernährung und HIIT auf die Futteraufnahme. Die Ergebnisse zeigten, dass die trainierten Tiere mehr Kalorien zu sich nahmen, wenn die Tiere eine fettreiche Diät zu sich nahmen, als die nicht trainierten Tiere. Im Gegensatz dazu, wenn die Tiere die Kontrolldiät fraßen, nahmen die trainierten Tiere weniger Kalorien zu sich als die nicht trainierten Tiere, was je nach Zusammensetzung der Nahrung unterschiedliche Reaktionen auf die Appetitregulation zeigte. Daher können Strategien zur Gewichtsabnahme, die HIIT verwenden, für diejenigen, die gleichzeitig eine fettreiche Diät zu sich nehmen, weniger effektiv sein, da sie mit größerer Wahrscheinlichkeit überschüssige Kalorien zu sich nehmen. Im Gegensatz dazu kann eine ausgewogene Makronährstoffzufuhr während HIIT eine geringe Kalorienzufuhr fördern und somit die Gewichtsabnahme erleichtern. Dieses Modell kann Forschungsbemühungen erleichtern, um ein tieferes Verständnis der Mechanismen hinter dem Energiehaushalt zu entwickeln und effektive Strategien zur Gewichtsabnahme zu entwickeln.
Schließlich zeigte dieses Protokoll Variationen im Herzgewebe zwischen den Kohorten, die Anpassungsveränderungen in der Körperzusammensetzung als Reaktion auf Ernährung und Bewegungstraining widerspiegeln. Diese Daten deuten darauf hin, dass die Induktion von Adipositas, gefolgt von HIIT, Personen für Myokardhypertrophie prädisponieren kann, ohne dass es zu Veränderungen der Lebergröße kommt. Zukünftige Analysen, um die Mechanismen hinter diesen Ergebnissen zu bestimmen, könnten für die Untersuchung der Myokardhypertrophie und der metabolischen Zusammenhänge zwischen Fettleibigkeit, HIIT und Herz-Kreislauf-Erkrankungen nützlich sein.
Das in dieser Studie beschriebene Protokoll weist mehrere Einschränkungen auf. Erstens hatte das in dieser Studie verwendete Laufband fünf Bahnen, so dass fünf Ratten gleichzeitig laufen konnten. Obwohl diese Art der Ausführung des Protokolls effizient war, war es für einen einzelnen Forscher schwierig, sich um jedes der Tiere gleichzeitig zu kümmern. Es gab Situationen, in denen es für den Laufbandbetreuer schwierig war, seine Aufmerksamkeit auf die vielen Tiere aufzuteilen, die mit Borstenbürsten stimuliert werden mussten. In Zukunft wird es eine Priorität sein, dafür zu sorgen, dass mehr Forschungspersonal zur Verfügung steht, um die Trainingsprotokolle zu unterstützen. Darüber hinaus ist das fünfspurige Laufbandmodell nicht in der Lage, den Gasaustausch zu messen, und daher konnte der aerobe/anaerobe Stoffwechsel der Tiere während des Protokolls nicht bewertet werden. Das Unternehmen, das das Laufband für Nagetiere zur Verfügung gestellt hat (siehe Materialtabelle), bietet zwar ein Laufband an, das den Gasaustausch messen kann, aber es handelt sich um ein einbahniges Laufband, das daher deutlich mehr Zeit und Mühe erfordern würde. Dieser Aufwand kann sich jedoch für Forscher lohnen, die bestimmte Ergebnisse der indirekten Kalorimetrie messen oder kontrollieren müssen. Darüber hinaus gibt es nur sehr wenige Hinweise darauf, wie sich das Schockraster auf die Trainingsleistung auswirken kann, was bei der Interpretation der Ergebnisse dieses Modells berücksichtigt werden sollte. Schließlich wurde das in dieser Studie beschriebene Trainingsprotokoll mit jungen weiblichen Sprague-Dawley-Ratten entwickelt. Frühere Studien haben sexuell dimorphe Effekte gezeigt, insbesondere in Bezug auf HIIT und Appetitregulation 3,7. Obwohl ähnliche Ergebnisse erwartet werden, wurden in diesem Protokoll keine Tiere unterschiedlicher Spezies, Altersgruppen, Geschlechter oder gesundheitlicher Ergebnisse getestet.
Im Vergleich zu früheren Modellen zeigt dieses Protokoll eine zeiteffizientere Methode zur Bewertung einer Reihe von Ergebnisvariablen. Zum Beispiel war dieses Protokoll in der Lage, Wechselwirkungen zwischen HIIT und Appetitregulierung in einem Protokoll zu identifizieren, das vier Trainingseinheiten pro Woche für 8 Wochen umfasste, im Vergleich zu früheren Studien, die fünf Trainingseinheiten pro Woche für 8 Wochen,24 oder sogar 12 Wochen Trainingumfassten 8. Darüber hinaus ermöglichte dieses Studiendesign die Analyse einer Vielzahl von Gesundheitsmarkern, wie z. B. Trainingsdaten, Marker der Appetitregulierung und Körperzusammensetzung. Diese Marker sowie die Herzanpassungen an das Bewegungstraining stellen vielversprechende Mittel dar, um auch die Trainingsanpassungen des Herz-Kreislauf-Systems zu bewerten. Messungen der Endothelfunktion, der Zusammensetzung des Muskelfasertyps und der kardialen Myozytenhypertrophie könnten leicht hinzugefügt werden, um das Verständnis dieser trainingsinduzierten Anpassungen zu verbessern. Darüber hinaus enthielt dieses Protokoll leistungsbasierte Intensitätssteigerungen. Dieses Design ermöglichte die Maximierung der Trainingsergebnisse und stellte sicher, dass sich die Ratten nicht an die Trainingsumgebung anpassten und sich gegen Ende der Intervention einem kontinuierlichen Trainingsmodell mit moderater Intensität näherten. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt. Insbesondere waren die Sprintgeschwindigkeiten dieser Tiere mehr als doppelt so hoch wie in früheren Publikationen, die viele kardiovaskuläre, skelettmuskuläre und thermoregulatorische Anpassungen zeigten, die mit HIIT-Interventionen übereinstimmen25.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken Michael Pankey, Chris Butler und den WVSOM-Mitarbeitern für ihre Unterstützung bei der Tierpflege und Datenerfassung.
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 |