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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Michael Pankey, Chris Butler och WVSOM-personalen för deras hjälp med djurvård och datainsamling.
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 |