마우스의 점진적 저항 훈련을 위한 간단하고 저렴한 러닝 휠 모델
Summary
이 절차는 마우스에서 번역 가능한 프로그레시브 로드 러닝 휠 저항 훈련 모델을 설명합니다. 이 저항 훈련 모델의 주요 장점은 전적으로 자발적이므로 동물의 스트레스와 연구원의 부담을 줄인다는 것입니다.
Abstract
시너지 절제, 전기 자극, 가중 사다리 등반, 그리고 가장 최근에는 가중 썰매 당기기를 포함하여 이전에 개발 된 설치류 저항 기반 운동 모델은 골격근 적응을 유도하는 비대 자극을 제공하는 데 매우 효과적입니다. 이러한 모델은 골격근 연구에 매우 중요한 것으로 입증되었지만 침습적이거나 비자발적이며 노동 집약적입니다. 다행히도 많은 설치류 균주는 달리는 바퀴에 접근 할 수있을 때 자발적으로 장거리를 달립니다. 설치류의 로드 휠 러닝(LWR) 모델은 근육량 증가 및 섬유 비대, 근육 단백질 합성 자극과 같은 인간의 저항 훈련에서 일반적으로 관찰되는 적응을 유도할 수 있습니다. 그러나 적당한 휠 하중을 추가하면 마우스가 먼 거리를 달리는 것을 막지 못하거나 지구력 / 저항 훈련 모델을 더 잘 반영하거나 마우스가 하중 적용 방법으로 인해 거의 완전히 달리기를 중단합니다. 따라서 외부 저항이 적용되고 점진적으로 증가하는 마우스를 위해 새로운 고하중 휠 주행 모델(HLWR)이 개발되어 마우스가 이전에 활용된 것보다 훨씬 더 높은 하중으로 계속 달릴 수 있습니다. 이 새로운 HLWR 모델의 예비 결과는 9 주 훈련 프로토콜 동안 비대 적응을 유도하기에 충분한 자극을 제공한다는 것을 시사합니다. 본 명세서에서는 마우스에서 간단하면서도 저렴한 점진적 저항 기반 운동 훈련 모델을 실행하기 위한 구체적인 절차가 설명된다.
Introduction
골격근 질량은 성인 인간의 체질량의 약 40 %를 차지합니다. 따라서 평생 동안 골격근을 유지하는 것이 중요합니다. 골격근 질량은 에너지 대사, 심부 체온 유지 및 포도당 항상성1에 필수적인 역할을 합니다. 골격근의 유지는 단백질 합성과 단백질 분해 사이의 균형이지만 이러한 과정을 주도하는 복잡한 분자 메커니즘에 대한 이해에는 여전히 많은 격차가 존재합니다. 근육량의 유지와 성장을 조절하는 분자 메커니즘을 연구하기 위해 인간 피험자의 연구 모델은 기계적 자극이 골격근 질량 조절에 필수적인 역할을하기 때문에 종종 저항 운동 기반 개입을 사용합니다. 인간 피험자 연구는 성공적이었지만 침습적 절차(즉, 근육 생검)에 대한 적응 및 윤리적 문제를 나타내는 데 필요한 시간은 얻을 수 있는 데이터의 양을 제한합니다. 저항 운동에 대한 적응은 포유류 종에 걸쳐 상당히 유비쿼터스이지만, 동물 모델은식이 요법과 운동 요법을 정확하게 제어 할 수있는 이점을 제공하는 동시에 뇌, 간, 심장 및 골격근과 같은 몸 전체의 전체 조직을 수집 할 수 있습니다.
설치류에 사용하기 위해 많은 저항 훈련 모델이 개발되었습니다 : 상승 적 절제2, 전기 자극3,4, 가중 사다리 등반5, 가중 썰매 당기기6 및 캔버스 쪼그리고 앉기7. 이러한 모든 모델이 올바르게 수행되면 비대와 같은 골격근 적응을 유도하는 효과적인 모델이 될 수 있음이 분명합니다. 그러나 이러한 모델의 단점은 대부분 비자발적이며 정상적인 설치류 행동의 일부가 아니며 시간 / 노동 집약적이며 침습적이라는 것입니다.
다행히도 많은 마우스와 쥐 균주는 달리는 바퀴에 접근 할 수있을 때 자발적으로 장거리를 달립니다. 또한, 자유 달리기 휠 (FWR) 운동 모델은 운동이나 근육 활동을 강요하기 위해 광범위한 컨디셔닝, 긍정적 / 부정적 강화 또는 마취에 의존하지 않습니다 8,9. 달리기 활동은 마우스 긴장, 성별, 연령 및 개인에 따라 크게 달라집니다. Lightfoot et al. 15 개의 다른 마우스 균주의 달리기 활동을 비교 한 결과 일일 달리기 거리는 2.93km에서 7.93km 사이이며 C57BL / 6 마우스는 성별에 관계없이 가장 멀리 달리는 것으로 나타났습니다10. FWR은 일반적으로 골격 및 심장 근육에서 지구력 적응을 유도하기위한 우수한 모델로 받아 들여집니다 11,12,13,14,15,16; 그러나 저항 훈련 모델에서 휠 러닝을 활용하는 것은 덜 일반적으로 조사됩니다.
의심할 수 있듯이, 휠 러닝의 비대 효과는 로드 휠 러닝(LWR)이라고 하는 러닝 휠에 저항을 추가하여 증가할 수 있으므로 저항 훈련을 보다 가깝게 모방하기 위해 휠에서 달리는 데 더 많은 노력이 필요합니다. 다양한 하중 적용 방법을 사용하여 이전 연구에서는 쥐와 생쥐를 활용한 LWR 모델이 일상적으로 5-30주 만에 6%-8%의 사지 근육량 증가를 나타냄을 보여주었습니다 17,18,19,20,21. 또한, D’hulst 등은 LWR의 단일 시합이 FWR22에 비해 단백질 합성 신호 전달 경로의 활성화를 50% 더 크게 증가시킨다는 것을 입증했습니다. 휠 저항은 마찰 기반의 일정한 하중 방법에 의해 가장 일반적으로 적용되었으며, 이에 따라 마그네틱 브레이크 또는 텐션 볼트를 사용하여 휠 저항 12,19,23,24를 적용합니다. 마찰 기반의 일정한 하중 방법의 한 가지주의 사항은 중간에서 높은 저항이 적용될 때 동물이 높은 저항을 극복하여 바퀴의 움직임을 시작할 수 없어 효과적으로 훈련을 중단한다는 것입니다. 가장 중요한 것은 설치류 주행 휠 모델에 사용되는 많은 케이지 및 휠 시스템이 비용이 많이 들고 특수 장비가 필요하다는 것입니다.
최근 Dungan 등은 휠의 한 측면에 부착 된 외부 질량을 통해 비대칭 적으로 휠에 하중을 가하는 점진적 가중 휠 러닝 (PoWeR) 모델을 개발했습니다. PoWeR 모델의 불균형 휠 하중 및 가변 저항은 지속적인 달리기 활동을 장려하고 마우스에서 적재 된 휠 달리기의 더 짧은 파열을 촉진하여 저항 훈련17로 수행 된 세트 및 반복을보다 밀접하게 모방하는 것으로 생각됩니다. 평균 달리기 거리가 하루 10-12km임에도 불구하고 PoWeR 모델은 발바닥근 습윤 질량과 섬유 단면적(CSA)이 각각 16% 및 17% 증가했습니다. 많은 실용적인 이점에도 불구하고 LWR의 PoWeR 모델에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 저자가 인식한 바와 같이, PoWeR 모델은 보다 엄격한 저항 운동 기반 모델과 달리 혼합된 지구력/저항 운동 모델(즉, 인간에 대한 동시 훈련)을 반영하는 대용량 “하이브리드” 자극으로, 잠재적으로 간섭 효과를 도입하고 덜 뚜렷한 비대 또는 비대가 유도되는 다른 메커니즘에 기여합니다.25 . 저항 운동 훈련 모델로 의도 된 것에서 동시 훈련 현상이 발생하지 않도록하는 것이 필수적입니다. 따라서 PoWeR 모델은 저항 훈련 모델과 더 유사하게 이전에 사용된 것보다 더 높은 부하를 활용하는 LWR 모델을 개발하도록 수정되었습니다. 본원에서, C57BL/6 마우스에서의 간단하고 저렴한 9주 진행적 저항 훈련 LWR 모델에 대한 세부사항이 제공된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
설치류의 기존 저항 운동 모델은 골격근 연구에 매우 귀중한 것으로 입증되었습니다. 그러나 이러한 모델 중 상당수는 침습적, 비자발적 및/또는 시간 및 노동 집약적입니다. LWR은 잘 받아 들여지는 다른 저항 운동 훈련 모델에서 관찰 된 것과 유사한 근육 적응을 유도 할뿐만 아니라 연구자의 최소한의 시간 / 노동 투입으로 동물에게 만성적이고 스트레스가 적은 운동 자극을 제공하는 우수한 모?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 프로젝트를 지원하기 위해 자금을 제공한 애팔래치아 주립 대학의 대학원 학생회, 학생 연구실 및 건강 및 운동 과학부에 감사드립니다. 또한 동물 연구 시설의 일상적인 운영을 감독 한 Monique Eckerd와 Therin Williams-Frey에게 감사드립니다.
Materials
| 1 g disc neodymium magnets | Applied Magnets | ND018-6 | Used for all sensor magnets and 1 g increments of wheel loading |
| 2.5 g disc neodymium magnets | Applied Magnets | ND022 | Used for 2.5 g increments of wheel loading |
| 8-32 x 1" stainless steel screws | Amazon | https://www.amazon.com/gp/product/B07939RS23/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1 | |
| 8-32 Wing Nuts | Amazon | https://www.amazon.com/gp/product/B07YYWW2SB/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&th=1 | |
| 10 µL pipette tip box (empty) | Thermo Scientific | 2140 | We used empty ART Pipette tip boxes, but any similar sized boxes/trays would suffice |
| Extreme Liquid Glue | Loctite | ||
| Laminin primary antibody | Novus Biologicals | NB300-144AF647 | primary antibody conjugated with AF657; 1:200 in PBS containing 10% normal goat serum |
| Lithium 3 V battery | n/a | CR2032 | |
| M10 (3/16" x 1 1/4") stainless steel fender washers | Amazon | https://www.amazon.com/gp/product/B00OHUHEU8/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&th=1 | |
| MyoVision: Automated Image Quantification Platform | Wen et al. (2017) | v1.0 | https://www.uky.edu/chs/center-for-muscle-biology/myovision |
| Polycarbonate rodent cage (430 mm L x 290 mm W x 201 mm H), with narrow width stainless steel wired bar lid | Orchid Scientific | Polycarbonate Rat Cage Type II | https://orchidscientific.com/product/rat-cage/ – 1519974600758-c29bc1c5-6dfa |
| Sigma Sport 509 Bike Computer | Sigma Sport | Does not need to be this model in particular, but must have distance and time monitoring capabilities | |
| Silent Spinner Running Wheel (mini 11.4 cm) | Kaytee | SKU# 100079369 | https://www.kaytee.com/all-products/small-animal/silent-spinner-wheel |
Riferimenti
- Frontera, W. R., Ochala, J. Skeletal muscle: A brief review of structure and function. Calcified Tissue International. 96 (3), 183-195 (2015).
- Goldberg, A. L. Protein synthesis during work-induced growth of skeletal muscle. Journal of Cell Biology. 36 (3), 653-658 (1968).
- Baar, K., Esser, K. Phosphorylation of p70S6k correlates with increased skeletal muscle mass following resistance exercise. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 276 (1), 120-127 (1999).
- Wong, T. S., Booth, F. W. Skeletal muscle enlargement with weight-lifting exercise by rats. Journal of Applied Physiology. 65 (2), 950-954 (1988).
- Hornberger Jr, T. A., Farrar, R. P. Physiological hypertrophy of the FHL muscle following 8 weeks of progressive resistance exercise in the rat. Canadian Journal of Applied Physiology. 29 (1), 16-31 (2004).
- Zhu, W. G., et al. Weight pulling: A novel mouse model of human progressive resistance exercise. Cells. 10 (9), 2459 (2021).
- Tamaki, T., Uchiyama, S., Nakano, S. A weight-lifting exercise model for inducing hypertrophy in the hindlimb muscles of rats. Medicine and Science in Sports and Exercise. 24 (8), 881-886 (1992).
- De Bono, J. P., Adlam, D., Paterson, D. J., Channon, K. M. Novel quantitative phenotypes of exercise training in mouse models. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 290 (4), 926-934 (2006).
- Goh, J., Ladiges, W. Voluntary wheel running in mice. Current Protocols in Mouse Biology. 5 (4), 283-290 (2015).
- Lightfoot, J. T., Turner, M. J., Daves, M., Vordermark, A., Kleeberger, S. R. Genetic influence on daily wheel running activity level. Physiological Genomics. 19 (3), 270-276 (2004).
- Allen, D. L., et al. Cardiac and skeletal muscle adaptations to voluntary wheel running in the mouse. Journal of Applied Physiology. 90 (5), 1900-1908 (2001).
- Ishihara, A., et al. Effects of running exercise with increasing loads on tibialis anterior muscle fibres in mice. Experimental Physiology. 87 (2), 113-116 (2002).
- Kurosaka, M., et al. Effects of voluntary wheel running on satellite cells in the rat plantaris muscle. Journal of Sports Science and Medicine. 8 (1), 51-57 (2009).
- Lambert, M. I., Noakes, T. D. Spontaneous running increases VO2max and running performance in rats. Journal of Applied Physiology. 68 (1), 400-403 (1990).
- Rodnick, K. J., Reaven, G. M., Haskell, W. L., Sims, C. R., Mondon, C. E. Variations in running activity and enzymatic adaptations in voluntary running rats. Journal of Applied Physiology. 66 (3), 1250-1257 (1989).
- Sexton, W. L. Vascular adaptations in rat hindlimb skeletal muscle after voluntary running-wheel exercise. Journal of Applied Physiology. 79 (1), 287-296 (1995).
- Dungan, C. M., et al. Elevated myonuclear density during skeletal muscle hypertrophy in response to training is reversed during detraining. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 316 (5), 649-654 (2019).
- Ishihara, A., Roy, R. R., Ohira, Y., Ibata, Y., Edgerton, V. R. Hypertrophy of rat plantaris muscle fibers after voluntary running with increasing loads. Journal of Applied Physiology. 84 (6), 2183-2189 (1998).
- Konhilas, J. P., et al. Loaded wheel running and muscle adaptation in the mouse. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 289 (1), 455-465 (2005).
- Legerlotz, K., Elliott, B., Guillemin, B., Smith, H. K. Voluntary resistance running wheel activity pattern and skeletal muscle growth in rats: Wheel running activity pattern and muscle growth. Experimental Physiology. 93 (6), 754-762 (2008).
- Mobley, C. B., et al. Progressive resistance-loaded voluntary wheel running increases hypertrophy and differentially affects muscle protein synthesis, ribosome biogenesis, and proteolytic markers in rat muscle. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition. 102 (1), 317-329 (2018).
- D’Hulst, G., Palmer, A. S., Masschelein, E., Bar-Nur, O., De Bock, K. Voluntary resistance running as a model to induce mTOR activation in mouse skeletal muscle. Frontiers in Physiology. 10, 1271 (2019).
- Soffe, Z., Radley-Crabb, H. G., McMahon, C., Grounds, M. D., Shavlakadze, T. Effects of loaded voluntary wheel exercise on performance and muscle hypertrophy in young and old male C57Bl/6J mice: Exercise and muscle hypertrophy in old mice. Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports. 26 (2), 172-188 (2016).
- White, Z., et al. Voluntary resistance wheel exercise from mid-life prevents sarcopenia and increases markers of mitochondrial function and autophagy in muscles of old male and female C57BL/6J mice. Skeletal Muscle. 6 (1), 45 (2016).
- Murach, K. A., McCarthy, J. J., Peterson, C. A., Dungan, C. M. Making mice mighty: Recent advances in translational models of load-induced muscle hypertrophy. Journal of Applied Physiology. 129 (3), 516-521 (2020).
- Swallow, J. G., Garland, T., Carter, P. A., Zhan, W. -. Z., Sieck, G. C. Effects of voluntary activity and genetic selection on aerobic capacity in house mice (Mus domesticus). Journal of Applied Physiology. 84 (1), 69-76 (1998).
- Murach, K. A., et al. Late-life exercise mitigates skeletal muscle epigenetic aging. Aging Cell. 21 (1), 13527 (2022).
- Mackay, A. D., Marchant, E. D., Louw, M., Thomson, D. M., Hancock, C. R. Exercise, but not metformin prevents loss of muscle function due to doxorubicin in mice using an in situ method. International Journal of Molecular Sciences. 22 (17), 9163 (2021).
- Godwin, J. S., Hodgman, C. F., Needle, A. R., Zwetsloot, K. A., Andrew, R. Whole-body heat shock accelerates recovery from impact- induced skeletal muscle damage in mice. Conditioning Medicine. 2 (4), 184-191 (2020).
- Wen, Y., et al. MyoVision: Software for automated high-content analysis of skeletal muscle immunohistochemistry. Journal of Applied Physiology. 124 (1), 40-51 (2018).
- Manzanares, G., Brito-da-Silva, G., Gandra, P. G. Voluntary wheel running: Patterns and physiological effects in mice. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 52 (1), 7830 (2019).
- Bartling, B., et al. Sex-related differences in the wheel-running activity of mice decline with increasing age. Experimental Gerontology. 87, 139-147 (2017).
- Zwetsloot, K. A., Westerkamp, L. M., Holmes, B. F., Gavin, T. P. AMPK regulates basal skeletal muscle capillarization and VEGF expression, but is not necessary for the angiogenic response to exercise: AMPK and the skeletal muscle angiogenic response to exercise. The Journal of Physiology. 586 (24), 6021-6035 (2008).
