نموذج عجلة تشغيل بسيط وغير مكلف للتدريب على المقاومة التدريجية في الفئران

Summary

يصف هذا الإجراء نموذج تدريب على مقاومة عجلة الجري المحمل تدريجيا قابلا للترجمة في الفئران. الميزة الأساسية لنموذج تدريب المقاومة هذا هي أنه طوعي تماما ، وبالتالي تقليل الضغط على الحيوانات والعبء على الباحث.

Abstract

إن نماذج التمارين القائمة على مقاومة القوارض التي تم تطويرها سابقا ، بما في ذلك الاستئصال التآزري ، والتحفيز الكهربائي ، وتسلق السلم المرجح ، ومؤخرا ، سحب الزلاجات المرجحة ، فعالة للغاية في توفير حافز ضخامي للحث على تكيف العضلات الهيكلية. في حين أثبتت هذه النماذج أنها لا تقدر بثمن لأبحاث العضلات الهيكلية ، إلا أنها إما غازية أو لا إرادية وكثيفة العمالة. لحسن الحظ ، تعمل العديد من سلالات القوارض طواعية لمسافات طويلة عند السماح لها بالوصول إلى عجلة الجري. نماذج تشغيل العجلات المحملة (LWR) في القوارض قادرة على إحداث تكيفات شائعة الملاحظة مع تدريب المقاومة لدى البشر ، مثل زيادة كتلة العضلات وتضخم الألياف ، وكذلك تحفيز تخليق بروتين العضلات. ومع ذلك ، فإن إضافة حمولة العجلة المعتدلة إما تفشل في ردع الفئران عن الجري لمسافات كبيرة ، وهو ما يعكس بشكل أكبر نموذج تدريب التحمل / المقاومة ، أو تتوقف الفئران عن الجري بالكامل تقريبا بسبب طريقة تطبيق الحمل. لذلك ، تم تطوير نموذج جديد لتشغيل العجلات عالية الحمل (HLWR) للفئران حيث يتم تطبيق المقاومة الخارجية وزيادتها تدريجيا ، مما يمكن الفئران من مواصلة الجري بأحمال أعلى بكثير مما كان يستخدم سابقا. تشير النتائج الأولية من نموذج HLWR الجديد هذا إلى أنه يوفر حافزا كافيا للحث على التكيف الضخامي على بروتوكول التدريب لمدة 9 أسابيع. هنا ، يتم وصف الإجراءات المحددة لتنفيذ نموذج التدريب على المقاومة التدريجية البسيطة وغير المكلفة في الفئران.

Introduction

تشكل كتلة العضلات الهيكلية حوالي 40٪ من كتلة الجسم لدى البشر البالغين. وبالتالي ، فإن الحفاظ على كتلة العضلات الهيكلية طوال الحياة أمر بالغ الأهمية. تلعب كتلة العضلات الهيكلية دورا أساسيا في استقلاب الطاقة ، والحفاظ على درجة حرارة الجسم الأساسية ، وتوازن الجلوكوز¹. الحفاظ على العضلات الهيكلية هو توازن بين تخليق البروتين وتدهور البروتين ، ولكن لا تزال هناك العديد من الثغرات في فهم الآليات الجزيئية المعقدة التي تحرك هذه العمليات. لدراسة الآليات الجزيئية التي تنظم الحفاظ على كتلة العضلات ونموها ، غالبا ما تستخدم نماذج أبحاث البشر التدخلات القائمة على تمارين المقاومة ، لأن المحفزات الميكانيكية تلعب دورا أساسيا في تنظيم كتلة العضلات الهيكلية. في حين أن أبحاث الأشخاص البشريين كانت ناجحة ، فإن الوقت اللازم لإظهار التعديلات والمخاوف الأخلاقية فيما يتعلق بالإجراءات الغازية (أي خزعات العضلات) يحد من كمية البيانات التي يمكن الحصول عليها. في حين أن التكيفات مع تمارين المقاومة منتشرة في كل مكان إلى حد ما عبر أنواع الثدييات ، فإن النماذج الحيوانية توفر فائدة القدرة على التحكم بدقة في النظام الغذائي ونظام التمرين مع السماح أيضا بجمع الأنسجة الكاملة في جميع أنحاء الجسم ، مثل الدماغ والكبد والقلب والعضلات الهيكلية.

تم تطوير العديد من نماذج تدريب المقاومة لاستخدامها في القوارض: الاستئصال التآزري² ، والتحفيز الكهربائي³،⁴ ، وتسلق السلم المرجح⁵ ، وسحب الزلاجات المرجحة^{6 ،} والقرفصاء⁷. من الواضح أن كل هذه النماذج ، إذا تم تنفيذها بشكل صحيح ، يمكن أن تكون نماذج فعالة للحث على تكيف العضلات الهيكلية ، مثل التضخم. ومع ذلك ، فإن سلبيات هذه النماذج هي أنها في الغالب غير طوعية ، وليست جزءا من سلوك القوارض الطبيعي ، وتستغرق وقتا طويلا / عمالة كثيفة ، وغازية.

لحسن الحظ ، تعمل العديد من سلالات الفئران والفئران طواعية لمسافات طويلة عند السماح لها بالوصول إلى عجلة الجري. علاوة على ذلك ، لا تعتمد نماذج تمارين العجلات الحرة (FWR) على التكييف الشامل أو التعزيز الإيجابي / السلبي أو التخدير لإجبار الحركة أو نشاط العضلات ^8,9. يعتمد نشاط الجري بشكل كبير على إجهاد الماوس والجنس والعمر والأساس الفردي. قارن Lightfoot et al. نشاط الجري ل 15 سلالة مختلفة من الفئران ووجدوا أن مسافة الجري اليومية تتراوح من 2.93 كم إلى 7.93 كم ، مع C57BL / 6 الفئران التي تعمل إلى أبعد حد ، بغض النظر عن الجنس¹⁰. يتم قبول FWR بشكل شائع كنموذج ممتاز لتحفيز تكيفات التحمل في عضلات الهيكل العظمي والقلب¹¹،^12،13،^14،15،16 ؛ ومع ذلك ، فإن استخدام تشغيل العجلات في نماذج تدريب المقاومة أقل شيوعا.

كما يمكن للمرء أن يشك ، يمكن زيادة التأثير الضخامي لتشغيل العجلات عن طريق إضافة مقاومة إلى عجلة الجري ، والتي تسمى تشغيل العجلة المحملة (LWR) ، وبالتالي تتطلب جهودا أكبر للتشغيل على عجلة القيادة لمحاكاة تدريب المقاومة عن كثب. باستخدام طرق متنوعة لتطبيق الحمل ، أظهرت الدراسات السابقة أن نموذج LWR الذي يستخدم الجرذان والفئران أظهر بشكل روتيني زيادات في كتلة عضلات الأطراف بنسبة 5٪ -30٪ في غضون 6-8 أسابيع 17،^18،19،^20،21. علاوة على ذلك ، أظهر D’hulst et al. أن نوبة واحدة من LWR أدت إلى زيادة أكبر بنسبة 50٪ في تنشيط مسار إشارات تخليق البروتين مقارنة ب FWR²². تم تطبيق مقاومة العجلات بشكل شائع من خلال طريقة تحميل ثابتة قائمة على الاحتكاك ، حيث يتم استخدام فرامل مغناطيسية أو مسمار شد لتطبيق مقاومة العجلات¹²،^19،23،24. أحد التحذيرات من طريقة الحمل الثابت القائمة على الاحتكاك هو أنه عند تطبيق مقاومة معتدلة إلى عالية ، لا يمكن للحيوان التغلب على المقاومة العالية لبدء حركة العجلة ، والتوقف عن التدريب بشكل فعال. الأهم من ذلك ، أن العديد من أنظمة القفص والعجلات المستخدمة في نماذج عجلات تشغيل القوارض مكلفة للغاية وتتطلب معدات متخصصة.

في الآونة الأخيرة ، طور Dungan et al. نموذجا تقدميا للعجلات المرجحة (PoWeR) ، والذي يطبق حملا على العجلة بشكل غير متماثل عبر كتل خارجية ملتصقة بجانب واحد من العجلة. ويعتقد أن تحميل العجلات غير المتوازن والمقاومة المتغيرة لنموذج PoWeR يشجعان على استمرار نشاط الجري ويعززان رشقات نارية أقصر من العجلات المحملة التي تعمل في الفئران ، ويقلدان بشكل أوثق المجموعات والتكرار الذي يتم إجراؤه مع تدريب المقاومة¹⁷. على الرغم من أن متوسط مسافة الجري يتراوح بين 10 و 12 كم في اليوم ، إلا أن نموذج PoWeR حقق زيادة بنسبة 16٪ و 17٪ في الكتلة الرطبة للعضلات الأخمصية ومنطقة المقطع العرضي للألياف (CSA) ، على التوالي. على الرغم من العديد من المزايا العملية ، فإن نموذج PoWeR من LWR لديه بعض القيود. كما اعترف المؤلفون ، فإن نموذج PoWeR هو حافز “هجين” كبير الحجم يعكس نموذج تمرين التحمل / المقاومة المخلوط (أي التدريب المتزامن في البشر) ، على عكس نموذج قائم على تمارين المقاومة بشكل أكثر صرامة ، مما قد يؤدي إلى تأثير تداخل ويساهم في تضخم أقل وضوحا أو آليات مختلفة يتم من خلالها تحفيز التضخم²⁵ . ومن الضروري ضمان عدم حدوث ظاهرة تدريب متزامنة في ما يقصد به أن يكون نموذجا للتدريب على تمارين المقاومة. لذلك ، تم تعديل نموذج PoWeR لتطوير نموذج LWR يستخدم أحمال أعلى مما كان يستخدم سابقا ليشبه إلى حد كبير نموذج تدريب المقاومة. هنا ، يتم توفير تفاصيل لنموذج LWR بسيط وغير مكلف للتدريب على المقاومة التدريجية لمدة 9 أسابيع في الفئران C57BL / 6.

Protocol

تمت الموافقة على هذه الدراسة من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية بجامعة ولاية الأبالاش (#22-05). 1. الحيوانات اشتر الفئران C57BL/6 من مستعمرة الفئران الداخلية.ملاحظة: تم استخدام ذكور الفئران التي يتراوح عمرها بين 5 و 8 أشهر في بداية الدراسة. يبلغ نشاط الجر…

Representative Results

في هذه الدراسة ، تم تعيين 24 فأرا C57BL / 6 (6.3 ± 0.7 شهرا في بداية هذه الدراسة) بشكل عشوائي إلى واحدة من ثلاث مجموعات علاجية: المستقرة (SED) ، أو تشغيل العجلات المحملة (LWR ؛ نفس PoWeR الذي وصفه Dungan et al.17) ، أو LWR العالي (HLWR) ، ثم أكملت بروتوكول 9 أسابيع الخاص بها. بعد أسبوع التأقلم (الأسبوع 1) ، لم ?…

Discussion

أثبتت نماذج تمارين المقاومة الحالية في القوارض أنها لا تقدر بثمن لأبحاث العضلات الهيكلية. ومع ذلك ، فإن العديد من هذه النماذج غازية وغير طوعية و / أو كثيفة الوقت والعمالة. LWR هو نموذج ممتاز لا يحفز فقط تكيفات عضلية مماثلة لتلك التي لوحظت في نماذج تدريب تمارين المقاومة الأخرى المقبولة جيدا ،…

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