En enkel og billig løbehjulsmodel til progressiv modstandstræning i mus
Summary
Denne procedure beskriver en oversættelig progressiv lastet løbehjulsmodstandstræningsmodel i mus. Den primære fordel ved denne modstandstræningsmodel er, at den er helt frivillig, hvilket reducerer stress for dyrene og byrden for forskeren.
Abstract
Tidligere udviklede gnavermodstandsbaserede træningsmodeller, herunder synergistisk ablation, elektrisk stimulering, vægtet stigeklatring og senest vægtet slædetrækning, er yderst effektive til at give en hypertrofisk stimulus til at inducere skeletmuskeltilpasninger. Mens disse modeller har vist sig uvurderlige for skeletmuskelforskning, er de enten invasive eller ufrivillige og arbejdskrævende. Heldigvis løber mange gnaverstammer frivilligt lange afstande, når de får adgang til et løbehjul. Loaded wheel running (LWR) modeller hos gnavere er i stand til at fremkalde tilpasninger, der almindeligvis observeres med modstandstræning hos mennesker, såsom øget muskelmasse og fiberhypertrofi samt stimulering af muskelproteinsyntese. Tilføjelsen af moderat hjulbelastning afskrækker imidlertid enten mus fra at løbe store afstande, hvilket mere afspejler en udholdenheds- / modstandstræningsmodel, eller musene holder op med at løbe næsten udelukkende på grund af metoden til belastningsapplikation. Derfor er der udviklet en ny højbelastningshjulsløbsmodel (HLWR) til mus, hvor ekstern modstand påføres og gradvist øges, hvilket gør det muligt for mus at fortsætte med at løbe med meget højere belastninger end tidligere anvendt. Foreløbige resultater fra denne nye HLWR-model tyder på, at den giver tilstrækkelig stimulus til at inducere hypertrofiske tilpasninger i løbet af den 9 ugers træningsprotokol. Heri beskrives de specifikke procedurer for at udføre denne enkle, men billige progressive modstandsbaserede træningsmodel hos mus.
Introduction
Skeletmuskelmasse udgør ca. 40% af kropsmassen hos voksne mennesker; Således er det afgørende at opretholde skeletmuskelmasse gennem hele livet. Skeletmuskelmasse spiller en integreret rolle i energimetabolisme, opretholdelse af kernekropstemperatur og glukosehomeostase1. Vedligeholdelsen af skeletmuskulaturen er en balance mellem proteinsyntese og proteinnedbrydning, men der er stadig mange huller i forståelsen af de indviklede molekylære mekanismer, der driver disse processer. For at studere de molekylære mekanismer, der regulerer vedligeholdelse og vækst af muskelmasse, anvender forsøgspersoners forskningsmodeller ofte modstandsøvelsesbaserede interventioner, da mekaniske stimuli spiller en integreret rolle i reguleringen af skeletmuskelmasse. Mens forskning i forsøgspersoner har været vellykket, begrænser den tid, der er nødvendig for at udvise tilpasninger og etiske bekymringer vedrørende invasive procedurer (dvs. muskelbiopsier), mængden af data, der kan opnås. Mens tilpasningerne til modstandsøvelse er ret allestedsnærværende på tværs af pattedyrarter, giver dyremodeller fordelen ved at være i stand til præcist at kontrollere kost- og træningsregimet, samtidig med at de giver mulighed for indsamling af hele væv i hele kroppen, såsom hjerne, lever, hjerte og skeletmuskulatur.
Mange modstandstræningsmodeller er udviklet til brug hos gnavere: synergistisk ablation2, elektrisk stimulering 3,4, vægtet stigeklatring5, vægtet slædetræk6 og lærredsbesiddet squatting7. Det er tydeligt, at alle disse modeller, hvis de udføres korrekt, kan være effektive modeller til at inducere skeletmuskeltilpasninger, såsom hypertrofi. Ulemperne ved disse modeller er imidlertid, at de for det meste er ufrivillige, ikke en del af normal gnaveradfærd, tids- / arbejdskrævende og invasive.
Heldigvis løber mange muse- og rottestammer frivilligt lange afstande, når de får adgang til et løbehjul. Desuden er friløbende hjul (FWR) træningsmodeller ikke afhængige af omfattende konditionering, positiv / negativ forstærkning eller anæstesi for at tvinge bevægelse eller muskelaktivitet 8,9. Løbeaktivitet afhænger i høj grad af musestamme, køn, alder og individuel basis. Lightfoot et al. sammenlignede løbeaktiviteten for 15 forskellige musestammer og fandt ud af, at den daglige løbedistance varierer fra 2,93 km til 7,93 km, hvor C57BL/6 mus løber længst, uanset køn10. FWR er almindeligt accepteret som en fremragende model til inducering af udholdenhedstilpasninger i skelet- og hjertemuskler 11,12,13,14,15,16; Brug af hjulløb i modstandstræningsmodeller undersøges dog mindre.
Som man kunne formode, kan den hypertrofiske effekt af hjulløb forstærkes ved at tilføje modstand til løbehjulet, kaldet loaded wheel running (LWR), hvilket kræver større indsats for at køre på hjulet for nærmere at efterligne modstandstræning. Ved hjælp af forskellige metoder til belastningsapplikation har tidligere undersøgelser vist, at LWR-modellen, der bruger rotter og mus, rutinemæssigt viste stigninger i lemmernes muskelmasse på 5% -30% i løbet af 6-8 uger 17,18,19,20,21. Desuden viste D’hulst et al., at et enkelt anfald af LWR førte til en 50% større stigning i aktiveringen af proteinsyntesesignalvejen sammenlignet med FWR22. Hjulmodstand er oftest blevet anvendt ved en friktionsbaseret, konstant belastningsmetode, hvorved en magnetbremse eller spændingsbolt bruges til at anvende hjulmodstand 12,19,23,24. En advarsel ved den friktionsbaserede, konstante belastningsmetode er, at når der anvendes moderat til høj modstand, kan dyret ikke overvinde den høje modstand mod at starte bevægelse af hjulet og effektivt ophøre med træning. Vigtigst er det, at mange af de bur- og hjulsystemer, der bruges til gnaverløbshjulmodeller, er ret dyre og kræver specialudstyr.
For nylig udviklede Dungan et al. en progressiv vægtet hjulløbende (PoWeR) model, der anvender en belastning på hjulet asymmetrisk via eksterne masser, der klæbes til en enkelt side af hjulet. PoWeR-modellens ubalancerede hjulbelastning og variable modstand menes at tilskynde til fortsat løbeaktivitet og fremme kortere udbrud af lastet hjulløb i mus, hvilket nærmere efterligner de sæt og gentagelser, der udføres med modstandstræning17. På trods af at den gennemsnitlige løbedistance var 10-12 km om dagen, gav PoWeR-modellen en stigning på henholdsvis 16% og 17% i plantaris muskel vådmasse og fibertværsnitsareal (CSA). På trods af mange praktiske fordele har PoWeR-modellen af LWR nogle begrænsninger. Som anerkendt af forfatterne er PoWeR-modellen en højvolumen “hybrid” stimulus, der afspejler en blandet udholdenheds- / modstandsøvelsesmodel (dvs. samtidig træning hos mennesker) i modsætning til en mere strengt modstandsøvelsesbaseret model, der potentielt introducerer en interferenseffekt og bidrager til den mindre udtalte hypertrofi eller forskellige mekanismer, hvormed hypertrofi induceres25 . Det er bydende nødvendigt at sikre, at et samtidigt træningsfænomen ikke forekommer i det, der er beregnet til at være en modstandsøvelsestræningsmodel. Derfor blev PoWeR-modellen modificeret til at udvikle en LWR-model, der bruger højere belastninger end tidligere brugt til mere at ligne en modstandstræningsmodel. Heri gives detaljer til en enkel og billig 9 ugers progressiv modstandstræning LWR-model i C57BL/6 mus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eksisterende modstandsøvelsesmodeller hos gnavere har vist sig uvurderlige for skeletmuskelforskning; Mange af disse modeller er imidlertid invasive, ufrivillige og/eller tids- og arbejdskrævende. LWR er en fremragende model, der ikke kun inducerer lignende muskulære tilpasninger som dem, der observeres i andre velaccepterede modstandsøvelsestræningsmodeller, men også giver en kronisk, lavstressøvelsesstimulering for dyret med minimal tid / arbejdsforpligtelse fra forskeren. Da LWR-modeller kræver minimal direkte…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Graduate Student Government Association, Office of Student Research og Department of Health and Exercise Science ved Appalachian State University for at yde finansiering til støtte for dette projekt. Derudover vil vi gerne takke Monique Eckerd og Therin Williams-Frey for at føre tilsyn med den daglige drift af dyreforsøgsanlægget.
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).
