Ein einfaches und kostengünstiges Laufradmodell für progressives Widerstandstraining bei Mäusen
Summary
Dieses Verfahren beschreibt ein übersetzbares progressiv belastetes Laufradwiderstandsmodell bei Mäusen. Der Hauptvorteil dieses Widerstandstrainingsmodells besteht darin, dass es völlig freiwillig ist und somit den Stress für die Tiere und die Belastung des Forschers reduziert.
Abstract
Zuvor entwickelte Widerstandsmodelle für Nagetiere, einschließlich synergistischer Ablation, elektrischer Stimulation, gewichtetem Leiterklettern und neuerdings gewichtetem Schlittenziehen, sind hochwirksam bei der Bereitstellung eines hypertrophen Stimulus, um Skelettmuskelanpassungen zu induzieren. Während sich diese Modelle für die Skelettmuskelforschung als von unschätzbarem Wert erwiesen haben, sind sie entweder invasiv oder unfreiwillig und arbeitsintensiv. Glücklicherweise laufen viele Nagetierstämme freiwillig lange Strecken, wenn sie Zugang zu einem Laufrad haben. LWR-Modelle (Loaded Wheel Running) bei Nagetieren sind in der Lage, Anpassungen zu induzieren, die häufig beim Widerstandstraining beim Menschen beobachtet werden, wie z. B. erhöhte Muskelmasse und Faserhypertrophie sowie Stimulation der Muskelproteinsynthese. Die Hinzufügung einer moderaten Radlast hält die Mäuse jedoch entweder nicht davon ab, große Entfernungen zu laufen, was eher ein Ausdauer- / Widerstandstrainingsmodell widerspiegelt, oder die Mäuse stellen den Lauf aufgrund der Methode der Lastanwendung fast vollständig ein. Daher wurde ein neuartiges Hochlast-Radlaufmodell (HLWR) für Mäuse entwickelt, bei denen ein äußerer Widerstand angelegt und schrittweise erhöht wird, so dass Mäuse mit viel höheren Lasten als bisher verwendet weiterlaufen können. Vorläufige Ergebnisse dieses neuartigen HLWR-Modells deuten darauf hin, dass es genügend Anreize bietet, um hypertrophe Anpassungen über das 9-wöchige Trainingsprotokoll zu induzieren. Hier werden die spezifischen Verfahren zur Durchführung dieses einfachen, aber kostengünstigen progressiven widerstandsbasierten Trainingsmodells bei Mäusen beschrieben.
Introduction
Die Skelettmuskelmasse umfasst etwa 40% der Körpermasse bei erwachsenen Menschen; Daher ist die Aufrechterhaltung der Skelettmuskelmasse während des gesamten Lebens von entscheidender Bedeutung. Skelettmuskelmasse spielt eine wesentliche Rolle im Energiestoffwechsel, bei der Aufrechterhaltung der Körperkerntemperatur und bei der Glukosehomöostase1. Die Erhaltung der Skelettmuskulatur ist ein Gleichgewicht zwischen Proteinsynthese und Proteinabbau, aber es gibt immer noch viele Lücken im Verständnis der komplizierten molekularen Mechanismen, die diese Prozesse antreiben. Um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die den Erhalt und das Wachstum von Muskelmasse regulieren, verwenden die Forschungsmodelle menschlicher Probanden häufig widerstandstrainingsbasierte Interventionen, da mechanische Reize eine wesentliche Rolle bei der Regulierung der Skelettmuskelmasse spielen. Während die Forschung am Menschen erfolgreich war, begrenzt die Zeit, die erforderlich ist, um Anpassungen und ethische Bedenken in Bezug auf invasive Verfahren (d. H. Muskelbiopsien) zu zeigen, die Menge der Daten, die erhalten werden können. Während die Anpassungen an Widerstandsübungen bei Säugetierarten ziemlich allgegenwärtig sind, bieten Tiermodelle den Vorteil, dass sie die Ernährung und das Trainingsprogramm präzise steuern und gleichzeitig die Ansammlung ganzer Gewebe im ganzen Körper wie Gehirn, Leber, Herz und Skelettmuskulatur ermöglichen können.
Viele Widerstandstrainingsmodelle wurden für den Einsatz bei Nagetieren entwickelt: synergistische Ablation2, elektrische Stimulation3,4, gewichtetes Leiterklettern5, gewichtetes Schlittenziehen6 und Segeltuchhocken7. Es ist offensichtlich, dass alle diese Modelle, wenn sie richtig durchgeführt werden, effektive Modelle sein können, um Skelettmuskelanpassungen wie Hypertrophie zu induzieren. Die Nachteile dieser Modelle sind jedoch, dass sie meist unfreiwillig, nicht Teil des normalen Nagetierverhaltens, zeit- / arbeitsintensiv und invasiv sind.
Glücklicherweise laufen viele Maus- und Rattenstämme freiwillig lange Strecken, wenn sie Zugang zu einem Laufrad haben. Darüber hinaus verlassen sich Free-Run-Wheel-Trainingsmodelle (FWR) nicht auf umfangreiche Konditionierung, positive / negative Verstärkung oder Anästhesie, um Bewegung oder Muskelaktivität zu erzwingen 8,9. Die Laufaktivität hängt stark von der Belastung der Maus, dem Geschlecht, dem Alter und einer individuellen Basis ab. Lightfoot et al. verglichen die Laufaktivität von 15 verschiedenen Mausstämmen und fanden heraus, dass die tägliche Laufstrecke zwischen 2,93 km und 7,93 km liegt, wobei C57BL / 6-Mäuse unabhängig vom Geschlecht am weitesten laufen10. FWR wird allgemein als ausgezeichnetes Modell zur Induktion von Ausdaueranpassungen in Skelett- und Herzmuskeln akzeptiert 11,12,13,14,15,16; Die Verwendung von Radlauf in Widerstandstrainingsmodellen wird jedoch weniger häufig untersucht.
Wie man vermuten könnte, könnte der hypertrophe Effekt des Radlaufs durch Hinzufügen von Widerstand zum Laufrad, genannt Loaded Wheel Running (LWR), verstärkt werden, wodurch größere Anstrengungen erforderlich sind, um auf dem Rad zu laufen, um das Widerstandstraining besser nachzuahmen. Unter Verwendung verschiedener Methoden der Belastungsanwendung haben frühere Studien gezeigt, dass das LWR-Modell mit Ratten und Mäusen routinemäßig eine Zunahme der Muskelmasse der Gliedmaßen von 5% -30% innerhalb von 6-8 Wochen zeigte 17,18,19,20,21. Darüber hinaus zeigten D’hulst et al., dass ein einzelner LWR-Anfall im Vergleich zu FWR22 zu einem um 50% höheren Anstieg der Aktivierung des Proteinsynthese-Signalwegs führte. Der Radwiderstand wurde am häufigsten durch ein reibungsbasiertes, konstantes Lastverfahren angewendet, bei dem eine magnetische Bremse oder ein Spannbolzen verwendet wird, um den Radwiderstand 12,19,23,24 anzuwenden. Ein Vorbehalt der reibungsbasierten, konstanten Lastmethode besteht darin, dass das Tier bei Anwendung eines moderaten bis hohen Widerstands den hohen Widerstand nicht überwinden kann, um die Bewegung des Rades einzuleiten, wodurch das Training effektiv beendet wird. Am wichtigsten ist, dass viele der Käfig- und Radsysteme, die für Laufradmodelle von Nagetieren verwendet werden, ziemlich teuer sind und spezielle Ausrüstung erfordern.
Kürzlich haben Dungan et al. ein progressives gewichtetes Radlaufmodell (PoWeR) entwickelt, das eine Last auf das Rad asymmetrisch über äußere Massen aufbringt, die an einer einzigen Seite des Rades haften. Es wird angenommen, dass die unsymmetrische Radbelastung und der variable Widerstand des PoWeR-Modells die fortgesetzte Laufaktivität fördern und kürzere Ausbrüche des geladenen Radlaufs bei Mäusen fördern, wobei die mit Widerstandstraining durchgeführten Sätze und Wiederholungen besser imitiertwerden 17. Obwohl die durchschnittliche Laufstrecke 10-12 km pro Tag betrug, ergab das PoWeR-Modell eine Zunahme der feuchten Masse des Plantaris Muskels um 16% bzw. 17% und der Faserquerschnittsfläche (CSA). Trotz vieler praktischer Vorteile hat das PoWeR-Modell von LWR einige Einschränkungen. Wie von den Autoren erkannt, ist das PoWeR-Modell ein hochvolumiger “hybrider” Stimulus, der ein gemischtes Ausdauer-/Widerstandsübungsmodell (d. H. Gleichzeitiges Training beim Menschen) widerspiegelt, im Gegensatz zu einem strengeren Widerstandstrainingsmodell, das möglicherweise einen Interferenzeffekt einführt und zu der weniger ausgeprägten Hypertrophie oder anderen Mechanismen beiträgt, durch die Hypertrophie induziert wird25 . Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass ein Phänomen des gleichzeitigen Trainings in einem als Widerstandstrainingsmodell gedachten Modell nicht auftritt. Daher wurde das PoWeR-Modell modifiziert, um ein LWR-Modell zu entwickeln, das höhere Lasten als bisher verwendet, um einem Widerstandstrainingsmodell näher zu kommen. Hierin werden Details für ein einfaches und kostengünstiges 9-wöchiges progressives Widerstandstraining LWR-Modell in C57BL / 6-Mäusen bereitgestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bestehende Widerstandsübungsmodelle bei Nagetieren haben sich für die Skelettmuskelforschung als unschätzbar wertvoll erwiesen. Viele dieser Modelle sind jedoch invasiv, unfreiwillig und/oder zeit- und arbeitsintensiv. LWR ist ein hervorragendes Modell, das nicht nur ähnliche muskuläre Anpassungen induziert wie in anderen gut akzeptierten Widerstandstrainingsmodellen, sondern auch einen chronischen, stressarmen Trainingsreiz für das Tier mit minimalem Zeit- / Arbeitsaufwand des Forschers bietet. Da LWR-Modelle nur …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir möchten der Graduate Student Government Association, dem Office of Student Research und dem Department of Health and Exercise Science der Appalachian State University für die Bereitstellung von Mitteln zur Unterstützung dieses Projekts danken. Darüber hinaus danken wir Monique Eckerd und Therin Williams-Frey für die Überwachung des täglichen Betriebs der Tierversuchsanlage.
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 |
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