דגם גלגל ריצה פשוט וזול לאימוני התנגדות פרוגרסיביים בעכברים

Summary

הליך זה מתאר מודל אימון התנגדות גלגל ריצה טעון פרוגרסיבי הניתן לתרגום בעכברים. היתרון העיקרי של מודל אימון התנגדות זה הוא שהוא התנדבותי לחלוטין, ובכך מפחית את הלחץ על בעלי החיים ואת העומס על החוקר.

Abstract

מודלים של תרגילים המבוססים על התנגדות מכרסמים שפותחו בעבר, כולל אבלציה סינרגטית, גירוי חשמלי, טיפוס בסולם משוקלל, ולאחרונה, משיכה במזחלות משוקללות, יעילים מאוד במתן גירוי היפרטרופי כדי לגרום להסתגלות שרירי השלד. בעוד שמודלים אלה הוכחו כבעלי ערך רב למחקר שרירי שלד, הם פולשניים או לא רצוניים ועתירי עבודה. למרבה המזל, זני מכרסמים רבים רצים מרצונם למרחקים ארוכים כאשר ניתנת להם גישה לגלגל ריצה. מודלים של ריצת גלגלים טעונים (LWR) במכרסמים מסוגלים לגרום להתאמות הנצפות בדרך כלל באימוני התנגדות בבני אדם, כגון עלייה במסת שריר והיפרטרופיה של סיבים, כמו גם גירוי של סינתזת חלבון שריר. עם זאת, תוספת של עומס גלגלים מתון אינה מצליחה להרתיע עכברים מלרוץ מרחקים גדולים, מה שמשקף יותר מודל אימון סיבולת/התנגדות, או שהעכברים מפסיקים לרוץ כמעט לחלוטין בגלל שיטת יישום העומס. לכן, מודל ריצה חדשני של גלגל בעומס גבוה (HLWR) פותח עבור עכברים שבו ההתנגדות החיצונית מופעלת וגדלה בהדרגה, מה שמאפשר לעכברים להמשיך לרוץ עם עומסים גבוהים בהרבה ממה שהיה בשימוש בעבר. תוצאות ראשוניות ממודל HLWR חדשני זה מצביעות על כך שהוא מספק גירוי מספיק כדי לגרום להסתגלות היפרטרופית במהלך פרוטוקול האימון של 9 שבועות. כאן מתוארים הנהלים הספציפיים לביצוע מודל האימון הפשוט אך הזול הזה, המבוסס על אימוני התנגדות פרוגרסיביים, בעכברים.

Introduction

מסת שרירי השלד מהווה כ-40% ממסת הגוף בבני אדם בוגרים; לכן, שמירה על מסת שריר השלד לאורך כל החיים היא קריטית. מסת שרירי השלד ממלאת תפקיד אינטגרלי בחילוף החומרים האנרגטי, בשמירה על טמפרטורת הליבה של הגוף ובהומאוסטזיס גלוקוז¹. שמירה על שרירי השלד היא איזון בין סינתזת חלבונים לבין פירוק חלבונים, אך עדיין קיימים פערים רבים בהבנת המנגנונים המולקולריים המורכבים המניעים תהליכים אלה. כדי לחקור את המנגנונים המולקולריים המווסתים את התחזוקה והצמיחה של מסת שריר, מודלים מחקריים של נבדקים אנושיים משתמשים לעתים קרובות בהתערבויות המבוססות על תרגילי התנגדות, שכן גירויים מכניים ממלאים תפקיד אינטגרלי בוויסות מסת שריר השלד. בעוד שהמחקר בבני אדם היה מוצלח, הזמן הדרוש כדי להציג התאמות וחששות אתיים לגבי הליכים פולשניים (כלומר, ביופסיות שרירים) מגבילים את כמות הנתונים שניתן להשיג. בעוד שההתאמות לאימוני התנגדות נמצאות בכל מקום בקרב מיני יונקים, מודלים של בעלי חיים מספקים את היתרון של היכולת לשלוט במדויק במשטר התזונה והפעילות הגופנית תוך שהם מאפשרים גם איסוף של רקמות שלמות בכל הגוף, כגון המוח, הכבד, הלב ושרירי השלד.

מודלים רבים לאימוני התנגדות פותחו לשימוש במכרסמים: אבלציה סינרגטית², גירוי חשמלי^3,4, טיפוס סולם משוקלל⁵, משיכת מזחלת משוקללת⁶ וסקוואט^7. ברור כי כל המודלים הללו, אם נעשים בצורה נכונה, יכולים להיות מודלים יעילים כדי לגרום להסתגלות שרירי השלד, כגון היפרטרופיה. עם זאת, הנפילות של מודלים אלה הן שהם ברובם לא רצוניים, לא חלק מהתנהגות מכרסמים רגילה, עתירי זמן/עבודה ופולשניים.

למרבה המזל, זנים רבים של עכברים וחולדות רצים מרצונם למרחקים ארוכים כאשר ניתנת להם גישה לגלגל ריצה. יתר על כן, מודלים של תרגילי גלגל ריצה חופשי (FWR) אינם מסתמכים על התניה נרחבת, חיזוק חיובי/שלילי או הרדמה כדי לכפות תנועה או פעילות שרירים ^8,9. פעילות הריצה תלויה מאוד במתח העכבר, במין, בגיל ובבסיס אישי. Lightfoot et al. השוו את פעילות הריצה של 15 זני עכברים שונים ומצאו כי מרחק הריצה היומי נע בין 2.93 ק”מ ל-7.93 ק”מ, כאשר עכברי C57BL/6 רצים הכי רחוק, ללא קשר למין¹⁰. FWR מקובל כמודל מצוין לגרימת התאמות סיבולת בשרירי השלד והלב ^{11,12,13,14,15,16;} עם זאת, שימוש בריצות גלגלים בדגמי אימוני התנגדות נחקר פחות.

כפי שניתן לחשוד, ההשפעה ההיפרטרופית של ריצת גלגל עשויה להיות מוגברת על ידי הוספת התנגדות לגלגל הריצה, המכונה ריצת גלגל טעון (LWR), ובכך דורשת מאמצים גדולים יותר לרוץ על הגלגל כדי לחקות באופן הדוק יותר אימוני התנגדות. באמצעות שיטות מגוונות של יישום עומס, מחקרים קודמים הראו כי מודל LWR המשתמש בחולדות ועכברים הציג באופן שגרתי עלייה במסת שריר הגפיים של 5%-30% תוך 6-8 שבועות 17,18,19,20,21. יתר על כן, D’hulst et al. הראו כי התקף יחיד של LWR הוביל לעלייה של 50% בהפעלה של מסלול האיתות של סינתזת חלבונים בהשוואה ל-FWR²². התנגדות הגלגלים מיושמת לרוב בשיטת העמסה קבועה מבוססת חיכוך, לפיה בלם מגנטי או בורג מתח משמשים להפעלת התנגדות גלגל 12,19,23,24. אחת האזהרות של שיטת העומס הקבוע המבוססת על חיכוך היא שכאשר מופעלת התנגדות בינונית עד גבוהה, בעל החיים אינו יכול להתגבר על ההתנגדות הגבוהה ליזום תנועה של הגלגל, ובכך למעשה להפסיק את האימון. והכי חשוב, רבות ממערכות הכלובים והגלגלים המשמשות לדגמי גלגלי ריצה של מכרסמים הן יקרות למדי ודורשות ציוד מיוחד.

לאחרונה, Dungan et al. פיתחו מודל מתקדם של ריצה משוקללת (PoWeR), אשר מפעיל עומס על הגלגל באופן אסימטרי באמצעות מסות חיצוניות המודבקות לצד יחיד של הגלגל. העמסת הגלגלים הלא מאוזנת וההתנגדות המשתנה של דגם PoWeR נחשבים כמעודדים את המשך פעילות הריצה ומקדמים התפרצויות קצרות יותר של ריצות גלגלים טעונות בעכברים, תוך חיקוי הדוק יותר של הסטים והחזרות המבוצעות עם אימוני התנגדות¹⁷. למרות שמרחק הריצה הממוצע היה 10-12 ק”מ ביום, מודל PoWeR הניב עלייה של 16% ו-17% במסת השריר של פלנטריס ובאזור חתך הסיבים (CSA), בהתאמה. למרות יתרונות מעשיים רבים, למודל PoWeR של LWR יש כמה מגבלות. כפי שהוכר על ידי המחברים, מודל PoWeR הוא גירוי “היברידי” בנפח גבוה המשקף מודל משולב של תרגילי סיבולת/התנגדות (כלומר, אימון בו זמנית בבני אדם), בניגוד למודל המבוסס יותר על תרגילי התנגדות, מה שעשוי להציג אפקט הפרעה ולתרום להיפרטרופיה הפחות בולטת או למנגנונים שונים שבאמצעותם מושרה היפרטרופיה²⁵ . ההבטחה שתופעת אימון מקבילה לא תתרחש במה שאמור להיות מודל אימון התנגדות היא הכרחית. לכן, מודל PoWeR שונה כדי לפתח מודל LWR המנצל עומסים גבוהים יותר ממה שהיה בעבר כדי להידמות יותר למודל אימון התנגדות. כאן, מפורטים פרטים עבור דגם LWR פשוט וזול של אימון התנגדות פרוגרסיבי בן 9 שבועות בעכברי C57BL/6.

Protocol

מחקר זה אושר על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת אפלאצ’יאן סטייט (#22-05). 1. בעלי חיים רכשו עכברי C57BL/6 ממושבת העכברים הפנימית.הערה: נעשה שימוש בעכברים זכרים בני 5-8 חודשים בתחילת המחקר. פעילות הריצה היומית מגיעה לשיאה בסביבות 9-10 שבועות של…

Representative Results

במחקר זה, 24 עכברי C57BL/6 (6.3 ± 0.7 חודשים בתחילת מחקר זה) הוקצו באופן אקראי לאחת משלוש קבוצות טיפול: בישיבה (SED), הפעלת גלגלים טעונה (LWR; זהה ל- PoWeR שתואר על ידי Dungan et al.17), או LWR גבוה (HLWR), ולאחר מכן השלימו את פרוטוקול 9 השבועות שלהם בהתאמה. לאחר שבוע ההתאקלמות (שבוע 1), לא היו הבדלים של קבוצה א…

Discussion

מודלים קיימים של תרגילי התנגדות במכרסמים הוכיחו את עצמם כבעלי ערך רב למחקר שרירי השלד; עם זאת, רבים מהמודלים הללו הם פולשניים, לא רצוניים ו/או עתירי זמן ועבודה. LWR הוא מודל מצוין שלא רק משרה התאמות שרירים דומות לאלה שנצפו במודלים מקובלים אחרים של אימוני אימוני התנגדות, אלא גם מספק גירוי כרונ…

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