चूहों में प्रगतिशील प्रतिरोध प्रशिक्षण के लिए एक सरल और सस्ती रनिंग व्हील मॉडल
Summary
यह प्रक्रिया चूहों में एक ट्रांसलेटेबल प्रगतिशील लोडेड रनिंग व्हील प्रतिरोध प्रशिक्षण मॉडल का वर्णन करती है। इस प्रतिरोध प्रशिक्षण मॉडल का प्राथमिक लाभ यह है कि यह पूरी तरह से स्वैच्छिक है, इस प्रकार जानवरों के लिए तनाव और शोधकर्ता पर बोझ को कम करता है।
Abstract
पहले विकसित कृंतक प्रतिरोध-आधारित व्यायाम मॉडल, जिसमें सहक्रियात्मक पृथक्करण, विद्युत उत्तेजना, भारित-सीढ़ी चढ़ाई, और हाल ही में, भारित-स्लेज पुलिंग शामिल हैं, कंकाल की मांसपेशियों के अनुकूलन को प्रेरित करने के लिए हाइपरट्रॉफिक उत्तेजना प्रदान करने में अत्यधिक प्रभावी हैं। जबकि ये मॉडल कंकाल की मांसपेशियों के अनुसंधान के लिए अमूल्य साबित हुए हैं, वे या तो आक्रामक या अनैच्छिक और श्रम-गहन हैं। सौभाग्य से, कई कृंतक उपभेद स्वेच्छा से लंबी दूरी तक चलते हैं जब उन्हें चलने वाले पहिये तक पहुंच दी जाती है। कृन्तकों में लोडेड व्हील रनिंग (एलडब्ल्यूआर) मॉडल आमतौर पर मनुष्यों में प्रतिरोध प्रशिक्षण के साथ देखे जाने वाले अनुकूलन को प्रेरित करने में सक्षम हैं, जैसे कि मांसपेशियों के द्रव्यमान और फाइबर हाइपरट्रॉफी में वृद्धि, साथ ही मांसपेशियों के प्रोटीन संश्लेषण की उत्तेजना। हालांकि, मध्यम पहिया भार के अलावा या तो चूहों को बड़ी दूरी तक चलने से रोकने में विफल रहता है, जो एक धीरज / प्रतिरोध प्रशिक्षण मॉडल का अधिक प्रतिबिंब है, या चूहों ने लोड आवेदन की विधि के कारण लगभग पूरी तरह से चलना बंद कर दिया है। इसलिए, चूहों के लिए एक नया हाई-लोड व्हील रनिंग मॉडल (एचएलडब्ल्यूआर) विकसित किया गया है जहां बाहरी प्रतिरोध लागू होता है और उत्तरोत्तर बढ़ता है, जिससे चूहों को पहले उपयोग किए जाने की तुलना में बहुत अधिक भार के साथ दौड़ना जारी रखने में सक्षम बनाया जाता है। इस उपन्यास एचएलडब्ल्यूआर मॉडल के प्रारंभिक परिणाम बताते हैं कि यह 9 सप्ताह के प्रशिक्षण प्रोटोकॉल पर हाइपरट्रॉफिक अनुकूलन को प्रेरित करने के लिए पर्याप्त उत्तेजना प्रदान करता है। यहां, चूहों में इस सरल लेकिन सस्ती प्रगतिशील प्रतिरोध-आधारित व्यायाम प्रशिक्षण मॉडल को निष्पादित करने के लिए विशिष्ट प्रक्रियाओं का वर्णन किया गया है।
Introduction
कंकाल की मांसपेशी द्रव्यमान में वयस्क मनुष्यों में शरीर द्रव्यमान का लगभग 40% शामिल है; इस प्रकार, पूरे जीवन में कंकाल की मांसपेशी द्रव्यमान को बनाए रखना महत्वपूर्ण है। कंकाल की मांसपेशी द्रव्यमान ऊर्जा चयापचय में एक अभिन्न भूमिका निभाता है, कोर शरीर के तापमान को बनाए रखता है, और ग्लूकोज होमियोस्टेसिस1. कंकाल की मांसपेशियों का रखरखाव प्रोटीन संश्लेषण और प्रोटीन क्षरण के बीच एक संतुलन है, लेकिन इन प्रक्रियाओं को चलाने वाले जटिल आणविक तंत्र की समझ में कई अंतराल अभी भी मौजूद हैं। आणविक तंत्र का अध्ययन करने के लिए जो मांसपेशियों के रखरखाव और विकास को नियंत्रित करते हैं, मानव विषयों के शोध मॉडल अक्सर प्रतिरोध व्यायाम-आधारित हस्तक्षेपों को नियोजित करते हैं, क्योंकि यांत्रिक उत्तेजना कंकाल की मांसपेशी द्रव्यमान के नियमन में एक अभिन्न भूमिका निभाती है। जबकि मानव विषय अनुसंधान सफल रहा है, आक्रामक प्रक्रियाओं (यानी, मांसपेशी बायोप्सी) के बारे में अनुकूलन और नैतिक चिंताओं को प्रदर्शित करने के लिए आवश्यक समय प्राप्त किए जा सकने वाले डेटा की मात्रा को सीमित करता है। जबकि प्रतिरोध व्यायाम के अनुकूलन स्तनधारी प्रजातियों में काफी सर्वव्यापी हैं, पशु मॉडल आहार और व्यायाम आहार को ठीक से नियंत्रित करने में सक्षम होने का लाभ प्रदान करते हैं, जबकि पूरे शरीर में पूरे ऊतकों के संग्रह की अनुमति देते हैं, जैसे कि मस्तिष्क, यकृत, हृदय और कंकाल की मांसपेशी।
कृन्तकों में उपयोग के लिए कई प्रतिरोध प्रशिक्षण मॉडल विकसित किए गए हैं: सहक्रियात्मक पृथक्करण2, विद्युत उत्तेजना 3,4, भारित सीढ़ी चढ़ाई5, भारित स्लेज पुलिंग6, और कैनवास्ड स्क्वाटिंग 7। यह स्पष्ट है कि ये सभी मॉडल, यदि सही ढंग से किए जाते हैं, तो कंकाल की मांसपेशियों के अनुकूलन को प्रेरित करने के लिए प्रभावी मॉडल हो सकते हैं, जैसे कि हाइपरट्रॉफी। हालांकि, इन मॉडलों के पतन यह हैं कि वे ज्यादातर अनैच्छिक हैं, सामान्य कृंतक व्यवहार का हिस्सा नहीं हैं, समय / श्रम-गहन और आक्रामक हैं।
सौभाग्य से, कई माउस और चूहे के उपभेद स्वेच्छा से लंबी दूरी तक चलते हैं जब उन्हें चलने वाले पहिये तक पहुंच दी जाती है। इसके अलावा, फ्री-रनिंग व्हील (एफडब्ल्यूआर) व्यायाम मॉडल आंदोलन या मांसपेशियों की गतिविधिको मजबूर करने के लिए व्यापक कंडीशनिंग, सकारात्मक / नकारात्मक सुदृढीकरण, या संज्ञाहरण पर भरोसा नहीं करते हैं। रनिंग गतिविधि माउस तनाव, लिंग, आयु और व्यक्तिगत आधार पर बहुत निर्भर करती है। लाइटफुट एट अल ने 15 अलग-अलग माउस उपभेदों की चलने वाली गतिविधि की तुलना की और पाया कि दैनिक चलने की दूरी 2.93 किमी से 7.93 किमी तक होती है, जिसमें सी 57बीएल / 6 चूहे सबसे दूर दौड़ते हैं, सेक्स10 की परवाह किए बिना। एफडब्ल्यूआर को आमतौर पर कंकाल और हृदयकी मांसपेशियों में धीरज अनुकूलन को प्रेरित करने के लिए एक उत्कृष्ट मॉडल के रूप में स्वीकार किया जाता है 11,12,13,14,15,16; हालांकि, प्रतिरोध प्रशिक्षण मॉडल में पहिया चलाने का उपयोग करना आमतौर पर कम जांच की जाती है।
जैसा कि किसी को संदेह हो सकता है, पहिया चलाने के हाइपरट्रॉफिक प्रभाव को रनिंग व्हील में प्रतिरोध जोड़कर बढ़ाया जा सकता है, जिसे लोडेड व्हील रनिंग (एलडब्ल्यूआर) कहा जाता है, इस प्रकार प्रतिरोध प्रशिक्षण की अधिक बारीकी से नकल करने के लिए पहिया पर चलने के लिए अधिक प्रयासों की आवश्यकता होती है। लोड आवेदन के विभिन्न तरीकों का उपयोग करते हुए, पिछले अध्ययनों से पता चला है कि चूहों और चूहों का उपयोग करने वाले एलडब्ल्यूआर मॉडल ने नियमित रूप से 6-8 सप्ताह 17,18,19,20,21 के कुछ ही समय में 5% –30% के अंग मांसपेशी द्रव्यमान में वृद्धि प्रदर्शित की है। इसके अलावा, डी’हलस्ट एट अल ने प्रदर्शित किया कि एलडब्ल्यूआर के एक मुकाबले से एफडब्ल्यूआर22 की तुलना में प्रोटीन संश्लेषण सिग्नलिंग मार्ग के सक्रियण में 50% अधिक वृद्धि हुई। पहिया प्रतिरोध को आमतौर पर घर्षण-आधारित, निरंतर लोडिंग विधि द्वारा लागू किया गया है, जिससे पहिया प्रतिरोध 12,19,23,24 को लागू करने के लिए चुंबकीय ब्रेक या तनाव बोल्ट का उपयोग किया जाता है। घर्षण-आधारित, निरंतर भार विधि की एक चेतावनी यह है कि जब मध्यम से उच्च प्रतिरोध लागू किया जाता है, तो जानवर पहिया के आंदोलन को शुरू करने के लिए उच्च प्रतिरोध को दूर नहीं कर सकता है, प्रभावी रूप से प्रशिक्षण को रोकता है। सबसे महत्वपूर्ण बात, कृंतक चलने वाले पहिया मॉडल के लिए उपयोग किए जाने वाले पिंजरे और पहिया प्रणालियों में से कई काफी महंगे हैं और विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है।
हाल ही में, डुंगन एट अल ने एक प्रगतिशील भारित-पहिया-रनिंग (PoWER) मॉडल विकसित किया, जो पहिया के एक तरफ के बाहरी द्रव्यमान के माध्यम से पहिया पर एक भार को असमान रूप से लागू करता है। पीओवीआर मॉडल के असंतुलित पहिया लोडिंग और परिवर्तनीय प्रतिरोध को निरंतर चलने की गतिविधि को प्रोत्साहित करने और चूहों में लोड किए गए पहिया के छोटे विस्फोट को बढ़ावा देने के लिए माना जाता है, प्रतिरोध प्रशिक्षण17 के साथ किए गए सेट और पुनरावृत्ति की अधिक बारीकी से नकल करता है। औसत चलने की दूरी प्रति दिन 10-12 किमी होने के बावजूद, पीओडब्ल्यूईआर मॉडल ने प्लांटारिस मांसपेशी गीले द्रव्यमान और फाइबर क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र (सीएसए) में क्रमशः 16% और 17% की वृद्धि की। कई व्यावहारिक फायदों के बावजूद, एलडब्ल्यूआर के पीओडब्ल्यूआर मॉडल की कुछ सीमाएं हैं। जैसा कि लेखकों द्वारा मान्यता प्राप्त है, पीओडब्ल्यूईआर मॉडल एक उच्च मात्रा वाला “हाइब्रिड” उत्तेजना है जो एक मिश्रित धीरज / प्रतिरोध व्यायाम मॉडल (यानी, मनुष्यों में समवर्ती प्रशिक्षण) को प्रतिबिंबित करता है, जो अधिक सख्ती से प्रतिरोध व्यायाम-आधारित मॉडल के विपरीत है, संभावित रूप से एक हस्तक्षेप प्रभाव पेश करता है और कम स्पष्ट हाइपरट्रॉफी या विभिन्नतंत्रों में योगदान देता है जिसके द्वारा अतिवृद्धि प्रेरित होती है। . यह सुनिश्चित करना कि एक समवर्ती प्रशिक्षण घटना प्रतिरोध अभ्यास प्रशिक्षण मॉडल होने का इरादा नहीं है, अनिवार्य है। इसलिए, PoWER मॉडल को एक LWR मॉडल विकसित करने के लिए संशोधित किया गया था जो पहले की तुलना में अधिक भार का उपयोग करता है जो प्रतिरोध प्रशिक्षण मॉडल से अधिक निकटता से मिलता जुलता है। यहां, सी 57बीएल / 6 चूहों में एक सरल और सस्ती 9 सप्ताह प्रगतिशील प्रतिरोध प्रशिक्षण एलडब्ल्यूआर मॉडल के लिए विवरण प्रदान किए गए हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
कृन्तकों में मौजूदा प्रतिरोध व्यायाम मॉडल कंकाल की मांसपेशियों के अनुसंधान के लिए अमूल्य साबित हुए हैं; हालांकि, इनमें से कई मॉडल आक्रामक, अनैच्छिक और / या समय- और श्रम-गहन हैं। एलडब्ल्यूआर एक उत्कृष्ट …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम इस परियोजना का समर्थन करने के लिए धन प्रदान करने के लिए स्नातक छात्र सरकार संघ, छात्र अनुसंधान कार्यालय, और एपलाचियन स्टेट यूनिवर्सिटी में स्वास्थ्य और व्यायाम विज्ञान विभाग को धन्यवाद देना चाहते हैं। इसके अतिरिक्त, हम पशु अनुसंधान सुविधा के दैनिक संचालन की देखरेख के लिए मोनिक एकर्ड और थेरिन विलियम्स-फ्रे को धन्यवाद देना चाहते हैं।
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).
