Простая и недорогая модель бегового колеса для прогрессивной тренировки с отягощениями у мышей

Summary

Эта процедура описывает переводимую модель тренировки сопротивления бегового колеса с прогрессивной нагрузкой на мышах. Основным преимуществом этой модели тренировок с отягощениями является то, что она полностью добровольная, что снижает стресс для животных и нагрузку на исследователя.

Abstract

Ранее разработанные модели упражнений, основанные на сопротивлении грызунов, включая синергетическую абляцию, электрическую стимуляцию, подъем по лестнице с весом и совсем недавно вытягивание саней с утяжеленным весом, очень эффективны в обеспечении гипертрофического стимула для индуцирования адаптации скелетных мышц. Хотя эти модели оказались бесценными для исследований скелетных мышц, они являются либо инвазивными, либо непроизвольными и трудоемкими. К счастью, многие штаммы грызунов добровольно бегут на большие расстояния, когда им предоставляется доступ к беговому колесу. Модели нагруженного колесного бега (LWR) у грызунов способны вызывать адаптации, обычно наблюдаемые при тренировках с отягощениями у людей, такие как увеличение мышечной массы и гипертрофия волокон, а также стимуляция синтеза мышечного белка. Тем не менее, добавление умеренной нагрузки на колеса либо не может удержать мышей от бега на большие расстояния, что больше отражает модель тренировки выносливости / сопротивления, либо мыши прекращают бег почти полностью из-за метода применения нагрузки. Поэтому для мышей, где применяется внешнее сопротивление и постепенно увеличивается, была разработана новая модель работы с высоконагруженным колесом (HLWR), позволяющая мышам продолжать работать с гораздо более высокими нагрузками, чем ранее. Предварительные результаты этой новой модели HLWR показывают, что она обеспечивает достаточный стимул для индуцирования гипертрофических адаптаций в течение 9-недельного протокола обучения. Здесь описываются конкретные процедуры для выполнения этой простой, но недорогой прогрессивной модели тренировок на основе сопротивления на мышах.

Introduction

Масса скелетных мышц составляет примерно 40% массы тела у взрослых людей; таким образом, поддержание массы скелетных мышц на протяжении всей жизни имеет решающее значение. Скелетная мышечная масса играет неотъемлемую роль в энергетическом обмене, поддержании температуры тела и глюкозного гомеостаза¹. Поддержание скелетных мышц представляет собой баланс между синтезом белка и деградацией белка, но все еще существует много пробелов в понимании сложных молекулярных механизмов, которые управляют этими процессами. Для изучения молекулярных механизмов, регулирующих поддержание и рост мышечной массы, исследовательские модели людей часто используют вмешательства на основе упражнений с отягощениями, поскольку механические стимулы играют неотъемлемую роль в регуляции массы скелетных мышц. В то время как исследования на людях были успешными, время, необходимое для проявления адаптации и этических проблем в отношении инвазивных процедур (т. Е. Биопсия мышц), ограничивает количество данных, которые могут быть получены. В то время как адаптация к упражнениям с отягощениями довольно распространена среди видов млекопитающих, животные модели обеспечивают преимущество в том, что они могут точно контролировать диету и режим упражнений, а также позволяют собирать целые ткани по всему телу, такие как мозг, печень, сердце и скелетные мышцы.

Многие модели тренировок с отягощениями были разработаны для использования у грызунов: синергетическая абляция², электрическая стимуляция ^3,4, утяжеленное подъем по лестнице⁵, утяжеленное тяги саней⁶ и приседание с холстом⁷. Очевидно, что все эти модели, если все эти модели сделаны правильно, могут быть эффективными моделями для индуцирования адаптации скелетных мышц, такой как гипертрофия. Однако недостатки этих моделей заключаются в том, что они в основном непроизвольные, не являются частью нормального поведения грызунов, трудоемкими и инвазивными.

К счастью, многие штаммы мышей и крыс добровольно бегут на большие расстояния, когда им предоставляется доступ к беговому колесу. Кроме того, модели упражнений со свободным колесом (FWR) не полагаются на обширное кондиционирование, положительное / отрицательное подкрепление или анестезию для принудительного движения или мышечной активности ^8,9. Беговая деятельность сильно зависит от напряжения мыши, пола, возраста и индивидуальной основы. Lightfoot et al. сравнили беговую активность 15 различных штаммов мышей и обнаружили, что ежедневная дистанция бега колеблется от 2,93 км до 7,93 км, причем мыши C57BL / 6 бегут дальше всех, независимо от пола¹⁰. FWR обычно считается отличной моделью для стимуляции адаптации выносливости в скелетных и сердечных мышцах 11,12,13,14,15,16; однако использование колесного бега в моделях тренировок с отягощениями исследуется реже.

Как можно было бы подозревать, гипертрофический эффект бега колеса может быть усилен путем добавления сопротивления беговому колесу, называемому бегом нагруженного колеса (LWR), что требует больших усилий для бега на колесе, чтобы более точно имитировать тренировку сопротивления. Используя различные методы применения нагрузки, предыдущие исследования показали, что модель LWR, использующая крыс и мышей, обычно демонстрировала увеличение мышечной массы конечностей на 5%-30% в течение 6-8 недель 17,18,19,20,21. Кроме того, D’hulst et al. продемонстрировали, что один приступ LWR привел к увеличению активации сигнального пути синтеза белка на 50% по сравнению с FWR²². Сопротивление колеса чаще всего применяется методом постоянной нагрузки, основанным на трении, при котором магнитный тормоз или натяжной болт используется для применения сопротивления колеса 12,19,23,24. Одно из предостережений метода постоянной нагрузки, основанного на трении, заключается в том, что при применении умеренного и высокого сопротивления животное не может преодолеть высокое сопротивление, чтобы инициировать движение колеса, эффективно прекращая обучение. Самое главное, что многие из клеточных и колесных систем, используемых для моделей ходовых колес грызунов, довольно дорогостоящие и требуют специализированного оборудования.

Недавно Dungan et al. разработали прогрессивную модель с утяжеленным колесом (PoWeR), которая применяет нагрузку на колесо асимметрично через внешние массы, прикрепленные к одной стороне колеса. Считается, что несбалансированная нагрузка на колеса и переменное сопротивление модели PoWeR способствуют продолжению беговой активности и способствуют более коротким всплескам нагруженного колеса, работающих на мышах, более точно имитируя сеты и повторения, выполняемые с тренировкой с отягощениями¹⁷. Несмотря на то, что средняя дистанция бега составляла 10-12 км в день, модель PoWeR дала увеличение влажной массы мышц плантариса на 16% и 17% и площади поперечного сечения волокон (CSA) соответственно. Несмотря на многие практические преимущества, модель PoWeR LWR имеет некоторые ограничения. Как признают авторы, модель PoWeR представляет собой «гибридный» стимул большого объема, который отражает смешанную модель упражнений на выносливость / сопротивление (т. Е. Параллельные тренировки у людей), в отличие от более строгой модели, основанной на упражнениях с отягощениями, потенциально вводя эффект интерференции и способствуя менее выраженной гипертрофии или различным механизмам, с помощью которых гипертрофия индуцируется²⁵ . Обеспечение того, чтобы явление параллельной тренировки не происходило в том, что должно быть моделью тренировки с отягощениями, является обязательным. Поэтому модель PoWeR была модифицирована для разработки модели LWR, которая использует более высокие нагрузки, чем ранее, чтобы больше напоминать модель тренировки сопротивления. Здесь приведены подробные сведения о простой и недорогой 9-недельной модели LWR с прогрессивной тренировкой с отягощениями у мышей C57BL/6.

Protocol

Это исследование было одобрено Комитетом по институциональному уходу и использованию животных Аппалачского государственного университета (No 22-05). 1. Животные Добывайте мышей C57BL/6 из собственной колонии мышей.ПРИМЕЧАНИЕ: Использовались самцы мышей в воз?…

Representative Results

В этом исследовании 24 мыши C57BL/6 (6,3 ± 0,7 месяца в начале этого исследования) были случайным образом распределены в одну из трех групп лечения: сидячий образ жизни (SED), бег на нагруженных колесах (LWR; такой же, как PoWeR, описанный Dungan et al.17), или высокий LWR (HLWR), а затем завершили свой с…

Discussion

Существующие модели упражнений с отягощениями у грызунов оказались бесценными для исследований скелетных мышц; однако многие из этих моделей являются инвазивными, непроизвольными и/или трудоемкими и трудоемкими. LWR является отличной моделью, которая не только вызывает аналогичные мы…

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