En enkel och billig löphjulsmodell för progressiv motståndsträning hos möss
Summary
Denna procedur beskriver en översättningsbar progressiv belastad träningsmodell för körhjulsmotstånd hos möss. Den främsta fördelen med denna styrketräningsmodell är att den är helt frivillig, vilket minskar stressen för djuren och belastningen på forskaren.
Abstract
Tidigare utvecklade gnagarmotståndsbaserade träningsmodeller, inklusive synergistisk ablation, elektrisk stimulering, viktstegeklättring och senast viktad släddragning, är mycket effektiva för att ge en hypertrofisk stimulans för att inducera skelettmuskelanpassningar. Även om dessa modeller har visat sig vara ovärderliga för skelettmuskelforskning, är de antingen invasiva eller ofrivilliga och arbetskrävande. Lyckligtvis kör många gnagarstammar frivilligt långa sträckor när de får tillgång till ett löphjul. Laddade hjulkörningsmodeller (LWR) hos gnagare kan inducera anpassningar som vanligtvis observeras med motståndsträning hos människor, såsom ökad muskelmassa och fiberhypertrofi, samt stimulering av muskelproteinsyntes. Tillägget av måttlig hjulbelastning misslyckas dock antingen med att avskräcka möss från att springa stora sträckor, vilket mer återspeglar en uthållighets- / motståndsträningsmodell, eller så slutar mössen att springa nästan helt på grund av metoden för belastningsapplikation. Därför har en ny höglasthjulskörningsmodell (HLWR) utvecklats för möss där yttre motstånd appliceras och gradvis ökas, vilket gör det möjligt för möss att fortsätta springa med mycket högre belastningar än tidigare utnyttjat. Preliminära resultat från denna nya HLWR-modell tyder på att den ger tillräcklig stimulans för att inducera hypertrofiska anpassningar under 9 veckors träningsprotokoll. Häri beskrivs de specifika procedurerna för att utföra denna enkla men billiga progressiva motståndsbaserade träningsmodell hos möss.
Introduction
Skelettmuskelmassa utgör cirka 40% av kroppsmassan hos vuxna människor; Således är det viktigt att upprätthålla skelettmuskelmassa under hela livet. Skelettmuskelmassa spelar en integrerad roll i energimetabolismen, upprätthåller kärnkroppstemperaturen och glukoshomeostas1. Underhållet av skelettmuskulaturen är en balans mellan proteinsyntes och proteinnedbrytning, men det finns fortfarande många luckor i förståelsen av de invecklade molekylära mekanismerna som driver dessa processer. För att studera de molekylära mekanismer som reglerar underhåll och tillväxt av muskelmassa använder mänskliga försökspersoners forskningsmodeller ofta motståndsträningsbaserade interventioner, eftersom mekaniska stimuli spelar en integrerad roll i regleringen av skelettmuskelmassa. Medan forskning på människor har varit framgångsrik, begränsar den tid som krävs för att uppvisa anpassningar och etiska problem angående invasiva förfaranden (dvs. muskelbiopsier) mängden data som kan erhållas. Medan anpassningarna till motståndsträning är ganska allestädes närvarande över däggdjursarter, ger djurmodeller fördelen att kunna exakt kontrollera kost- och träningsregimen samtidigt som de möjliggör insamling av hela vävnader i hela kroppen, såsom hjärnan, levern, hjärtat och skelettmuskeln.
Många styrketräningsmodeller har utvecklats för användning hos gnagare: synergistisk ablation2, elektrisk stimulering3,4, viktad stegklättring5, viktad slädedragning6 och dukad huk7. Det är uppenbart att alla dessa modeller, om de görs korrekt, kan vara effektiva modeller för att inducera skelettmuskelanpassningar, såsom hypertrofi. Undergångarna med dessa modeller är dock att de mestadels är ofrivilliga, inte en del av normalt gnagarbeteende, tids- / arbetsintensiva och invasiva.
Lyckligtvis springer många mus- och råttstammar frivilligt långa sträckor när de får tillgång till ett löphjul. Dessutom förlitar sig träningsmodeller med fritt löpande hjul (FWR) inte på omfattande konditionering, positiv / negativ förstärkning eller anestesi för att tvinga rörelse eller muskelaktivitet 8,9. Löpaktiviteten beror mycket på musbelastning, kön, ålder och individuell basis. jämförde löpaktiviteten hos 15 olika musstammar och fann att den dagliga löpsträckan varierar från 2,93 km till 7,93 km, med C57BL/6 möss som springer längst, oavsett kön10. FWR är allmänt accepterat som en utmärkt modell för att inducera uthållighetsanpassningar i skelett- och hjärtmuskler 11,12,13,14,15,16; Att använda hjulkörning i motståndsträningsmodeller är dock mindre vanligt undersökt.
Som man kan misstänka kan den hypertrofiska effekten av hjulkörning förstärkas genom att lägga till motstånd mot löphjulet, kallat lastat hjulkörning (LWR), vilket kräver större ansträngningar att springa på hjulet för att närmare efterlikna motståndsträning. Med hjälp av olika metoder för belastningsapplikation har tidigare studier visat att LWR-modellen som använder råttor och möss rutinmässigt visade ökningar av muskelmassan i benen på 5%-30% inom loppet av 6-8 veckor 17,18,19,20,21. visade dessutom att en enda anfall av LWR ledde till en 50% större ökning av aktiveringen av proteinsyntessignalvägen jämfört med FWR22. Hjulmotstånd har oftast tillämpats med en friktionsbaserad, konstant belastningsmetod, varigenom en magnetisk broms eller spänningsbult används för att applicera hjulmotstånd 12,19,23,24. En varning för den friktionsbaserade, konstanta belastningsmetoden är att när måttligt till högt motstånd appliceras kan djuret inte övervinna det höga motståndet för att initiera hjulets rörelse, vilket effektivt upphör med träningen. Viktigast av allt är att många av bur- och hjulsystemen som används för gnagare som kör hjulmodeller är ganska kostsamma och kräver specialutrustning.
utvecklade nyligen en progressiv viktad hjulkörning (PoWeR) -modell, som applicerar en belastning på hjulet asymmetriskt via yttre massor som fästs på en enda sida av hjulet. Den obalanserade hjulbelastningen och det variabla motståndet hos PoWeR-modellen tros uppmuntra till fortsatt köraktivitet och främja kortare skurar av laddade hjulkörningar i möss, vilket närmare imiterar uppsättningarna och repetitionerna som utförs med motståndsträning17. Trots att det genomsnittliga löpavståndet var 10-12 km per dag gav PoWeR-modellen en ökning med 16% respektive 17% av plantaris muskelvåt massa respektive fibertvärsnittsarea (CSA). Trots många praktiska fördelar har PoWeR-modellen för LWR vissa begränsningar. Som erkänts av författarna är PoWeR-modellen en “hybrid” -stimulans med hög volym som återspeglar en blandad uthållighets- / motståndsträningsmodell (dvs. samtidig träning hos människor), i motsats till en mer strikt motståndsövningsbaserad modell, som potentiellt introducerar en interferenseffekt och bidrar till den mindre uttalade hypertrofi eller olika mekanismer genom vilka hypertrofi induceras25 . Att säkerställa att ett samtidigt träningsfenomen inte uppstår i vad som är avsett att vara en styrketräningsmodell är absolut nödvändigt. Därför modifierades PoWeR-modellen för att utveckla en LWR-modell som använder högre belastningar än tidigare använts för att mer likna en motståndsträningsmodell. Häri tillhandahålls detaljer för en enkel och billig 9 veckors progressiv motståndsträning LWR-modell i C57BL / 6-mus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Befintliga motståndsträningsmodeller hos gnagare har visat sig vara ovärderliga för skelettmuskelforskning; många av dessa modeller är dock invasiva, ofrivilliga och/eller tids- och arbetskrävande. LWR är en utmärkt modell som inte bara inducerar liknande muskelanpassningar som de som observerats i andra väl accepterade styrketräningsmodeller, utan också ger en kronisk, lågstressad träningsstimulans för djuret med minimal tid / arbetsengagemang av forskaren. Dessutom, eftersom LWR-modeller kräver minimal …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka Graduate Student Government Association, Office of Student Research och Department of Health and Exercise Science vid Appalachian State University för att ha tillhandahållit finansiering för att stödja detta projekt. Dessutom vill vi tacka Monique Eckerd och Therin Williams-Frey för att de övervakade den dagliga driften av djurforskningsanläggningen.
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).
