Farelerde Progresif Direnç Eğitimi için Basit ve Ucuz Bir Koşu Tekerleği Modeli
Summary
Bu prosedür, farelerde çevrilebilir bir aşamalı yüklü koşu tekerleği direnç eğitim modelini açıklar. Bu direnç eğitim modelinin birincil avantajı, tamamen gönüllü olması, böylece hayvanlar için stresi ve araştırmacı üzerindeki yükü azaltmasıdır.
Abstract
Daha önce geliştirilen sinerjik ablasyon, elektriksel stimülasyon, ağırlıklı merdiven tırmanma ve en son olarak ağırlıklı kızak çekme dahil olmak üzere kemirgen direncine dayalı egzersiz modelleri, iskelet kası adaptasyonlarını indüklemek için hipertrofik bir uyaran sağlamada oldukça etkilidir. Bu modellerin iskelet kası araştırmaları için paha biçilmez olduğu kanıtlanmış olsa da, ya invaziv ya da istemsiz ve emek yoğundur. Neyse ki, birçok kemirgen suşu bir koşu tekerleğine erişim verildiğinde gönüllü olarak uzun mesafeler koşar. Kemirgenlerdeki yüklü tekerlek çalıştırma (LWR) modelleri, insanlarda artan kas kütlesi ve lif hipertrofisi ve kas protein sentezinin uyarılması gibi direnç eğitimi ile yaygın olarak gözlenen adaptasyonları indükleyebilir. Bununla birlikte, ılımlı tekerlek yükünün eklenmesi ya fareleri uzun mesafelerde koşmaktan caydıramaz, bu da bir dayanıklılık / direnç eğitim modelini daha iyi yansıtır ya da fareler yük uygulama yöntemi nedeniyle neredeyse tamamen çalışmayı bırakır. Bu nedenle, harici direncin uygulandığı ve kademeli olarak arttırıldığı fareler için yeni bir yüksek yüklü tekerlek çalışma modeli (HLWR) geliştirilmiştir ve farelerin daha önce kullanılandan çok daha yüksek yüklerle çalışmaya devam etmelerini sağlamıştır. Bu yeni HLWR modelinden elde edilen ön sonuçlar, 9 haftalık eğitim protokolü boyunca hipertrofik adaptasyonları indüklemek için yeterli uyaran sağladığını göstermektedir. Burada, farelerde bu basit ama ucuz ilerleyici direnç tabanlı egzersiz eğitim modelini yürütmek için özel prosedürler açıklanmaktadır.
Introduction
İskelet kas kütlesi, yetişkin insanlarda vücut kütlesinin yaklaşık% 40’ını oluşturur; Bu nedenle, iskelet kas kütlesinin yaşam boyunca korunması kritik öneme sahiptir. İskelet kas kütlesi, enerji metabolizmasında, çekirdek vücut ısısının korunmasında ve glikoz homeostazında ayrılmaz bir rol oynar1. İskelet kasının korunması, protein sentezi ve protein yıkımı arasında bir dengedir, ancak bu süreçleri yönlendiren karmaşık moleküler mekanizmaların anlaşılmasında hala birçok boşluk vardır. Kas kütlesinin korunmasını ve büyümesini düzenleyen moleküler mekanizmaları incelemek için, insan deneklerin araştırma modelleri genellikle direnç egzersizine dayalı müdahaleler kullanır, çünkü mekanik uyaranlar iskelet kas kütlesinin düzenlenmesinde ayrılmaz bir rol oynar. İnsan deneklerin araştırması başarılı olsa da, invaziv prosedürlerle (yani kas biyopsileri) ilgili uyarlamaları ve etik kaygıları sergilemek için gereken süre, elde edilebilecek veri miktarını sınırlar. Direnç egzersizine adaptasyonlar memeli türleri arasında oldukça yaygın olsa da, hayvan modelleri, diyet ve egzersiz rejimini tam olarak kontrol edebilmenin yararını sağlarken, aynı zamanda beyin, karaciğer, kalp ve iskelet kası gibi vücuttaki tüm dokuların toplanmasına izin verir.
Kemirgenlerde kullanılmak üzere birçok direnç eğitim modeli geliştirilmiştir: sinerjik ablasyon2, elektriksel stimülasyon3,4, ağırlıklı merdiven tırmanma5, ağırlıklı kızak çekme6 ve tuvalli çömelme7. Tüm bu modellerin, doğru yapılırsa, hipertrofi gibi iskelet kası adaptasyonlarını indüklemek için etkili modeller olabileceği açıktır. Bununla birlikte, bu modellerin düşüşleri, çoğunlukla istemsiz olmaları, normal kemirgen davranışının bir parçası olmamaları, zaman / emek yoğun ve istilacı olmalarıdır.
Neyse ki, birçok fare ve sıçan suşu, bir koşu tekerleğine erişim verildiğinde gönüllü olarak uzun mesafeler koşar. Dahası, serbest çalışan tekerlek (FWR) egzersiz modelleri, hareketi veya kas aktivitesini zorlamak için kapsamlı koşullandırma, pozitif / negatif takviye veya anesteziye dayanmaz 8,9. Koşu aktivitesi büyük ölçüde fare gerginliğine, cinsiyetine, yaşına ve bireysel bazda bağlıdır. Lightfoot ve ark. 15 farklı fare suşunun koşu aktivitesini karşılaştırdı ve günlük koşu mesafesinin 2.93 km ila 7.93 km arasında değiştiğini, C57BL / 6 farelerin cinsiyet10’dan bağımsız olarak en uzağa koştuğunu buldu. FWR genellikle iskelet ve kalp kaslarında dayanıklılık adaptasyonlarını indüklemek için mükemmel bir model olarak kabul edilir11,12,13,14,15,16; Bununla birlikte, direnç eğitim modellerinde tekerlek koşusunun kullanılması daha az araştırılmaktadır.
Tahmin edilebileceği gibi, tekerlek çalışmasının hipertrofik etkisi, yüklü tekerlek çalıştırma (LWR) olarak adlandırılan koşu tekerleğine direnç eklenerek arttırılabilir, böylece direnç eğitimini daha yakından taklit etmek için tekerlek üzerinde çalışmak için daha fazla çaba sarf edilmesi gerekir. Çeşitli yük uygulama yöntemleri kullanarak, önceki çalışmalar, sıçanları ve fareleri kullanan LWR modelinin, 6-8 hafta içinde ekstremite kas kütlesinde% 5-30’luk bir artış gösterdiğini göstermiştir 17,18,19,20,21. Ayrıca, D’hulst ve ark., tek bir LWR nöbetinin, FWR22’ye kıyasla protein sentezi sinyal yolunun aktivasyonunda% 50 daha fazla artışa yol açtığını göstermiştir. Tekerlek direnci en yaygın olarak sürtünme tabanlı, sabit yükleme yöntemiyle uygulanmıştır, bu sayede tekerlek direnci12,19,23,24’ü uygulamak için manyetik bir fren veya gergi cıvatası kullanılır. Sürtünmeye dayalı, sabit yük yönteminin bir uyarısı, orta ila yüksek direnç uygulandığında, hayvanın tekerleğin hareketini başlatmak için yüksek direncin üstesinden gelememesi ve eğitimi etkili bir şekilde durdurmasıdır. En önemlisi, kemirgen koşu tekerleği modelleri için kullanılan kafes ve tekerlek sistemlerinin birçoğu oldukça maliyetlidir ve özel ekipman gerektirir.
Son zamanlarda, Dungan ve ark., tekerleğin tek bir tarafına yapıştırılmış dış kütleler aracılığıyla tekerleğe asimetrik olarak bir yük uygulayan ilerici ağırlıklı tekerlek çalışan (PoWeR) bir model geliştirdi. PoWeR modelinin dengesiz tekerlek yüklemesi ve değişken direncinin, sürekli çalışma aktivitesini teşvik ettiği ve farelerde çalışan yüklü tekerleğin daha kısa patlamalarını teşvik ettiği, direnç eğitimi17 ile gerçekleştirilen setleri ve tekrarları daha yakından taklit ettiği düşünülmektedir. Ortalama koşu mesafesinin günde 10-12 km olmasına rağmen, PoWeR modeli, plantaris kası ıslak kütlesinde ve lif kesit alanında (CSA) sırasıyla% 16 ve% 17’lik bir artış sağlamıştır. Birçok pratik avantaja rağmen, LWR’nin PoWeR modelinin bazı sınırlamaları vardır. Yazarlar tarafından tanındığı gibi, PoWeR modeli, daha katı bir direnç egzersizine dayalı modelin aksine, harmanlanmış bir dayanıklılık / direnç egzersiz modelini (yani, insanlarda eşzamanlı eğitim) yansıtan, potansiyel olarak bir girişim etkisi yaratan ve daha az belirgin hipertrofiye veya hipertrofinin indüklendiği farklı mekanizmalara katkıda bulunan yüksek hacimli bir “hibrit” uyarandır. 25 . Bir direnç egzersizi eğitim modeli olması amaçlanan şeyde eşzamanlı bir eğitim olgusunun gerçekleşmemesini sağlamak zorunludur. Bu nedenle, PoWeR modeli, bir direnç eğitim modeline daha yakından benzemek için daha önce kullanılandan daha yüksek yükler kullanan bir LWR modeli geliştirmek üzere değiştirildi. Burada, C57BL / 6 farelerde basit ve ucuz bir 9 haftalık progresif direnç eğitimi LWR modeli için ayrıntılar verilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kemirgenlerdeki mevcut direnç egzersiz modellerinin iskelet kası araştırmaları için paha biçilmez olduğu kanıtlanmıştır; Bununla birlikte, bu modellerin çoğu istilacı, istemsiz ve / veya zaman ve emek yoğundur. LWR, sadece diğer iyi kabul görmüş direnç egzersizi eğitim modellerinde gözlemlenenlerle benzer kas adaptasyonlarını indüklemekle kalmayıp, aynı zamanda araştırmacı tarafından minimum zaman / emek taahhüdü ile hayvan için kronik, düşük stresli bir egzersiz uyarıcısı sağlay…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu projeyi desteklemek için finansman sağladıkları için Lisansüstü Öğrenci Hükümeti Derneği, Öğrenci Araştırma Ofisi ve Appalachian Eyalet Üniversitesi Sağlık ve Egzersiz Bilimi Bölümü’ne teşekkür ederiz. Ek olarak, hayvan araştırma tesisinin günlük operasyonlarını denetledikleri için Monique Eckerd ve Therin Williams-Frey’e teşekkür ederiz.
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).
