Denne artikkelen presenterer morfometriske responser og treningsresultater av en høyintensiv intervalltreningsprotokoll (HIIT) i en Sprague-Dawley rottemodell av diettindusert fedme. Hensikten med denne protokollen var å maksimere treningsintensiteten og bestemme de fysiologiske responsene på HIIT hos magre og overvektige rotter.
Sammenlignet med kontinuerlig moderat eller lav intensitetstrening, er høyintensiv intervalltrening (HIIT) en mer tidseffektiv alternativ metode som resulterer i lignende fysiologiske fordeler. Dette papiret presenterer en HIIT-protokoll som kan brukes til å vurdere ulike helsemarkører i en Sprague-Dawley rottemodell av diettindusert fedme. Hunnrotter av Sprague Dawley i alderen 21 dager ble randomisert til følgende grupper: kontroll (CON, n = 10), treningstrent (TRN, n = 10), fettrik diett (HFD, n = 10) og fettrik diett/treningstrening (HFD/TRN, n = 10). Kontrolldiettene besto av kommersiell laboratoriechow med 10% kilokalorier (kcal) fra fett (3,82 kcal / g), og de fettrike diettene (HFD) besto av 45% kcal fra fett (4,7 kcal / g). Dyrene hadde ad libitum tilgang til sitt tildelte kosthold gjennom hele studien. Etter en 8 ukers diettinduksjonsperiode fullførte treningskohortene fire HIIT-økter per uke i 8 uker. Hver HIIT-økt besto av 10 intervaller på 1 min sprint/2 min hvile ved hjelp av en gnagertredemølle med motordrevet belte. Etter 8 ukers trening ble dyrene ofret for vevsinnsamling. Resultatene viste ingen forskjeller i distanseløp mellom TRN- og HFD/TRN-gruppene, og treningshastigheten økte jevnt over studieperioden, med en endelig løpshastighet på henholdsvis 115 cm/s og 111 cm/s for TRN- og HFD/TRN-gruppene. Det ukentlige kaloriinntaket ble redusert (p < 0,05) i TRN-gruppen i forhold til CON-gruppen, men økte (p < 0,05) i HFD/TRN-gruppen i forhold til HFD-gruppen. Til slutt hadde dyrene på HFD større (p < 0,05) fett, og de trente dyrene hadde redusert (p < 0,05) adipositet i forhold til kontrollene. Denne protokollen demonstrerer en effektiv metode for å evaluere effekten av HIIT på ulike fysiologiske utfall i en diettindusert fedmemodell.
Fedme og komorbide tilstander, som kardiovaskulære sykdommer, metabolske sykdommer og kreft, fortsetter å være noen av de mest alvorlige, kostbare og forebyggbare av alle helseutfall. For tiden er over en tredjedel av voksne i USA og mer enn 1.6 milliarder voksne over hele verden klassifisert som overvektige i henhold til deres kroppsmasseindeks (BMI; definert som vekt i kilo delt på høydekvadratet i meter)1. Fedme som sykdom skyldes en genetisk disposisjon, miljømessige eksponeringer og et sammenbrudd i de normale mekanismene som regulerer energiinntak og energiforbruk2. Etter hvert som de menneskelige og økonomiske kostnadene ved fedmeepidemien fortsetter å stige, har det vært et intensivert fokus på å prøve å forstå mekanismene som er involvert i energibalanse og effekten av kosthold og mosjon i bekjempelse av metabolsk sykdom.
Tidligere studier har vist at eksponering for svært velsmakende, energitette dietter stimulerer overspising i rottemodeller3. Ad libitum tilgang til svært velsmakende dietter driver overdreven vektøkning som følge av økt kaloriinntak4. Studier har også vist at trening kan modulere appetitten og forbedre følsomheten av metthetssignalering hos overvektige personer5. Det er teoretisert at denne gjenopprettingen av følsomheten til metthetssignalering med trening delvis medieres gjennom virkningen av treningstrening på reaktiviteten til det sentrale og perifere vevet til leptin, et nøkkeladipocytavledet regulatorisk hormon som undertrykker appetitten og stimulerer energiforbruket5. Selv om disse studiene har undersøkt en rekke treningsprotokoller, er det ingen klar konsensus om hvilken intervensjon som er overlegen 6,7. Det er noen bevis som tyder på at høyintensiv intervalltrening (HIIT), som innebærer gjentatte utbrudd av anstrengende trening sammenvevd med intervaller for utvinning, kan forbedre appetittreguleringen mer enn andre former for trening, for eksempel moderat intensitet kontinuerlig trening (MICT), kontinuerlig trening med høy intensitet eller frivillig fysisk aktivitet8. Imidlertid er det hull i kunnskap rundt interseksjonaliteten av høyintensiv intervalltrening, kosthold og appetittregulering.
Tidligere studier har også vist at trening er en kraftig mediator av inaktivitetsrelaterte komorbiditeter, spesielt med tanke på endringer i muskel og fettvev 9,10,11. Det er en hypotese at disse sammensetningsendringene fører til fremme av en antiinflammatorisk tilstand som kan være ansvarlig for forbedring av sykdomsrisiko sett med øvelse12. Myokiner, som er cytokiner, andre små proteiner og proteoglykanpeptider frigjort fra skjelettmuskulatur under muskulære sammentrekninger, har blitt hevdet å moderere de antiinflammatoriske resultatene forbundet med fysisk aktivitet. I motsetning til dette har adipokiner, cellesignalmolekyler produsert av fettvev, vist seg å primært spille en mer skadelig rolle og bidra til å fremme en inflammatorisk tilstand13,14,15,16. Selv om det er betydelig bevis som viser at sammensetningsendringer sett med MICT fremmer positive helseutfall, har mindre arbeid blitt gjort for å evaluere de potensielle fordelene med HIIT1 7,18.
Endelig er kardiovaskulær sykdom veletablert som den ledende årsaken til sykelighet hos mennesker og er sterkt korrelert med fedme, kosthold og fysisk aktivitet1. Denne protokollen gir en effektiv måte å trene gnagere for evaluering av effekten av kardiovaskulær trening på mange systemer. Spesielt er hjertehypertrofi en markert tilpasning som oppstår med kardiovaskulær trening. Denne hypertrofien muliggjør mer robuste hjertekontraksjoner og levering av blod og oksygen til treningsvevet. Tidligere forskning tyder på at trening med høy intensitet er mer sannsynlig å indusere hjertehypertrofi enn trening med moderat intensitet19.
Denne protokollen bidrar til å fylle hullene i litteraturen ved å gi en tilnærming for å undersøke effekten av HIIT på appetittregulering, sammensetningsendringer (dermed myokin- og adipokinendringer) og kardiovaskulære tilpasninger i en murine modell av diettindusert fedme. Videre maksimerer de prestasjonsbaserte økningene i intensitet treningsresultatene og sikrer at dyrene ikke tilpasser seg treningstreningen og nærmer seg en moderat intensitet senere i treningsprotokollen.
Det overordnede målet med denne metoden er å maksimere treningsinnsatsen og identifisere fenotypiske endringer i Sprague-Dawley-rotter som svar på HIIT, diettindusert fedme og samspillet mellom disse stimuliene. Denne protokollen er unik sammenlignet med andre teknikker på grunn av dens evne til å maksimere innsatsen gjennom treningsperioden, selv med økninger i ferdighets- og kondisjonsnivået til rottene. Det gir også mulighet for samtidig analyse av trening og fedme, i stedet for bare å fokusere på det ene eller det andre. Spesielt hadde denne studien til hensikt å teste følgende hypoteser. (1) Treningshastigheten kan øke gjennom treningen, og avstanden som dekkes av rotter i TRN-gruppen kan være større enn i HFD/TRN-gruppen20. (2) Det gjennomsnittlige ukentlige kaloriinntaket til de trente rottene kan være større enn kontrollene, og dette kan være tydelig innen hver diettkohort21. (3) Den gjennomsnittlige daglige gevinsten i masse kan være større hos kontrollrotter enn trente rotter, og kontrollrotter kan ha høyere fettmasse ved ofring21. (4) Massen av hjerte og lever kan være større i HFD / TRN rotter versus TRN rotter19.
Denne protokollen gir en effektiv metode for å undersøke effekten av HIIT på flere helsemarkører i en diettindusert fedmemodell. Prosedyren bygger på tidligere studier for å muliggjøre en mer tidseffektiv metode for å undersøke flere utfallsvariabler, for eksempel treningsvariabler, appetittreguleringsmarkører og invasive analyser av kroppssammensetning 3,7,8,18,23,24. Diettinnholdet, varigheten og treningsintervensjonsprotokollen var i samsvar med tidligere publikasjoner23,24. I denne studien ble kommersielt tilgjengelig laboratorie chow kjøpt (se Materialfortegnelse). Laboratoriet chow for høy-fett og kontroll dietter inneholdt samme mengde protein og mikronæringsstoffer. Karbohydrat- og fettinnholdet i diettene ble modifisert for å gi en sikker metode for å indusere fedme i forsøksgruppen (se tabell 1).
Den 8 ukers fedmeinduksjonsperioden som ble brukt i denne studien, ble modellert basert på tidligere forskning som viste signifikante endringer i vekt etter levering av kommersiell laboratoriechow bestående av 45% kcal fra fett (4,7 kcal / g), som representerer makronæringsfordelingen som finnes i det typiske vestlige kostholdet23. I tillegg har tidligere studier vist effektiviteten av en 8 ukers HIIT-protokoll for å påvirke matinntaket7,8, fettprofiler 18,23 og muskeløkning 18. Resultatene av protokollen beskrevet i denne studien var i samsvar med tidligere studier som rapporterte at HIIT påvirker appetittregulering, samt sammensetningsendringer i fett og muskelmasse.
En fordel med denne protokollen er at den maksimerer intensiteten av treningstreningen hos dyrene og opprettholder maksimal innsats gjennom hele protokollen. Etter hvert som dyrene kontinuerlig lærer å bruke tredemøllen dyktig og få treningsgevinster, økes tredemøllens hastighet tilsvarende i forhold til ytelsen. Videre gjør bruken av 5,0% helning det mulig for dyrene å nå maksimal intensitet i hver økt og gjennom hele protokollen raskere enn det som ville oppnås uten å bruke tilbøyelighet. Som et resultat maksimeres treningsytelsen for hver treningsøkt og i løpet av protokollen.
I løpet av studien var ett dyr ikke i stand til å fullføre den eksperimentelle protokollen på grunn av sykdom, noe som resulterte i n = 39 dyr som fullførte studien, med bare n = 9 rotter i HFD-kohorten. Denne protokollen ble opprinnelig designet for å vurdere endringer i cytokinprofiler som respons på trening og kosthold, og effektanalysen resulterte i mer enn 90% styrke for å identifisere en forskjell (p < 0,05) i det primære målcytokinet (irisin). Fremtidige studier ved bruk av denne modellen bør stole på unike effektanalyser for å bestemme passende utvalgsstørrelser.
Denne studien ble primært designet for å undersøke de fysiologiske resultatene av HIIT i en gnagermodell av diettindusert fedme og for å maksimere intensiteten av trening. Denne protokollen kunne demonstrere variasjon i ADG og adipositet som respons på diett og HIIT (figur 6 og figur 7). Fremtidige studier kan spesifikt identifisere endokrine, myokin og adipokinresponser på HIIT. Belysningen av disse mekanismene kan vise seg å være gunstig i behandling og forebygging av fedme og dens comorbiditeter.
Denne studien viste også effekten av kosthold og HIIT på fôrinntaket. Resultatene indikerte at når dyrene spiste et fettfattig kosthold, konsumerte de trente dyrene mer kalorier enn de ikke-trente dyrene. I kontrast, når dyrene spiste kontrolldietten, konsumerte de trente dyrene mindre kalorier enn de ikke-trente dyrene, og demonstrerte forskjellige appetittreguleringsresponser avhengig av diettens sammensetning. Derfor kan strategier for vekttap som bruker HIIT være mindre effektive for de som samtidig bruker et fettfattig kosthold, da de kan være mer sannsynlig å konsumere overflødige kalorier. I motsetning til dette kan balansert inntak av makronæringsstoffer under HIIT fremme lavt kaloriinntak og derfor lette vekttap. Denne modellen kan legge til rette for forskningsinnsats for å utvikle en dypere forståelse av mekanismene bak energibalanse og innsats for å utvikle effektive vekttapstrategier.
Til slutt viste denne protokollen variasjon i hjertevev blant kohortene, noe som gjenspeiler tilpasningsendringer i kroppssammensetningen som respons på kosthold og treningstrening. Disse dataene antyder at induksjon av fedme etterfulgt av HIIT kan predisponere individer for myokardhypertrofi uten ledsagende endringer i leverstørrelse. Fremtidige analyser for å bestemme mekanismene bak disse funnene kan være nyttige for å undersøke myokardial hypertrofi og metabolske forbindelser mellom fedme, HIIT og kardiovaskulær sykdom.
Protokollen beskrevet i denne studien har flere begrensninger. For det første hadde tredemøllen som ble brukt i denne studien fem baner, noe som gjorde det mulig å kjøre fem rotter på en gang. Mens denne måten å utføre protokollen på var effektiv, var det vanskelig for en enkelt forsker å ivareta hvert av dyrene samtidig. Det var anledninger da det var vanskelig for tredemølletjeneren å dele oppmerksomheten mellom de mange dyrene som trengte stimulering med børster. I fremtiden vil det være en prioritet å sikre at flere forskningspersonell er tilgjengelige for å bistå med treningsprotokollene. I tillegg har femfelts tredemøllemodellen ikke muligheten til å måle gassutveksling, og derfor kunne ikke den aerobe / anaerobe metabolismen til dyrene under protokollen vurderes. Selskapet som leverte gnagertredemøllen (se materialfortegnelse) tilbyr en tredemølle med muligheten til å måle gassutveksling, men det er en tredemølle med en kjørefelt og vil derfor kreve betydelig større tid og krefter. Denne innsatsen kan imidlertid være verdt for etterforskere som trenger å måle eller kontrollere for bestemte utfall av indirekte kalorimetri. I tillegg er det svært lite dokumentasjon tilgjengelig om hvordan sjokknettet kan påvirke treningsytelsen, noe som bør vurderes når man tolker resultatene fra denne modellen. Til slutt ble treningsprotokollen beskrevet i denne studien designet med unge kvinnelige Sprague-Dawley-rotter. Tidligere studier har vist seksuelt dimorfe effekter, spesielt når det gjelder HIIT og appetittregulering 3,7. Selv om lignende resultater er forventet, testet denne protokollen ikke dyr av forskjellige arter, aldre, kjønn eller helseutfall.
Sammenlignet med tidligere modeller viser denne protokollen en mer tidseffektiv metode for å evaluere en rekke utfallsvariabler. For eksempel var denne protokollen i stand til å identifisere interaksjoner mellom HIIT og appetittregulering i en protokoll som involverte fire treningsøkter per uke i 8 uker, sammenlignet med tidligere studier som involverte fem treningsøkter per uke i 8 uker24 eller til og med 12 ukers trening8. I tillegg tillot denne studiedesignen analyse av en rekke helsemarkører, for eksempel treningsdata, markører for appetittregulering og kroppssammensetning. Disse markørene, samt hjertetilpasningene til treningstrening, representerer lovende måter å evaluere treningstilpasningene til kardiovaskulærsystemet også. Målinger av endotelfunksjon, muskelfibertypesammensetning og hjertemyocythypertrofi kan lett legges til for å fremme forståelsen av disse treningsinduserte tilpasningene. Videre inkluderte denne protokollen ytelsesbaserte eskaleringer i intensitet. Denne utformingen tillot maksimering av treningsresultatene og sørget for at rottene ikke tilpasset seg treningsmiljøet og nærmet seg en kontinuerlig treningsmodell med moderat intensitet mot slutten av intervensjonen. Dette er vist i figur 2; Spesielt var sprinthastighetene til disse dyrene mer enn dobbelt så høye hastigheter som ble oppnådd i tidligere publikasjoner, som fortsatte å demonstrere mange kardiovaskulære, skjelettmuskulatur og termoregulatoriske tilpasninger i samsvar med HIIT-intervensjoner25.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gjerne takke Michael Pankey, Chris Butler og WVSOM-personalet for deres hjelp i dyrepleie og datainnsamling.
Commercial laboratory chow for control diet | Research Diets Inc., New Brunswick, NJ | D12450H | |
Commercial laboratory chow for high-fat diet | Research Diets Inc., New Brunswick, NJ | D12451 | |
GraphPad Prism software | GraphPad Software Inc., San Diego, CA | ||
Precision Electronic Digital Scale | Ohaus Corporation, Pine Brook, NJ | V11P30 | |
Rodent treadmill | Panlab, Barcelona, Spain | ||
Sprague Dawley rats | Charles River, Durham, NC | ||
Table top anesthesia machine | VetEquip Inc., Livermore, CA | V0557 |