Cómo llegar a Cumplimiento en el ejercicio forzado en roedores: Un estándar crítico para evaluar el impacto del ejercicio en los trastornos relacionados con el envejecimiento y la enfermedad de
Summary
Exercise may alleviate behavioral impairments associated with neurodegenerative diseases. Studies of the mechanisms underlying exercise-mediated effects have increased in disease models, but the neurobiological background accompanying these diseases, specifically aging, is likely not considered. Here, we illustrate measures to increase the likelihood of a successful exercise paradigm in aged rats.
Abstract
Hay un aumento importante de la conciencia del impacto positivo del ejercicio en la mejora de varios estados de la enfermedad con base neurobiológica; estos incluyen la mejora de la función cognitiva y el rendimiento físico. Como resultado, hay un aumento en el número de estudios en animales que emplean ejercicio. Se argumenta que un valor intrínseco de ejercicio forzado es que el investigador tiene control sobre los factores que pueden influir en el impacto del ejercicio sobre los resultados conductuales, especialmente ejercer la frecuencia, duración e intensidad de la rutina de ejercicios. Sin embargo, el cumplimiento de los regímenes de ejercicio forzado puede ser un problema, especialmente si los posibles factores de confusión de emplear pies de choque deben ser evitados. También es importante tener en cuenta que, dado que la mayoría de las alteraciones cognitivas y del aparato locomotor huelga en el individuo de edad, determinar el impacto del ejercicio sobre estas deficiencias deberían considerar el uso de roedores de edad con un nivel más alto posible de cumplimiento para asegurar una necesidad mínima de prueba DoBJECTS. Aquí, las gestiones pertinentes y las consideraciones necesarias para alcanzar casi el 100% de cumplimiento de ejercicio en cinta rodante en un modelo de roedor de edad serán presentados y discutidos. No obstante el régimen de ejercicio particular, debe emplearse por el investigador, el protocolo debería ser de utilidad para los investigadores que están particularmente interesados en el impacto potencial de ejercicio forzado sobre deficiencias relacionadas con el envejecimiento, incluyendo relacionados con el envejecimiento de Parkinson y la enfermedad de Parkinson.
Introduction
Las estrategias de estilo de vida no invasivas que pueden prevenir o mitigar las deficiencias de la cognición y la locomoción, tanto a menudo asociados con el envejecimiento, están ganando tracción como prácticas viables para mantener la salud y el bienestar de 1,2. Por ejemplo, ejercicio moderado a riguroso sobre una base semanal y consistente en los hombres de mediana edad puede aumentar significativamente la capacidad del aparato locomotor en comparación con sus compañeros de edad similar con el avance de los 3 años. Además, el aumento de la evidencia sugiere que estas estrategias de estilo de vida, como el ejercicio, pueden mitigar o incluso deficiencias asociadas con enfermedades neurodegenerativas tales como la enfermedad de Parkinson (PD) 4 revertir.
Los esfuerzos por comprender los mecanismos moleculares de las deficiencias relacionadas con el envejecimiento también se han dirigido hacia la identificación de cómo las estrategias no invasivas, como el ejercicio, revertir o atenuar los mecanismos que contribuyen a tales impedimentos. Ejercicios de rutina es una de esas stratEGY está empleando cada vez más en modelos de PD 5-7 y deterioro cognitivo 1, en el que los mecanismos detrás de las mejoras en la locomotora o la función cognitiva todavía están siendo determinados. Sin embargo, es importante señalar que el envejecimiento es el trasfondo neurobiológico de la EP. Por lo tanto, para cualquier traducción potencial de cualquier beneficio del ejercicio en un modelo animal que se dio cuenta de la condición humana que debe tener en cuenta el trasfondo neurobiológico del envejecimiento. Por ejemplo, los mecanismos de compensación que evitar el deterioro del aparato locomotor durante la progresión de la EP podría verse afectada por el proceso de envejecimiento 8. Por lo tanto, es lógico pensar que los paradigmas de ejercicio deben ser desarrollados que no sólo tienen en cuenta el impacto del envejecimiento en la presencia o ausencia de patología de la enfermedad, sino que también podrían ser iniciado y mantenido en roedores envejecidos.
Por lo tanto, en consideración del envejecimiento sobre el fondo neurobiológico, la selección de la cepa de ratadebe ser cuidadosamente consideradas por el investigador. Varias cepas de ratas están disponibles para estudios de envejecimiento, en particular la Fischer 344 y el Brown-Noruega / Fischer 344 F 1 (BNF) híbrido. La rata Sprague Dawley comúnmente utilizado (una cepa outbred) también es susceptible para tal uso, ya que se utiliza comúnmente en modelos de enfermedades neurodegenerativas, tales como el modelo PD 6-hidroxidopamina. Nuestro laboratorio utiliza cepas tanto el Sprague Dawley y el BNF en el envejecimiento y el trabajo enfermedad neurodegenerativa. En este informe, vamos a presentar los resultados que destacan nuestros protocolos de ejercicio con las dos cepas. Para los investigadores se centraron únicamente en los estudios relacionados con la edad, la cepa BNF ofrece algunas ventajas importantes. En primer lugar, es relativamente menos vulnerables a los trastornos relacionados con el envejecimiento (como tumores) y tiene una longevidad excepcional (vida típica superior a 30 meses) en comparación con otras cepas. También tienen menos variabilidad en una variedad de resultados fisiológicos y de comportamiento 9, unad también son adecuados para investigar enfoques que intervienen en el proceso de envejecimiento. Además, los experimentos como el ejercicio forzado exigen un manejo considerable por el investigador, y la gentil disposición de la cepa BNF es ventajosa. Cambios relacionados con el envejecimiento en el contenido de dopamina del tejido estriatal y el mesencéfalo, así como los cambios de la actividad locomotora son similares en ratas y primates 10-11 BNF. Nuestro laboratorio también cuenta con una amplia experiencia en la caracterización y la manipulación del cuerpo estriado y la señalización de la dopamina del cerebro medio, así como la actividad locomotora en la cepa BNF 12-16. Por lo tanto, debido a que el riesgo de otras enfermedades de base neurobiológica-aumenta con la edad, los modelos animales de la enfermedad neurodegenerativa deberían considerar el uso de cepas de roedores con un extenso historial de uso en estudios de envejecimiento.
Nuestro protocolo de este documento también se abordan algunas cuestiones críticas que el investigador debe tener en cuenta en la interpretación de sus resultados obtained a partir de un protocolo de ejercicio. El aparato de cinta de roedores (el uso de los cuales vamos a destacar en este informe), es típicamente equipado con bobinas de choque eléctrico en la parte posterior de cada carril de la cinta que se puede desactivar. Sin embargo, cuando se activan estas bobinas de choque eléctrico, una pequeña descarga en las patas se entrega al sujeto como que entra en contacto con las bobinas. Esta estrategia se emplea a menudo en estudios de ejercicio para facilitar el cumplimiento de ejercicio en cinta rodante. Este es un punto crítico para su consideración, en particular para los investigadores involucrados en los estudios de comportamiento que están influenciados por la dopamina o norepinefrina-señalización. Estímulo eléctrico eléctrico es un factor de estrés fisiológico, y su impacto en los sistemas de neurotransmisores está bien documentada, con un aumento de la activación de la tirosina hidroxilasa 17-18. Por lo tanto, el aumento de la biosíntesis de cualquiera de neurotransmisor podría confundir la interpretación de cualquier efecto del ejercicio, por lo que el investigador responsable de interpretar si algunocambio observado en el comportamiento después del ejercicio se debe estrictamente al régimen de ejercicio o el estrés descarga en las patas. Es importante destacar que, el régimen de ejercicio forzado propuesto no emplea el uso de descarga en las patas en cualquier punto de la cinta de correr o de aclimatación ejercer períodos de formación.
El éxito de los regímenes de ejercicio también requieren el máximo cumplimiento de ejercer de los sujetos de prueba. El empleo de descarga en las patas con el fin de lograr el cumplimiento podría confundir la interpretación de los resultados experimentales cuando la medida dependiente está relacionada con la señalización de neurotransmisores que está influenciado por descarga en las patas (como se discutió previamente). Por lo tanto, el reto es conseguir que los roedores, y en particular los roedores de edad, para cumplir con un régimen de ejercicio. Una meta deseable de cualquier régimen de ejercicio es alcanzar casi el 100% de cumplimiento, ya que esto reducirá el número de animales necesarios para completar el régimen de ejercicios. En concreto, el máximo cumplimiento de ejercer y la interpretación de los resultados régimen de ejercicio puede be obtenido en nuestro régimen de ejercicio como resultado de varios procedimientos de pre-ejercicio que incluyen, 1) un ciclo de luz-oscuridad inversa que permite a los animales hacer ejercicio durante su paso ciclo activo (), 2) asegurar las líneas de base de rendimiento del aparato locomotor son iguales antes de la segregación de grupos de control y de ejercicio, y 3) la introducción de los sujetos de prueba a un período de aclimatación que les introduce gradualmente a los requisitos del régimen de ejercicio. Aquí, las consideraciones experimentales antes mencionadas y los pasos necesarios para alcanzar casi el 100% de cumplimiento de ejercicio en cinta rodante en un roedor edad (> 18 meses de edad) serán evaluados y presentados. Por último, el medio ambiente asociados con el ejercicio puede ser estresante, y como tal, presente potencial confunde para determinar los efectos fisiológicos específicos para hacer ejercicio. Nuestro protocolo también controla la exposición al posible entorno de inducción de estrés de la cinta incluyendo el grupo de no ejercicio en todos los aspectos de la fase de aclimatación (incluyendo modest caminadora en ejecución) y colocarlos en la caminadora estacionaria durante el entrenamiento de ejercicios de rutina. Por lo tanto, este protocolo tiene como objetivo describir las medidas necesarias para determinar el impacto fisiológico del ejercicio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hay pruebas que sugieren que las estrategias de estilo de vida, como el ejercicio, puede reducir el riesgo de enfermedades relacionadas con la edad crónicas y sus síntomas cardinales, incluyendo los de las enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer y PD 20. El beneficio del ejercicio forzado en una cinta, en lugar de ejercicio voluntario en una rueda para correr, es que el investigador puede determinar la frecuencia, la velocidad y / o intensidad de ejercicio, y la duración de la sesi?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La financiación de este trabajo fue proporcionado en parte por una beca de investigación concedida a MF Salvatore, del Instituto Nacional sobre el Envejecimiento (AG040261). Los autores también desean agradecer a Victoria Fields por su ayuda con los experimentos de comportamiento asociados con el trabajo presentado y Mackenzie Orchard por su ayuda con la construcción del antirretorno para la cinta de correr.
Materials
| Table of Specific Materials/Equipment | |||||
| Name of Material/Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description | ||
| Exer-4 Treadmill for Rats | Columbus Instruments | 96157-2 | Columbus has a variety of treadmills for animals with varying numbers of lanes, and other options such as metabolic measurements | ||
| Animal Activity Meter: Opto-Varimex 4-Auto Track | Columbus Instruments | 0170-R4 | Columbus has several options for activity chambers with varying arena sizes, beam spacing, and sensors | ||
References
- Erickson, K. I., et al. Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108 (7), 3017-3022 (2011).
- Zigmond, M. J., Cameron, J. L., Hoffer, B. J., Smeyne, R. J. Neurorestoration by physical exercise: Moving forward. Parkinsonis., and Related Dis. 18 (S1), S147-S150 (2012).
- Savela, S. L., et al. Physical activity at midlife and health-related quality of life in older men. Arch. Intern. Med. 170 (13), 1171-1172 (2010).
- Ridgel, A. L., Vitek, J. L., Alberts, J. L. Forced, not voluntary, exercise improves motor function in Parkinson’s disease patients. Neurorehabil. Neural Repair. 23 (6), 600-608 (2009).
- Demirel, H. A., Serova, L., Sabban, E. L., Broxson, C. S., Powers, S. K. Gene expression of catecholamine biosynthetic enzymes following exercise: modulation by age. Neuroscience. 103 (3), 703-711 (2001).
- Petzinger, G. M., et al. Effects of treadmill exercise on dopaminergic transmission in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-lesioned mouse model of basal ganglia injury. J. Neurosci. 27 (20), 5291-5300 (2007).
- Yoon, M. C., et al. Treadmill exercise suppresses nigrostriatal dopaminergic neuronal loss in 6-hydroxydopamine-induced Parkinson’s rats. Neurosci. Lett. 423 (1), 12-17 (2007).
- Collier, T. J., et al. Aging-related changes in the nigrostriatal dopamine system and the response to MPTP in nonhuman primates: Diminished compensatory mechanisms as a prelude to parkinsonism. Neurobiol. Dis. 26 (1), 56-65 (2007).
- Phelan, J. P., Austad, S. N. Selecting animal models of human aging: inbred strains often exhibit less biological uniformity than F1 hybrids. J. Gerontol. 49 (1), B1-B11 (1994).
- Yurek, D. M., Hipkens, S. B., Hebert, M. A., Gash, D. M., Gerhardt, G. A. Age-related decline in striatal dopamine release and motoric function in brown Norway/Fischer 344 hybrid rats. Brain Res. 791 (1-2), 246-256 (1998).
- Spangler, E. L., Waggie, K. S., Hengemihle, J., Roberts, D., Hess, B., Ingram, D. K. Behavioral assessment of aging in male Fischer 344 and brown Norway rats strains and their F1 hybrid. Neurobiol. Aging. 15 (3), 319-328 (1994).
- Salvatore, M. F., Pruett, B. S., Spann, S. L., Dempsey, C. Aging reveals a role for nigral tyrosine hydroxylase ser31 phosphorylation in locomotor activity generation. PLoS One. 4 (1), (2009).
- Pruett, B. S., Salvatore, M. F. GFR α-1 receptor expression in the aging nigrostriatal and mesoaccumbens pathways. J. Neurochem. 115 (3), 707-715 (2010).
- Salvatore, M. F., Pruett, B. S., Dempsey, C., Fields, V. Comprehensive profiling of dopamine regulation in substantia nigra and ventral tegmental area. J. Vis. Exp. (66), e4171 (2012).
- Salvatore, M. F., Pruett, B. S. Dichotomy of tyrosine hydroxylase and dopamine regulation between somatodendritic and terminal field areas of nigrostriatal and mesoaccumbens pathways. PLoS One. 7 (1), e29867 (2012).
- Pruett, B. S., Salvatore, M. F. Nigral GFR α-1 infusion in aged rats increases locomotor activity, nigral tyrosine hydroxylase, and dopamine content in synchronicity. Mol. Neurobiol. 47 (3), 988-999 (2013).
- Abercrombie, E. D., Zigmond, M. J., Bloom, ,. F. .. E., Kupfer, D. .. J. Chapter 31: Modification of central categcholaminergic systems by stress and injury: Functional significance and clinical implications. Psychopharmacology: The Fourth Generation of Progress. 31, 355-361 (1995).
- Ong, , et al. Neurobiological consequences of acute footshock stress; effects on tyrosine hydroxylase phosphorylation and activation in the rat brain and adrenal medulla. J. Neurochem. , (2013).
- Al-Jarrah, M., et al. Endurance exercise promotes cardiorespiratory rehabilitation without neurorestoration in the chronic mouse model of parkinsonism with severe neurodegeneration. J. Neurosci. 149 (1), 28-37 (2007).
- Dishman, R. K., et al. Neurobiology of exercise. Obesity. 14 (3), 345-356 (2006).
