تدريب متقطع مزمن عالي الكثافة ونموذج السمنة الناجم عن النظام الغذائي لزيادة جهد التمرين إلى أقصى حد وإحداث تغييرات فسيولوجية في الفئران

Summary

تقدم هذه الورقة الاستجابات المورفومترية ونتائج أداء التدريب لبروتوكول التدريب المتقطع عالي الكثافة (HIIT) في نموذج فأر Sprague-Dawley للسمنة التي يسببها النظام الغذائي. كان الغرض من هذا البروتوكول هو زيادة شدة التمرين وتحديد الاستجابات الفسيولوجية ل HIIT في الفئران الخالية من الدهون والسمنة.

Abstract

بالمقارنة مع التدريب المستمر المعتدل أو منخفض الكثافة ، فإن التدريب المتقطع عالي الكثافة (HIIT) هو طريقة بديلة أكثر كفاءة من حيث الوقت تؤدي إلى فوائد فسيولوجية مماثلة. تقدم هذه الورقة بروتوكول HIIT الذي يمكن استخدامه لتقييم العلامات الصحية المختلفة في نموذج الفئران Sprague-Dawley للسمنة التي يسببها النظام الغذائي. تم تعيين إناث فئران Sprague Dawley التي تبلغ من العمر 21 يوما بشكل عشوائي إلى المجموعات التالية: التحكم (CON ، n = 10) ، والتدريب على التمارين الرياضية (TRN ، n = 10) ، والنظام الغذائي عالي الدهون (HFD ، n = 10) ، والتدريب على النظام الغذائي / التمرين عالي الدهون (HFD / TRN ، n = 10). تألفت الوجبات الغذائية الضابطة من تشاو المختبر التجاري مع 10٪ سعر حراري (كيلو كالوري) من الدهون (3.82 كيلو كالوري / جم) ، وتألفت الوجبات الغذائية عالية الدهون (HFD) من 45٪ كيلو كالوري من الدهون (4.7 كيلو كالوري / جم). كان لدى الحيوانات إمكانية الوصول إلى نظامها الغذائي المخصص طوال فترة الدراسة. بعد فترة تحريض النظام الغذائي لمدة 8 أسابيع ، أكملت مجموعات التمرين أربع جلسات HIIT في الأسبوع لمدة 8 أسابيع. تألفت كل جلسة HIIT من 10 فترات من 1 دقيقة من العدو / 2 دقيقة راحة باستخدام جهاز المشي القوارض مع حزام يحركه المحرك. بعد 8 أسابيع من التدريب ، تم التضحية بالحيوانات لجمع الأنسجة. كشفت النتائج عن عدم وجود فروق في مسافة الجري بين مجموعات TRN و HFD / TRN ، وزادت سرعة التدريب بشكل مطرد خلال مدة الدراسة ، مع سرعة تشغيل نهائية تبلغ 115 سم / ثانية و 111 سم / ثانية لمجموعات TRN و HFD / TRN ، على التوالي. انخفض المدخول الأسبوعي من السعرات الحرارية (p < 0.05) في مجموعة TRN بالنسبة لمجموعة CON ولكنه زاد (p < 0.05) في مجموعة HFD / TRN بالنسبة لمجموعة HFD. أخيرا ، كان لدى الحيوانات الموجودة على HFD سمنة أكبر (p < 0.05) ، وخفضت الحيوانات المدربة (p < 0.05) السمنة بالنسبة إلى الضوابط. يوضح هذا البروتوكول طريقة فعالة لتقييم آثار HIIT على النتائج الفسيولوجية المختلفة في نموذج السمنة الناجم عن النظام الغذائي.

Introduction

لا تزال السمنة والحالات المرضية المصاحبة ، مثل أمراض القلب والأوعية الدموية وأمراض التمثيل الغذائي والسرطان ، من أخطر النتائج الصحية وأكثرها تكلفة ويمكن الوقاية منها. في الوقت الحالي، يصنف أكثر من ثلث البالغين في الولايات المتحدة وأكثر من 1.6 مليار بالغ في جميع أنحاء العالم على أنهم يعانون من السمنة المفرطة وفقا لمؤشر كتلة الجسم (مؤشر كتلة الجسم؛ يعرف بأنه الوزن بالكيلوجرام مقسوما على مربع الطول بالأمتار)¹. السمنة كمرض تنتج عن الاستعداد الوراثي ، والتعرض البيئي ، وانهيار الآليات العادية التي تنظم استهلاك الطاقة وإنفاق الطاقة²_. مع استمرار ارتفاع التكاليف البشرية والمالية لوباء السمنة ، كان هناك تركيز مكثف على محاولة فهم الآليات التي ينطوي عليها توازن الطاقة وآثار النظام الغذائي وممارسة الرياضة في مكافحة الأمراض الأيضية.

أظهرت الدراسات السابقة أن التعرض للأنظمة الغذائية المستساغة للغاية والكثيفة الطاقة يحفز الإفراط في تناول الطعام في نماذج الفئران³. يؤدي الوصول إلى الوجبات الغذائية المستساغة للغاية إلى زيادة الوزن المفرطة نتيجة لزيادة السعرات الحرارية⁴. وقد أظهرت الدراسات أيضا أن ممارسة الرياضة يمكن أن تعدل الشهية وتحسن حساسية إشارات الشبع لدى الأفراد الذين يعانون من السمنة^{المفرطة 5}. من الناحية النظرية ، يتم التوسط في هذا الاسترداد لحساسية إشارات الشبع مع التمرين جزئيا من خلال تأثير التدريب على التمرين على تفاعل الأنسجة المركزية والمحيطية مع اللبتين ، وهو هرمون تنظيمي رئيسي مشتق من الخلايا الشحمية يثبط الشهية ويحفز إنفاق الطاقة⁵. في حين أن هذه الدراسات قد بحثت في مجموعة متنوعة من بروتوكولات التمرين ، لا يوجد إجماع واضح على التدخل المتفوق ^6,7. هناك بعض الأدلة التي تشير إلى أن التدريب المتقطع عالي الكثافة (HIIT) ، والذي يتضمن دفعات متكررة من التمارين الشاقة المتشابكة مع فترات التعافي ، قد يحسن تنظيم الشهية أكثر من أشكال التمارين الأخرى ، مثل التدريب المستمر المعتدل الشدة (MICT) ، أو التدريب المستمر شديد الشدة ، أو النشاط البدني الطوعي⁸. ومع ذلك ، هناك فجوات في المعرفة المحيطة بتقاطع التدريب المتقطع عالي الكثافة والنظام الغذائي وتنظيم الشهية.

أظهرت الدراسات السابقة أيضا أن التمرين هو وسيط قوي للأمراض المصاحبة المرتبطة بعدم النشاط ، لا سيما من منظور التغيرات في العضلات والأنسجة الدهنية⁹،^10،11_. يفترض أن هذه التغييرات التركيبية تؤدي إلى تعزيز حالة مضادة للالتهابات قد تكون مسؤولة عن تحسين مخاطر المرض التي تظهر مع التمرين¹². تم افتراض الميوكينات ، وهي السيتوكينات والبروتينات الصغيرة الأخرى وببتيدات البروتيوغليكان المنبعثة من العضلات الهيكلية أثناء تقلصات العضلات على أنها تعمل على تخفيف النتائج المضادة للالتهابات المرتبطة بالنشاط البدني. في المقابل ، ثبت أن الأديبوكينات ، وهي جزيئات إشارات الخلية التي تنتجها الأنسجة الدهنية ، تلعب في المقام الأول دورا أكثر ضررا وتساهم في تعزيز الحالة الالتهابية¹³،¹⁴،^15،16. في حين أن هناك أدلة مهمة تثبت أن التعديلات التركيبية التي شوهدت مع MICT تعزز النتائج الصحية الإيجابية ، فقد تم القيام بعمل أقل لتقييم الفوائد المحتملة ل HIIT^{1 7,18}.

أخيرا ، أمراض القلب والأوعية الدموية راسخة باعتبارها السبب الرئيسي للمراضة لدى البشر وترتبط ارتباطا وثيقا بالسمنة والنظام الغذائي والنشاط البدني¹. يوفر هذا البروتوكول طريقة فعالة لتدريب القوارض لتقييم آثار تدريب القلب والأوعية الدموية على العديد من الأنظمة. على وجه الخصوص ، تضخم القلب هو تكيف ملحوظ يحدث مع ممارسة القلب والأوعية الدموية. يسمح هذا التضخم بانقباضات قلبية أكثر قوة وتوصيل الدم والأكسجين إلى الأنسجة التي تمارس الرياضة. تشير الأبحاث السابقة إلى أن التمارين عالية الكثافة من المرجح أن تحفز تضخم القلب أكثر من التمارين متوسطة الشدة¹⁹.

يساعد هذا البروتوكول في سد الثغرات في الأدبيات من خلال توفير نهج لفحص آثار HIIT على تنظيم الشهية ، والتغيرات التركيبية (وبالتالي ، تغيرات الميوكين والأديبوكين) ، وتكيفات القلب والأوعية الدموية في نموذج الفئران للسمنة التي يسببها النظام الغذائي. علاوة على ذلك ، فإن الزيادات القائمة على الأداء في الشدة تزيد من نتائج التدريب وتضمن عدم تكيف الحيوانات مع تدريب التمرين وتقترب من شدة معتدلة لاحقا في بروتوكول التدريب.

الهدف العام من هذه الطريقة هو تعظيم جهد التمرين وتحديد التغيرات المظهرية في فئران Sprague-Dawley استجابة ل HIIT ، والسمنة التي يسببها النظام الغذائي ، وتفاعل هذه المحفزات. هذا البروتوكول فريد من نوعه مقارنة بالتقنيات الأخرى نظرا لقدرته على تعظيم الجهد طوال فترة التدريب ، حتى مع زيادة مستويات المهارة واللياقة البدنية للفئران. كما يسمح بالتحليل المتزامن للتمرين والسمنة ، بدلا من التركيز فقط على أحدهما أو الآخر. على وجه التحديد ، تهدف هذه الدراسة إلى اختبار الفرضيات التالية. (1) قد تزيد سرعات التمرين طوال فترة التدريب ، وقد تكون المسافة التي تقطعها الفئران في مجموعة TRN أكبر منها في مجموعة HFD / TRN²⁰. (2) قد يكون متوسط السعرات الحرارية الأسبوعية للفئران المدربة أكبر من الضوابط ، وقد يكون هذا واضحا في كل مجموعة من مجموعات النظام الغذائي²¹. (3) قد يكون متوسط الكسب اليومي في الكتلة أكبر في الفئران الضابطة من الفئران التي تمارس ، وقد يكون للفئران الضابطة كتلة دهون أعلى عند التضحية²¹. (4) قد تكون كتلة القلب والكبد أكبر في فئران HFD / TRN مقابل فئران TRN¹⁹.

Protocol

اتبعت جميع الإجراءات الموضحة في هذه الدراسة دليل رعاية واستخدام المختبر ، الطبعة 8. تمت الموافقة على التصميم التجريبي من قبل مكتب البحوث والبرامج التي ترعاها (ORSP) في إطار اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات (IACUC) 2019-5 في كلية ويست فرجينيا لطب تقويم العظام. ارجع إلى جدول المواد والجدول 1 للحصول على تفاصيل إضافية حول جميع المواد المستخدمة في هذا البروتوكول. يتم عرض مخطط عام للجدول الزمني للبروتوكول في الشكل 1.

1. التصميم التجريبي

1. استخدم 40 أنثى من فأر Sprague-Dawley يبلغ من العمر 21 يوما من مصدر تجاري (انظر جدول المواد).
2. استخدم معدات الحماية المناسبة عند التعامل مع الحيوانات وفقا لإرشادات IACUC. تشمل تدابير السلامة هذه ، على سبيل المثال لا الحصر ، ارتداء قفازات معقمة تستخدم مرة واحدة ، ومعطف مختبر ، وأغطية أحذية ، وما إلى ذلك.
3. وزن كل ، وحساب المتوسط والخطأ المعياري للمتوسط للتأكد من أن المجموعات لا تختلف في الوزن. إذا اختلفت المجموعات ، فقم بمطابقة المجموعات لوزن الجسم عن طريق إعادة توزيع الأفراد الأثقل في المجموعات الأخف والأفراد الأخف وزنا في المجموعات الأثقل.
4. قسم الحيوانات عشوائيا إلى أربع مجموعات: التحكم (CON ، n = 10) ، والتحكم في النظام الغذائي / التمرين (TRN ، n = 10) ، والنظام الغذائي / التحكم عالي الدهون (HFD ، n = 10) ، والنظام الغذائي عالي الدهون / التدريب على التمرين (HFD / TRN ، n = 10).
5. إيواء الفئران في أقفاص فردية (واحد لكل قفص) في بيئة خاضعة للرقابة (12 ساعة دورات الضوء / الظلام ، 21 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية ، 60٪ ± 10٪ رطوبة) ، وفطم جميع الفئران إلى نظام غذائي للتحكم في تناول الطعام المختبري الذي تم شراؤه تجاريا (انظر جدول المواد) لفترة تأقلم لمدة أسبوع واحد. تزويد كل قفص بأجهزة التخصيب (المأوى ، والقضم ، ومواد التعشيش).
   ملاحظة: يتكون النظام الغذائي CON من طعام المختبر الذي يتم شراؤه تجاريا (انظر جدول المواد والجدول 1 للحصول على تفاصيل إضافية) مع 10٪ سعر حراري من الدهون (3.82 كيلو كالوري / جم).
6. السماح بالوصول إلى الطعام والماء طوال التجربة.
7. بعد فترة التأقلم لمدة أسبوع 1 ، ابدأ فترة النظام الغذائي لمدة 8 أسابيع من خلال تزويد مجموعات HFD و HFD / TRN ب HFD chow. يتكون HFD chow (انظر جدول المواد والجدول 1 للحصول على تفاصيل إضافية) من 45٪ سعرة حرارية من الدهون (4.7 كيلو كالوري / جم) ، وهو ما يمثل انهيار المغذيات الكبيرة الموجودة في نظام غذائي غربي نموذجي. تأكد من استمرار حصول جميع الحيوانات على الطعام والماء.
   1. في بداية كل أسبوع ، قم بوزن وتسجيل كتلة تشاو المعطاة لكل. استخدم 140 غرام من تشاو لإطعام كل لمدة أسبوع كامل.
   2. لوزن التشاو، ضع وعاء وزن على ميزان رقمي إلكتروني دقيق (انظر جدول المواد)، وقم بلف الميزان بالضغط على الزر "فارغ". ضع 140 جم من تشاو في قارب الوزن، وسجل الوزن (جم) من الميزان. هذا هو الوزن "قبل".
   3. ضع الطعام في حوض العلف في قفص سكن كل على حدة.
   4. إذا بدأ في النفاد عند تناول الطعام ، فقم بوزن مخصصات إضافية (20 جم لكل يوم متبقي) ، وأضف هذا الطعام إلى صينية الطعام. سجل مقدار الطعام الإضافي الذي يتم إعطاؤه لكل. قد يلزم إضافة الوزن فوق الطعام في القادوس للسماح بسهولة أكبر في الاستهلاك إذا كانت الحيوانات تكافح من أجل استهلاك الكريات (كما يتضح من الكريات المستديرة في القادوس).
8. في نهاية كل أسبوع ، قم بوزن الطعام المتبقي لكل. يجب أن يكون لكل بقايا طعام للتأكد من قدرته على تناول الطعام الإعلاني. باستخدام نفس المقياس ، سجل الطعام المتبقي. هذا هو الوزن "بعد".
9. اطرح الوزن "بعد" من "الوزن السابق" لكل على حدة لتسجيل كمية الطعام (جم) في الأسبوع.
10. بعد فترة تحريض النظام الغذائي لمدة 8 أسابيع ، ابدأ بروتوكول تدريب HIIT للفئران في TRN و HFD / TRN. يتكون هذا من نظام HIIT لمدة 8 أسابيع مع جلسات تدريبية كل أسبوع أيام الاثنين والثلاثاء والخميس والجمعة (انظر "بروتوكول تدريب HIIT" أدناه) بين الساعة 08:00 صباحا و 10:00 صباحا. تأكد من أن جميع الحيوانات لديها إمكانية الوصول إلى الأنظمة الغذائية التجريبية المخصصة لها في جميع أنحاء البروتوكول.
    ملاحظة: لا يوجد توحيد للبروتوكول بين المجموعات ، حيث تم تصميم هذا البروتوكول لزيادة أداء كل مجموعة إلى أقصى حد ، وقد تختلف كل مجموعة (بسبب الأنماط الظاهرية التي يسببها النظام الغذائي).
11. القتل الرحيم للفئران بعد 48 ساعة من جلسة التمرين الأخيرة عن طريق حصاد الأنسجة الحيوية بعد تحريض التخدير باستخدام الإيزوفلوران المستنشق (5٪).
    1. ابدأ بالتأكد من وجود كمية كافية من الأكسجين والأيزوفلوران في النظام للحث على التخدير. افتح خزان الأكسجين عن طريق تدوير الصمام الرئيسي (عادة أعلى الخزان) عكس اتجاه عقارب الساعة. قد يكون أو لا يكون هناك صمام منظم يحتاج إلى فتحه على خزان الأكسجين أيضا ، اعتمادا على حجم خزان الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك ، تحقق من أن أنبوب العادم مؤمن بشكل صحيح وأن علبة التجميع ليست زائدة الوزن.
    2. قم بوزن العلبة قبل الاستخدام ، ولاحظ التاريخ والوزن على جانب العلبة. تحقق للتأكد من أن المحبس مفتوح لغرفة الحث وأن المحبس إلى مخروط الأنف مغلق.
    3. للحث على التخدير ، ضع الحيوان في غرفة الحث ، وأغلق الغرفة عن طريق تأمين أجهزة القفل. اضبط الأيزوفلوران على 5٪ عن طريق الضغط على قفل الأمان وتدوير القرص عكس اتجاه عقارب الساعة.
    4. بعد ذلك ، أدر القرص عند قاعدة مقياس تدفق الأكسجين عكس اتجاه عقارب الساعة حتى يقرأ العداد بين 1.5-2 لتر / دقيقة.
    5. بعد 1-2 دقيقة ، عندما لم يعد الحيوان واعيا ، قم بإيقاف تشغيل isoflurane عن طريق تدوير القرص في اتجاه عقارب الساعة مع الضغط على قفل الأمان. اغسل غرفة الحث بالأكسجين عن طريق الضغط على صمام إطلاق الأكسجين لمدة 3-5 ثوان. فتح غرفة التعريفي ، وإزالة الحيوان اللاواعي.
    6. ضع الحيوان الفاقد للوعي على ظهره ، وقم بتأمين مخروط الأنف لتقديم مزيد من التخدير. افتح المحبس لتوصيل قناع الوجه ، وأغلق محبس لغرفة الحث. قم بتوصيل 5٪ إيزوفلوران مع أكسجين 100٪ للتخدير عبر قناع الوجه حتى تغيب ردود فعل الدواسة.
       1. تحقق من ردود فعل الدواسة عن طريق تطبيق ضغط معسر على أصابع الحيوان المخدر والبحث عن استجابة منعكسة.
12. التضحية بالحيوان وفقا للطرق المعتمدة من IACUC (والتي قد تختلف حسب الدراسة) ، وتشريح الأنسجة المستهدفة بعناية للقياس والتحليل الإضافي (الأنسجة الدهنية تحت الجلد ، الأنسجة الدهنية المحيطة بالكلى ، العضلات الهيكلية ، الكبد ، الغدد التناسلية ، والقلب). اعتمادا على بروتوكولات IACUC ، يمكن إكمال القتل الرحيم عن طريق قطع الرأس بالمقصلة أو عن طريق حصاد الأنسجة الحيوية (القلب).
    1. لجمع القلب ، قم بعمل شق أسفل الأضلاع ومن خلال الحجاب الحاجز.
       1. حدد موقع القلب ، وقطع الأوعية الدموية (الشريان الأورطي ، الوريد الأجوف ، الشريان الرئوي ، الوريد الرئوي) بالمقص الجراحي. أمسك القلب بالملقط ، واقطع أي نسيج ضام لتحرير القلب. العمل بسرعة ، شطف القلب بمحلول ملحي ، والتخلص من السوائل الزائدة بالشاش ، وتسجيل الوزن. إذا لزم الأمر ، افصل البطين الأيسر والبطين الأيمن والحاجز بمقص جراحي ، وقم بوزنها بشكل فردي.
       2. ضع عينات أنسجة القلب في cryovial ، وقم بتجميدها في النيتروجين السائل.
    2. بعد ذلك ، قم بعمل شق طولي أسفل البطن بمشرط وشقين جانبيين من المنطقة السرية إلى الجانب الجانبي للحيوان للسماح بالوصول إلى أعضاء البطن.
       1. باستخدام ملقط ومقص جراحي ، قم بإزالة أي أعضاء ذات أهمية.
          ملاحظة: في هذه الدراسة ، تم جمع الكبد والأنسجة الدهنية الحشوية (البطنية) والبنكرياس و gastrocnemius. تمت إزالة الأنسجة الدهنية البطنية في قسم واحد أو قسمين كبيرين عن طريق تقليم النسيج الضام برفق حول الأعضاء وجدار تجويف الجسم. لم يتم جمع الدهون تحت الجلد ، على غرار الطرق السابقة²²_.
       2. بالنسبة للأعضاء ، بعد الإزالة ، ضعها في وعاء وزن نظيف على مقياس قطران. سجل الوزن (جم) ، وضع العينات في cryovials للتجميد السريع.
    3. بالنسبة للساق ، قم بعمل شقين أسفل الجوانب الجانبية لأسفل الساق وواحد أفقيا عبر وتر العرقوب.
       1. قطع أو تمزيق النسيج الضام الذي يربط الجلد بالعضلات لكشف الساق. قطع وتر العرقوب بمقص جراحي أقرب ما يمكن إلى العضلات ، والاستيلاء على gastrocnemius مع ملقط.
       2. اتبع gastrocnemius إلى نقطة الاتصال العليا ، وقم بعمل قطع مماثل لتحرير العضلات.
       3. قم بوزن العينة على قارب وزن نظيف وقطراني ، وضعها في cryovial ، وقم بتجميدها في النيتروجين السائل.
13. ضع على الفور أي عينات أنسجة أخرى تم جمعها في cryovials ، وقم بتجميدها في النيتروجين السائل ، وتخزينها في درجة حرارة -80 درجة مئوية. يمكن حفظ هذه الأنسجة للتحليلات المخبرية المستقبلية مثل تفاعل البوليميراز المتسلسل أو اللطخة الغربية أو طرق أخرى وفقا لأهداف البحث.

2. بروتوكول تدريب HIIT

1. لبدء جلسة تدريبية ، قم بتشغيل جهاز المشي (انظر جدول المواد) عن طريق قلب مفتاح الطاقة في الجزء الخلفي من وحدة التحكم.
2. اضبط صدمة جهاز المشي على 0.00 مللي أمبير عن طريق تدوير القرص على وحدة التحكم عكس اتجاه عقارب الساعة حتى تقرأ الشاشة 0.00 مللي أمبير.
3. اضبط ميل جهاز المشي على 5.0٪ عن طريق فك صامولة القفل في الجزء السفلي من جهاز المشي وضبط المنحدر على الدرجة الأولى. أعد إحكام ربط صامولة القفل لتأمين ميل جهاز المشي في هذا الوضع.
4. دعم جسم الحيوان بيد واحدة ، أمسك بلطف قاعدة الذيل باليد الأخرى وضع الحيوان في ممر فردي على جهاز المشي.
5. كرر العملية حتى يشغل فأر من نفس المجموعة جميع الممرات الفردية الخمسة على جهاز المشي.
6. اضبط سرعة جهاز المشي على 45 سم / ثانية عن طريق تدوير قرص السرعة في اتجاه عقارب الساعة حتى تقرأ الشاشة 45 سم / ثانية. اضغط على زر إيقاف / تشغيل لبدء تشغيل جهاز المشي ، واتركه يعمل لمدة 5 دقائق. اضغط على زر إيقاف / تشغيل مرة أخرى لإيقاف جهاز المشي بعد 5 دقائق. لا يتم استخدام أي صدمة كهربائية خلال هذا الوقت.
   ملاحظة: قد تحتاج الحيوانات إلى التشجيع باستخدام فرش ذات شعيرات صلبة للبقاء خارج شبكة الصدمات خلال المراحل المبكرة من البروتوكول لتسهيل تعلمها لكيفية استخدام جهاز المشي.
7. في نهاية 5 دقائق ، اترك 2 دقيقة راحة قبل بدء فترة التدريب. أدر القرص على وحدة التحكم في اتجاه عقارب الساعة حتى تقرأ الشاشة سرعة البدء المقابلة لنوبة التدريب. استخدم سرعة تشغيل أولية للجلسة الأولى تبلغ 55 سم / ثانية. بالنسبة للسباق الأول من كل يوم تدريب جديد ، استخدم سرعة بدء أبطأ بمقدار 4 سم / ثانية من أعلى سرعة تم تحقيقها في اليوم السابق.
   1. ابدأ تشغيل جهاز المشي بالضغط على زر البدء ، واجعل الحيوانات تعمل حتى تقرأ الشاشة 1:00 (1 دقيقة) ، ثم أوقف جهاز المشي بالضغط على زر إيقاف / تشغيل مرة أخرى.
   2. حرك الحيوانات بالفرش لتشجيع الحركة الأمامية إذا وصل الحيوان إلى شبكة الصدمات (الموجودة في الجزء الخلفي من جهاز المشي). إذا فشل أي لكل مجموعة تدريب في الاستجابة للفرش أكثر من مرتين في كل نوبة تدريب ، فقم بتشغيل شبكة الصدمات إلى 2.0 مللي أمبير لبقية الجلسة.
8. بعد العدو ، دع الحيوانات ترتاح لمدة 2 دقيقة. في نهاية فترة الراحة لمدة 2 دقيقة ، ابدأ العدو التالي عن طريق بدء تشغيل جهاز المشي بالضغط على زر إيقاف / تشغيل في وحدة التحكم. يتم تحديد التفاصيل المتعلقة بسرعة جهاز المشي أدناه.
   1. قم بزيادة السرعة بمقدار 4 سم / ثانية لفترة العدو التالية من السرعة السابقة المستخدمة إذا أكملت جميع الحيوانات الخمسة داخل الفوج فترة العدو دون الحاجة إلى الدافع (التشجيع بفرشاة ذات شعيرات صلبة أو لمس شبكة الصدمات أكثر من خمس مرات) لفترة سباق كاملة 1 دقيقة. يتم زيادة السرعة عن طريق تدوير مقبض السرعة على وحدة التحكم في اتجاه عقارب الساعة.
   2. استخدم نفس سرعة الفاصل الزمني مثل الفاصل الزمني السابق إذا تم استخدام الفرش لتشجيع الجري أو إذا لمس أي شبكة الصدمات أكثر من خمس مرات في سباق واحد لمدة 1 دقيقة.
   3. قلل السرعة للفترة التالية بمقدار 4 سم / ثانية إذا كان الحيوان يكافح بشكل مفرط خلال فترة العدو (أكثر من 20 ثانية من الوقت المتراكم على شبكة الصدمات).
      ملاحظة: في تجربتنا ، تمكنت 100٪ من الحيوانات من إكمال الجري المطلوب. ومع ذلك ، قد تحتاج الحيوانات إلى إزالتها من الدراسة وفقا لتقدير الباحث إذا أظهرت عدم رغبتها في الجري أو تعرضت لصدمات مفرطة.
   4. سجل السرعة والمسافة لكل مباراة.
9. كرر العملية لما مجموعه 10 نوبات تدريب HIIT كل يوم تدريب. تتكون كل مباراة تدريبية من 1 دقيقة من الجري عالي الكثافة تليها 2 دقيقة من الراحة.
10. في نهاية الجلسة التدريبية ، قم بإزالة كل من جهاز المشي ، وضعه في قفصه الفردي.
11. لكل يوم جديد من التدريب ، تبدأ سرعة الجري الأولية للمباراة الأولى عند 4 سم / ثانية أبطأ من أسرع سرعة تم الحصول عليها في تمرين اليوم السابق ، بحد أدنى 55 سم / ثانية.

3. التحليل الإحصائي

1. الإبلاغ عن القياسات الشكلية ومقاييس النتائج الأخرى كوسيلة وأخطاء قياسية.
2. تحديد الاختلافات بين المجموعات في برنامج التحليل (انظر جدول المواد) باستخدام نموذج التأثيرات المختلطة الذي يسمح بإجراء مقارنات متعددة.
   ملاحظة: تم تنفيذ تصحيح Šidák لمراعاة المقارنات المتعددة. ونفذ نموذج للتدابير المتكررة عند الاقتضاء. تم تحديد فروق ذات دلالة إحصائية بواسطة p < 0.05.

النتائج

يوضح الشكل 2 أن أداء التدريب زاد خلال مدة البروتوكول. كانت سرعات التشغيل النهائية لمجموعات TRN و HFD / TRN 115 سم / ثانية و 111 سم / ثانية على التوالي. لم تختلف مسافة الجري الإجمالية بين الاختلافات بين مجموعات TRN و HFD / TRN (الشكل 3).

كان متوسط تناول العلف الأسبوعي للحيوانات في النظام الغذائي الشاهد أعلى (p < 0.0001) من أولئك الذين يتبعون نظاما غذائيا عالي الدهون (103 جم / أسبوع ± 1.0 جم / أسبوع مقابل 91 جم / أسبوع ± 1.0 جم / أسبوع ، على التوالي). كما كان متوسط المدخول الأسبوعي من العلف أكبر (p < 0.001) في المجموعات المدربة منه في المجموعات غير المدربة (98 جم / أسبوع ± 1.3 جم / أسبوع مقابل 92.2 جم / أسبوع ± 1.0 جم / أسبوع ، على التوالي). عند النظر إلى التفاعلات ، لم تختلف مجموعات CON مقابل TRN عن بعضها البعض ولكن كان لديها مدخول أسبوعي أكبر (p < 0.05) من مجموعة HFD / TRN ، التي أكلت أكثر (p < 0.05) من مجموعة HFD (الشكل 4). عند ترجمة تناول العلف إلى تناول السعرات الحرارية ، كان لدى الحيوانات التي تتبع نظاما غذائيا عالي الدهون كمية أعلى من السعرات الحرارية (p < 0.0001) من تلك التي تتبع نظاما غذائيا ضابطا (430 سعرة حرارية / أسبوع ± 4.6 كيلو كالوري / أسبوع مقابل 396 سعرة حرارية / أسبوع ± 3.7 كيلو كالوري / أسبوع ، على التوالي). أدى ذلك إلى اختلافات (p < 0.05) في تناول السعرات الحرارية الأسبوعية بين المجموعات الأربع ، حيث أظهرت مجموعة HFD / TRN أكبر كمية أسبوعية من السعرات الحرارية ، تليها مجموعات HFD و CON و TRN بالتتابع (الشكل 5).

لم يختلف وزن الجسم بين المجموعات حتى الأسبوع 8 من فترة التغذية ، عندما وصلت مجموعات HFD و HFD / TRN إلى كتلة أكبر (p < 0.05) من مجموعات CON و TRN (293 جم ± 10.1 جم و 298 جم ± 13.1 جم مقابل 270 جم ± 8.6 جم و 264 جم ± 6.8 جم على التوالي). ظلت مجموعات HFD و HFD / TRN أثقل (p < 0.05) من مجموعات CON و TRN لبقية الدراسة (حيث وصلت إلى 332 جم ± 14.4 جم و 347 جم ± 16.3 جم و 304 جم ± 10.3 جم و 304 جم ± 10.1 جم لمجموعات HFD و HFD / TRN و CON و TRN ، على التوالي). كان متوسط الكسب اليومي (ADG ) أكبر (p < 0.05) في الحيوانات المدربة مقابل الحيوانات غير المدربة على جزء التمرين من الدراسة (0.8 جم / يوم ± 0.11 جم / يوم مقابل 0.5 جم / يوم ± 0.09 جم / يوم ، على التوالي) ، ولم تكن هناك فروق في ADG بين مجموعات CON مقابل HFD خلال هذه الفترة. وقد أدى ذلك معا إلى زيادة (p < 0.05) ADG في مجموعة HFD / TRN مقارنة بمجموعة HFD وعدم وجود فروق بين مجموعتي CON و TRN (الشكل 6) خلال فترة التدريب. ومع ذلك ، فإن فترة التدريب التي تبلغ 8 أسابيع لم تحدث فرقا في الوزن بين مجموعات HFD / TRN و HFD (347 جم ± 16.3 جم مقابل 331.5 جم ± 14.4 جم ، على التوالي).

بعد الانتهاء من بروتوكول التدريب ، كشف استرجاع الأنسجة أن الحيوانات على HFD لديها سمنة حشوية أكبر (p < 0.05) من مجموعة CON (25 جم ± 2.1 جم مقابل 19 جم ± 1.5 جم ، على التوالي) ، والحيوانات المدربة على التمرين قد خفضت (p < 0.05) السمنة الحشوية بالنسبة للحيوانات الضابطة (21 جم ± 2.4 جم مقابل 25 جم ± 2.1 جم ، على التوالي). كان لدى مجموعة HFD سمنة حشوية أكبر (p < 0.05) من مجموعات TRN و HFD / TRN (الشكل 7). كانت كتلة القلب أكبر في مجموعة HFD / TRN منها في مجموعات CON و TRN و HFD (p < 0.05 ؛ 1.3 g ± 0.2 g مقابل 1.1 g ± 0.1 g ، 1.1 g ± 0.1 g ، و 1.0 g ± 0.1 g ، على التوالي). لم تكن هناك فروق في كتلة الكبد بين المجموعات. لم يتم تحديد أي اختلافات في كتلة أي أعضاء أو أنسجة أخرى.

الشكل 1: الجدول الزمني لبروتوكول الدراسة حسب عمر الحيوان بالأيام. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: سرعة HIIT طوال بروتوكول التدريب لحيوانات TRN و HFD / TRN حسب الجلسة. تم إجراء HIIT في أربعة أيام مختلفة كل أسبوع لمدة 8 أسابيع ، مما أدى إلى 32 جلسة تدريبية. يتم عرض متوسط البيانات لكل تمرين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: متوسط المسافة المقطوعة لكل سباق في مجموعات TRN و HFD / TRN طوال بروتوكول التدريب. تم إجراء HIIT في أربعة أيام مختلفة كل أسبوع لمدة 8 أسابيع ، مما أدى إلى 32 جلسة تدريبية. يتم تقديم البيانات كمتوسط ± SEM. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: متوسط المدخول الأسبوعي من العلف لمجموعات CON و TRN و HFD و HFD / TRN. يتم تقديم البيانات كمتوسط ± خطأ معياري للمتوسط (SEM). ^{أ ، ب ، ج}الوسائل ذات الحروف المختلفة تختلف (ص < 0.05). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: المدخول الأسبوعي من السعرات الحرارية من مجموعات CON و TRN و HFD و HFD / TRN. يتم تقديم البيانات كمتوسط ± SEM. ^{أ ، ب ، ج ، د}تختلف الوسائل ذات الأحرف المختلفة (p < 0.05). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: متوسط زيادة الوزن اليومية في مجموعات CON و TRN و HFD و HFD / TRN. يتم عرض البيانات كمتوسط ± SEM. ^{أ ، ب}تختلف المجموعات ذات الأحرف المختلفة (p < 0.05). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: متوسط كتلة الدهون الحشوية عند التشريح. يتم عرض البيانات كمتوسط ± SEM. ^{أ ، ب}تختلف المجموعات ذات الأحرف المختلفة (p < 0.05). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1: تركيبات الوجبات الغذائية المستخدمة في البروتوكول. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

Discussion

يوفر هذا البروتوكول طريقة فعالة لفحص آثار HIIT على العديد من العلامات الصحية في نموذج السمنة الناجم عن النظام الغذائي. يعتمد الإجراء على الدراسات السابقة للسماح بطريقة أكثر كفاءة من حيث الوقت لفحص متغيرات النتائج المتعددة ، مثل متغيرات التدريب على التمرين ، وعلامات تنظيم الشهية ، والتحليلات الغازية لتكوين الجسم³،⁷،⁸،¹⁸،^23،24_. كان محتوى النظام الغذائي ومدته وبروتوكول التدخل في التمرين متسقا مع المنشورات السابقة^23،24_. في هذه الدراسة ، تم شراء الطعام المختبري المتاح تجاريا (انظر جدول المواد). احتوى المختبر المختبري للوجبات الغذائية عالية الدهون والتحكم على نفس الكمية من البروتين والمغذيات الدقيقة. تم تعديل محتوى الكربوهيدرات والدهون في الوجبات الغذائية لتوفير طريقة آمنة للحث على السمنة في المجموعة التجريبية (انظر الجدول 1).

تم تصميم فترة تحريض السمنة لمدة 8 أسابيع المستخدمة في الدراسة الحالية بناء على الأبحاث السابقة التي أظهرت تغيرات كبيرة في الوزن بعد توفير المختبر التجاري الذي يتكون من 45٪ سعرة حرارية من الدهون (4.7 كيلو كالوري / جم) ، وهو ما يمثل انهيار المغذيات الكبيرة الموجودة في النظام الغذائي الغربي النموذجي²³. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الدراسات السابقة فعالية بروتوكول HIIT لمدة 8 أسابيع في التأثير على تناول الطعام ^7,8 ، والملامح الدهنية ^18,23 ، واكتساب العضلات ¹⁸. كانت نتائج البروتوكول الموصوف في هذه الدراسة متسقة مع الدراسات السابقة التي تفيد بأن HIIT يؤثر على تنظيم الشهية ، وكذلك التغيرات التركيبية في السمنة وكتلة العضلات.

من فوائد هذا البروتوكول أنه يزيد من كثافة التدريب على التمرين في الحيوانات ويحافظ على أقصى جهد في جميع أنحاء البروتوكول. نظرا لأن الحيوانات تتعلم باستمرار كيفية استخدام جهاز المشي بكفاءة وتحقيق مكاسب في اللياقة البدنية ، تزداد سرعة جهاز المشي وفقا لأدائها. علاوة على ذلك ، فإن استخدام الميل بنسبة 5.0٪ يسمح للحيوانات بالوصول إلى أقصى كثافة في كل جلسة وطوال البروتوكول بسرعة أكبر مما يمكن تحقيقه دون استخدام الميل. نتيجة لذلك ، يتم تعظيم أداء التمرين لكل تمرين وطوال مدة البروتوكول.

خلال الدراسة ، لم يتمكن واحد من إكمال البروتوكول التجريبي بسبب المرض ، مما أدى إلى n = 39 حيوانا أكمل الدراسة ، مع n = 9 فئران فقط في مجموعة HFD. تم تصميم هذا البروتوكول في البداية لتقييم التغيرات في ملامح السيتوكين استجابة لممارسة الرياضة والنظام الغذائي ، وأدى تحليل الطاقة إلى زيادة القدرة على 90٪ لتحديد الفرق (p < 0.05) في السيتوكين المستهدف الأساسي (irisin). يجب أن تعتمد الدراسات المستقبلية التي تستخدم هذا النموذج على تحليلات الطاقة الفريدة لتحديد أحجام العينات المناسبة.

تم تصميم هذه الدراسة في المقام الأول لفحص النتائج الفسيولوجية ل HIIT في نموذج القوارض للسمنة التي يسببها النظام الغذائي ولزيادة شدة التمرين. كان هذا البروتوكول قادرا على إظهار الاختلاف في ADG والسمنة استجابة للنظام الغذائي و HIIT (الشكل 6 والشكل 7). يمكن أن تحدد الدراسات المستقبلية على وجه التحديد استجابات الغدد الصماء والميوكين والأديبوكين ل HIIT. قد يكون توضيح هذه الآليات مفيدا في علاج السمنة والوقاية منها والأمراض المصاحبة لها.

أظهرت هذه الدراسة أيضا تأثير النظام الغذائي و HIIT على تناول الأعلاف. أشارت النتائج إلى أنه عندما استهلكت الحيوانات نظاما غذائيا عالي الدهون ، استهلكت الحيوانات المدربة سعرات حرارية أكثر من الحيوانات غير المدربة. في المقابل ، عندما تناولت الحيوانات النظام الغذائي الضابط ، استهلكت الحيوانات المدربة سعرات حرارية أقل من الحيوانات غير المدربة ، مما يدل على استجابات مختلفة لتنظيم الشهية اعتمادا على تكوين النظام الغذائي. لذلك ، قد تكون استراتيجيات فقدان الوزن التي تستخدم HIIT أقل فعالية بالنسبة لأولئك الذين يستهلكون نظاما غذائيا عالي الدهون في وقت واحد ، حيث قد يكونون أكثر عرضة لاستهلاك السعرات الحرارية الزائدة. في المقابل ، قد يؤدي تناول المغذيات الكبيرة المتوازنة أثناء HIIT إلى تعزيز تناول السعرات الحرارية المنخفضة ، وبالتالي تسهيل فقدان الوزن. يمكن أن يسهل هذا النموذج الجهود البحثية لتطوير فهم أعمق للآليات الكامنة وراء توازن الطاقة والجهود المبذولة لتطوير استراتيجيات فعالة لفقدان الوزن.

أخيرا ، أظهر هذا البروتوكول تباينا في أنسجة القلب بين الأفواج ، مما يعكس التغيرات التكيفية في تكوين الجسم استجابة للنظام الغذائي والتدريب على ممارسة الرياضة. تشير هذه البيانات إلى أن تحريض السمنة متبوعا ب HIIT قد يهيئ الأفراد لتضخم عضلة القلب دون أي تغييرات مصحوبة في حجم الكبد. يمكن أن تكون التحليلات المستقبلية لتحديد الآليات الكامنة وراء هذه النتائج مفيدة للتحقيق في تضخم عضلة القلب والروابط الأيضية بين السمنة و HIIT وأمراض القلب والأوعية الدموية.

يحتوي البروتوكول الموصوف في هذه الدراسة على العديد من القيود. أولا ، كان لجهاز المشي المستخدم في هذه الدراسة خمسة ممرات ، مما سمح بتشغيل خمسة فئران في وقت واحد. في حين أن هذه الطريقة في تنفيذ البروتوكول كانت فعالة ، كان من الصعب على باحث واحد الاهتمام بكل في وقت واحد. كانت هناك مناسبات كان من الصعب فيها على مضيف جهاز المشي تقسيم انتباههم بين الحيوانات المتعددة التي تحتاج إلى التحفيز بفرش ذات شعيرات. في المستقبل ، سيكون ضمان توفر المزيد من موظفي البحث للمساعدة في بروتوكولات التدريب أولوية. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمتلك نموذج جهاز المشي المكون من خمسة حارات القدرة على قياس تبادل الغازات ، وبالتالي ، لا يمكن تقييم التمثيل الغذائي الهوائي / اللاهوائي للحيوانات أثناء البروتوكول. تقدم الشركة التي قدمت جهاز المشي للقوارض (انظر جدول المواد) جهاز مشي لديه القدرة على قياس تبادل الغازات ، ولكنه جهاز مشي أحادي المسار ، وبالتالي ، سيتطلب وقتا وجهدا أكبر بكثير. ومع ذلك ، قد يكون هذا الجهد مفيدا للمحققين الذين يحتاجون إلى قياس أو التحكم في نتائج محددة للقياس الحراري غير المباشر. بالإضافة إلى ذلك ، هناك القليل جدا من الأدلة المتاحة فيما يتعلق بكيفية تأثير شبكة الصدمات على أداء التمرين ، والتي يجب مراعاتها عند تفسير النتائج من هذا النموذج. أخيرا ، تم تصميم بروتوكول التمرين الموصوف في هذه الدراسة مع إناث الفئران الصغيرة Sprague-Dawley. أظهرت الدراسات السابقة تأثيرات ثنائية الشكل جنسيا ، خاصة فيما يتعلق ب HIIT وتنظيم الشهية ^3,7. على الرغم من توقع نتائج مماثلة ، إلا أن هذا البروتوكول لم يختبر الحيوانات من مختلف الأنواع أو الأعمار أو الأجناس أو النتائج الصحية.

بالمقارنة مع النماذج السابقة ، يوضح هذا البروتوكول طريقة أكثر كفاءة من حيث الوقت لتقييم مجموعة من متغيرات النتائج. على سبيل المثال ، كان هذا البروتوكول قادرا على تحديد التفاعلات بين HIIT وتنظيم الشهية في بروتوكول تضمن أربع جلسات تدريبية في الأسبوع لمدة 8 أسابيع ، مقارنة بالدراسات السابقة التي تضمنت خمس جلسات تدريبية في الأسبوع لمدة 8 أسابيع²⁴ أو حتى 12 أسبوعا من التدريب⁸. بالإضافة إلى ذلك ، سمح تصميم الدراسة هذا بتحليل مجموعة متنوعة من العلامات الصحية ، مثل بيانات التمرين ، وعلامات تنظيم الشهية ، وتكوين الجسم. تمثل هذه العلامات ، بالإضافة إلى تكيفات القلب لممارسة التدريب ، وسائل واعدة لتقييم تكيفات التدريب لنظام القلب والأوعية الدموية أيضا. يمكن بسهولة إضافة مقاييس الوظيفة البطانية ، وتكوين نوع الألياف العضلية ، وتضخم الخلايا العضلية القلبية لزيادة فهم هذه التكيفات التي يسببها التمرين. علاوة على ذلك ، تضمن هذا البروتوكول تصعيدات على أساس الأداء في شدتها. سمح هذا التصميم بتعظيم نتائج التدريب وتأكد من أن الفئران لم تتكيف مع بيئة التمرين وتقترب من نموذج التدريب المستمر المعتدل الشدة في نهاية التدخل. هذا موضح في الشكل 2 ؛ على وجه التحديد ، كانت سرعات العدو لهذه الحيوانات أكثر من ضعف السرعات التي تحققت في المنشورات السابقة ، والتي استمرت في إظهار العديد من تكيفات القلب والأوعية الدموية والهيكل العظمي والتنظيم الحراري بما يتفق مع تدخلات HIIT²⁵.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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