累积高强度间歇训练方案：一种研究 Wistar 大鼠健康标志物的新方法

摘要

在这里，我们提出了累积的高强度间歇训练 （HIIT） 协议，这可能是比传统 HIIT 协议更可行和更省时的策略。

摘要

高强度间歇训练 （HIIT） 和累积锻炼是两种节省时间的计划，旨在改善人类和动物模型的健康状况。然而，迄今为止，还没有研究表明以累积方式进行的 HIIT 在改善健康标志物方面是否与每天单次进行的传统 HIIT 一样有效。本文介绍了一种新的 HIIT 方案，称为累积 HIIT，对年轻 Wistar 大鼠的体重增加、最大耗氧量 （VO₂max） 和心脏肥大的影响。

将 60 日龄雄性 Wistar 大鼠分为三组：未经训练 （UN;n = 16）、HIIT 每日单次训练 （1-HIIT;n = 16） 和每日 3 次 HIIT 训练 （3-HIIT;n = 16）。在训练期前后记录体重和 VO₂max。VO₂max 测量值是使用代谢分析仪在最大跑步速度 （Vmax） 下进行的。两个 HIIT 组在 8 周内每周 5 天进行训练，每周运动强度进展相同 （85-100% Vmax）。1-HIIT 组每天进行一次训练（6 次，每次 1 分钟，穿插 1 分钟的被动恢复）。3-HIIT 组每天进行 3 次训练（2 次，每次 1 分钟，穿插 1 分钟的被动恢复，两次比赛之间间隔 4 小时）。在最后一次 VO₂max 测试后，对大鼠实施安乐死，并收获它们的心脏并称重。

结果表明，3-HIIT 在防止体重增加、提高 VO₂max 和诱导心脏肥大方面具有与 1-HIIT 相似的有益作用。这些发现首次揭示了累积的 HIIT 方案对年轻 Wistar 大鼠健康标志物的疗效。这种新的 HIIT 协议可能比传统的 HIIT 协议更可行，因为在这种新方法中，锻炼可以在一天中分成非常短的会话。

引言

久坐不动的生活方式是非传染性慢性病发展的主要风险因素之一¹。然而，即使有确凿的证据证明运动对健康的多种有益影响，全球人口的很大一部分仍然久坐不动 ^2,3。定期进行体育锻炼对心脏代谢 ^4,5 和心理健康 ^6,7,8,9 有许多积极影响。最近，提出了不同的省时体育锻炼项目¹⁰（application order program），如HIIT¹¹和累积锻炼¹²（cumulative exercise），以提高体育锻炼的依从性并改善健康。

HIIT 是一种省时的方法，其特点是短时间的高强度体育锻炼，中间穿插低强度的体育锻炼（主动恢复）或休息（被动恢复）⁴。几项研究表明，HIIT 与传统的长时间中等强度连续训练 （MICT） 具有相似甚至更好的健康影响，其优点是其练习者的依从性更高 ^4,12,13。累积运动也被提议作为一种运动方式，以提高依从性和改善健康。在这种方法中，低到中等强度的锻炼可以在一天内分成两次或多次短时间锻炼（例如，每天两次或三次，每次 5-10 分钟）¹⁴。Costa Pereira 等人¹⁴ 表明，累积运动方案（每天 3 次，两次间隔 4 小时，每次 10-20 分钟，以最大容量的 50-60%，每周 5 天，在 8 周内）与传统 MICT 相比，对年轻 Wistar 大鼠的健康标志物具有更大的积极影响（相同的运动方案，但每天一次 30-60 分钟）。

然而，迄今为止，研究主要集中在以短时间的中低强度进行累积运动的生理后果。因此，缺乏证据来证明以累积方式进行的 HIIT（即全天进行多次短时间的高强度运动）在改善健康的生理标志物方面是否与每天单次进行的传统 HIIT 一样有效。

我们决定使用受控的实验室大鼠来克服对具有不同日常身体活动和食物摄入量的自由生活个体的研究方法学陷阱。此外，使用实验动物使研究人员能够进行侵入性分析（例如，肌肉和心脏活检），这在人类研究中是困难的，甚至是不可能的。

我们假设，如果大鼠使用累积的 HIIT 方案（每天进行 3 次短训练）进行锻炼，它们可能会改善心肺健康，类似于使用传统 HIIT 训练方案（每天进行一次）锻炼的大鼠。因此，本研究旨在调查和比较每日单次训练的 HIIT 与每天进行三次较短训练的 HIIT 对 Wistar 大鼠 VO₂max 和心脏肥大的影响。

研究方案

本研究中使用的所有程序均遵循与 ARRIVE 指南一致的“实验动物护理原则”，并得到 Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri 伦理和动物使用委员会的批准（UFVJM 协议编号 031/2016）。有关本协议中使用的所有材料的详细信息，请参阅 材料表 。

1. 实验设计

1. 使用 48 只雄性、60 天龄的 Wistar 大鼠，平均重 250 克。
2. 将大鼠随机分为三组：未经训练（UN;n = 16）;HIIT 每天进行一次 （1-HIIT;n = 16）;和 HIIT 每天进行 3 次 （3-HIIT;n = 16）。
3. 将大鼠饲养在受控环境（22-23°C，50% 湿度）中的单个笼子中，采用倒置的 12 小时：12 小时明暗循环（下午 6：00 开灯），可免费获得标准实验室食品颗粒和水。
4. 在开始运动训练方案前一周让大鼠熟悉跑步机。
5. 在训练方案前 48 小时和训练后 48 小时使用精密电子数字体重秤对大鼠进行称重。
6. 在 HIIT 方案初始化前 48 小时，训练第^{4 周结束时}（调整跑步速度）和 HIIT 方案后 48 小时，对所有组的大鼠进行 VO₂max 测试。
7. 在最后一次 VO₂max 测试后 24 小时，通过腹腔注射 400 IU 肝素对大鼠实施安乐死，并取出并称重心脏和左心室（参见步骤 5）。

2. 熟悉跑步机设备

1. 将跑步机的倾斜度设置为 0°（平坦）。
2. 打开跑步机。
3. 将跑步机旋钮调整到 6 m/min 的速度。
4. 将跑步机电击开关调整至 0.25 mA。
5. 抓住动物的尾巴，在上午 8：00 将其放在跑步机上 10 分钟。
6. 连续 5 天重复此过程。

3. VO₂max 测试

1. 软件调整（图 1）
   1. 打开 Metabolism 软件。
   2. 单击 file 打开新记录。
   3. 在 kind of cages （笼子的种类 ） 参数中，选择 Treadmill （跑步机），1 个笼子，然后在 switch time （切换时间） 中选择 2 （min）。
   4. 在 实验中，选择 oxymetry | new。
   5. 按 on 输入编号标识和动物的体重。标识项目数据。转到跑步机控制器并设置测试参数。
      1. 以 5 m/min 的速度开始测试。
      2. 将跑步机电击开关调整至 0.25 mA。按 start（开始）。
   6. 单击 接受。
   7. 合上跑步机的亚克力盖板。
   8. 输入校准气体参考值。
      注：气体参考值为 0 mmHg （CO₂） 和 20 mmHg （O₂）。这些值由制造商指示。
   9. 等待 10 分钟。
2. 测试
   1. 打开跑步机。
   2. 将跑步机旋钮调整到 3 m/min 的速度。
   3. 将跑步机电击开关调整至 0.25 mA。
   4. 将跑步机的倾斜度设置为 0°（平坦）。
   5. 抓住动物的尾巴，将其放在跑步机上，然后关闭跑步机的亚克力盖。
   6. 每 2 分钟将跑步机速度提高 3 m/min，直到筋疲力尽（当动物在 1 分钟内接触海湾底部 5 次时确定）。
   7. 将动物从跑步机上移出，放入笼子里。
   8. 记录动物达到的最大速度 （Vmax）。
      注意：对于 VO₂max 计算，软件计算动物在 Vmax 下吸入的 O₂ 和呼出的 CO₂ 之间的差异，并根据每只大鼠的个体体重进行最终计算。

4. HIIT 协议（图 2）

1. 打开跑步机。
2. 将跑步机旋钮调整到 50% Vmax（热身）的速度。
3. 将跑步机电击开关调整至 0.25 mA。
4. 将跑步机的倾斜度设置为 0°（平坦）。
5. 抓住动物的尾巴，将其放在跑步机上 3 分钟。
6. 将动物从跑步机上移出，并将跑步机旋钮调整到每周的相应速度（第 1 周：85% Vmax;第 2-3 周：90% Vmax;第 4-5 周：95% Vmax;第 6-8 周：100% Vmax）。
7. 将动物放在跑步机上 1 分钟。
   1. 确保两个 HIIT 组每周锻炼 5 天，持续 8 周：1-HIIT 组必须每天进行一次 6 次 1 分钟的训练，中间穿插 1 分钟的被动恢复，3-HIIT 组必须进行 3 次较短的每日训练，每次 2 次，每次 1 分钟，穿插 1 分钟的被动恢复，两次发作之间间隔 4 小时。
   2. 对于 3-HIIT 组，在上午 8：00、中午 12：00 和下午 4：00 进行训练。
   3. 将 1-HIIT 组分成三组，作为 3-HIIT 组在同一时间（即上午 8：00、中午 12：00 和下午 4：00）开始训练，以消除任何可能的昼夜节律对运动训练适应的影响。
   4. 确保 UN 小组每周一天以 10 m/min 的速度在 HIIT 小组锻炼的同一个房间里以 10 分钟的速度在跑步机上进行。
8. 将动物从跑步机上移出，并将其放入笼子中 1 分钟（被动恢复）。

5. 安乐死和心脏体重记录

1. 腹腔注射 400 IU 肝素后，用断头台斩首对大鼠实施安乐死。
2. 小心打开大鼠的胸部，取出心脏，用生理盐水洗涤，称重，分离左心室并称重。
3. 将动物的尸体丢弃在适当的冰箱中。

6. 统计分析

1. 将所有数据表示为平均值±标准差。
2. 使用 Shapiro-Wilk 检验检查数据的正态性。
3. 使用单向或双向方差分析分析数据，然后进行 Tukey 事后检验;将显著性水平设置为 5%。

结果

图 3 显示了 1-HIIT 和 3-HIIT 方案对 VO₂max（图 3A）、体重（图 3B）和食物摄入量（图 3C）的影响。在训练方案之前，所有组都表现出相似的 VO₂max（UN：52.19 ± 5.27;1-HIIT：48.32 ± 3.92;3-HIIT：51.24 ± 5.84 mL O 2.kg-1. ^min-1）、体重（UN：242.62 ± 15.89;1-HIIT：259.06 ± 13.90;3-HIIT：251.43 ± 13.84 g）和食物摄入量（UN：118.26 ± 9.94;1-HIIT：116.51 ± 3.86;3-HIIT： 119.01 ± 9.02 克/天）。训练期后，只有 HIIT 组表现出 VO₂max 的增加（UN：49.73 ± 3.13;1-HIIT：67.39 ± 4.22;3-HIIT：67.23 ± 2.86 mL O 2.kg-1。^min-1;训练前与训练后：UN，P = 0.99;1-HIIT，P = 0.001;3-HIIT，P = 0.001），证实了训练方案的有效性。训练期后，所有组均显示体重增加;然而，与 UN 相比，两个 HIIT 组的体重都较低（UN：384.37 ± 27.25;1-HIIT：349.31 ± 14.49;3-HIIT：341.68 ± 23.78 克;UN 与 1-HIIT，P = 0.022;UN与3-HIIT，P = 0.001），尽管食物摄入量相似（UN：124.34±3.70;1-HIIT：122.09±8.68;3-HIIT：122.09±5.40克/天）。

图 4 显示了 1 和 3-HIIT 方案对心脏肥大的影响。与 UN 组相比，两种 HIIT 方案都诱导了心脏肥大，如心脏/体重增加所示（UN：3.59 ± 0.24 vs. 1-HIIT：4.82 ± 0.34 vs. 3-HIIT：5.01 ± 0.50 毫克/克; 图 4A;UN 与 1-HIIT，P = 0.001;UN 与 3-HIIT，P = 0.001）和左心室/体重比（UN：1.76 ± 0.22 vs. 1-HIIT：2.68 ± 0.51 vs.3-HIIT：2.85 ± 0.23 mg/g; 图 4B;UN 与 1-HIIT，P = 0.001;UN 与 3-HIIT，P = 0.001）。

图 1：VO₂max 测试的软件调整。 （A） 新实验的记录。（B） 动物数据。（C） 气体校准。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2：HIIT 协议示意图。 （A） 1-HIIT 和 （B） 3-HIIT 协议。简称：HIIT = 高强度间歇训练;1-HIIT = 每天进行一次 HIIT;3-HIIT = 每天进行 3 次短训练的 HIIT。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3：1-HIIT 和 3-HIIT 方案对健康标志物的影响。 （A） 最大 VO₂，（B） 体重，以及 （C） 食物摄入量。数据以 SD ±平均值表示;n = 16 对于三组中的每一组。单向或双因子方差分析，然后是 Tukey 检验。不同的字母表示统计差异。P < 0.05。缩写：HIIT = 高强度间歇训练;VO₂max = 最大耗氧量;pre-tr = 预训练;post-tr = 训练后;UN = 未受过训练;1-HIIT = 每天进行一次 HIIT;3-HIIT = 每天进行 3 次短训练的 HIIT。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 4：1 和 3-HIIT 方案对心脏肥大的影响。 （A） 心脏/体重比;（B） 左心室/体重比。数据以 SD ±平均值表示;n = 16 对于三组中的每一组。单向或双因子方差分析，然后是 Tukey 检验。不同的字母表示统计差异。P < 0.05。缩写：HIIT = 高强度间歇训练;UN = 未受过训练;1-HIIT = 每天进行一次 HIIT;3-HIIT = 每天进行 3 次短训练的 HIIT。 请单击此处查看此图的较大版本。

讨论

本文首次强调了累积的 HIIT 方案对大鼠的疗效。累积的 HIIT 方案在防止年轻雄性 Wistar 大鼠的体重增加、提高 VO₂max 和诱导心脏肥大方面与每天单次进行的传统 HIIT 方案一样有效。VO₂max 的改善和心脏肥大的发展是对有氧运动训练最著名的适应，是重要的健康生物标志物¹⁷。

Costa-Pereira 等人¹⁴ 对与本研究中使用的相同年龄的 Wistar 大鼠使用 MICT 方案，还发现累积运动方案（每天 3 次，两次间隔 4 小时，每次 10-20 分钟，最大容量的 50-60%，每周 5 天，持续八周）与每日单次锻炼（每日单次锻炼、 30-60 分钟/次，最大容量的 50-60%，每周 5 天，持续八周）防止体重增加和诱发心脏肥大¹⁴。Costa-Pereira 等人发现，与未训练的对照组相比，累积和每日单次 MICT 组的体重分别减少了 5.12% 和 9.85%，心脏/体重比增加了 16.22% 和 18.61%。

在这里，我们发现了使用 HIIT 的出色结果。与未训练组相比，1-HIIT 和 3-HIIT 组的体重分别减少了 9.12% 和 11.10%，VO₂max 增加了 35.51% 和 35.19%，心/体重比分别增加了 34.26% 和 39.55%。一些研究表明，传统的 HIIT 方案在增加红细胞体积、最大心输出量（主要通过心脏射血和/或收缩力）和骨骼肌线粒体密度方面优于 MICT 方案¹⁸。这些生理适应似乎解释了传统 HIIT 方案（与 MICT 方案相比）在增加有氧能力和诱导生理性心脏肥大方面的优越性。本研究和 Costa Periera 等人的研究结果¹⁴ 表明，当这些方式在一天中进行短时间运动时，可以观察到 HIIT 与 MICT 的这种优势。

这个积累的 HIIT 协议最重要的优势是它的会话仅持续 5 分钟，每天 3 次。其他优势是易于跑步机设置调整和动物处理。从 VO₂max 测试中获得最大速度后，将跑步机设置在平坦的倾斜度。根据特定训练周规定的强度，每场比赛的速度是相同的。另一个积极的方面是，在所有训练课程中，比赛次数和持续时间相同：1-HIIT 组每天进行 6 次 1 分钟的比赛，其中穿插 1 分钟的被动恢复;3-HIIT 组每天进行 3 次 2 次 1 分钟的发作，中间穿插 1 分钟的被动恢复，两次发作间隔 4 小时。最后，被动恢复的选择是另一种设施，因为在每场比赛结束后，研究人员将动物从跑步机上移出并将其放入笼子中，直到下一场比赛开始。因此，在每次锻炼开始时设置跑步机调整后，在整个锻炼期间无需额外调整。

本研究也有一些局限性。并非所有实验室都有气体分析仪来测量最大耗氧量。然而，可以通过使用不使用代谢跑步机的最大体能方案来确定运动强度处方的最大 VO₂来克服这一限制，包括之前发布的 HIIT 方案¹⁹。另一个限制是，与使用低到中等强度、连续运动的方案相比，动物更难维持跑步速度，因为在每次比赛开始时跑步速度已经很高。因此，在该累积方案中，休克的使用可能高于 MICT 方案。这需要研究人员给予更多关注，因为同时对五只或更多大鼠进行锻炼是不合适的。

最后，该体育锻炼方案是为健康的年轻 Wistar 大鼠设计的;未来的研究应使用不同年龄和健康状况的大鼠来测试该方案。此外，尽管对积累的 HIIT 方案的生理适应的完整表征超出了本研究的范围，但它值得未来的研究。综上所述，这些发现首次揭示了累积的 HIIT 方案对年轻 Wistar 大鼠运动训练生理适应的影响。这种新的 HIIT 协议可能比传统的 HIIT 协议更可行的策略，因为在这种新方法中，锻炼可以在一天中分成非常短的会话。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
GraphPad Software	GraphPad Prism 7.0: version 7.00 for Mac OS X, GraphPad Software, San Diego, CA, USA	N/A	Statistical program
Metabolic analyzer	Oxyleptro, Harvard Apparatus, Spain	N/A	Metabolic analyzer
Rats	Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri	N/A	32 male Wistar rats
Treadmill	Insight	N/A	Treadmill
Weighing scale			precision electronic digital weighing scale to weigh rats