אימון אינטרוולים כרוני בעצימות גבוהה ומודל השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה כדי למקסם את מאמץ הפעילות הגופנית ולגרום לשינויים פיזיולוגיים בחולדות

Summary

מאמר זה מציג את התגובות המורפומטריות ואת תוצאות ביצועי האימון של פרוטוקול אימון אינטרוולים בעצימות גבוהה (HIIT) במודל של חולדות Sprague-Dawley של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. מטרת פרוטוקול זה הייתה למקסם את עצימות האימון ולקבוע את התגובות הפיזיולוגיות ל-HIIT בחולדות רזות והשמנות.

Abstract

בהשוואה לאימון רציף-בינוני או בעצימות נמוכה, אימון אינטרוולים בעצימות גבוהה (HIIT) הוא שיטה חלופית חסכונית יותר בזמן שמביאה ליתרונות פיזיולוגיים דומים. מאמר זה מציג פרוטוקול HIIT שניתן להשתמש בו כדי להעריך סמנים בריאותיים שונים במודל של חולדות Sprague-Dawley של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. נקבות חולדות Sprague Dawley בנות 21 ימים חולקו באופן אקראי לקבוצות הבאות: קבוצת ביקורת (CON, n = 10), אימון גופני (TRN, n = 10), דיאטה עתירת שומן (HFD, n = 10) ודיאטה עתירת שומן/אימון גופני (HFD/TRN, n = 10). דיאטות הביקורת כללו צ'או מעבדה מסחרי עם 10% קילוקלוריות (קק"ל) משומן (3.82 קק"ל/גרם), והדיאטות עתירות השומן (HFD) כללו 45% קק"ל משומן (4.7 קק"ל/גרם). לבעלי החיים הייתה גישה אד-ליביטום לתזונה שהוקצתה להם במהלך המחקר. לאחר תקופת זירוז דיאטה של 8 שבועות, קבוצות האימון השלימו ארבעה אימוני HIIT בשבוע במשך 8 שבועות. כל אימון HIIT כלל 10 אינטרוולים של ספרינטים של דקה / 2 דקות מנוחה באמצעות הליכון מכרסמים עם חגורה מונעת מנוע. לאחר 8 שבועות של אימונים, החיות הוקרבו לאיסוף רקמות. התוצאות לא הראו הבדלים בריצת המרחק בין קבוצות TRN ו-HFD/TRN, ומהירות האימון עלתה בהתמדה במהלך המחקר, עם מהירות ריצה סופית של 115 ס"מ לשנייה ו-111 ס"מ לשנייה עבור קבוצות TRN ו-HFD/TRN, בהתאמה. צריכת הקלוריות השבועית ירדה (p < 0.05) בקבוצת TRN ביחס לקבוצת CON, אך עלתה (p < 0.05) בקבוצת HFD/TRN ביחס לקבוצת HFD. לבסוף, בעלי החיים ב-HFD היו בעלי שומן גדול יותר (p < 0.05), ובעלי החיים המאומנים הפחיתו (p < 0.05) שומן ביחס לבקרות. פרוטוקול זה מדגים שיטה יעילה להערכת ההשפעות של HIIT על תוצאות פיזיולוגיות שונות במודל השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה.

Introduction

השמנת יתר ומחלות נלוות, כגון מחלות לב וכלי דם, מחלות מטבוליות וסרטן, ממשיכות להיות חלק מהתוצאות הבריאותיות החמורות, היקרות והניתנות למניעה. כיום, יותר משליש מהמבוגרים בארצות הברית ויותר מ-1.6 מיליארד מבוגרים ברחבי העולם מסווגים כסובלים מהשמנת יתר על פי מדד מסת הגוף שלהם (BMI; מוגדר כמשקל בקילוגרמים חלקי ריבוע הגובה במטרים)¹. השמנת יתר כמחלה נובעת מנטייה גנטית, חשיפות סביבתיות והתמוטטות המנגנונים הנורמליים המווסתים את צריכת האנרגיה והוצאת האנרגיה²_. ככל שהעלויות האנושיות והכספיות של מגיפת ההשמנה ממשיכות לעלות, יש התמקדות מוגברת בניסיון להבין את המנגנונים המעורבים במאזן האנרגיה ואת ההשפעות של תזונה ופעילות גופנית במאבק במחלות מטבוליות.

מחקרים קודמים הראו כי חשיפה לדיאטות טעימות מאוד ועתירות אנרגיה מעוררת אכילת יתר במודלים של חולדות³. גישה לדיאטות טעימות מאוד גורמת לעלייה מוגזמת במשקל כתוצאה מצריכת קלוריות מוגברת⁴. מחקרים הראו גם כי פעילות גופנית יכולה לווסת תיאבון ולשפר את הרגישות של איתות שובע אצל אנשים שמנים⁵. על פי התיאוריה, התאוששות זו של רגישות איתות השובע עם פעילות גופנית מתווכת חלקית באמצעות ההשפעה של אימון גופני על תגובתיות הרקמות המרכזיות וההיקפיות ללפטין, הורמון ויסות מרכזי המופק מאדיפוציטים המדכא תיאבון וממריץ את הוצאת האנרגיה⁵. בעוד שמחקרים אלה חקרו מגוון פרוטוקולים של פעילות גופנית, אין הסכמה ברורה לגבי איזו התערבות עדיפה ^6,7. ישנן עדויות המצביעות על כך שאימוני הפוגות בעצימות גבוהה (HIIT), הכוללים התפרצויות חוזרות ונשנות של פעילות גופנית מאומצת השזורים במרווחי התאוששות, עשויים לשפר את ויסות התיאבון יותר מאשר צורות אחרות של פעילות גופנית, כגון אימון מתמשך בעצימות בינונית (MICT), אימון מתמשך בעצימות נמרצת או פעילות גופנית רצונית⁸. עם זאת, ישנם פערי ידע סביב הצטלבות של אימוני אינטרוולים בעצימות גבוהה, דיאטה וויסות תיאבון.

מחקרים קודמים הראו גם כי פעילות גופנית היא מתווך רב עוצמה של תחלואה נלווית הקשורה לחוסר פעילות, במיוחד מנקודת המבט של שינויים ברקמת השריר והשומן 9,10,11. ההשערה היא כי שינויים בהרכב אלה מובילים לקידום מצב אנטי דלקתי שעשוי להיות אחראי להקלה בסיכון למחלות שנראה בתרגיל¹². מיוקינים, שהם ציטוקינים, חלבונים קטנים אחרים ופפטידים פרוטאוגליקניים המשתחררים משרירי השלד במהלך התכווצויות שרירים, הועלו כממתנים את התוצאות האנטי-דלקתיות הקשורות לפעילות גופנית. לעומת זאת, אדיפוקינים, מולקולות איתות תאי המיוצרות על ידי רקמת השומן, הוכחו בעיקר כממלאות תפקיד מזיק יותר ותורמות לקידום מצב דלקתי^13,14,15,16. אמנם יש ראיות משמעותיות המוכיחות כי השינויים בהרכב שנצפו עם MICT מקדמים תוצאות בריאותיות חיוביות, אך פחות עבודה נעשתה כדי להעריך את היתרונות הפוטנציאליים של HIIT^{1 7,18}.

לבסוף, מחלות לב וכלי דם מבוססות היטב כגורם המוביל לתחלואה בבני אדם ויש להן מתאם גבוה עם השמנת יתר, תזונה ופעילות גופנית¹. פרוטוקול זה מספק דרך יעילה לאמן מכרסמים להערכת ההשפעות של אימון לב וכלי דם על מערכות רבות. בפרט, היפרטרופיה הלב היא הסתגלות ניכרת המתרחשת עם פעילות לב וכלי דם. היפרטרופיה זו מאפשרת התכווצויות לב חזקות יותר ואספקת דם וחמצן לרקמות הפעילות הגופנית. מחקרים קודמים מצביעים על כך שפעילות גופנית בעצימות גבוהה נוטה יותר לגרום להיפרטרופיה לבבית מאשר פעילות גופנית בעצימות בינונית¹⁹.

פרוטוקול זה מסייע למלא את הפערים בספרות על ידי מתן גישה לבחינת ההשפעות של HIIT על ויסות תיאבון, שינויים בהרכב (ולכן, שינויים מיוקין ואדיפוקין), והתאמות לב וכלי דם במודל מורין של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. יתר על כן, העליות מבוססות הביצועים בעצימות ממקסמות את תוצאות האימון ומבטיחות שבעלי החיים אינם מסתגלים לאימון האימון ומתקרבים לעצימות בינונית בהמשך פרוטוקול האימונים.

המטרה הכוללת של שיטה זו היא למקסם את מאמץ האימון ולזהות שינויים פנוטיפיים בחולדות ספראג-דולי בתגובה ל-HIIT, להשמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה ולאינטראקציה של גירויים אלה. פרוטוקול זה ייחודי בהשוואה לטכניקות אחרות בשל יכולתו למקסם את המאמץ לאורך כל תקופת האימונים, גם עם עלייה ברמות המיומנות והכושר של החולדות. זה גם מאפשר ניתוח סימולטני של פעילות גופנית והשמנת יתר, במקום להתמקד רק אחד או השני. באופן ספציפי, מחקר זה נועד לבחון את ההשערות הבאות. (1) מהירויות האימון עשויות לעלות במהלך האימון, והמרחק שחולדות מכסות בקבוצת TRN עשוי להיות גדול יותר מאשר בקבוצת HFD/TRN²⁰. (2) צריכת הקלוריות השבועית הממוצעת של החולדות המאומנות עשויה להיות גדולה יותר מקבוצת הביקורת, וזה עשוי להיות ניכר בכל קבוצת דיאטה²¹. (3) העלייה היומית הממוצעת במסה עשויה להיות גדולה יותר בחולדות ביקורת מאשר בחולדות שהתאמנו, וחולדות ביקורת עשויות להיות בעלות מסת שומן גבוהה יותר בעת ההקרבה²¹. (4) מסת הלב והכבד עשויה להיות גדולה יותר בחולדות HFD/TRN לעומת חולדות TRN¹⁹.

Protocol

כל ההליכים המתוארים במחקר הנוכחי עקבו אחר המדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה, מהדורה 8. תכנון הניסוי אושר על ידי משרד המחקר והתוכניות הממומנות (ORSP) תחת הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) 2019-5 בבית הספר לרפואה אוסטאופתית במערב וירג'יניה. עיין בטבלת החומרים ובטבלה 1 לקבלת פרטים נוספים על כל החומרים המשמשים בפרוטוקול זה. מתאר כללי של ציר הזמן של הפרוטוקול מוצג באיור 1.

1. תכנון ניסיוני

1. השתמשו ב-40 חולדות ספראג-דולי בנות 21 יום ממקור מסחרי (ראו טבלת חומרים).
2. יש להשתמש בציוד מגן מתאים בעת הטיפול בבעלי החיים בהתאם להנחיות IACUC. אמצעי בטיחות אלה כוללים, אך אינם מוגבלים, לבישת כפפות סטריליות לשימוש חד פעמי, מעיל מעבדה, כיסויי נעליים וכו '.
3. לשקול כל חיה, ולחשב את הממוצע ואת טעות התקן של הממוצע כדי להבטיח כי הקבוצות אינן שונות במשקל. אם הקבוצות שונות, התאימו את הקבוצות לפי משקל הגוף על ידי חלוקה מחדש של הפרטים הכבדים יותר לקבוצות הקלות יותר והפרטים הקלים יותר לקבוצות הכבדות יותר.
4. חלקו באופן אקראי את בעלי החיים לארבע קבוצות: בקרה (CON, n = 10), דיאטת ביקורת/אימון גופני (TRN, n = 10), דיאטה/בקרה עתירת שומן (HFD, n = 10), ודיאטה עתירת שומן/אימון גופני (HFD/TRN, n = 10).
5. אחסנו את החולדות בכלובים נפרדים (חיה אחת בכל כלוב) בסביבה מבוקרת (12 שעות מחזורי אור/חושך, 21°C ±-2°C, 60% ±-10% לחות), וגמלו את כל החולדות לדיאטת בקרה של צ'או מעבדה שנקנה מסחרית (ראו טבלת חומרים) למשך שבוע התאקלמות. ספקו לכל כלוב אמצעי העשרה (מחסה, גנוואבלים וחומר קינון).
   הערה: דיאטת CON מורכבת מצ'או מעבדה שנקנה באופן מסחרי (ראה טבלת חומרים וטבלה 1 לפרטים נוספים) עם 10% קק"ל משומן (3.82 קק"ל/גרם).
6. לאפשר גישה למזון ומים במהלך הניסוי.
7. לאחר תקופת ההתאקלמות של שבוע אחד, התחל את תקופת הדיאטה בת 8 השבועות על ידי אספקת צ'או HFD ו- HFD / TRN לקבוצות HFD. צ'או HFD (ראו טבלת חומרים וטבלה 1 לפרטים נוספים) מורכב מ-45% קק"ל משומן (4.7 קק"ל/גרם), המייצג את פירוק אבות המזון העיקריים שנמצא בתזונה מערבית טיפוסית. ודא שלכל בעלי החיים תמשיך להיות גישה למזון ולמים.
   1. בתחילת כל שבוע, שקלו ורשמו את מסת הצ'או שניתנה לכל חיה. השתמש 140 גרם של צ'או כדי להאכיל כל חיה במשך שבוע שלם.
   2. כדי לשקול את הצ'או, הניחו סירת שקילה על סולם דיגיטלי אלקטרוני מדויק (ראו טבלת חומרים), וטו את המאזניים על ידי לחיצה על כפתור ה"tare". מניחים 140 גרם צ'או בסירת השקילה, ורושמים את המשקל (g) מהסקאלה. זהו משקל ה"לפני".
   3. הכניסו את הצ'או לשוקת המספוא בכלוב הדיור של כל בעל חיים בנפרד.
   4. אם בעל חיים מתחיל לסבול ממחסור בצ'או, שקלו הקצאה נוספת (20 גרם עבור כל יום שנותר), והוסיפו את הצ'או למגש המזון. רשום כמה צ'או נוסף ניתן לכל חיה. ייתכן שיהיה צורך להוסיף משקל על גבי המזון בהופר כדי לאפשר קלות רבה יותר לצריכה אם בעלי החיים מתקשים לצרוך את הכדוריות (כפי שמעידים כדורים מעוגלים בהופר).
8. בסוף כל שבוע, שקלו את הצ'או שנותר לכל חיה. כל בעל חיים צריך שאריות צ'או כדי להבטיח שהוא מסוגל לאכול אד ליביטום. באמצעות אותו קנה מידה, רשום את המזון שנותר. זהו משקל ה"אחרי".
9. הפחיתו את המשקל "אחרי" מהמשקל "לפני" עבור כל בעל חיים בנפרד כדי לרשום את צריכת המזון (גרם) בשבוע.
10. לאחר תקופת השראת דיאטה בת 8 שבועות, התחילו את פרוטוקול אימוני HIIT לחולדות ב-TRN וב-HFD/TRN. זה מורכב ממשטר HIIT של 8 שבועות עם אימונים בכל שבוע בימים שני, שלישי, חמישי ושישי (ראו "פרוטוקול אימון HIIT" להלן) בין השעות 08:00 בבוקר ל-10:00 בבוקר. ודאו שלכל בעלי החיים יש גישה אד-ליביטום לתזונה הניסיונית שהוקצתה להם לאורך כל הפרוטוקול.
    הערה: אין סטנדרטיזציה של הפרוטוקול בין הקבוצות, מכיוון שפרוטוקול זה נועד למקסם את הביצועים של כל קבוצה, וכל קבוצה עשויה להיות שונה (עקב פנוטיפים המושרים על ידי תזונה).
11. הרדימו את החולדות 48 שעות לאחר האימון האחרון שלהן באמצעות קציר רקמות חיוניות לאחר השראת הרדמה באמצעות איזופלורן בשאיפה (5%).
    1. התחל על ידי וודא שיש מספיק חמצן ו isoflurane במערכת כדי לגרום להרדמה. פתח את מיכל החמצן על ידי סיבוב השסתום הראשי (בדרך כלל על גבי המיכל) נגד כיוון השעון. ייתכן שיש או לא יכול להיות שסתום וסת שצריך לפתוח גם על מיכל החמצן, בהתאם לגודל מיכל החמצן. בנוסף, בדקו כי צינורות הפליטה מאובטחים כראוי וכי מיכל האיסוף אינו סובל מעודף משקל.
    2. שוקלים את המיכל לפני השימוש, ומציינים את התאריך והמשקל בצד המיכל. בדוק כדי לוודא שהסטופקוק פתוח לתא האינדוקציה והסטופקוק לקונוס האף סגור.
    3. כדי לגרום להרדמה, הניחו את בעל החיים בתא הזירוז, ואטמו את החדר על ידי אבטחת מכשירי הנעילה. הגדר את האיזופלורן ל -5% על ידי לחיצה על מנעול הבטיחות וסיבוב החוגה נגד כיוון השעון.
    4. לאחר מכן, סובבו את החוגה בבסיס מד זרימת החמצן נגד כיוון השעון עד שהמונה יקרא בין 1.5-2 ליטר/דקה.
    5. לאחר 1-2 דקות, כאשר בעל החיים כבר אינו בהכרה, כבה את האיזופלורן על ידי סיבוב החוגה בכיוון השעון תוך לחיצה על מנעול הבטיחות. שטפו את תא ההשראה בחמצן על ידי לחיצה על שסתום שחרור החמצן למשך 3-5 שניות. פתחו את תא האינדוקציה, והוציאו את החיה חסרת ההכרה.
    6. הניחו את בעל החיים חסר ההכרה על גבו, ואבטחו חרוט אף כדי לספק הרדמה נוספת. פתח את הסטופרקוק למסירת מסכת פנים, וסגור את הסטופקוק לתא האינדוקציה. יש לספק איזופלורן 5% עם 100% חמצן להרדמה דרך מסכת הפנים עד להיעדר רפלקסים של הדוושות.
       1. בדוק את רפלקסי הדוושה על ידי הפעלת לחץ צביטה על אצבעות רגליו של בעל החיים המורדם וחפש תגובת רפלקס.
12. יש להקריב את בעל החיים על פי שיטות שאושרו על ידי IACUC (אשר עשויות להשתנות בהתאם למחקר), ולנתח בזהירות את רקמות המטרה למדידה וניתוח נוסף (רקמת שומן תת עורית, רקמת שומן פריכנלית, שרירי השלד, כבד, גונדות ולב). בהתאם לפרוטוקולים של IACUC, המתת חסד יכולה להסתיים על ידי עריפת ראש עם גיליוטינה או על ידי קצירת רקמות חיוניות (לב).
    1. כדי לאסוף את הלב, לעשות חתך מתחת לצלעות דרך הסרעפת.
       1. לאתר את הלב, לחתוך את כלי הדם (אבי העורקים, vena cava, עורק ריאתי, וריד ריאתי) עם מספריים כירורגיים. לתפוס את הלב עם מלקחיים, לחתוך כל רקמת חיבור כדי לשחרר את הלב. עבודה מהירה, לשטוף את הלב עם תמיסת מלח, לטפוח את הנוזל העודף עם גזה, ולרשום את המשקל. במידת הצורך, יש להפריד את החדר השמאלי, החדר הימני והמחיצה בעזרת מספריים כירורגיים, ולשקול אותם בנפרד.
       2. מניחים את דגימות רקמת הלב בהקפאה, ומקפיאים במהירות הבזק בחנקן נוזלי.
    2. לאחר מכן, בצע חתך אורכי במורד הבטן עם אזמל ושני חתכים רוחביים מאזור הטבור לצד הצדדי של החיה כדי לאפשר גישה לאיברי הבטן.
       1. באמצעות מלקחיים ומספריים כירורגיים, להסיר את כל האיברים המעניינים.
          הערה: לצורך מחקר זה נאספו הכבד, רקמת השומן הקרבית (הבטן), הלבלב והגסטרוקנמיוס. רקמת השומן הבטנית הוסרה במקטע אחד או שניים גדולים על ידי חיתוך עדין של רקמת החיבור סביב האיברים ודופן חלל הגוף. השומן התת עורי לא נאסף, בדומה לשיטות קודמות²²_.
       2. עבור האיברים, לאחר הסרה, מניחים אותם בסירת שקילה נקייה על סולם זפת. רשום את המשקל (g), והנח את הדגימות בקריביאלים להקפאת הבזק.
    3. עבור gastrocnemius, לבצע שני חתכים במורד הצדדים הרוחביים של הרגל התחתונה ואחד אופקי על פני גיד אכילס.
       1. לחתוך או לקרוע את רקמת החיבור המחברת את העור לשרירים כדי לחשוף את gastrocnemius. חותכים את גיד אכילס עם מספריים כירורגיים קרוב ככל האפשר לשריר, ותופס את הגסטרוקנמיוס במלקחיים.
       2. בצע את gastrocnemius לנקודת החיבור העליונה, ולבצע חתך דומה כדי לשחרר את השריר.
       3. שקלו את הדגימה על סירת שקילה נקייה וזפתית, הניחו בהקפאה והקפאה בחנקן נוזלי.
13. הניחו מיד כל דגימת רקמה אחרת שנאספה בהקפאה, הקפיאו במהירות הבזק בחנקן נוזלי ואחסנו בטמפרטורה של -80°C. רקמות אלה יכולות להישמר לניתוחי מעבדה עתידיים כגון PCR, כתם מערבי או שיטות אחרות בהתאם למטרות המחקר.

2. פרוטוקול אימוני HIIT

1. כדי להתחיל סבב אימון, הפעילו את ההליכון (ראו טבלת חומרים) על-ידי היפוך מתג ההפעלה בגב יחידת הבקרה.
2. כוונן את זעזוע ההליכון ל- 0.00 mA על-ידי סיבוב החוגה על יחידת הבקרה נגד כיוון השעון עד שהצג יקרא 0.00 mA.
3. הגדר את נטיית ההליכון ל -5.0% על ידי שחרור אום הנעילה בתחתית ההליכון והגדרת השיפוע לחריץ הראשון. הדקו מחדש את אום הנעילה כדי לאבטח את שיפוע ההליכון במצב זה.
4. תומכים בגוף החיה ביד אחת, תופסים בעדינות את בסיס הזנב ביד השנייה ומניחים את החיה בנתיב בודד על ההליכון.
5. חזור על התהליך עד שכל חמשת הנתיבים הנפרדים על ההליכון תפוסים על ידי חולדה מאותה קבוצה.
6. כוונן את מהירות ההליכון ל- 45 ס"מ לשנייה על-ידי סיבוב החוגה המהירה בכיוון השעון עד שהצג יקרא 45 ס"מ לשנייה. לחץ על לחצן עצור/הפעל כדי להפעיל את ההליכון, ואפשר לו לפעול במשך 5 דקות. לחץ שוב על לחצן עצור/הפעל כדי לעצור את ההליכון לאחר 5 דקות. לא נעשה שימוש בשוק חשמלי במהלך תקופה זו.
   הערה: בעלי החיים עשויים להזדקק לעידוד עם מברשות זיפים נוקשות כדי להישאר מחוץ לרשת ההלם בשלבים המוקדמים יותר של הפרוטוקול כדי להקל עליהם ללמוד כיצד להשתמש בהליכון.
7. בתום 5 הדקות, יש לאפשר מנוחה של 2 דקות לפני תחילת תקופת האימונים. סובב את החוגה על יחידת הבקרה בכיוון השעון עד שהצג יקרא את מהירות ההתחלה המתאימה של התקף האימון. השתמש במהירות הפעלה התחלתית עבור ההפעלה הראשונה של 55 ס"מ לשנייה. עבור הספרינט הראשון של כל יום אימון חדש, השתמש במהירות התחלה איטית ב -4 ס"מ לשנייה מהמהירות הגבוהה ביותר שהושגה ביום הקודם.
   1. הפעל את ההליכון על-ידי לחיצה על לחצן התחל , בקש מהחיות לרוץ עד שהצג יקרא 1:00 (1 דקה), ולאחר מכן עצור את ההליכון על-ידי לחיצה נוספת על לחצן עצור/הפעל .
   2. עצבו את בעלי החיים עם מברשות כדי לעודד תנועה קדימה אם בעל החיים מגיע לרשת ההלם (הממוקמת בחלק האחורי של ההליכון). אם בעל חיים כלשהו בכל קבוצת אימון אינו מגיב למברשות יותר מפעמיים בכל אימון אימון, הפעל את רשת הזעזועים ל-2.0 mA למשך שארית האימון.
8. לאחר הספרינט, תנו לבעלי החיים לנוח במשך 2 דקות. בתום 2 דקות המנוחה, התחל את הספרינט הבא על ידי הפעלת ההליכון על ידי לחיצה על כפתור עצור/הפעל ביחידת הבקרה. הפרטים לגבי מהירות ההליכון מוגדרים להלן.
   1. הגדל את המהירות ב- 4 ס"מ לשנייה עבור מרווח הספרינט הבא מהמהירות הקודמת שבה נעשה שימוש אם כל חמשת בעלי החיים בקבוצה משלימים את מרווח הספרינט ללא צורך במוטיבציה (עידוד עם מברשת זיפים נוקשה או נגיעה ברשת הזעזועים יותר מחמש פעמים) למשך מרווח ספרינט מלא של דקה אחת. המהירות מוגברת על ידי סיבוב ידית המהירות על יחידת הבקרה בכיוון השעון.
   2. השתמש באותה מהירות מרווח זמן כמו במרווח הספרינט הקודם אם המברשות משמשות לעידוד ריצה או אם חיה כלשהי נוגעת ברשת הזעזועים יותר מחמש פעמים בסבב אחד של דקה.
   3. הפחיתו את המהירות במרווח הבא ב-4 ס"מ לשנייה אם בעל חיים מתקשה יתר על המידה במהלך אינטרוול-ספרינט (יותר מ-20 שניות של זמן מצטבר ברשת ההלם).
      הערה: מניסיוננו, 100% מבעלי החיים הצליחו להשלים את הריצה הנדרשת. עם זאת, ייתכן שיהיה צורך להוציא בעלי חיים מהמחקר על פי שיקול דעתו של החוקר אם הם מפגינים חוסר נכונות לרוץ או חווים זעזועים מוגזמים.
   4. הקלט את המהירות ואת המרחק עבור כל התקף.
9. חזרו על התהליך במשך 10 אימוני HIIT בסך הכל בכל יום אימון. כל אימון מורכב מדקה אחת של ריצה בעצימות גבוהה ואחריה 2 דקות מנוחה.
10. בסיום האימון, הוציאו כל בעל חיים מההליכון, והניחו אותו בכלוב האישי שלו.
11. עבור כל יום חדש של אימונים, מהירות הריצה הראשונית של ההתקף הראשון מתחילה ב-4 ס"מ לשנייה איטית יותר מהמהירות המהירה ביותר שהושגה באימון של היום הקודם, עם מהירות מינימלית של 55 ס"מ לשנייה.

3. ניתוח סטטיסטי

1. דווח על המורפומטריה ועל מדדי תוצאה אחרים כאמצעים ושגיאות תקן.
2. קבע את ההבדלים בין הקבוצות בתוכנת ניתוח (ראה טבלת חומרים) באמצעות מודל אפקטים מעורבים המאפשר השוואות מרובות.
   הערה: תיקון Šidák יושם כדי לקחת בחשבון השוואות מרובות. מודל של אמצעים חוזרים יושם בעת הצורך. הבדלים משמעותיים נקבעו על ידי p < 0.05.

תוצאות

איור 2 מראה שביצועי האימון עלו במהלך הפרוטוקול. מהירויות הריצה הסופיות של קבוצות TRN ו-HFD/TRN היו 115 ס"מ לשנייה ו-111 ס"מ לשנייה בהתאמה. מרחק הריצה הכולל לא היה שונה בין קבוצות TRN ו-HFD/TRN (איור 3).

צריכת המזון השבועית הממוצעת של בעלי החיים בדיאטת הביקורת הייתה גבוהה יותר (p < 0.0001) מאשר אלה שקיבלו דיאטה עתירת שומן (103 גרם בשבוע ± 1.0 גרם בשבוע לעומת 91 גרם בשבוע ± 1.0 גרם בשבוע, בהתאמה). צריכת המזון השבועית הממוצעת הייתה גם גבוהה יותר (p < 0.001) בקבוצות מאומנות מאשר בקבוצות הלא מאומנות (98 גרם לשבוע ± 1.3 גרם לשבוע לעומת 92.2 גרם לשבוע ± 1.0 גרם לשבוע, בהתאמה). כאשר הסתכלו על האינטראקציות, קבוצות CON לעומת TRN לא היו שונות זו מזו, אך הייתה להן צריכה שבועית גדולה יותר (p < 0.05) מאשר קבוצת HFD/TRN, שאכלה יותר (p < 0.05) מאשר קבוצת HFD (איור 4). כאשר מתרגמים את צריכת המזון לצריכת קק"ל, בעלי החיים בדיאטה עתירת השומן היו בעלי צריכה קלורית גבוהה יותר (p < 0.0001) מאשר אלה בדיאטת הביקורת (430 קק"ל בשבוע ± 4.6 קק"ל בשבוע לעומת 396 קק"ל בשבוע ± 3.7 קק"ל בשבוע, בהתאמה). זה הביא להבדלים (p < 0.05) בצריכת הקלוריות השבועית בין כל ארבע הקבוצות, כאשר קבוצת HFD/TRN הראתה את צריכת הקלוריות השבועית הגדולה ביותר, ואחריה קבוצות HFD, CON ו- TRN ברצף (איור 5).

משקל הגוף לא היה שונה בין הקבוצות עד השבוע ה-8 של תקופת ההאכלה, כאשר קבוצות HFD ו-HFD/TRN הגיעו למסה גדולה יותר (p <-0.05) בהשוואה לקבוצות CON ו-TRN (293 גרם ±-10.1 גרם ו-298 גרם ±-13.1 גרם לעומת 270 גרם ±-8.6 גרם ו-264 גרם ±-6.8 גרם, בהתאמה). קבוצות HFD ו-HFD/TRN נותרו כבדות יותר (p <-0.05) מאשר קבוצות CON ו-TRN במשך שארית המחקר (הגיעו ל-332 גרם ±-14.4 גרם, 347 גרם ±-16.3 גרם, 304 גרם ±-10.3 גרם ו-304 גרם ±-10.1 גרם לקבוצות HFD, HFD/TRN, CON ו-TRN, בהתאמה). הרווח היומי הממוצע (ADG) היה גדול יותר (p < 0.05) בבעלי חיים מאומנים לעומת לא מאומנים בחלק הפעילות הגופנית של המחקר (0.8 גרם ליום ± 0.11 גרם ליום לעומת 0.5 גרם ליום ± 0.09 גרם ליום, בהתאמה), ולא היו הבדלים ב- ADG בין קבוצות CON לעומת HFD במהלך תקופה זו. יחד, זה הביא ליותר ADG (p < 0.05) בקבוצת HFD/TRN מאשר בקבוצת HFD, וללא הבדלים בין קבוצות CON ו-TRN (איור 6) במהלך תקופת ההכשרה. עם זאת, תקופת האימונים בת 8 השבועות לא גרמה להבדל במשקל בין קבוצות HFD/TRN ו-HFD (347 גרם ± 16.3 גרם לעומת 331.5 גרם ±-14.4 גרם, בהתאמה).

לאחר השלמת פרוטוקול האילוף, שליפת הרקמה גילתה כי לבעלי חיים על HFD היה שומן בטני גדול יותר (p < 0.05) מאשר לקבוצת CON (25 גרם ± 2.1 גרם לעומת 19 גרם ± 1.5 גרם, בהתאמה), ובעלי החיים שאומנו בפעילות גופנית הפחיתו (p < 0.05) שומן בטני ביחס לחיות הביקורת (21 גרם ± 2.4 גרם לעומת 25 גרם ± 2.1 גרם, בהתאמה). לקבוצת HFD היה שומן בטני גדול יותר (p < 0.05) מאשר לקבוצות TRN ו-HFD/TRN (איור 7). מסת הלב הייתה גדולה יותר בקבוצת HFD/TRN מאשר בקבוצות CON, TRN ו-HFD (p < 0.05; 1.3 גרם ±-0.2 גרם לעומת 1.1 גרם ±-0.1 גרם, 1.1 גרם ±-0.1 גרם ו-1.0 גרם ±-0.1 גרם, בהתאמה). לא נצפו הבדלים במסת הכבד בין הקבוצות. לא זוהו הבדלים במסה של איברים או רקמות אחרים.

איור 1: ציר הזמן של פרוטוקול המחקר לפי גיל בעלי החיים בימים. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: מהירות HIIT לאורך פרוטוקול האימון של חיות TRN ו-HFD/TRN לפי הפעלה. HIIT בוצע בארבעה ימים שונים בכל שבוע במשך 8 שבועות, וכתוצאה מכך בוצעו 32 אימונים. הנתונים הממוצעים לכל אימון מוצגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: המרחק הממוצע בכל ספרינט בקבוצות TRN ו-HFD/TRN לאורך פרוטוקול האימון. HIIT בוצע בארבעה ימים שונים בכל שבוע במשך 8 שבועות, וכתוצאה מכך בוצעו 32 אימונים. הנתונים מוצגים כממוצע ± SEM. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: צריכת הזנה שבועית ממוצעת של קבוצות CON, TRN, HFD ו- HFD/TRN. הנתונים מוצגים כממוצע ± שגיאת תקן של הממוצע (SEM). ^א,ב,גאמצעים עם אותיות שונות שונים (עמ '< 0.05). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: צריכה קלורית שבועית של קבוצות CON, TRN, HFD ו-HFD/TRN. הנתונים מוצגים כממוצע ± SEM. ^a,b,c,dאמצעים עם אותיות שונות שונים (p < 0.05). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: עלייה יומית ממוצעת במשקל בקבוצות CON, TRN, HFD ו-HFD/TRN. הנתונים מוצגים כממוצע ± SEM. ^a,bקבוצות עם אותיות שונות שונות שונות (p < 0.05). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: מסת שומן בטנית ממוצעת בנקרופסי. הנתונים מוצגים כממוצע ± SEM. ^a,bקבוצות עם אותיות שונות שונות שונות (p < 0.05). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

טבלה 1: הרכבי הדיאטות המשמשות בפרוטוקול. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

Discussion

פרוטוקול זה מספק שיטה יעילה לבחינת ההשפעות של HIIT על מספר סמנים בריאותיים במודל השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה. ההליך מתבסס על מחקרים קודמים כדי לאפשר שיטה יעילה יותר בזמן של בחינת משתני תוצאה מרובים, כגון משתני אימון גופני, סמני ויסות תיאבון וניתוחים פולשניים של הרכב הגוף 3,7,8,18,23,24_. תכולת הדיאטה, משך הזמן ופרוטוקול ההתערבות בפעילות גופנית היו עקביים עם פרסומים קודמים^23,24_. במחקר זה נרכש צ'או מעבדה זמין מסחרית (ראו טבלת חומרים). צ'או המעבדה לדיאטות עתירות שומן ובקרה הכיל את אותה כמות של חלבון ומיקרונוטריאנטים. תכולת הפחמימות והשומן בדיאטות שונתה כדי לספק שיטה בטוחה לגרימת השמנה בקבוצת הניסוי (ראה טבלה 1).

תקופת השראת ההשמנה בת 8 השבועות ששימשה במחקר הנוכחי עוצבה על בסיס מחקרים קודמים שהראו שינויים משמעותיים במשקל בעקבות מתן צ'או מעבדה מסחרי המורכב מ-45% קק"ל משומן (4.7 קק"ל/גרם), המייצג את פירוק אבות המזון העיקריים שנמצא בתזונה המערבית הטיפוסית²³. נוסף על כך, מחקרים קודמים הדגימו את יעילותו של פרוטוקול HIIT למשך 8 שבועות בהשפעה על צריכת מזון ^7,8, פרופילי שומן ^18,23 ועלייה במסת שריר ¹⁸. תוצאות הפרוטוקול המתואר במחקר זה עלו בקנה אחד עם מחקרים קודמים שדיווחו כי HIIT משפיע על ויסות התיאבון, כמו גם על שינויים בהרכב השומן ומסת השריר.

היתרון של פרוטוקול זה הוא שהוא ממקסם את עצימות האימון בבעלי החיים ושומר על מאמץ מרבי לאורך כל הפרוטוקול. ככל שבעלי החיים לומדים ללא הרף כיצד להשתמש בהליכון במיומנות ולהשיג הישגים בכושר, מהירות ההליכון עולה בהתאם ביחס לביצועיהם. יתר על כן, השימוש בנטייה של 5.0% מאפשר לבעלי החיים להגיע לעוצמה מקסימלית בכל מפגש ולאורך כל הפרוטוקול מהר יותר ממה שהיה מושג ללא שימוש ביצר. כתוצאה מכך, ביצועי האימון מגיעים למקסימום בכל אימון ולמשך הפרוטוקול.

במהלך המחקר, חיה אחת לא הצליחה להשלים את פרוטוקול הניסוי עקב מחלה, וכתוצאה מכך n = 39 בעלי חיים השלימו את המחקר, ורק n = 9 חולדות בקבוצת HFD. פרוטוקול זה תוכנן בתחילה להעריך שינויים בפרופילי הציטוקינים בתגובה לפעילות גופנית ולתזונה, וניתוח הכוח הביא ליותר מ-90% כוח לזהות הבדל (p < 0.05) בציטוקין המטרה העיקרי (איריסין). מחקרים עתידיים המשתמשים במודל זה צריכים להסתמך על ניתוחי כוח ייחודיים כדי לקבוע את גודל המדגם המתאים.

מחקר זה נועד בעיקר לבחון את התוצאות הפיזיולוגיות של HIIT במודל מכרסמים של השמנת יתר הנגרמת על ידי דיאטה ולמקסם את עצימות הפעילות הגופנית. פרוטוקול זה הצליח להדגים שונות ב-ADG ובשומן בתגובה לתזונה ול-HIIT (איור 6 ואיור 7). מחקרים עתידיים יוכלו לזהות באופן ספציפי תגובות אנדוקריניות, מיוקינים ואדיפוקינים ל-HIIT. הבהרת מנגנונים אלה עשויה להועיל בטיפול ובמניעה של השמנת יתר ותחלואה נלווית אליה.

מחקר זה גם הדגים את ההשפעה של תזונה ו-HIIT על צריכת מזון. התוצאות הצביעו על כך שכאשר בעלי החיים צרכו תזונה עתירת שומן, החיות המאולפות צרכו יותר קלוריות מאשר החיות הלא מאולפות. לעומת זאת, כאשר בעלי החיים אכלו את דיאטת הביקורת, החיות המאולפות צרכו פחות קלוריות מאשר החיות הלא מאולפות, והפגינו תגובות שונות של ויסות תיאבון בהתאם להרכב הדיאטה. לכן, אסטרטגיות לירידה במשקל המשתמשות ב-HIIT עשויות להיות פחות יעילות עבור אלה שצורכים בו זמנית דיאטה עתירת שומן, שכן הם עשויים להיות בעלי סיכוי גבוה יותר לצרוך קלוריות עודפות. לעומת זאת, צריכה מאוזנת של אבות המזון העיקריים במהלך HIIT עשויה לקדם צריכת קלוריות נמוכה, ולכן להקל על ירידה במשקל. מודל זה יכול להקל על מאמצי המחקר לפתח הבנה עמוקה יותר של המנגנונים מאחורי מאזן האנרגיה ומאמצים לפתח אסטרטגיות הרזיה יעילות.

לבסוף, פרוטוקול זה הדגים שונות ברקמת הלב בין הקבוצות, המשקפת שינויים אדפטציוניים בהרכב הגוף בתגובה לאימוני תזונה ופעילות גופנית. נתונים אלה מצביעים על כך שהשראת השמנת יתר ואחריה HIIT עלולה לגרום לאנשים לפתח היפרטרופיה של שריר הלב ללא שינויים נלווים בגודל הכבד. ניתוחים עתידיים לקביעת המנגנונים מאחורי ממצאים אלה עשויים להיות שימושיים לחקר היפרטרופיה של שריר הלב והקשרים המטבוליים בין השמנת יתר, HIIT ומחלות לב וכלי דם.

לפרוטוקול המתואר במחקר זה מספר מגבלות. ראשית, להליכון ששימש במחקר זה היו חמישה נתיבים, שאפשרו להפעיל חמש חולדות בו זמנית. בעוד שאופן זה של ביצוע הפרוטוקול היה יעיל, היה קשה לחוקר יחיד לטפל בכל אחת מהחיות בבת אחת. היו מקרים שבהם היה קשה לדיילת ההליכון לחלק את תשומת הלב שלהם בין בעלי החיים המרובים שנזקקו לגירוי באמצעות מברשות זיפים. בעתיד, הבטחת זמינות של יותר אנשי מחקר כדי לסייע בפרוטוקולי ההכשרה תהיה בראש סדר העדיפויות. בנוסף, למודל ההליכון בעל חמשת הנתיבים אין את היכולת למדוד חילופי גזים, ולכן לא ניתן היה להעריך את חילוף החומרים האירובי/אנאירובי של בעלי החיים במהלך הפרוטוקול. החברה שסיפקה את הליכון המכרסם (ראו טבלת חומרים) אמנם מציעה הליכון בעל יכולת למדוד תחלופת גזים, אך מדובר בהליכון חד-נתיבי ולכן ידרוש זמן ומאמץ גדולים משמעותית. מאמץ זה עשוי להיות כדאי, עם זאת, עבור חוקרים שצריכים למדוד או לשלוט עבור תוצאות ספציפיות של קלוריות עקיפות. בנוסף, יש מעט מאוד ראיות זמינות לגבי האופן שבו רשת הזעזועים עשויה להשפיע על ביצועי האימון, אשר יש לקחת בחשבון כאשר מפרשים את התוצאות ממודל זה. לבסוף, פרוטוקול הפעילות הגופנית המתואר במחקר זה תוכנן עם נקבות צעירות של חולדות ספראג-דולי. מחקרים קודמים הראו השפעות דימורפיות מיניות, במיוחד לגבי HIIT וויסות תיאבון ^3,7. למרות שצפויות תוצאות דומות, פרוטוקול זה לא בדק בעלי חיים ממינים, גילאים, מינים או תוצאות בריאותיות שונות.

בהשוואה למודלים קודמים, פרוטוקול זה מדגים שיטה חסכונית יותר בזמן להערכת מגוון משתני תוצאה. לדוגמה, פרוטוקול זה הצליח לזהות אינטראקציות בין HIIT לבין ויסות תיאבון בפרוטוקול שכלל ארבעה אימונים בשבוע במשך 8 שבועות, בהשוואה למחקרים קודמים שכללו חמישה אימונים בשבוע במשך 8 שבועות²⁴ או אפילו 12 שבועות של אימון⁸. בנוסף, תכנון מחקר זה איפשר ניתוח של מגוון סמנים בריאותיים, כגון נתוני פעילות גופנית, סמנים של ויסות תיאבון והרכב הגוף. סמנים אלה, כמו גם הסתגלות הלב לאימונים, מייצגים אמצעים מבטיחים להערכת התאמות האימון של מערכת הלב וכלי הדם גם כן. ניתן בקלות להוסיף מדדים של תפקוד האנדותל, הרכב סיבי השריר והיפרטרופיה של מיוציטים לבביים כדי לקדם את ההבנה של התאמות אלה הנגרמות על ידי פעילות גופנית. יתר על כן, פרוטוקול זה כלל הסלמה מבוססת ביצועים בעוצמה. תכנון זה איפשר למקסם את תוצאות האימון והבטיח שהחולדות לא יסתגלו לסביבת האימון ויתקרבו למודל אימון רציף בעצימות בינונית לקראת סוף ההתערבות. זה מודגם באיור 2; באופן ספציפי, מהירויות הספרינט של בעלי חיים אלה היו יותר מכפולות מהמהירויות שהושגו בפרסומים קודמים, אשר המשיכו להדגים התאמות רבות של לב וכלי דם, שרירי השלד ותרמו-רגולציה בהתאם להתערבויות 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