Protocollo di allenamento a intervalli ad alta intensità accumulato: un nuovo approccio per studiare i marcatori di salute nei ratti Wistar

Riepilogo

Qui, presentiamo i protocolli di allenamento a intervalli ad alta intensità (HIIT) accumulati, che possono essere una strategia più fattibile ed efficiente in termini di tempo rispetto ai protocolli HIIT tradizionali.

Abstract

L'allenamento a intervalli ad alta intensità (HIIT) e gli esercizi accumulati sono due programmi efficienti in termini di tempo per migliorare la salute negli esseri umani e nei modelli animali. Tuttavia, ad oggi, non ci sono studi sul fatto che l'HIIT eseguito in modo cumulativo sia efficace quanto un HIIT tradizionale eseguito con singole sessioni giornaliere nel migliorare i marcatori di salute. Questo articolo presenta gli effetti di un nuovo protocollo HIIT, chiamato HIIT accumulato, sull'aumento di peso corporeo, sul consumo massimo di ossigeno (VO₂max) e sull'ipertrofia cardiaca nei giovani ratti Wistar.

I ratti Wistar maschi di sessanta giorni sono stati assegnati a tre gruppi: non addestrati (UN; n = 16), HIIT eseguiti con singole sessioni giornaliere (1-HIIT; n = 16) e HIIT eseguiti con tre sessioni giornaliere (3-HIIT; n = 16). Il peso corporeo e il VO₂max sono stati registrati prima e dopo il periodo di allenamento. Le misurazioni del VO₂max sono state effettuate utilizzando un analizzatore metabolico alla massima velocità di corsa (Vmax). L'allenamento è stato eseguito per entrambi i gruppi HIIT cinque giorni alla settimana per otto settimane con la stessa progressione settimanale dell'intensità dell'esercizio (85-100% Vmax). Il gruppo 1-HIIT ha eseguito singole sessioni giornaliere (6 sessioni di 1 minuto intervallate da 1 minuto di recupero passivo). Il gruppo 3-HIIT ha eseguito tre sessioni giornaliere (2 sessioni di 1 minuto intervallate da 1 minuto di recupero passivo con un intervallo di 4 ore tra gli attacchi). Dopo l'ultimo test VO₂max, i ratti sono stati soppressi e i loro cuori sono stati raccolti e pesati.

I risultati hanno mostrato che il 3-HIIT ha effetti benefici simili all'1-HIIT nel prevenire l'aumento di peso corporeo, migliorare il VO₂max e indurre l'ipertrofia cardiaca. Questi risultati rivelano per la prima volta l'efficacia di un protocollo HIIT accumulato sui marcatori di salute dei giovani ratti Wistar. Questo nuovo protocollo HIIT potrebbe essere più fattibile rispetto ai protocolli HIIT tradizionali, poiché l'esercizio può essere suddiviso in sessioni molto brevi durante una giornata in questo nuovo approccio.

Introduzione

Uno stile di vita sedentario è uno dei principali fattori di rischio per lo sviluppo di malattie croniche non trasmissibili¹. Tuttavia, anche con solide prove dei molteplici effetti benefici dell'esercizio fisico sulla salute, un'ampia parte della popolazione globale è ancora sedentaria ^2,3. L'esercizio fisico regolare ha molti effetti positivi sul cardiometabolismo ^4,5 e sulla salute mentale ^6,7,8,9. Recentemente, sono stati proposti diversi programmi di esercizio fisico efficienti in termini di tempo¹⁰, come l'HIIT¹¹ e l'esercizio accumulato¹², per aumentare l'aderenza all'esercizio fisico e migliorare la salute.

L'HIIT è un approccio efficiente in termini di tempo caratterizzato da brevi periodi di esercizio fisico ad alta intensità intervallati da periodi di esercizio fisico a bassa intensità (recupero attivo) o di riposo (recupero passivo)⁴. Diversi studi hanno dimostrato che l'HIIT ha effetti sulla salute simili o addirittura superiori rispetto al tradizionale allenamento continuo a intensità moderata (MICT) di lunga durata, con il vantaggio di una maggiore aderenza da parte dei suoi praticanti ^4,12,13. L'esercizio accumulato è stato proposto anche come modalità di esercizio per aumentare l'aderenza e migliorare la salute. In questo approccio, gli esercizi di intensità da bassa a moderata possono essere suddivisi in due o più brevi periodi nell'arco di un giorno (ad esempio, due o tre periodi di 5-10 minuti al giorno)¹⁴. Costa Pereira et ^al.14 hanno dimostrato che un protocollo di esercizio accumulato (tre sessioni giornaliere con un intervallo di 4 ore tra le sessioni, 10-20 minuti / sessione, al 50-60% della capacità massima, cinque giorni / settimana, per otto settimane) ha avuto maggiori effetti positivi per i marcatori di salute nei giovani ratti Wistar rispetto a un MICT tradizionale (lo stesso protocollo di esercizio ma eseguito con singole sessioni giornaliere di 30-60 minuti).

Tuttavia, fino ad oggi, gli studi si sono concentrati sulle conseguenze fisiologiche dell'esercizio accumulato eseguito con brevi periodi di intensità da bassa a moderata. Pertanto, mancano prove che esaminino se l'HIIT eseguito in modo cumulativo (cioè con più brevi periodi di esercizio ad alta intensità durante il giorno) sia efficace quanto un HIIT tradizionale eseguito con singole sessioni giornaliere nel migliorare i marcatori fisiologici della salute.

Abbiamo deciso di utilizzare ratti da laboratorio controllati per superare le insidie metodologiche negli studi con individui che vivono liberi con attività fisiche quotidiane distinte e assunzione di cibo. Inoltre, l'uso di animali da esperimento consente ai ricercatori di eseguire analisi invasive (ad esempio, biopsia muscolare e cardiaca), che sono difficili o addirittura impossibili negli studi sull'uomo.

Abbiamo ipotizzato che se i ratti si esercitano con un protocollo HIIT accumulato (eseguito con tre brevi sessioni giornaliere), potrebbero migliorare la fitness cardiorespiratoria in modo simile ai ratti che si esercitano con un protocollo HIIT tradizionale (eseguito con singole sessioni giornaliere). Pertanto, questo studio mirava a indagare e confrontare gli effetti dell'HIIT eseguito con singole sessioni giornaliere rispetto all'HIIT eseguito con tre sessioni giornaliere più brevi sul VO₂max e sull'ipertrofia cardiaca dei ratti Wistar.

Protocollo

Tutte le procedure utilizzate nel presente studio hanno seguito i "Principi di cura degli animali da laboratorio" in accordo con le linee guida ARRIVE e sono state approvate dal Comitato per l'etica e l'uso degli animali dell'Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (numero di protocollo UFVJM 031/2016). Fare riferimento alla Tabella dei materiali per i dettagli su tutti i materiali utilizzati in questo protocollo.

1. Progettazione sperimentale

1. Utilizzare in media 48 ratti Wistar maschi di 60 giorni del peso di 250 g.
2. Dividi casualmente i ratti in tre gruppi: non addestrati (UN; n = 16); HIIT eseguito con singole sessioni giornaliere (1-HIIT; n = 16); e HIIT eseguito con tre sessioni giornaliere (3-HIIT; n = 16).
3. Alloggiare i ratti in gabbie individuali in ambiente controllato (22-23 °C, 50% di umidità) con un ciclo invertito di luce-buio di 12 h:12 h (luci accese alle 18:00) con libero accesso ai pellet di cibo standard da laboratorio e all'acqua.
4. Familiarizzare i ratti con il tapis roulant una settimana prima di iniziare il protocollo di allenamento con l'esercizio.
5. Pesare i ratti utilizzando una bilancia digitale elettronica di precisione 48 ore prima e 48 ore dopo il protocollo di addestramento.
6. Eseguire il test VO₂max con i ratti di tutti i gruppi 48 ore prima dell'inizializzazione dei protocolli HIIT, alla fine della^4a settimana di allenamento (per regolare la velocità di corsa) e 48 ore dopo i protocolli HIIT.
7. Sopprimere i ratti 24 ore dopo l'ultimo test VO₂max mediante iniezione endovenosa di eparina 400 U.I. e rimuovere e pesare i cuori e i ventricoli sinistri (vedere passaggio 5).

2. Familiarizzazione con l'attrezzatura del tapis roulant

1. Impostare l'inclinazione del tapis roulant su 0° (piatto).
2. Accendi il tapis roulant.
3. Regolare la manopola del tapis roulant alla velocità di 6 m/min.
4. Regolare l'interruttore dell'ammortizzatore del tapis roulant su 0,25 mA.
5. Tenere l'animale per la coda e posizionarlo sul tapis roulant per 10 minuti alle 8:00.
6. Ripetere questa procedura per cinque giorni consecutivi.

3. Test VO₂max

1. Regolazioni del software (Figura 1)
   1. Apri il software Metabolismo.
   2. Fare clic su File per aprire un nuovo record.
   3. Nel parametro tipo di gabbie , selezionare Tapis roulant, 1 gabbia e, nel tempo di commutazione, selezionare 2 (min).
   4. Nell'esperimento, selezionare ossimetria | nuovo.
   5. Premere per inserire il numero di identificazione e il peso dell'animale. Identificare i dati del progetto. Vai al controller del tapis roulant e imposta i parametri del test.
      1. Iniziare il test con una velocità di 5 m/min.
      2. Regolare l'interruttore dell'ammortizzatore del tapis roulant su 0,25 mA. Premere start.
   6. Fare clic su accetta.
   7. Chiudere il coperchio in acrilico del tapis roulant.
   8. Inserire i valori di riferimento del gas di calibrazione.
      NOTA: I valori di riferimento del gas sono 0 mmHg (CO₂) e 20 mmHg (O₂). Questi valori sono indicati dal produttore.
   9. Attendere 10 minuti.
2. Test
   1. Accendi il tapis roulant.
   2. Regolare la manopola del tapis roulant alla velocità di 3 m/min.
   3. Regolare l'interruttore dell'ammortizzatore del tapis roulant su 0,25 mA.
   4. Impostare l'inclinazione del tapis roulant su 0° (piatto).
   5. Tenere l'animale per la coda e posizionarlo sul tapis roulant e chiudere il coperchio acrilico del tapis roulant.
   6. Aumentare la velocità del tapis roulant di 3 m/min ogni 2 minuti fino all'esaurimento (stabilito quando l'animale tocca il fondo della baia cinque volte entro 1 minuto).
   7. Togliete l'animale dal tapis roulant e mettetelo nella sua gabbia.
   8. Registrare la velocità massima (Vmax) raggiunta dall'animale.
      NOTA: Per il calcolo del VO₂max, il software calcola la differenza tra l'O₂ inalato e il CO₂ espirato dall'animale al Vmax e il calcolo finale viene eseguito in base al peso corporeo individuale di ciascun ratto.

4. Protocolli HIIT (Figura 2)

1. Accendi il tapis roulant.
2. Regolare la manopola del tapis roulant alla velocità del 50% Vmax (riscaldamento).
3. Regolare l'interruttore dell'ammortizzatore del tapis roulant su 0,25 mA.
4. Impostare l'inclinazione del tapis roulant su 0° (piatto).
5. Tenere l'animale per la coda e posizionarlo sul tapis roulant per 3 minuti.
6. Rimuovere l'animale dal tapis roulant e regolare la manopola del tapis roulant sulla velocità corrispondente della settimana (settimana 1: 85% Vmax; settimane 2-3: 90% Vmax; settimane 4-5: 95% Vmax; settimane 6-8: 100% Vmax).
7. Posizionare l'animale sul tapis roulant per 1 minuto.
   1. Assicurati che entrambi i gruppi HIIT si esercitino 5 giorni alla settimana per 8 settimane: il gruppo 1-HIIT deve eseguire singole sessioni giornaliere di 6 sessioni di 1 minuto intervallate da 1 minuto di recupero passivo e il gruppo 3-HIIT deve eseguire tre sessioni giornaliere più brevi di 2 sessioni di 1 minuto intervallate da 1 minuto di recupero passivo con un intervallo di 4 ore tra gli attacchi.
   2. Per il gruppo 3-HIIT, esegui le sessioni di allenamento alle 8:00, alle 12:00 e alle 16:00.
   3. Dividi il gruppo 1-HIIT in tre gruppi iniziando le sessioni di allenamento alla stessa ora (cioè 8:00, 12:00 e 16:00) del gruppo 3-HIIT per eliminare ogni possibile effetto circadiano sugli adattamenti dell'allenamento fisico.
   4. Assicurarsi che il gruppo UN sia posizionato sul tapis roulant un giorno alla settimana per 10 minuti a una velocità di 10 m/min nella stessa stanza in cui i gruppi HIIT si stanno allenando.
8. Togliete l'animale dal tapis roulant e mettetelo nella sua gabbia per 1 minuto (recupero passivo).

5. Eutanasia e record di peso cardiaco

1. Dopo un'iniezione i.p. di eparina 400 U.I., sopprimere il ratto mediante decapitazione con una ghigliottina.
2. Aprire con cautela il torace del ratto, rimuovere il cuore, lavarlo con soluzione salina, pesarlo, separare il ventricolo sinistro e pesarlo.
3. Gettare la carcassa dell'animale nell'apposito congelatore.

6. Analisi statistica

1. Esprimere tutti i dati come media ± deviazione standard.
2. Verificare la normalità dei dati utilizzando il test di Shapiro-Wilk.
3. Analizzare i dati utilizzando l'ANOVA a una o due vie seguita dal test post-hoc di Tukey; Impostare il livello di significatività al 5%.

Risultati

La Figura 3 presenta gli effetti dei protocolli 1-HIIT e 3-HIIT sul VO₂max (Figura 3A), sul peso corporeo (Figura 3B) e sull'assunzione di cibo (Figura 3C). Prima dei protocolli di allenamento, tutti i gruppi presentavano VO₂max (UN: 52,19 ± 5,27; 1-HIIT: 48,32 ± 3,92; 3-HIIT: 51,24 ± 5,84 mL di O 2,kg-1. ^min-1) peso corporeo (UN: 242,62 ± 15,89; 1-HIIT: 259,06 ± 13,90; 3-HIIT: 251,43 ± 13,84 g) e assunzione di cibo (ONU: 118,26 ± 9,94; 1-HIIT: 116,51 ± 3,86; 3-HIIT: 119,01 ± 9,02 g/giorno). Dopo il periodo di allenamento, solo i gruppi HIIT hanno presentato un aumento del VO₂max (UN: 49,73 ± 3,13; 1-HIIT: 67,39 ± 4,22; 3-HIIT: 67,23 ± 2,86 mL di O 2,kg-1. ^min-1; pre-allenamento vs. post-allenamento: UN, P = 0,99; 1-HIIT, P = 0,001; 3-HIIT, P = 0,001), confermando l'efficacia dei protocolli di allenamento. Dopo il periodo di allenamento, tutti i gruppi hanno mostrato un aumento del peso corporeo; tuttavia, rispetto all'ONU, entrambi i gruppi HIIT presentavano un peso corporeo inferiore (UN: 384,37 ± 27,25; 1-HIIT: 349,31 ± 14,49; 3-HIIT: 341,68 ± 23,78 g; ONU vs. 1-HIIT, P = 0,022; UN vs. 3-HIIT, P = 0,001) nonostante abbiano un'assunzione di cibo simile (UN: 124,34 ± 3,70; 1-HIIT: 122,09 ± 8,68; 3-HIIT: 122,09 ± 5,40 g/giorno).

La Figura 4 mostra gli effetti dei protocolli 1 e 3-HIIT sull'ipertrofia cardiaca. Rispetto al gruppo delle Nazioni Unite, entrambi i protocolli HIIT hanno indotto ipertrofia cardiaca, come dimostrato dall'aumento del peso cardiaco/corporeo (UN: 3,59 ± 0,24 vs. 1-HIIT: 4,82 ± 0,34 vs. 3-HIIT: 5,01 ± 0,50 mg/g; Figura 4A; UN vs. 1-HIIT, P = 0,001; UN vs. 3-HIIT, P = 0,001) e rapporti ventricolo sinistro/peso corporeo (UN: 1,76 ± 0,22 vs. 1-HIIT: 2,68 ± 0,51 vs.3-HIIT: 2,85 ± 0,23 mg/g; Figura 4B; UN vs. 1-HIIT, P = 0,001; UN vs. 3-HIIT, P = 0,001).

Figura 1: Regolazioni software per il test VO₂max. (A) Registrazione di un nuovo esperimento. (B) Dati sugli animali. (C) Calibrazione dei gas. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Diagramma schematico dei protocolli HIIT. (A) Protocolli 1-HIIT e (B) 3-HIIT. Abbreviazione: HIIT = allenamento a intervalli ad alta intensità; 1-HIIT = HIIT eseguito con singole sessioni giornaliere; 3-HIIT = HIIT eseguito con 3 brevi sessioni giornaliere. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Effetti dei protocolli 1-HIIT e 3-HIIT sui marcatori di salute. (A) VO₂max, (B) peso corporeo e (C) assunzione di cibo. I dati sono presentati come media ± SD; n = 16 per ciascuno dei tre gruppi. ANOVA a una o due vie seguita dal test di Tukey. Lettere diverse indicano differenze statistiche. P < 0,05. Abbreviazioni: HIIT = allenamento a intervalli ad alta intensità; VO₂max = consumo massimo di ossigeno; pre-tr = Pre-allenamento; post-tr = Post-allenamento; ONU = non addestrato; 1-HIIT = HIIT eseguito con singole sessioni giornaliere; 3-HIIT = HIIT eseguito con 3 brevi sessioni giornaliere. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Effetti dei protocolli 1 e 3-HIIT sull'ipertrofia cardiaca. (A) Rapporto cuore/peso corporeo; (B) rapporto ventricolo sinistro/peso corporeo. I dati sono presentati come media ± SD; n = 16 per ciascuno dei tre gruppi. ANOVA a una o due vie seguita dal test di Tukey. Lettere diverse indicano differenze statistiche. P < 0,05. Abbreviazioni: HIIT = allenamento a intervalli ad alta intensità; ONU = non addestrato; 1-HIIT = HIIT eseguito con singole sessioni giornaliere; 3-HIIT = HIIT eseguito con 3 brevi sessioni giornaliere. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

Questo articolo evidenzia per la prima volta l'efficacia di un protocollo HIIT accumulato per i ratti. Il protocollo HIIT accumulato è risultato efficace quanto un protocollo HIIT tradizionale eseguito con singole sessioni giornaliere nel prevenire l'aumento di peso, migliorare il VO₂max e indurre l'ipertrofia cardiaca nei giovani ratti maschi Wistar. Il miglioramento del VO₂max e lo sviluppo dell'ipertrofia cardiaca sono gli adattamenti più noti all'allenamento aerobico e sono importanti biomarcatori di salute¹⁷.

Utilizzando un protocollo MICT con ratti Wistar della stessa età di quelli utilizzati nel presente studio, Costa-Pereira et ^al.14 hanno anche scoperto che un protocollo di esercizio accumulato (tre sessioni giornaliere con un intervallo di 4 ore tra le sessioni, 10-20 minuti / sessione, al 50-60% della capacità massima, cinque giorni / settimana per otto settimane) era efficiente quanto il protocollo di esercizio eseguito con singole sessioni giornaliere (singole sessioni giornaliere, 30-60 minuti/sessione, al 50-60% della capacità massima, cinque giorni alla settimana per otto settimane) per prevenire l'aumento di peso e indurre l'ipertrofia cardiaca¹⁴. Costa-Pereira et al. hanno riscontrato una diminuzione del 5,12 e del 9,85% della massa corporea e un aumento del 16,22 e del 18,61% del rapporto cuore/peso corporeo nei gruppi MICT accumulati e in singole sessioni giornaliere, rispettivamente, rispetto al gruppo di controllo non allenato.

Qui, abbiamo trovato risultati superiori utilizzando l'HIIT. I gruppi 1-HIIT e 3-HIIT hanno presentato una diminuzione del 9,12 e dell'11,10% della massa corporea, un aumento del 35,51 e del 35,19% del VO₂max e un aumento del 34,26 e del 39,55% del rapporto cuore/peso corporeo, rispettivamente, rispetto al gruppo non allenato. Alcuni studi hanno dimostrato che i protocolli HIIT tradizionali sono superiori ai protocolli MICT nell'aumento del volume dei globuli rossi, nella gittata cardiaca massima (principalmente attraverso l'eiezione e/o contrattilità cardiaca) e nella densità mitocondriale del muscolo scheletrico¹⁸. Questi adattamenti fisiologici sembrano spiegare la superiorità dei protocolli HIIT tradizionali (rispetto ai protocolli MICT) nell'aumentare la capacità aerobica e nell'indurre l'ipertrofia cardiaca fisiologica. I risultati del presente studio e dello studio di Costa Periera et ^al.14 indicano che questa superiorità dell'HIIT rispetto al MICT può essere osservata quando queste modalità vengono eseguite con brevi periodi di esercizio durante un giorno.

Il punto di forza più importante di questo protocollo HIIT accumulato è che le sue sessioni durano solo 5 minuti, tre volte al giorno. Altri punti di forza sono la facilità di regolazione delle impostazioni del tapis roulant e la gestione degli animali. Una volta ottenuta la velocità massima dal test VO₂max, il tapis roulant viene impostato su un'inclinazione piana. La velocità è la stessa per ogni incontro in base all'intensità prescritta per quella specifica settimana di allenamento. Un altro aspetto positivo è che, durante tutte le sessioni di allenamento, gli attacchi hanno lo stesso numero e durata: 6 attacchi di 1 min intervallati da 1 min di recupero passivo eseguiti in singole sessioni giornaliere per il gruppo 1-HIIT; e 2 attacchi di 1 minuto intervallati da 1 minuto di recupero passivo eseguiti tre volte al giorno con un intervallo di 4 ore tra gli attacchi per il gruppo 3-HIIT. Infine, la scelta del recupero passivo è un'altra facilitazione in quanto, dopo la fine di ogni incontro, il ricercatore rimuove l'animale dal tapis roulant e lo pone nella sua gabbia fino all'inizio dell'incontro successivo. Pertanto, dopo che le regolazioni del tapis roulant sono impostate all'inizio di ogni sessione di allenamento e non sono necessarie ulteriori regolazioni durante l'intera sessione di allenamento.

Il presente studio presenta anche alcune limitazioni. Non tutti i laboratori dispongono di un analizzatore di gas per misurare il consumo massimo di ossigeno. Tuttavia, questa limitazione può essere superata utilizzando protocolli di capacità fisica massima che non utilizzano tapis roulant metabolici per determinare il VO₂max per la prescrizione dell'intensità dell'esercizio, incluso un protocollo HIIT¹⁹ precedentemente pubblicato. Un'altra limitazione è che, rispetto ai protocolli che utilizzano un'intensità da bassa a moderata e un esercizio continuo, gli animali presentano più difficoltà a mantenere la velocità di corsa perché è già alta all'inizio di ogni attacco. Pertanto, l'uso dello shock può essere maggiore in questo protocollo accumulato rispetto a un protocollo MICT. Ciò richiede maggiore attenzione da parte del ricercatore, poiché è inappropriato condurre una sessione di esercizio con cinque o più ratti contemporaneamente.

Infine, questo protocollo di esercizio fisico è stato progettato per giovani ratti Wistar sani; Studi futuri dovrebbero testare questo protocollo utilizzando ratti di diverse età e condizioni di salute. Inoltre, sebbene una caratterizzazione completa degli adattamenti fisiologici al protocollo HIIT accumulato vada oltre lo scopo del presente studio, essa merita future indagini. Presi insieme, questi risultati rivelano, per la prima volta, gli effetti di un protocollo HIIT accumulato sugli adattamenti fisiologici all'allenamento fisico nei giovani ratti Wistar. Questo nuovo protocollo HIIT potrebbe essere una strategia più fattibile rispetto ai tradizionali protocolli HIIT poiché, in questo nuovo approccio, l'esercizio può essere suddiviso in sessioni molto brevi durante il giorno.

Materiali

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