蓄積された高強度インターバルトレーニングプロトコル:Wistarラットの健康マーカーを研究するための新しいアプローチ

要約

ここでは、従来のHIITプロトコルよりも実現可能で時間効率の良い戦略である可能性のある、蓄積された高強度インターバルトレーニング(HIIT)プロトコルを紹介します。

要約

高強度インターバルトレーニング(HIIT)と蓄積されたエクササイズは、人間と動物モデルの健康を改善するための2つの時間効率の良いプログラムです。しかし、これまでのところ、蓄積された方法で実施されたHIITが、健康マーカーの改善において、1日1回のセッションで実施される従来のHIITと同等に効果的であるかどうかについての研究はありません。この論文では、蓄積型HIITと呼ばれる新しいHIITプロトコルが、若いWistarラットの体重増加、最大酸素消費量(VO₂max)、および心肥大に及ぼす影響を示しています。

60日齢の雄Wistarラットを3つのグループに割り付けた:未訓練(UN;n = 16)、1日1回のセッションで実施されたHIIT(1-HIIT;n = 16)、および3回の1日セッションで行われたHIIT(3-HIIT;n = 16)。トレーニング期間の前後に体重と_VO2maxを記録しました。VO₂maxの測定は、代謝分析装置を使用して最大走行速度(Vmax)で行われました。トレーニングは、両方のHIITグループに対して、運動強度の同じ週の進行(85-100%Vmax)で、8週間にわたって週5日実施されました。1-HIITグループは、1日1回のセッション(1分間の6試合と1分間の受動的回復)を行いました。3-HIIT グループは、毎日 3 回のセッションを行いました (1 分間の 2 回の発作と 1 分間のパッシブ回復、試合の間隔 4 時間)。最後のVO₂maxテストの後、ラットは安楽死させられ、心臓を採取して体重を量りました。

その結果、3-HIITは1-HIITと同様の有益な効果を示し、体重増加の予防、_VO2maxの改善、心肥大の誘発に効果があることが示されました。これらの知見は、蓄積されたHIITプロトコルが若いWistarラットの健康マーカーに及ぼす有効性を初めて明らかにした。この新しいアプローチでは、運動を1日を通して非常に短いセッションに分割できるため、この新しいHIITプロトコルは従来のHIITプロトコルよりも実現可能かもしれません。

概要

座りがちな生活習慣は、非感染性慢性疾患の発症の主な危険因子の1つです¹。しかし、運動が健康に及ぼす複数の有益な効果についての確固たる証拠があるにもかかわらず、世界人口の大部分は依然として座りがちです^2,3。定期的な運動は、心血管代謝^4,5とメンタルヘルス^6,7,8,9に多くのプラスの効果をもたらします。最近、^HIIT11や蓄積運動¹²など、さまざまな時間効率の良い身体運動プログラム¹⁰が、身体運動アドヒアランスを高め、健康を改善するために提案されている。

HIITは、短時間の高強度運動と低強度の運動(能動的回復)または休息(受動的^回復)の期間を挟むことを特徴とする、時間効率の高いアプローチです4。いくつかの研究では、HIITは従来の長期中強度連続トレーニング(MICT)と同等またはそれ以上の健康効果があり、その実践者による遵守度が高いという利点があることが実証されています^4,12,13。アドヒアランスを高め、健康を改善するための運動法として、蓄積された運動も提案されています。このアプローチでは、低強度から中強度のエクササイズを1日に2回以上の短い運動に分割することができます(たとえば、毎日5〜10分の2回または3回の発作)¹⁴。Costa Pereiraら¹⁴は、蓄積された運動プロトコル(セッション間の4時間間隔、10〜20分/セッション、最大容量の50〜60%、5日/週、8週間)よりも若いWistarラットの健康マーカーに大きなプラスの効果があることを示しました。

しかし、これまでの研究は、低強度から中程度の強度の短時間の発作で行われた蓄積運動の生理学的影響に焦点を当ててきました。したがって、蓄積された方法(すなわち、一日を通じて高強度の運動を複数回行う)で実施されたHIITが、健康の生理学的マーカーの改善において、1日1回のセッションで実施される従来のHIITと同じくらい効果的であるかどうかを調べる証拠が不足しています。

私たちは、日常的な身体活動と食物摂取量が異なる自由生活の個人を対象とした研究における方法論的な落とし穴を克服するために、対照実験用ラットを使用することを決定しました。さらに、実験動物を使用することで、研究者は、ヒトの研究では困難または不可能である侵襲的な分析(筋肉生検や心臓生検など)を行うことができます。

ラットが蓄積されたHIITプロトコル(1日3回の短いセッションで実施)で運動すると、従来のHIITプロトコル(1日1回のセッションで実施)で運動したラットと同様に、心肺機能が向上する可能性があるという仮説を立てました。したがって、この研究は、Wistar ラットの VO₂max および心肥大に対する 1 日あたり 1 回のセッションで実施された HIIT と 3 回の短い 1 日セッションで実施された HIIT の効果を調査し、比較することを目的としています。

プロトコル

本研究で使用されたすべての手順は、ARRIVEガイドラインに同意した「実験動物ケアの原則」に従い、 Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri(UFVJMプロトコル番号031/2016)の倫理および動物使用委員会によって承認されました。このプロトコルで使用されるすべての材料の詳細については、 材料の表 を参照してください。

1. 実験計画法

1. 平均体重250gの60日齢の雄のWistarラットを48匹使用します。
2. ラットをランダムに3つのグループに分けます:未訓練(UN;n = 16);HIIT は 1 日あたり 1 回のセッションで実行されます (1-HIIT; n = 16)。HIITは、毎日3回のセッション(3-HIIT;n = 16)で実施されました。
3. 制御された環境(22-23°C、湿度50%)で個々のケージにラットを収容し、反転12時間:12時間の明暗サイクル(午後6:00に点灯)を行い、標準的な実験室の食品ペレットと水に無料でアクセスできます。
4. 運動トレーニングプロトコルを開始する1週間前に、ラットにトレッドミルを慣れさせます。
5. トレーニングプロトコルの48時間前と48時間後に、精密な電子デジタル体重計を使用してラットの体重を量ります。
6. HIIT プロトコルの初期化の 48 時間前、トレーニング^{の 4 週}目の終わり (走行速度を調整するため)、および HIIT プロトコルの 48 時間後に、すべてのグループのラットで VO₂max テストを実行します。
7. 最後のVO₂maxテストの24時間後に、400 I.U.ヘパリンのi.p.注射によりラットを安楽死させ、心臓と左心室を取り外して体重を量ります(ステップ5を参照)。

2.トレッドミル機器への習熟

1. トレッドミルの傾きを0°(フラット)に設定します。
2. トレッドミルの電源を入れます。
3. トレッドミルノブを6m / minの速度に調整します。
4. トレッドミルショックスイッチを0.25mAに調整します。
5. 動物を尻尾でつかみ、午前8:00に10分間トレッドミルに置きます。
6. この手順を 5 日間連続して繰り返します。

3. VO₂maxテスト

1. ソフトウェアの調整(図1)
   1. Metabolismソフトウェアを開きます。
   2. [ファイル] をクリックして、新しいレコードを開きます。
   3. 「カインド・オブ・ケージ」パラメータで、「トレッドミル」、「1ケージ」を選択し、「スイッチング時間」で「2 (分)」を選択します。
   4. 実験では、oxymetry | newを選択します。
   5. を押して、動物の番号、識別、体重を入力します。プロジェクトデータを特定します。トレッドミルコントローラーに移動し、テストパラメータを設定します。
      1. 5 m/minの速度で試験を開始します。
      2. トレッドミルショックスイッチを0.25mAに調整します。 スタートを押します。
   6. [同意する]をクリックします。
   7. トレッドミルのアクリルカバーを閉じます。
   8. 校正ガスの基準値を入力します。
      注:ガスの基準値は0 mmHg(CO₂)と20 mmHg(O₂)です。これらの値は製造元によって示されています。
   9. 10分待ちます。
2. 試験
   1. トレッドミルの電源を入れます。
   2. トレッドミルのノブを3m / minの速度に調整します。
   3. トレッドミルショックスイッチを0.25mAに調整します。
   4. トレッドミルの傾きを0°(フラット)に設定します。
   5. 動物を尻尾でつかんでトレッドミルに置き、トレッドミルのアクリルカバーを閉じます。
   6. トレッドミルの速度を3分ごとに2 m / minずつ上げ、消耗します(動物が1分以内に5回ベイの底に触れたときに確立されます)。
   7. 動物をトレッドミルから取り出し、ケージに入れます。
   8. 動物が到達した最大速度(Vmax)を記録します。
      注:VO₂maxの計算では、ソフトウェアはVmaxで動物が吸入したO₂ と呼気したCO₂ の差を計算し、最終的な計算は各ラットの個々の体重に従って実行されます。

4. HIITプロトコル(図2)

1. トレッドミルの電源を入れます。
2. トレッドミルノブを50%Vmaxの速度(ウォームアップ)に調整します。
3. トレッドミルショックスイッチを0.25mAに調整します。
4. トレッドミルの傾きを0°(フラット)に設定します。
5. 動物の尻尾を持ち、トレッドミルに3分間置きます。
6. 動物をトレッドミルから取り外し、トレッドミルのノブを週の対応する速度に調整します(1週目:85%Vmax、2〜3週目:90%Vmax、4〜5週目:95%Vmax、6〜8週目:100%Vmax)。
7. 動物をトレッドミルに1分間置きます。
   1. 両方のHIITグループが8週間、週5日運動することを確認してください:1-HIITグループは、1分間の6回の発作と1分間の受動的な回復を挟んだ1日の1回のセッションを1回行い、3-HIITグループは、1分間の2回の短い毎日のセッションを3回行い、4時間の間隔を空けて1分間の受動的な回復を行う必要があります。
   2. 3-HIITグループは、午前8:00、午後12:00、午後4:00にトレーニングセッションを実施します。
   3. 1-HIITグループを3つのグループに分け、3-HIITグループと同じ時間(8:00、12:00、16:00)にトレーニングセッションを開始して、運動トレーニングの適応に対する概日リズムへの影響を排除します。
   4. 国連グループが週に1日、HIITグループが運動しているのと同じ部屋で、10 m/minの速度で10分間トレッドミルに置かれていることを確認してください。
8. 動物をトレッドミルから取り出し、ケージに1分間置きます(パッシブリカバリー)。

5.安楽死と心臓の体重記録

1. 400 I.U.ヘパリンのi.p.注射後、ギロチンでネズミを斬首して安楽死させます。
2. ラットの胸部を慎重に開き、心臓を取り出し、生理食塩水で洗い、体重を量り、左心室を分離して体重を量ります。
3. 動物の死骸は適切な冷凍庫に捨てます。

6. 統計分析

1. すべてのデータを平均±標準偏差として表します。
2. Shapiro-Wilk検定を使用してデータの正規性を確認します。
3. 一元配置または二元配置ANOVAとそれに続くテューキーの事後検定を使用してデータを分析します。有意水準を 5% に設定します。

結果

図 3 は、1-HIIT プロトコルと 3-HIIT プロトコルが VO₂max(図 3A)、体重(図 3B)、および食物摂取量(図 3C)に及ぼす影響を示しています。トレーニングプロトコルの前に、すべてのグループは同様の_VO2最大(UN:52.19±5.27、1-HIIT:48.32±3.92、3-HIIT:51.24±5.84mLのO 2.kg-1.min-1)体重(UN:242.62 ± 15.89、1-HIIT:259.06±13.90、3-HIIT:251.43±13.84g)と食物摂取量(UN:118.26 ± 9.94、1-HIIT:116.51±3.86、3-HIIT: 119.01 ± 9.02 g/日)。訓練期間終了後、HIIT群のみ_VO2maxの増加が示され(UN:49.73 ± 3.13; 1-HIIT: 67.39 ± 4.22; 3-HIIT: 67.23 ± 2.86 mL O 2.kg-1. ^min-1; pretraining vs. posttraining: UN, P = 0.99; 1-HIIT, P = 0.001; 3-HIIT, P = 0.001)が見られ、訓練プロトコルの有効性が確認されました。トレーニング期間後、すべてのグループが体重の増加を示しました。しかし、国連と比較すると、両群とも体重が低かった(国連:384.37±27.25、1-HIIT:349.31±14.49、3-HIIT:341.68±23.78g;国連対1-HIIT、P = 0.022;UN vs. 3-HIIT, P = 0.001) は、食物摂取量が同程度であるにもかかわらず (UN: 124.34 ± 3.70; 1-HIIT: 122.09 ± 8.68; 3-HIIT: 122.09 ± 5.40 g/日) にもかかわらず、同様の食物摂取量でした。

図4 は、心肥大に対する1および3-HIITプロトコルの影響を示しています。国連グループと比較して、両方のHIITプロトコルは、心臓/体重の増加によって示されるように心肥大を誘発しました（UN:3.59 ± 0.24対1-HIIT:4.82±0.34 vs. 3-HIIT:5.01 ± 0.50 mg / g; 図 4A;国連対1-HIIT、P = 0.001;国連対3-HIIT、P = 0.001)、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; 図 4B;国連対1-HIIT、P = 0.001;UN vs. 3-HIIT, P = 0.001)。

図1:VO₂maxテストのソフトウェア調整 (A)新しい実験の記録。(B) 動物データ。(C)ガスの校正。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 2: HIIT プロトコルの概略図。 (A) 1-HIIT プロトコルと (B) 3-HIIT プロトコル。略語:HIIT =高強度インターバルトレーニング。1-HIIT = HIITは1日1回のセッションで実行されます。3-HIIT = HIIT は、毎日 3 回の短いセッションで実行されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:健康マーカーに対する1-HIITおよび3-HIITプロトコルの影響(A)VO₂max、(B)体重、および(C)食物摂取量。データは平均 ± SD として表示されます。n = 16 (3 つのグループのそれぞれ)。1元配置または2元配置分散分析の後にテューキーの検定が続きます。文字が異なる場合は、統計的な違いを示します。P<0.05です。略語:HIIT =高強度インターバルトレーニング;VO₂max = 最大酸素消費量;pre-tr = 事前学習;post-tr = トレーニング後;UN = 未訓練;1-HIIT = HIITは1日1回のセッションで実行されます。3-HIIT = HIIT は、毎日 3 回の短いセッションで実行されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:心肥大に対する1および3-HIITプロトコルの影響(A)心臓/体重比;(B)左心室/体重比。データは平均 ± SD として表示されます。n = 16 (3 つのグループのそれぞれ)。1元配置または2元配置分散分析の後にテューキーの検定が続きます。文字が異なる場合は、統計的な違いを示します。P<0.05です。略語:HIIT =高強度インターバルトレーニング;UN = 未訓練;1-HIIT = HIITは1日1回のセッションで実行されます。3-HIIT = HIIT は、毎日 3 回の短いセッションで実行されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

この論文では、ラットに対する蓄積されたHIITプロトコルの有効性を初めて強調します。蓄積されたHIITプロトコルは、体重増加の予防、VO₂maxの改善、および若い雄のWistarラットの心肥大の誘発において、1日1回のセッションで実施される従来のHIITプロトコルと同じくらい効率的でした。VO₂maxの改善と心肥大の発症は、有酸素運動トレーニングへの最もよく知られた適応であり、重要な健康バイオマーカー^です17。

本研究で使用されたものと同じ年齢のWistarラットを用いたMICTプロトコルを使用して、Costa-Pereiraら¹⁴ は、蓄積された運動プロトコル(セッション間の4時間間隔、10〜20分/セッション、最大容量の50〜60%、8週間にわたって週5日)で実施される運動プロトコルと同じくらい効率的であることを発見しました。 30-60 分/セッション、最大容量の 50-60% で、体重増加の予防と心肥大の誘発に 5 日/週) 体重増加の予防と心肥大^{の誘発 14}.Costa-Pereira らは、訓練を受けていない対照群と比較して、累積 1 日セッションの MICT グループと 1 日の 1 回セッションの MICT グループで、体重が 5.12% と 9.85% 減少し、心臓/体重比がそれぞれ 16.22 と 18.61% 増加したことを発見しました。

ここでは、HIITを使用して優れた結果が得られました。1-HIIT群と3-HIIT群は、訓練を受けていない群と比較して、体重が9.12%と11.10%減少し、VO₂maxが35.51と35.19%増加し、心体重比がそれぞれ34.26と39.55%増加した。いくつかの研究では、従来のHIITプロトコルは、赤血球量の増加、最大心拍出量(主に心臓の駆出および/または収縮による)、および骨格筋のミトコンドリア密度¹⁸の増加においてMICTプロトコルよりも優れていることが実証されています。これらの生理学的適応は、有酸素能力の増加と生理学的心肥大の誘発における従来のHIITプロトコル(MICTプロトコルと比較して)の優位性を説明しているようです。本研究の結果と Costa Periera ら^{による研究 14} は、HIIT と MICT のこの優位性は、これらのモダリティが 1 日を通して短い運動を行った場合に観察できることを示しています。

この蓄積されたHIITプロトコルの最も重要な強みは、そのセッションが1日3回、わずか5分間続くことです。また、トレッドミルのセッティング調整やアニマルハンドリングのしやすさも強みです。VO₂maxテストから最大速度が得られると、トレッドミルは平坦な傾斜に設定されます。速度は、その特定のトレーニング週に規定された強度に応じて、各試合で同じです。もう1つの肯定的な側面は、すべてのトレーニングセッションで、試合の数と時間が同じであることです:1分間の6試合が散在し、1-HIITグループの1日1回のセッションで1分間のパッシブリカバリーが行われます。1 分間の 2 回の発作と 1 分間のパッシブ リカバリーが散在し、3-HIIT グループの試合と試合の間に 4 時間の間隔で 1 日 3 回行われます。最後に、受動的回復の選択は、各試合の終了後、研究者が動物をトレッドミルから取り出し、次の試合の開始までケージに入れるという別の機能です。したがって、トレッドミル調整は各エクササイズセッションの開始時に設定され、エクササイズセッション全体で追加の調整は必要ありません。

また、本研究にはいくつかの限界があります。すべての研究所に、最大酸素消費量を測定するためのガス分析計があるわけではありません。ただし、この制限は、以前に公開されたHIITプロトコル¹⁹を含む、運動強度処方のVO₂maxを決定するために代謝トレッドミルを使用しない最大身体容量プロトコルを使用することによって克服できます。別の制限は、低強度から中程度の強度の連続運動を使用するプロトコルと比較して、動物は各試合の開始時にすでに高いため、走行速度を維持することがより困難になることです。したがって、ショックの使用は、MICT プロトコルよりもこの蓄積されたプロトコルで高くなる可能性があります。これは、5匹以上のラットを同時に使用して運動セッションを行うことは不適切であるため、研究者からより多くの注意を払う必要があります。

最後に、この運動プロトコルは、健康な若いWistarラット用に設計されました。今後の研究では、さまざまな年齢と健康状態のラットを使用してこのプロトコルをテストする必要があります。さらに、蓄積されたHIITプロトコルへの生理学的適応の完全な特徴付けは本研究の範囲を超えていますが、将来の調査が必要です。まとめると、これらの知見は、蓄積されたHIITプロトコルが、若いWistarラットの運動トレーニングへの生理学的適応に及ぼす影響を初めて明らかにしました。この新しいHIITプロトコルは、従来のHIITプロトコルよりも実現可能な戦略であり、この新しいアプローチでは、運動を1日を通して非常に短いセッションに分割することができます。

資料

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