Универсальность протоколов тренировок и оценки отягощений с использованием статических и динамических лестниц в животных моделях

Резюме

Настоящий протокол описывает тренировку и тестирование с использованием статических и динамических лестниц на животных моделях.

Аннотация

Тренировка с отягощениями - это модель физических упражнений с глубокими преимуществами для здоровья на протяжении всей жизни. Использование моделей упражнений с отягощениями на животных — это способ получить представление о лежащих в основе молекулярных механизмах, которые организуют эти адаптации. Целью данной статьи является описание моделей упражнений и тренировочных протоколов, предназначенных для силовых тренировок и оценки сопротивления на животных моделях, а также приведение примеров. В этой статье силовые тренировки и оценка сопротивления основаны на лестничной деятельности с использованием статических и динамических лестниц. Эти устройства позволяют использовать различные модели тренировок, а также обеспечивают точное управление основными переменными, которые определяют упражнения с отягощениями: объем, нагрузка, скорость и частота. Кроме того, в отличие от упражнений с отягощениями у людей, это принудительное упражнение. Таким образом, в этом вмешательстве следует избегать аверсивных стимулов, чтобы сохранить благополучие животных. Перед внедрением необходимо детальное проектирование, а также период акклиматизации и обучения. Акклиматизация к тренажерам, таким как лестницы, гири и клиническая лента, а также к необходимым манипуляциям необходима, чтобы избежать отказа от упражнений и минимизировать стресс. При этом животных учат подниматься по лестнице, а не спускаться, в зону отдыха на вершине лестницы. Оценка сопротивления может характеризовать физическую силу и позволяет регулировать и количественно оценивать тренировочную нагрузку и реакцию на тренировку. Кроме того, можно оценить различные типы прочности. Что касается тренировочных программ, при соответствующей конструкции и использовании устройства они могут быть достаточно универсальными для модуляции различных типов силы. Кроме того, они должны быть достаточно гибкими, чтобы их можно было модифицировать в зависимости от адаптивной и поведенческой реакции животных или наличия травм. В заключение, тренировка с отягощениями и оценка с использованием лестниц и весов являются универсальными методами в исследованиях на животных.

Введение

Физические упражнения являются определяющим фактором образа жизни для укрепления здоровья и снижения заболеваемости наиболее распространенными хроническими заболеваниями, а также некоторыми видами рака у людей¹.

Упражнения с отягощениями вызвали интерес из-за их огромной важности для здоровья на протяжении всей жизни², особенно из-за их преимуществ в противодействии возрастным заболеваниям, которые влияют на опорно-двигательный аппарат, таким как саркопения, остеопороз и т. Д.³. Кроме того, упражнения с отягощениями также влияют на ткани и органы, не участвующие непосредственно в выполнении движения, такие как мозг⁴. Эта актуальность в последние годы способствовала разработке моделей упражнений с отягощениями у животных для изучения лежащих в их основе тиссулярных и молекулярных механизмов, когда это невозможно у людей или когда животные обеспечивают лучшее понимание и являются более контролируемой моделью.

В отличие от упражнений с отягощениями у людей, для животных моделей исследователи обычно полагаются на принудительные процедуры. Однако в этом контексте следует избегать аверсивных стимулов, главным образом для сохранения благополучия животных, снижения стресса и уменьшения тяжести экспериментальных процедур⁵. Следует отметить, что животные наслаждаются физическими упражнениями даже в дикой природе⁶. По этим причинам необходимо улучшить адаптацию к эксперименту путем длительной ступенчатой акклиматизации.

Устройства, материалы и протоколы, используемые для тренировки и оценки отягощений у экспериментальных животных, должны обеспечивать точное управление и модуляцию многочисленных переменных: нагрузки, объема, скорости и частоты⁷. Они также должны допускать выполнение различных типов мышечных сокращений: концентрических, эксцентрических или изометрических. Учитывая вышесказанное, используемые протоколы должны быть в состоянии специально оценивать или тренировать для различных применений силы: максимальная сила, гипертрофия, скорость и выносливость.

Существует несколько методов силовых тренировок, таких как прыжки в воде ^8,9, утяжеленное плавание в воде¹⁰ или электростимуляция мышц¹¹. Однако статические и динамические лестницы являются универсальными устройствами, которые широко используются 12,13,14.

Оценка резистентности на экспериментальных моделях животных предоставляет ценную информацию для многих исследовательских условий, таких как описание фенотипических характеристик генетически модифицированных животных, оценка влияния различных протоколов вмешательства (добавки пищевых компонентов, медикаментозное лечение, трансплантация микробиоты и т. Д.), Или оценка эффекта протоколов обучения. Тренировочные модели дают представление о физиологии адаптации к силовым упражнениям, что помогает лучше понять влияние физических упражнений на состояние здоровья и патофизиологию.

Следовательно, не существует универсального протокола для тренировок с отягощениями или функциональной оценки силы на животных моделях, поэтому необходимы универсальные протоколы.

Целью данного исследования является выявление наиболее актуальных факторов, которые следует учитывать при разработке и применении протокола для тренировки и оценки отягощений с использованием статических и динамических лестниц на животных моделях, а также привести конкретные примеры.

протокол

Методы, представленные в этом протоколе, были оценены и одобрены техническим комитетом по исследованиям на животных (ссылка PROAE 04/2018, Principado de Asturias, Испания).

1. Планирование

1. Тщательно отбирайте животных для исследования на основе интересующих характеристик (генетически модифицированные, модели патологии, возраст и т.д.) и применяйте к протоколу специфические приспособления (скалолазание без весов, уменьшение количества ступеней для подъема и наклона).
2. Определите модальность силы, которую необходимо оценить или обучить: максимальная сила, выносливость-сопротивление, скорость и т. Д. В зависимости от целей исследования.
3. Тщательно корректируйте параметры при составлении функциональной оценки или обучения, учитывая, фокусируется ли оно на результатах этих тестов или они дополняют другие типы клинических, функциональных, гистологических или молекулярных определений.
4. Спланируйте все вопросы, связанные с обучением, в частности, расписание, продолжительность периода обучения и частоту занятий, и нарисуйте таблицу тренировок.
   1. Укажите разминочные ступени и наклон лестницы, которые будут одинаковыми на протяжении всей тренировки. Укажите сеты, повторения, нагрузку (по результатам тестов на сопротивление, сделанных перед тренировочным периодом) и отдых между ними, обращая внимание на увеличение нагрузки по сравнению с предыдущим занятием.
   2. Модифицируйте план, как и в случае с обучением человека, в зависимости от благополучия животного. Модификации включают в себя уменьшение повторений, увеличение времени отдыха между подходами или повторениями и уменьшение нагрузки, чтобы избежать перетренированности и травм.
5. По завершении представить проект для оценки и утверждения исследовательским комитетом по этике животных.

2. Приборы и материалы для упражнений с отягощениями

1. Устройства: Статические и динамические лестницы
   ПРИМЕЧАНИЕ: Два типа лестниц, так называемые статические и динамические лестницы (см. Рисунок 1), могут быть использованы для тренировок и оценки отягощений (см. Таблицу материалов).
   1. Используйте вертикальную лестницу с не менее чем 30 ступенями стальной проволоки диаметром 1,5 мм, разделенными 15 мм, и зоной отдыха не менее 20 х 20 см на верхней части лестницы. Наклон лестницы должен регулироваться от 80° до 110° с горизонтальной плоскостью (рисунок 1С). Разграничить две полосы, чтобы предотвратить нелинейное восхождение.
   2. Используйте динамическую лестницу, похожую на статическую лестницу, с пластиковым барьером накаливания наверху, который можно открыть, чтобы контролировать доступ в зону отдыха, и пластиковым барьером накаливания внизу, чтобы предотвратить спуск животных. Угол наклона лестницы должен регулироваться в пределах от 80° до 100°, наиболее распространенным из которых является 85°.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Лестница может циркулировать с помощью верхнего и нижнего валов диаметром 8 см. Нижний вал приводится в движение электродвигателем, который заставляет ступени спускаться спереди и подниматься сзади, создавая бесконечную лестницу. Он оснащен редуктором и регулятором скорости для снижения скорости с 11,6 см/с до 3,3 см/с, а самая распространенная скорость составляет 5,6 см/с.

Рисунок 1: Устройства для тренировки сопротивления: статические и динамические лестницы. (А) Мышиная тренировка с внешним весом на статической лестнице. (B) Две мыши тренируются с весом на динамической лестнице. C) схематическое изображение углов лестницы для обучения и оценки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Материалы
   1. Подготовьте следующие материалы: гири, проволоку для удержания весов, стальной зажим для гатора и клиническую клейкую ленту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вес представляет собой стальные цилиндры различной массы (5, 10, 15, 20, 25 и 50 г), с отверстием диаметром 5 мм в центре для нанизывания их на проволоку (Таблица материалов). Проволока для удержания гирь изготавливается из стали диаметром 1-1,5 мм и длиной 5-10 см, в зависимости от количества грузим, подлежащих загрузке.
   2. Отрежьте кусок эластичного клейкого бинта (Таблица материалов) размером примерно 3,0-3,5 см х 1,0-1,5 см и прикрепите его вокруг хвоста животного, чтобы удерживать грузы. Убедитесь, что вы не слишком затягиваете, так как это может привести к ограничению кровотока.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сначала поведение животных будет бороться с лентой и кусать ее, но через пару дней они будут терпеть ее, ухаживая как обычно и не проявляя никаких признаков стресса.
   3. Вставьте нужные веса в проволоку и зацепите зажим гатора (Таблица материалов: Стальной зажим и проволока для удержания весов).
   4. Прижмите гатор к клинической ленте, прикрепленной к хвосту животного.
   5. Сразу после подъема на необходимые ступени снимите зажим и дайте животному отдохнуть с клинической лентой на хвосте, но без веса (рисунок 1).

3. Акклиматизация

ПРИМЕЧАНИЕ: Правильная акклиматизация необходима, чтобы избежать отказа от физических упражнений и свести к минимуму стресс. Акклиматизация является решающим этапом перед выполнением тестов оценки сопротивления или тренировочных протоколов. Достаточное время должно быть потрачено на достижение поведенческих признаков комфорта у животных. Подробности суточной акклиматизации со статической и динамической лестницами приведены в таблице 1 и таблице 2 соответственно.

1. Приучите животных оставаться в зоне отдыха на вершине лестницы (статической или динамической). Оставляйте животных в этом месте группами по четыре человека, с подстилкой из клетки, на 15 минут каждый день. Обычно через 3-5 дней животные не проявляют никаких признаков стресса.
2. Научите животных подниматься вверх, а не спускаться по лестнице. Используя статическую лестницу, поместите мышей на ступеньку близко к вершине, откуда они могут видеть зону отдыха. Они инстинктивно пойдут на это. Затем научите их постепенно подниматься с пяти ступеней (3x) в первый день, до 10 ступеней (3x) на следующий день, до 15 ступеней (3x) (таблица 1).
   Используйте ту же процедуру с динамической лестницей, сначала без движения, а затем с лестницей, движущейся со скоростью 5,4 см / с и 6,6 см / с, и животными, поднимающимися вверх в течение 2 минут, завершая пять серий (таблица 2).
3. Приспособите животных к переноске тяжестей, начиная с третьего дня акклиматизации. Приклейте кусок клинической ленты к основанию хвоста, который будет использоваться для удержания тяжестей.
4. С седьмого дня акклиматизации прикладывают небольшие веса (5-10 г) к клинической ленте с зажимом гатор. Избегайте выполнения слишком большого количества серий, чтобы адаптация не трансформировалась в тренировку.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Акклиматизация контрольной группы является обязательной в случае, если эта группа проводит тест на сопротивление. После этого периода выполняйте напоминание о подъеме по лестнице один раз в неделю, с помощью ленты, но без тяжестей.

4. Оценка сопротивления

1. Дополнительные испытания для оценки максимальной прочности
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это испытание предназначено для определения максимального сопротивления, измеряемого как максимальный вес, при котором животные могут подниматься на 10 ступеней по статической лестнице, что определяет максимум 10 повторений (10 RM)⁴. Этот протокол был адаптирован из предыдущих исследований (рассмотренных в Kregel et ^al.15).
   1. Для разминки выполните три серии по 10 повторений, 10 шагов/повторений, без внешней нагрузки. Для первой серии установите уклон на 90°, а затем на 85°. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
   2. Установите уклон на 85° (чтобы предотвратить выпас тяжестей или зацепление на ступенях лестницы).
   3. Прикрепите ленту вокруг хвоста животного, чтобы удерживать грузы и готовить веса, как объяснялось ранее.
   4. Начните тест с внешней нагрузкой 10 г и выполните одну серию из 10 шагов.
   5. Снимите вес и оставьте период покоя 120 с в зоне отдыха.
   6. Выполняют последовательный ряд из 10 шагов, увеличивая внешнюю нагрузку на 5 г до истощения. Разрешить период покоя (120 с) между сериями.
   7. Если одному животному не удается подняться на 10 ступеней с определенной весовой нагрузкой, допустите другую попытку с той же нагрузкой после 120 с отдыха. Если ему удается подняться с нагрузкой, он продолжает тест со следующей нагрузкой. Если он снова выходит из строя, запишите весовую нагрузку последней завершенной серии как ее максимальную весовую нагрузку.
   8. Результат теста может быть выражен как абсолютный внешний вес (г), как максимальная нагрузка по отношению к массе тела (%) или как масса, поднятая на грамм массы тела, по усмотрению исследователя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Предыдущий протокол представляет собой модель, на которой возможны многочисленные модификации, например, для оценки максимальной резистентности генетически модифицированных мышей с нервно-мышечными нарушениями. Эти животные не способны подниматься с внешними нагрузками и испытывают трудности с подъемом на 10 ступеней с лестницей, установленной на 90° уклона (неопубликованные данные). Протокол состоял из подъема по пяти ступеням без внешней нагрузки, начиная с уклона 110°. Наклон уменьшался на 5° в каждой серии до 85° с отдыхом 120 с после каждой серии. При этом максимальное сопротивление выражалось по мере накопившегося количества пройденных шагов (без учета повторений после неудач). Контрольная группа дикого типа после достижения уклона 85° продолжит испытание, добавив внешний вес к хвосту в соответствии с предыдущим протоколом до истощения.
2. Испытание на максимальную выносливость-сопротивление со статической лестницей
   1. Для разминки выполните три серии по 10 повторений, 10 шагов/повторений, без внешней нагрузки. Для первой серии установите наклон на 90°, а затем на 85°. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
   2. Установите наклон на 85°.
   3. Обрежьте вес на клинической ленте, размещенной вокруг хвоста мыши.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от возраста и особенностей животных внешней нагрузкой может быть максимальный вес, полученный в предыдущем инкрементальном тесте, процент от него (например, 50%), или процент от массы тела (например, 100%-200%). Если этот тест выполняется после периода обучения, рекомендуется использовать ту же нагрузку, что и в первоначальном тесте для оценки изменений.
   4. Выполняйте последовательный ряд из 10 шагов до истощения. После каждой серии время отдыха не допускается.
   5. Результатом теста является количество поднятых ступеней.
3. Испытание на максимальную выносливость-сопротивление с динамической лестницей
   ПРИМЕЧАНИЕ: Использование динамической лестницы позволяет исследователю контролировать скорость набора высоты.
   1. Установите наклон на 85°.
   2. Установите скорость 4,2 см/с.
   3. Для прогрева выполняют три серии по 100 шагов, без внешней нагрузки. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
   4. Обрежьте вес на клинической ленте, размещенной вокруг хвоста мыши.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от возраста и особенностей животных внешней нагрузкой может быть максимальный вес, полученный в предыдущем инкрементальном тесте, процент от него (например, 50%), или процент от массы тела (например, 100%-200%). Если этот тест выполняется после периода обучения, рекомендуется использовать ту же нагрузку, что и в первоначальном тесте для оценки изменений.
   5. Начните с 4,2 см/с и увеличивайте скорость на 1,2 см/с каждые 60 с до изнеможения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Результатом теста является время тренировки, количество поднятых ступеней или максимальная скорость.

5. Тренировка с отягощениями со статической лестницей

ПРИМЕЧАНИЕ: Перед началом периода обучения необходима акклиматизация (таблица 1) и планирование обучения. Чтобы уменьшить беспокойство, адаптируйте и обучайте мышей в группах из четырех животных, находящихся в одной клетке.

1. Для ежедневной разминки выполните три серии по 10 повторений, 10 шагов/повторений, без внешней нагрузки. Для первой серии установите уклон на 90°, а затем на 85°. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
2. Тренировка начинается в зоне отдыха. Обрежьте гатор весом на клиническую ленту.
3. Аккуратно поместите мышь на 10-20 ступеней ниже места отдыха. Позвольте мыши схватить ступеньку и подняться в зону отдыха.
   Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будет завершено количество ступеней в этой серии (например, 10 ступеней x 10 серий).
4. Снимите вес с хвоста мыши и подождите 120 с до следующей серии.
5. Увеличьте количество шагов и максимальные весовые нагрузки серии на протяжении всего тренировочного периода, сохраняя при этом недельный график.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пример изменения нагрузок в течение недельного планирования приведен в таблице 3. Коротко, вторник и пятницу с большой весовой нагрузкой (40-50 г) и небольшим количеством шагов (500-400); понедельник и четверг с промежуточной весовой нагрузкой (25-35 г) и промежуточным количеством ступеней (800-600); и среда без весовой нагрузки, но большое количество шагов (2000). Такая конструкция облегчает восстановление после предыдущих тренировок и позволяет избежать травм и перетренированности. Примеры 3 недель обучения с несколькими конструкциями с использованием статической лестницы приведены в таблице 4 (в начале, в середине и в конце периода обучения соответственно)⁴.

6. Тренировка с отягощениями с динамической лестницей

ПРИМЕЧАНИЕ: После акклиматизации обучение на динамической лестнице очень похоже на статическое (таблица 2). Дрессировка проводится на 2-4 мышах одновременно.

1. Установите наклон на 85°, закройте дверь в зону отдыха и запустите лестницу с нужной скоростью (например, 5,4 см/с).
2. Для прогрева выполняют три серии по 100 шагов, без внешней нагрузки. Допускайте период покоя 60 с между сериями.
3. Перед началом тренировок, когда мышь находится в зоне покоя, обрежьте гатор весом на клиническую ленту. В качестве альтернативы, вес может быть прикреплен, когда мышь уже находится на лестнице.
4. Осторожно поместите мышь на вершину движущейся лестницы с весом на хвосте. Позвольте мышам схватиться за ступеньку и подняться.
5. Когда количество ступеней в этой серии будет достигнуто (например, 100), удалите веса. Затем дверь открывается, чтобы животное могло перейти в зону отдыха. Время отдыха – 120 с до следующей серии.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Количество пройденных ступеней засчитывается как функция времени подъема на заданной скорости.
6. Повторяйте эту процедуру до завершения учебной сессии. Подробная ежедневная программа тренировок приведена в таблице 5.

7. Оценка перекрестного влияния тренировок с отягощениями на выносливость

ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого выполняется инкрементный тест на беговой дорожке^{через 4} часа после 24 ч отдыха.

1. После разогрева в течение 3 мин при скорости 10 см/с начинают дополнительное испытание при 10 см/с и угле наклона 10°.
2. Увеличивайте скорость на 3,33 см/с каждые 3 мин до изнеможения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Электрические удары не используются, поэтому кисть художника помещается в задней части беговой дорожки, чтобы мыши не могли сбежать с нее.

8. Поведение животных во время процедур

ПРИМЕЧАНИЕ: Непрерывный мониторинг адаптации мышей к тренировкам должен проводиться для выявления крайней усталости, перетренированности или травм.

1. Наблюдают признаки благополучия животных, в частности груминг и отказ от дрессировки. Нормальное поведение мыши, после серии интенсивных тренировок, заключается в том, чтобы оставаться неактивным в течение примерно одной минуты из-за усталости. После этого они начинают ухаживать, исследовать или пытаться снять ленту на хвосте.
2. В случае, если мышь отказывается тренировать серию, попробуйте дать более длительный отдых или даже не выполнять эту серию, чтобы предотвратить торможение.
3. Изредка, при выполнении легких упражнений, осторожно нажимайте на хвост животного, чтобы побудить его закончить серию. Животные перестают лазить, потому что это не сложная задача. И наоборот, когда животные несут тяжелый груз, осторожно переместите вес животного, чтобы облегчить нагрузку и побудить его закончить серию, а затем дайте животному отдохнуть до следующей тренировки. Животные могут остановиться или даже попытаться спуститься из-за большой нагрузки.

9. Процедуры обеспечения безопасности

1. Процедуры безопасности для исследователей: Проводите исследования в лаборатории для животных и используйте бахилы, комбинезоны, перчатки, шапки и маски. Нет никаких дополнительных требований, кроме тех, которые характерны для исследований на животных.
2. Безопасность для животных: Во время упражнений необходимо уделять постоянное внимание животным из-за потенциальных рисков, таких как падения или прыжки. Поместите руку под грузы, чтобы поймать и удержать мышей в случае падения из-за истощения, так как ее способность правильно держаться за ступени будет ограничена.

Результаты

Результаты со статической лестницей
Прогрессивный протокол тренировок с отягощениями, используемый и описанный Codina-Martinez et ^al.4 (таблица 4), был протестирован в предварительном исследовании, состоящем из 7 недель тренировок на статической лестнице с 6-меся...

Обсуждение

Обучение - это вмешательство с несколькими приложениями в исследованиях, помимо изучения самих упражнений. Таким образом, анализ его влияния на возраст²⁰ лет или некоторые патологические состояния и^{физиотерапию 21} года получил большое внимание в последние год?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dynamic ladder	in-house production
Elastic adhesive bandage 6 cm x 2.5 m	BSN medical	4005556
Gator Clip Steel NON-INSUL 10A	Digikey electronics	BC60ANP
Static ladder	in-house production
Weights	in-house production
Wire for holding weigths	in-house production