Накопительный протокол высокоинтенсивных интервальных тренировок: новый подход к изучению маркеров здоровья у крыс линии Вистар

Резюме

Здесь мы представляем протоколы накопленных высокоинтенсивных интервальных тренировок (HIIT), которые могут быть более осуществимой и эффективной по времени стратегией, чем традиционные протоколы HIIT.

Аннотация

Высокоинтенсивные интервальные тренировки (HIIT) и накопленные упражнения — это две эффективные по времени программы для улучшения здоровья людей и животных. Тем не менее, на сегодняшний день нет исследований о том, является ли HIIT, выполняемая в накопленном виде, столь же эффективной, как традиционная HIIT, выполняемая с одним ежедневным сеансом, в улучшении маркеров здоровья. В этой статье представлено влияние нового протокола HIIT, называемого накопленным HIIT, на прирост массы тела, максимальное потребление кислорода (VO₂max) и гипертрофию сердца у молодых крыс Wistar.

Шестидесятидневные самцы крыс Вистар были разделены на три группы: нетренированные (UN; n = 16), HIIT выполнялась с помощью одного ежедневного сеанса (1-HIIT; n = 16) и HIIT выполнялась с тремя ежедневными сеансами (3-HIIT; n = 16). Масса тела и VO₂max регистрировались до и после тренировочного периода. Измерения VO₂max проводились с помощью метаболического анализатора при максимальной скорости бега (Vmax). Тренировка проводилась для обеих групп HIIT пять дней в неделю в течение восьми недель с одинаковой еженедельной прогрессией интенсивности упражнений (85-100% Vmax). Группа 1-HIIT проводила одиночные ежедневные тренировки (6 подходов по 1 минуте вперемешку с 1 минутой пассивного восстановления). Группа 3-HIIT проводила три ежедневные тренировки (2 подхода по 1 минуте чередуются с 1 минутой пассивного восстановления с интервалом 4 часа между подходами). После последнего теста VO₂max крыс усыпили, а их сердца были собраны и взвешены.

Результаты показали, что 3-HIIT оказывает аналогичное положительное влияние на 1-HIIT в предотвращении увеличения массы тела, улучшении VO_2maxи индуцировании гипертрофии сердца. Эти результаты впервые демонстрируют эффективность накопленного протокола HIIT в отношении маркеров здоровья молодых крыс Wistar. Этот новый протокол HIIT может быть более целесообразным, чем традиционные протоколы HIIT, поскольку упражнения могут быть разделены на очень короткие сессии в течение дня при этом новом подходе.

Введение

Малоподвижный образ жизни является одним из основных факторов риска развития неинфекционных хронических заболеваний¹. Тем не менее, даже при наличии убедительных доказательств множественного благотворного влияния физических упражнений на здоровье, большая часть населения мира по-прежнему ведет сидячий образ жизни^. Регулярные физические упражнения оказывают множество положительных эффектов на кардиометаболическое здоровье ^4,5 и психическое здоровье ^6,7,8,9. В последнее время были предложены различные эффективные по времени программы физических упражнений¹⁰, такие как HIIT¹¹ и накопленные упражнения¹², для повышения приверженности физическим упражнениям и улучшения здоровья.

ВИИТ — это эффективный по времени подход, характеризующийся короткими периодами высокоинтенсивных физических упражнений, чередующихся с периодами низкоинтенсивных физических упражнений (активное восстановление) или отдыха (пассивное восстановление)⁴. Несколько исследований показали, что HIIT оказывает аналогичное или даже более сильное воздействие на здоровье, чем традиционная длительная непрерывная тренировка умеренной интенсивности (MICT), с преимуществом большей приверженности практикующих врачей ^4,12,13. Накопленные физические упражнения также были предложены в качестве метода упражнений для повышения приверженности и улучшения здоровья. При таком подходе упражнения низкой и умеренной интенсивности могут быть разделены на два или более коротких подхода в течение дня (например, два или три подхода по 5-10 минут в день)¹⁴. Costa Pereira et ^al.14 показали, что накопленный протокол упражнений (три ежедневных занятия с интервалом 4 часа между занятиями, 10-20 минут/сеанс, на 50-60% от максимальной мощности, пять дней в неделю, в течение восьми недель) оказал большее положительное влияние на маркеры здоровья у молодых крыс Wistar, чем традиционный протокол упражнений (тот же протокол упражнений, но выполняемый с одним ежедневным сеансом по 30-60 минут).

Тем не менее, на сегодняшний день исследования сосредоточены на физиологических последствиях накопленных упражнений, выполняемых с короткими тренировками низкой и умеренной интенсивности. Таким образом, нет достаточных доказательств того, является ли HIIT, выполняемая в накопленном виде (т.е. с несколькими короткими сеансами высокоинтенсивных упражнений в течение дня), столь же эффективной, как традиционная HIIT, выполняемая с одним ежедневным сеансом, в улучшении физиологических маркеров здоровья.

Мы решили использовать контролируемых лабораторных крыс для преодоления методологических ловушек в исследованиях со свободно живущими особями с различной ежедневной физической активностью и питанием. Кроме того, использование экспериментальных животных позволяет исследователям проводить инвазивные анализы (например, мышечную и сердечную биопсию), которые затруднительны или даже невозможны в исследованиях на людях.

Мы предположили, что если крысы тренируются по накопительному протоколу HIIT (выполняемому с тремя короткими ежедневными сессиями), они могут улучшить кардиореспираторную выносливость аналогично крысам, которые тренируются по традиционному протоколу HIIT (выполняемые с одним ежедневным сеансом). Таким образом, это исследование было направлено на изучение и сравнение эффектов ВИИТ, выполняемой с одним ежедневным сеансом, с ВИИТ, выполняемой с тремя более короткими ежедневными сеансами, на VO₂max и гипертрофию сердца крыс линии Wistar.

протокол

Все процедуры, использованные в настоящем исследовании, соответствовали «Принципам ухода за лабораторными животными» в соответствии с руководящими принципами ARRIVE, и были одобрены Комитетом по этике и использованию животных в Федеральном университете долин до Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM-протокол No 031/2016). Обратитесь к Таблице материалов для получения подробной информации обо всех материалах, используемых в этом протоколе.

1. Экспериментальный дизайн

1. Используйте в среднем 48 самцов 60-дневных крыс Вистар весом 250 г.
2. Случайным образом разделите крыс на три группы: необученные (UN; n = 16); HIIT, выполняемый с одним ежедневным сеансом (1-HIIT; n = 16); и HIIT, выполняемый с тремя ежедневными сеансами (3-HIIT; n = 16).
3. Содержание крыс в индивидуальных клетках в контролируемой среде (22-23 °C, влажность 50%) с инвертированным циклом свет-темнота 12 ч:12 ч (свет включается в 18:00) со свободным доступом к стандартным лабораторным пищевым гранулам и воде.
4. Познакомьте крыс с беговой дорожкой за неделю до начала выполнения протокола тренировок.
5. Взвесьте крыс с помощью прецизионных электронных цифровых весов за 48 ч до и 48 ч после протокола обучения.
6. Тест VO₂max с крысами всех групп проводят за 48 ч до инициализации протоколов HIIT, в конце^4-й недели тренировок (для корректировки скорости бега) и через 48 ч после протоколов HIIT.
7. Усыпьте крыс через 24 ч после последнего теста с VO₂max путем внутримышечной инъекции 400 МЕ гепарина, а также удалите и взвесьте сердца и левые желудочки (см. шаг 5).

2. Ознакомление с оборудованием беговой дорожки

1. Установите наклон беговой дорожки на 0° (ровный).
2. Включите беговую дорожку.
3. Отрегулируйте ручку беговой дорожки на скорость 6 м/мин.
4. Отрегулируйте амортизатор беговой дорожки на 0,25 мА.
5. Возьмите животное за хвост и поставьте его на беговую дорожку на 10 минут в 8:00 утра.
6. Повторяйте эту процедуру в течение пяти дней подряд.

3. Тест VO₂max

1. Корректировка программного обеспечения (Рисунок 1)
   1. Откройте программу «Метаболизм».
   2. Нажмите на файл , чтобы открыть новую запись.
   3. В параметре kind of cage выберите Treadmill, 1 cage, а в параметре Время переключения выберите 2 (min).
   4. В эксперименте выберите оксиметрию | новый.
   5. Нажмите на кнопку, чтобы ввести номер, идентификацию и вес животного. Определите данные проекта. Перейдите к контроллеру беговой дорожки и установите параметры теста.
      1. Начните испытание со скоростью 5 м/мин.
      2. Отрегулируйте амортизатор беговой дорожки на 0,25 мА. Нажмите «Пуск».
   6. Нажмите « Принять».
   7. Закройте акриловую крышку беговой дорожки.
   8. Введите эталонные значения калибровочного газа.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эталонные значения газа составляют 0 мм рт.ст. (CO₂) и 20 мм рт.ст. (O₂). Эти значения указаны производителем.
   9. Подождите 10 минут.
2. Тест
   1. Включите беговую дорожку.
   2. Отрегулируйте ручку беговой дорожки на скорость 3 м/мин.
   3. Отрегулируйте амортизатор беговой дорожки на 0,25 мА.
   4. Установите наклон беговой дорожки на 0° (ровный).
   5. Возьмите животное за хвост и поставьте его на беговую дорожку, а затем закройте акриловую крышку беговой дорожки.
   6. Увеличивайте скорость беговой дорожки на 3 м/мин каждые 2 мин до истощения (устанавливается, когда животное касается дна отсека пять раз в течение 1 мин).
   7. Снимите животное с беговой дорожки и поместите его в клетку.
   8. Запишите максимальную скорость (Vmax), достигнутую животным.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для расчета VO₂max программное обеспечение рассчитывает разницу между вдыхаемым O₂ и выдыхаемым животным CO₂ в точке Vmax, а окончательный расчет выполняется в соответствии с индивидуальной массой тела каждой крысы.

4. Протоколы HIIT (Рисунок 2)

1. Включите беговую дорожку.
2. Отрегулируйте ручку беговой дорожки на скорость 50% Vmax (разминка).
3. Отрегулируйте амортизатор беговой дорожки на 0,25 мА.
4. Установите наклон беговой дорожки на 0° (ровный).
5. Возьмите животное за хвост и поставьте его на беговую дорожку на 3 минуты.
6. Снимите животное с беговой дорожки и отрегулируйте ручку беговой дорожки на соответствующую скорость недели (неделя 1: 85% Vmax; недели 2-3: 90% Vmax; недели 4-5: 95% Vmax; недели 6-8: 100% Vmax).
7. Поместите животное на беговую дорожку на 1 минуту.
   1. Убедитесь, что обе группы HIIT тренируются 5 дней в неделю в течение 8 недель: группа 1-HIIT должна выполнять одну ежедневную сессию из 6 подходов по 1 минуте вперемешки с 1 минутой пассивного восстановления, а группа 3-HIIT должна выполнять три более короткие ежедневные сессии по 2 подхода по 1 минуте по 1 минуте пассивного восстановления с интервалом 4 часа между тренировками.
   2. Для группы 3-HIIT тренировки проводятся в 8:00, 12:00 и 16:00.
   3. Разделите группу 1-HIIT на три группы, начинающие тренировки в одно и то же время (т.е. в 8:00 утра, 12:00 и 4:00 вечера), что и группу 3-HIIT, чтобы исключить любое возможное влияние циркадных ритмов на адаптацию к тренировкам.
   4. Убедитесь, что группа ООН находится на беговой дорожке один день в неделю в течение 10 минут со скоростью 10 м/мин в том же помещении, где тренируются группы HIIT.
8. Снимите животное с беговой дорожки и поместите его в клетку на 1 минуту (пассивное восстановление).

5. Эвтаназия и запись веса сердца

1. После внутривенного введения 400 МЕ гепарина усыпьте крысу путем обезглавливания с помощью гильотины.
2. Осторожно вскройте грудную клетку крысы, удалите сердце, промойте его солевым раствором, взвесьте, отделите левый желудочек и взвесьте его.
3. Выбросьте тушу животного в соответствующую морозильную камеру.

6. Статистический анализ

1. Выразите все данные в виде среднего значения ± стандартного отклонения.
2. Проверьте нормальность данных с помощью теста Шапиро-Уилка.
3. Анализируйте данные с помощью одно- или двухстороннего ANOVA с последующим апостериорным тестом Тьюки; Установите уровень значимости на 5%.

Результаты

На рисунке 3 представлено влияние протоколов 1-HIIT и 3-HIIT на VO₂max (рисунок 3A), массу тела (рисунок 3B) и потребление пищи (рисунок 3C). Перед тренировочными протоколами все группы показали схожие ОО₂max (ООН: 52,19 ± 5,27; 1-HIIT: 48,32 ± 3,92; 3-HIIT: 51,24 ± 5,84 мл O 2.кг-1. ^мин-1) массы тела (ООН: 242,62 ± 15,89; 1-HIIT: 259,06 ± 13,90; 3-HIIT: 251,43 ± 13,84 г) и прием пищи (ООН: 118,26 ± 9,94; 1-HIIT: 116,51 ± 3,86; 3-HIIT: 119,01 ± 9,02 г/сут). После периода тренировки только в группах ВИИТ наблюдалось увеличение VO₂max (UN: 49,73 ± 3,13; 1-HIIT: 67,39 ± 4,22; 3-HIIT: 67,23 ± 2,86 мл O 2,кг-1. ^мин-1; до тренировки против посттренировочных: UN, P = 0,99; 1-HIIT, P = 0,001; 3-HIIT, P = 0,001), подтверждая эффективность тренировочных протоколов. После тренировочного периода во всех группах наблюдался прирост массы тела; однако, по сравнению с ООН, обе группы ВИИТ имели меньшую массу тела (ООН: 384,37 ± 27,25; 1-ВИИТ: 349,31 ± 14,49; 3-ВИИТ: 341,68 ± 23,78 г; ООН против 1-ВИИТ, P = 0,022; UN против 3-HIIT, P = 0,001), несмотря на одинаковое потребление пищи (UN: 124,34 ± 3,70; 1-HIIT: 122,09 ± 8,68; 3-HIIT: 122,09 ± 5,40 г/день).

На рисунке 4 показано влияние протоколов 1 и 3-HIIT на гипертрофию сердца. По сравнению с группой ООН, оба протокола HIIT индуцировали гипертрофию сердца, о чем свидетельствует увеличение массы сердца/тела (ООН: 3,59 ± 0,24 против 1-HIIT: 4,82 ± 0,34 против 1-HIIT: 4,82 0,34 против 1. 3-ВИИТ: 5,01 ± 0,50 мг/г; Рисунок 4А; UN против 1-HIIT, P = 0,001; ООН против 3-ВИИТ, P = 0,001) и отношение массы левого желудочка к массе тела (ООН: 1,76 ± 0,22 против 1-ВИИТ: 2,68 ± 0,51 против 3-ВИИТ: 2,85 ± 0,23 мг/г; Рисунок 4В; UN против 1-HIIT, P = 0,001; UN против 3-HIIT, P = 0,001).

Рисунок 1: Корректировка программного обеспечения для теста VO₂max. (A) Запись нового эксперимента. (B) Данные о животных. (C) Калибровка газов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Принципиальная схема протоколов HIIT. (A) 1-HIIT и (B) 3-HIIT. Сокращение: HIIT = высокоинтенсивная интервальная тренировка; 1-HIIT = HIIT, выполняемый с одним ежедневным сеансом; 3-HIIT = HIIT, выполняемый с 3 короткими ежедневными сессиями. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Влияние протоколов 1-HIIT и 3-HIIT на маркеры здоровья. (A) VO₂max, (B) масса тела и (C) потребление пищи. Данные представлены в виде среднего ± SD; n = 16 для каждой из трех групп. Одно- или двухсторонний ANOVA с последующим тестом Тьюки. Разные буквы указывают на статистические различия. Р < 0,05. Сокращения: HIIT = высокоинтенсивная интервальная тренировка; VO₂max = максимальное потребление кислорода; pre-tr = Предварительная подготовка; post-tr = После обучения; UN = необученный; 1-HIIT = HIIT, выполняемый с одним ежедневным сеансом; 3-HIIT = HIIT, выполняемый с 3 короткими ежедневными сессиями. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Влияние протоколов 1 и 3-HIIT на гипертрофию сердца. (A) Соотношение сердца к массе тела; (B) соотношение левого желудочка к массе тела. Данные представлены в виде среднего ± SD; n = 16 для каждой из трех групп. Одно- или двухсторонний ANOVA с последующим тестом Тьюки. Разные буквы указывают на статистические различия. Р < 0,05. Сокращения: HIIT = высокоинтенсивная интервальная тренировка; UN = необученный; 1-HIIT = HIIT, выполняемый с одним ежедневным сеансом; 3-HIIT = HIIT, выполняемый с 3 короткими ежедневными сессиями. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обсуждение

В этой статье впервые подчеркивается эффективность накопительного протокола HIIT для крыс. Накопленный протокол HIIT был столь же эффективен, как и традиционный протокол HIIT, выполняемый с одним ежедневным сеансом, в предотвращении увеличения веса, улучшении VO₂max и индуцировании гипертрофии сердца у молодых самцов крыс Wistar. Улучшение VO₂max и развитие гипертрофии сердца являются наиболее известными адаптациями к аэробным тренировкам и важными^{биомаркерами здоровья}.

Используя протокол MICT на крысах того же возраста, что и те, которые использовались в настоящем исследовании, Costa-Pereira et ^al.14 также обнаружили, что накопленный протокол упражнений (три ежедневных занятия с интервалом 4 часа между сеансами, 10-20 минут/сеанс, при 50-60% от максимальной мощности, пять дней в неделю в течение восьми недель) был столь же эффективен, как и протокол упражнений, выполняемый с одиночными ежедневными занятиями (одиночные ежедневные сеансы, 30-60 мин/сеанс, при 50-60% от максимальной мощности, пять дней в неделю в течение восьми недель) в предотвращении увеличения массы тела и индуцировании гипертрофии сердца¹⁴. Costa-Pereira et al. обнаружили снижение массы тела на 5,12 и 9,85% и увеличение соотношения сердца/массы тела на 16,22 и 18,61% в группах накопленных и однократных ежедневных сеансов MICT, соответственно, по сравнению с нетренированной контрольной группой.

Здесь мы добились превосходных результатов при использовании HIIT. В группах 1-HIIT и 3-HIIT наблюдалось снижение массы тела на 9,12 и 11,10%, увеличение VO_2maxна 35,51 и 35,19%, а также увеличение соотношения сердца к массе тела на 34,26 и 39,55% соответственно по сравнению с нетренированной группой. Некоторые исследования показали, что традиционные протоколы HIIT превосходят протоколы MICT в увеличении объема эритроцитов, максимальном сердечном выбросе (в основном за счет сердечного выброса и/или сократимости) и плотности митохондрий скелетных мышц¹⁸. Эти физиологические адаптации, по-видимому, объясняют превосходство традиционных протоколов HIIT (по сравнению с протоколами MICT) в увеличении аэробной способности и индуцировании физиологической гипертрофии сердца. Результаты настоящего исследования и исследования Costa Periera et ^al.14 указывают на то, что это превосходство HIIT по сравнению с MICT можно наблюдать, когда эти методы выполняются с короткими тренировками в течение дня.

Наиболее важным преимуществом этого накопленного протокола HIIT является то, что его сеансы длятся всего 5 минут три раза в день. Другими сильными сторонами являются простота настройки беговой дорожки и обращение с животными. После того, как максимальная скорость получена в результате теста VO₂max, беговая дорожка устанавливается под прямым наклоном. Скорость одинакова для каждого боя в соответствии с интенсивностью, предписанной для конкретной недели тренировок. Еще одним положительным моментом является то, что во время всех тренировок схватки имеют одинаковое количество и продолжительность: 6 боев по 1 минуте чередуются с 1 минутой пассивного восстановления, выполняемого в одиночных ежедневных сессиях для группы 1-HIIT; и 2 подхода по 1 минуте вперемешку с 1 минутой пассивного восстановления, выполняемого три раза в день с интервалом 4 часа между тренировками для группы 3-HIIT. Наконец, выбор пассивного восстановления является еще одним средством, поскольку после окончания каждого боя исследователь снимает животное с беговой дорожки и помещает его в клетку до начала следующего боя. Таким образом, после беговой дорожки корректировки устанавливаются в начале каждой тренировки, и никаких дополнительных корректировок в течение всей тренировки не требуется.

Настоящее исследование также имеет некоторые ограничения. Не во всех лабораториях есть газоанализатор для измерения максимального потребления кислорода. Тем не менее, это ограничение можно преодолеть с помощью протоколов максимальной физической работоспособности, которые не используют метаболические беговые дорожки для определения VO₂max для назначения интенсивности упражнений, включая ранее опубликованный протокол HIIT¹⁹. Еще одним ограничением является то, что по сравнению с протоколами, использующими непрерывные упражнения низкой и умеренной интенсивности, животным сложнее поддерживать скорость бега, потому что она уже высока в начале каждой схватки. Таким образом, использование шока может быть более высоким в этом накопительном протоколе, чем в протоколе MICT. Это требует большего внимания со стороны исследователя, так как нецелесообразно проводить тренировку с пятью и более крысами одновременно.

Наконец, этот протокол физических упражнений был разработан для здоровых молодых крыс Wistar; Будущие исследования должны проверить этот протокол на крысах разного возраста и состояния здоровья. Более того, хотя полная характеристика физиологических адаптаций к накопленному протоколу HIIT выходит за рамки настоящего исследования, она требует дальнейшего изучения. Взятые вместе, эти результаты впервые показывают влияние накопленного протокола HIIT на физиологическую адаптацию к тренировкам у молодых крыс Wistar. Этот новый протокол HIIT может быть более реалистичной стратегией, чем традиционные протоколы HIIT, поскольку в этом новом подходе упражнения могут быть разделены на очень короткие сессии в течение дня.

Материалы

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