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Das Übungsgerät, das für weniger glückliche Fische entwickelt wurde, erleichtert die Umsetzung verschiedener Übungsprotokolle mit unterschiedlichen Intensitäten, indem es die Wasserströmungsgeschwindigkeit manipuliert, die durch Rheotaxis erreicht werden kann.
Um die Auswirkungen von Bewegung auf Gesundheit und Krankheit umfassend zu untersuchen, spielen Tiermodelle eine zentrale Rolle. Der Zebrafisch, ein weit verbreiteter Modellorganismus für Wirbeltiere, bietet eine einzigartige Plattform für solche Studien. Diese Studie führte zur Entwicklung eines kostengünstigen Geräts, das auf Zebrafisch-Übungsstudien zugeschnitten ist und leicht verfügbare Materialien verwendet. Das Gerät basiert auf den Prinzipien eines Schwimmtunnels und umfasst ein Netzwerk von Rohren und Ventilen, die mit einer Tauchpumpe verbunden sind. Der Wasserfluss wird durch einen Sensor akribisch überwacht und über Ventile geregelt. Um die Wirksamkeit des Geräts zu beurteilen, wurden zwei Trainingsprotokolle implementiert: kontinuierliches Training mit mittlerer Intensität (MICT) und hochintensives Intervalltraining (HIIT). Die Fische wurden kollektiv trainiert und ihre Schwimmleistung durch einen Härtetest bewertet. Beide Trainingsprotokolle führten zu einer Verbesserung der Schwimmleistung nach 30 Tagen Training und induzierten Veränderungen in der molekularen Reaktion auf Bewegung im Vergleich zu einer sitzenden Kontrollgruppe. Bemerkenswert ist, dass HIIT eine überlegene Effizienz gegenüber MICT zeigte. Das Zebrafisch-Trainingssystem erwies sich als wertvolles Werkzeug für Untersuchungen in der Bewegungsphysiologie und fördert den Nutzen des Zebrafischmodells in diesem Bereich weiter.
Körperliche Bewegung umfasst alle körperlichen Bewegungen, die von der Skelettmuskulatur ausgeführt werden und zu einem erhöhten Energieverbrauch führen, wobei Bewegung eine strukturierte und sich wiederholende Untergruppe körperlicher Aktivitäten ist1. Bewegung, eine multifaktorielle und kostengünstige Aktivität, die den gesamten Körper einbezieht, bringt zahlreiche gesundheitliche Vorteile mit sich, wie z. B. die Vorbeugung des metabolischen Syndroms und der Sarkopenie2. Folglich ist das Gebiet der Bewegungsphysiologie von großem Interesse, da es zu klären versucht, wie sich der Körper an den akuten Stress des Trainings, den chronischen Stress des körperlichen Trainings und die allgemeinen Auswirkungen des Trainings auf die Gesundheit anpasst1.
Die Durchführung von trainingsphysiologischen Studien am Menschen kann aufgrund von Herausforderungen bei der Versuchsplanung und der Teilnehmerüberwachung sowohl teuer als auch zeitaufwändig sein3. Daher wurde der Einsatz von Tiermodellen in Laborumgebungen aufgrund ihrer genetischen und physiologischen Einheitlichkeit dringend empfohlen. Darüber hinaus haben die Tiere unter kontrollierten Laborbedingungen in der Regel eine sitzende Lebensweise und eine regulierte Nahrungsaufnahme4. Unter den Tiermodellen wurden Nagetiere am häufigsten in der Forschung eingesetzt, bei der es um körperliche Bewegung ging1. Der Zebrafisch (Danio rerio; Hamilton, 1822) ist ein komplementäres Modell zu Maus und anderen Spezies für Bewegungsstudien 5,6,7,8.
In der Zebrafischforschung kann körperliche Bewegung mit kommerziell erhältlichen oder speziell angefertigten Schwimmtunneln durchgeführt werden. Unter den kommerziell erhältlichen Optionen ist der Blazka-Tunnel, der vom Loligo-System entwickelt wurde, der amhäufigsten verwendete 7,9,10. Dieses System induziert ein erzwungenes Schwimmen durch einen Propeller, der mit einem Elektromotor gekoppelt ist, wodurch ein kontinuierlicher Wasserfluss innerhalb des Tunnels erzeugt wird. Diese Schwimmfähigkeit wurzelt im Prinzip der Rheotaxis, einem angeborenen Verhalten von Fischen, das sie dazu bringt, gegen Wasserströmungen zu schwimmen und ihre Position zu halten11. Die Rheotaxis ermöglicht die Messung der kritischen Schwimmgeschwindigkeit (Ucrit), die die maximale Geschwindigkeit darstellt, die ein Fisch für eine bestimmte Dauer aufrechterhalten kann. Es ist jedoch erwähnenswert, dass diese Ausrüstung zwar wertvoll für die Beurteilung des Schwimmverhaltens und des Sauerstoffverbrauchs ist, aber mit erheblichen Kosten verbundenist 12.
Forscher haben alternative Geräte für das Training von Zebrafischen entwickelt, die oft auf dem Blazka-Mechanismus10,13,14 oder einfacheren Mechanismen 8,15,16 basieren. Nichtsdestotrotz können diese Methoden durch die technischen Anforderungen des Protokolls eingeschränkt sein, einschließlich längerer Dauer, erheblicher Ausrüstungskosten und Einschränkungen bei Durchsatz und Präzision. Folglich bestand das Hauptziel der Studie darin, ein erschwingliches und benutzerfreundliches Zebrafisch-Übungssystem unter Verwendung leicht verfügbarer Materialien zu entwickeln, das ein neues alternatives Gerät für die körperliche Bewegung bei Fischen bietet. Ein sekundäres Ziel war es, sowohl aerobe als auch anaerobe Trainingsprogramme im Zebrafisch zu implementieren und so die Nutzung des Zebrafischmodells als Interventionsstrategie in der Bewegungsforschung weiter voranzutreiben.
Die Verfahren wurden zuvor von der Ethikkommission für die Verwendung von Tieren der Bundesuniversität von São Paulo (CEUA/UNIFESP Nr. 9206260521) genehmigt. In dieser Studie wurde nur ein adultes Weibchen des Wildtyps Danio rerio im Alter von 6 Monaten und einem Gewicht von 2,5-3 g eingesetzt. Die für die Studie benötigten Geräte und Reagenzien sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Maßgeschneidertes Zebrafisch-Übungsgerät
HINWEIS: Das Trainingsgerät wurde speziell angefertigt. Weitere Informationen finden Sie in Abbildung 1, Ergänzende Tabelle 1, Ergänzende Akte 1 und Ergänzende Akte 2.
2. Bedienung des Geräts
3. Härtetest
HINWEIS: In diesem Schritt wird das Verfahren für den Dauertest zur Bestimmung der maximalen Schwimmgeschwindigkeit (Umax) von Zebrafischen beschrieben.
4. Übungsgruppen und Ablauf
HINWEIS: Um unterschiedliche Trainingsprotokolle zu erstellen, ist es wichtig, eine sitzende Gruppe einzubeziehen, die identischen Versuchsbedingungen ausgesetzt ist, um die Auswirkungen von Trainingsprotokollen zu vergleichen, wenn auch ohne hochintensives Training. Es ist auch wichtig, den Umax zu ermitteln, da die Bruchteile des Umax-Wertes notwendig sind, um die Intensität von Trainingsprotokollen zu bestimmen.
5. Körpermaße
Das Trainingsgerät zeigte eine bemerkenswerte Effizienz bei der Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit. Um die Schwimmgeschwindigkeit schrittweise zu erhöhen, wurde der Wasserfluss für alle Gruppen wöchentlich erhöht, mit Ausnahme der SED-Gruppe, die bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit von 0,06 m/s gehalten wurde. Bemerkenswert ist, dass die Vorrichtung ein bemerkenswertes Maß an Präzision ermöglichte und eine Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 0,001 m/s ermöglichte. Die Fehlerquote lag jedoch bei niedrigen Geschwindigkeiten, wie z.B. 0,06 m/s, bei 30%. Bei hohen Geschwindigkeiten wie 0,3 m/s und 0,5 m/s lag die Fehlerquote bei 3 % bis 4 % (Abbildung 2). Die maximale Geschwindigkeit, die während des Trainings erreicht wurde, betrug 0,4 m/s im SED, 0,44 m/s im MICT und 0,49 m/s in den HIIT-Gruppen in der letzten Ausdauer.
Die körperliche Leistungsfähigkeit des Zebrafisches wurde wöchentlich mit Umax im Dauertest bewertet. Die Ergebnisse zeigten signifikante Verbesserungen der körperlichen Leistungsfähigkeit von Zebrafischen, die MICT und HIIT unterzogen wurden, im Vergleich zur SED-Gruppe (Abbildung 4). Sowohl MICT als auch HIIT wurden der gleichen Strecke unterzogen, die während des Trainings zurückgelegt wurde; Die HIIT-Gruppe induzierte jedoch schnelle Verbesserungen, wobei bereits nach zwei Wochen ein signifikanter Anstieg der Umax beobachtet wurde (p = 0,0003). Während des Trainingszeitraums zeigte die HIIT-Gruppe eine konstante wöchentliche Verbesserung von 10 %, was zu einer Gesamtverbesserung von etwa 30 % führte. Im Gegensatz dazu führte das MICT-Training zu allmählicheren Zuwächsen, wobei nur in der dritten Trainingswoche ein bemerkenswerter Anstieg von ~10 % bei Umax zu verzeichnen war, gefolgt von keiner weiteren Verbesserung in der folgenden Woche (p = 0,0024). Diese Ergebnisse unterstreichen die unterschiedlichen Auswirkungen von HIIT- und MICT-Trainingsprotokollen auf die körperliche Leistungsfähigkeit von Zebrafischen.
Abbildung 1: Konstruktion der Apparatur. (A) Schematische Darstellung des Schwimmapparates. Die blauen Pfeile zeigen die Richtung des Wasserflusses an. Die relevanten Rohrlängen sind dargestellt. Die Buchstaben stehen für jede in der Ergänzenden Tabelle 1 beschriebene Gerätekomponente. (B) Foto des Geräts. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Kalibrierung des Wasserdurchflusssensors durch Messung der Zeit, die für einen Durchfluss von 0,5 l erforderlich ist. Der SEM betrug 0,277 in den 0,06 m/s-Gruppen, 0,123 in den 0,3 m/s-Gruppen und 0,109 in den 0,5 m/s-Gruppen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Schaltpläne der Arduino-Verbindungen zum LCD. Die entsprechenden Drähte des Sensors sollten zwischen dem D2-Pin des Arduino und dem 10 kΩ Widerstand (Signaldraht), der Masse des Arduino (schwarzes Kabel) und 5 V des Arduino (rotes Kabel) angeschlossen oder gelötet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Schwimmleistung, ausgedrückt in maximaler Schwimmgeschwindigkeit (Umax). a, b und c zeigen die statistischen Unterschiede zwischen den wöchentlichen Schwimmfähigkeitsschätzungen innerhalb jeder Gruppe. *Gibt die Differenz zwischen den Gruppen an, Vergleich mit Hilfe einer bidirektionalen Varianzanalyse (Tukey posthoc). *p = 0,01; **p = 0,001; p = 0,0001. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Morphologische Messungen. (A) Körperzustandsindizes (Gewicht [g] / Standardlänge [mm]2; BMI). (B) Repräsentatives Bild der Körpermessung. (c) Bewertung des Körperzustands (BCS). Der Fehlerbalken entspricht einem Bereich von 0,026 bis 0,045 für BMI und 0,4 bis 0,96 für BCS. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Tabelle 1: Materialien und Montageanleitung für das Zebrafisch-Übungsgerät. Die Tabelle enthält Buchstaben, die an der in der Abbildung dargestellten Montagereihenfolge ausgerichtet sind. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Datei 1: Kommentierter Arduino-Sketch zur Messung der Wassergeschwindigkeit. Kommentare für jede Codezeile werden nach den doppelten Schrägstrichen eingefügt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Datei 2: Arduino-Datei, einschließlich der Setup-Details. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
In dieser Studie wurde ein innovatives, kostengünstiges Übungssystem entwickelt, das in Anlehnung an das Schwimmtunnel-Respirometer von Loligo Systems21 und das Rinnensystem22 zur umfassenden Untersuchung der Schwimmleistung von Zebrafischen dient. Der Umax wurde durch systematische Erhöhung des Wasserflusses in diskreten Stufen bestimmt, wobei die Geschwindigkeitsschritte in kurzen Intervallen (20-30 min) erfolgten, bis der Fisch die Erschöpfung erreichte, die durch drei aufeinanderfolgende Ermüdungen oder die Unfähigkeit, die Strömung im Schwimmtunnel zu überwinden, gekennzeichnet war. Diese Bestimmungen waren maßgeblich an der Entwicklung von zwei Übungsprotokollen (MICT und HIIT) beteiligt. Im Gegensatz zu Protokollen, die eine relativ lange Phasendauer (von einer bis zu mehreren Stunden) vorsehen, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers bei Erschöpfung als kritische Schwimmgeschwindigkeit (Ucri)12 bezeichnet. Die mit dem Übungssystem berechneten Umax-Werte lagen im Bereich anderer Studien7, was die Wirksamkeit dieses Tunnelschwimmgeräts bei der Bewertung der körperlichen Leistungsfähigkeit von Zebrafischen bestätigt. Darüber hinaus verfügt dieses kompakte Gerät über die Vielseitigkeit, das gesamte Spektrum der Wasserströmungsgeschwindigkeiten abzudecken, was die Anpassung der angewandten Trainingsprotokolle erleichtert.
Bei dieser Geräteentwicklung ist es möglich, verschiedene Übungsprotokolle zu erstellen, indem nur die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers gesteuert wird. Die genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers stellte bei niedrigen Drehzahlen eine Herausforderung dar, was zu einer Fehlerquote von etwa 30 % führte. Nichtsdestotrotz verbesserte sich die Präzision bei mittleren und hohen Geschwindigkeiten, die sich Umax annäherten, mit einer zuverlässigeren Geschwindigkeitsmessung und einer reduzierten Fehlerquote von 3 % bis 4 %. Folglich wurde eine Einschränkung der Gerätepräzision bei niedrigen Geschwindigkeiten festgestellt. Trotz dieser Einschränkung ergab die Studie, dass selbst bei einer Geschwindigkeitsvariation von 0,02 m/s keine signifikanten Auswirkungen auf die körperliche Leistungsfähigkeit der SED-Gruppe während des Trainings beobachtet wurden. Dies deutet darauf hin, dass Variationen bei niedrigem Training möglicherweise keine signifikanten Auswirkungen auf die körperliche Leistungsfähigkeit haben, zumindest in dem in dieser Studie vorgestellten Modell. Eine weitere Einschränkung des vorgeschlagenen Geräts ist das Fehlen eines Sauerstoffsensors, wodurch es unmöglich ist, den Sauerstoffverbrauch zu messen.
Frühere Studien haben einen bemerkenswerten Unterschied in der Schwimmgeschwindigkeit zwischen erwachsenen männlichen und weiblichen Zebrafischen gezeigt, wobei morphologische Unterschiede, wie z. B. der erhöhte Umfang trächtiger Weibchen, und physiologische Unterschiede, wie z. B. eine verminderte Muskelleistung bei trächtigen Fischen, vorgeschlagen wurden 5,23,24. Bei dieser Untersuchung wurden ausschließlich weibliche Zebrafische dem Trainingsprogramm unterzogen, wobei anerkannt wurde, dass diese Weibchen vor, während und nach dem Training drei Fortpflanzungszyklen durchliefen, die den Körpermaßen konsequent vorausgingen. Dieser strategische Ansatz milderte effektiv die Unterschiede zwischen den Geschlechtern. Darüber hinaus ergab diese Studie keine erkennbaren Unterschiede in den Körperparametern zwischen den Trainingsgruppen (Abbildung 5) oder beim Vergleich der Bedingungen vor und nach dem Training bei Frauen. Es gab zwar keine Kontrolle über die Altersvariation zwischen den Individuen, aber es ist gut dokumentiert, dass die Schwimmleistung und der Energiebedarf der Fortbewegung während des gesamten Lebenszyklus aufgrund von Ontogenese, Fortpflanzung und Seneszenz stark schwanken können 25,26,27. Trotz der möglichen Altersunterschiede innerhalb jeder Gruppe wurden alle Tiere akribisch nach Größe, Körpergewicht und einem konsistenten geschlechtsreifen Erwachsenenstadium gruppiert. Bemerkenswert ist, dass keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen vor Beginn des Trainingsprogramms beobachtet wurden. Folglich wurde postuliert, dass die beobachtete Verbesserung der Schwimmkapazität allein auf die angewandten Übungsprotokolle zurückzuführen ist.
Ziel dieser Studie war es, die Wirksamkeit des Übungssystems zu bewerten, indem zwei unterschiedliche Übungsprotokolle implementiert wurden. Während MICT ein anhaltendes, kontinuierliches Trainingsprogramm beinhaltet, umfasst HIIT kurze Ausbrüche von Übungen mit maximaler Intensität, gefolgt von kurzen, weniger intensiven Erholungsphasen. Beide Protokolle wurden akribisch angepasst, um während des gesamten Trainingszeitraums gleichwertige Trainingsbelastungen zu bieten, ohne dass es zu Erschöpfung kommt. Die SED-Gruppe durchlief wie die anderen Übungsgruppen vier Wochen lang einmal pro Woche den gleichen Ausdauertest, zeigte aber nur eine minimale Leistungssteigerung. Es ist bekannt, dass Ausdauertraining das Herzzeitvolumen, den maximalen Sauerstoffverbrauch und die mitochondriale Biogenese verbessert28; Die wöchentliche Trainingsfrequenz erwies sich jedoch als unzureichend, um signifikante Veränderungen der Schwimmleistung hervorzurufen. Wenn Zebrafische einem MICT-Training unterzogen wurden, wurde nach der dritten Trainingswoche eine bemerkenswerte Verbesserung der Schwimmleistung beobachtet. In der Folgewoche gab es jedoch keine weitere Verbesserung. Bei der MICT handelt es sich um Personen, die über einen längeren Zeitraum eine submaximale Arbeitsbelastung aufrechterhalten, was eine überdurchschnittliche Leistungsabgabe erfordert22. Vor allem die HIIT-Gruppe zeigte die deutlichste Verbesserung, wobei sich bereits nach zwei Wochen Training eine signifikante Leistungssteigerung zeigte, die bis zur vierten Woche anhielt. Während es gut dokumentiert ist, dass kurzes, hochintensives Training zu einer Ausdaueranpassung führt, bleibt der spezifische Übungstyp, der für das Auslösen phänotypischer Muskelverschiebungen verantwortlich ist, ein Gegenstand laufender Untersuchungen28.
Es ist wichtig klarzustellen, dass mit der in diesem Manuskript vorgestellten Forschung keine konkurrierenden finanziellen Interessen verbunden sind. Es wurden keine finanziellen Partnerschaften oder Zugehörigkeiten zu Organisationen oder Einrichtungen geschlossen, die die Ergebnisse dieser Arbeit möglicherweise beeinflussen oder beeinflussen könnten. Diese Aussage dient als Gewissheit, dass der Forschungsprozess unkompliziert und ehrlich war und keine finanziellen Konflikte die Ergebnisse beeinflussten. Die Präsentation dieser Arbeit ist von einer echten Leidenschaft für das Thema motiviert, die allein von der Liebe zur Wissenschaft und dem Streben nach wissenschaftlichen Erkenntnissen angetrieben wird.
Wir danken Dr. Omar Mertins für die großzügige Bereitstellung des Labors für die Pflege der Fische und die Durchführung von Tests. Darüber hinaus werden FAPESP, CNPq und CAPES für die Vergabe von Stipendien zur Unterstützung dieser Forschung gedankt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CPVC Female 90-Degree Elbow for Plumbing | Tigre | 22150260 | 3/4-inch |
24AWG Wire | Sky Cablo Store | Connection between components in the Perforated Circuit Board (1m) | |
Acrylic pipe | The Clear Plastic Shop | 41138408 | 3/4-inch |
Aquarium Submersible Fish Tank | Aqua Tank | 300w | |
CPVC Pipe | Tigre | 10121787 | 3/4-inch |
Female Threaded Gate Water Valve | Tigre | 27950310 | 3/4-inch |
Female Threaded Globe Water Valve | Tigre | 27940510 | 3/4-inch |
hrough-hole resistor | BXV | 10 kΩ, 0.25W t | |
Lab Support Stand With Clamp with 30 inch rod | Masiye Labs | RSC0001 | Support the horizontal pipes |
LCD screen | Eichip | 16 x 2, model JHD162A | |
Male x Male Dupont Jumpers | Chyan | Connection between arduino and flow sensor (30 cm) | |
Perforated Circuit Board single sided | KY WIN ROBOT | 5 x 10 cm | |
Potentiometer | LUSYA | DL-ALPSA01 | 10kΩ |
Roll of Water Blocking Tape | One World | 5603131000 | To avoid leaks |
Silicone hose | Tigre | 14211250 | 2 cm inner |
Solder Station | QHTITEC | EU/US PLUG | Arduine system welding |
Solder Wire Spool | BEEYIHF | I001-A001-Set | Arduine system welding |
Threaded Male Socket and Unthreaded Female Socket CPVC Pipe Fitting | TIgre | 35447849 | 3/4-inch |
Tricaine (MS-222) | Sigma-Aldrich | E10521 | Anesthetic |
UNO-R3 board UNO R3 CH340G+MEGA328P Chip 16Mhz | FSXSEMI | For Arduino UNO R3 Development board | |
Unthreaded CPVC Tee Pipe Fitting, Female | Tigre | 22200267 | 3/4-inch |
Unthreaded Female CPVC Socket Pipe Fitting | Tigre | 22170260 | 3/4-inch |
Water Flow Sensor model YF-B5 | Siqma Robotics | SQ8659 | 1-25 L/min |
Water Pump | Sunsun | Model HJ-2041, 3000L/h, 65W | |
Water reservoir | Custom | 30 L |
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