Method Article
Daha az şanslı balıklar için tasarlanan egzersiz aparatı, reotaksis yoluyla elde edilebilen su akış hızını manipüle ederek farklı yoğunluklarda çeşitli egzersiz protokollerinin uygulanmasını kolaylaştırır.
Egzersizin sağlık ve hastalık üzerindeki etkilerini kapsamlı bir şekilde araştırmak için hayvan modelleri çok önemli bir rol oynamaktadır. Yaygın olarak kullanılan bir omurgalı model organizması olan zebra balığı, bu tür çalışmalar için eşsiz bir platform sunmaktadır. Bu çalışma, hazır malzemeler kullanılarak zebra balığı egzersiz çalışmaları için özel olarak tasarlanmış uygun maliyetli bir cihazın geliştirilmesini tanıttı. Cihaz, bir yüzme tüneli prensipleri üzerine kurulmuştur ve dalgıç bir pompaya bağlı bir boru ve vana ağını kapsar. Su akışı bir sensör tarafından titizlikle izlenir ve vanalar aracılığıyla düzenlenir. Cihazın etkinliğini değerlendirmek için iki eğitim protokolü uygulandı: orta yoğunlukta sürekli antrenman (MICT) ve yüksek yoğunluklu aralıklı antrenman (HIIT). Balıklar toplu olarak eğitildi ve yüzme performansları bir dayanıklılık testi ile değerlendirildi. Her iki antrenman protokolü de 30 günlük antrenmanın ardından yüzme performansında iyileşmelere yol açtı ve hareketsiz bir kontrol grubuna kıyasla egzersize moleküler yanıtta değişikliklere neden oldu. Özellikle, HIIT, MICT'ye göre üstün verimlilik gösterdi. Zebra balığı eğitim sisteminin, egzersiz fizyolojisindeki araştırmalar için değerli bir araç olduğu kanıtlandı ve zebra balığı modelinin bu alandaki faydasını daha da ilerletti.
Fiziksel egzersiz, iskelet kasları tarafından gerçekleştirilen ve enerji harcamasının artmasına neden olan herhangi bir bedensel hareketi kapsar ve egzersiz, fiziksel aktivitelerin yapılandırılmış ve tekrarlayan bir alt kümesidir1. Tüm vücudu kapsayan çok faktörlü ve uygun maliyetli bir aktivite olan egzersiz, metabolik sendromu ve sarkopeniyi önlemek gibi çok sayıda sağlık yararı sağlar2. Sonuç olarak, egzersiz fizyolojisi alanı, vücudun egzersizin akut stresine, fiziksel eğitimin kronik stresine ve egzersizin sağlık üzerindeki genel etkisine nasıl uyum sağladığını açıklamaya çalıştığı için büyük ilgi görmektedir1.
İnsanlarda egzersiz fizyolojisi çalışmaları yapmak, deneysel tasarım ve katılımcı izlemedeki zorluklar nedeniyle hem pahalı hem de zaman alıcı olabilir3. Bu nedenle, genetik ve fizyolojik tekdüzelikleri nedeniyle laboratuvar ortamlarında hayvan modellerinin kullanılması şiddetle tavsiye edilmiştir. Ayrıca, kontrollü laboratuvar koşulları altında, hayvanlar tipik olarak hareketsiz yaşam tarzlarına ve düzenlenmiş gıda alımına sahiptir4. Hayvan modelleri arasında, kemirgenler fiziksel egzersizi içeren araştırmalarda en yaygın olarak kullanılanlar olmuştur1. Ancak zebra balığı (Danio rerio; Hamilton, 1822), egzersiz çalışmaları için murin ve diğer türlere tamamlayıcı bir modeldir 5,6,7,8.
Zebra balığı araştırmalarında, ticari olarak temin edilebilen veya özel olarak inşa edilmiş yüzme tünelleri kullanılarak fiziksel egzersiz yapılabilir. Ticari olarak mevcut seçenekler arasında, Loligo System tarafından geliştirilen Blazka tipi tünel en sık kullanılanıdır 7,9,10. Bu sistem, bir elektrik motoruna bağlı bir pervane boyunca zorla yüzmeye neden olarak tünel içinde sürekli bir su akışı oluşturur. Bu yüzme yeteneği, balıkları su akıntılarına karşı yüzmeye ve pozisyonlarını korumaya iten doğuştan gelen bir davranış olan reotaksi ilkesine dayanır11. Reototaksi, bir balığın belirli bir süre boyunca sürdürebileceği maksimum hızı temsil eden kritik yüzme hızının (Ucrit) ölçülmesini sağlar. Bununla birlikte, bu ekipmanın yüzme davranışını ve oksijen tüketimini değerlendirmek için değerli olsa da, önemli bir maliyeti olduğunu belirtmekte fayda var12.
Araştırmacılar, zebra balığı egzersizi için genellikle Blazka tipi mekanizma10,13,14 veya daha basit mekanizmalar 8,15,16'ya dayanan alternatif cihazlar geliştirdiler. Bununla birlikte, bu yöntemler, uzun süreler, önemli ekipman masrafları ve verim ve hassasiyetteki sınırlamalar dahil olmak üzere protokolün teknik talepleri tarafından kısıtlanabilir. Sonuç olarak, çalışmanın temel amacı, balıklarda fiziksel egzersiz için yeni bir alternatif aparat sağlayarak, hazır malzemeleri kullanarak uygun fiyatlı ve kullanıcı dostu bir zebra balığı egzersiz sistemi tasarlamaktı. İkincil bir hedef, zebra balıklarında hem aerobik hem de anaerobik egzersiz rejimlerini uygulamak ve zebra balığı modelinin egzersiz araştırmalarında bir müdahale stratejisi olarak kullanımını daha da ilerletmekti.
Prosedürler, São Paulo Federal Üniversitesi Hayvan Kullanımı Etik Komitesi'nden (CEUA/UNIFESP no. 9206260521) önceden onay aldı. Bu çalışmada sadece 6 aylık ve 2.5-3 g ağırlığında yetişkin dişi vahşi tip Danio rerio kullanıldı. Çalışma için gerekli ekipman ve reaktifler Malzeme Tablosunda listelenmiştir.
1. Özel yapım Zebra balığı egzersiz aparatı
NOT: Egzersiz cihazı özel olarak üretilmiştir. Ayrıntılar için Şekil 1, Ek Tablo 1, Ek Dosya 1 ve Ek Dosya 2'ye bakın.
2. Aparat çalışması
3. Dayanıklılık testi
NOT: Bu adım, zebra balığının maksimum yüzme hızını (Umax) belirlemek için Dayanıklılık testi prosedürünü özetlemektedir.
4. Egzersiz grupları ve prosedürü
NOT: Farklı egzersiz protokolleri oluşturmak için, yüksek yoğunluklu egzersiz yapmadan da olsa, egzersiz protokollerinin etkilerini karşılaştırmak için aynı deneysel koşullara maruz kalan hareketsiz bir grubu dahil etmek önemlidir. Umax'ın kurulması da önemlidir, çünkü egzersiz protokollerinin yoğunluğunu belirlemek için Umax değerinin fraksiyonları gereklidir.
5. Vücut ölçüleri
Egzersiz aparatı, akış hızını düzenlemede kayda değer bir verimlilik gösterdi. Yüzme hızını kademeli olarak artırmak için, 0.06 m/s'lik sabit akış hızında tutulan SED grubu hariç, su akışı tüm gruplar için haftalık olarak kademeli olarak artırıldı. Özellikle, cihaz, 0,001 m/s kadar ince akış hızı ayarlamaları elde ederek dikkate değer bir hassasiyet seviyesine izin verdi. Ancak 0,06 m/s gibi düşük hızlarda hata oranı %30 idi. 0,3 m/s ve 0,5 m/s gibi yüksek hızlarda hata oranı %3-%4 idi (Şekil 2). Eğitim sırasında ulaşılan maksimum hız SED'de 0.4 m/s, MICT'de 0.44 m/s ve son dayanıklılıkta HIIT gruplarında 0.49 m/s olarak ölçülmüştür.
Zebra balığının fiziksel performansı, dayanıklılık testinde Umax kullanılarak haftalık olarak değerlendirildi. Sonuçlar, SED grubuna kıyasla MICT ve HIIT'e maruz kalan zebra balıkları için fiziksel performansta önemli gelişmeler olduğunu ortaya koydu (Şekil 4). Hem MICT hem de HIIT, eğitim sırasında kat edilen aynı mesafeye gönderildi; bununla birlikte, HIIT grubu hızlı iyileşmelere neden oldu ve sadece iki hafta sonra Umax'ta önemli bir artış gözlendi (p = 0.0003). Eğitim süresi boyunca, HIIT grubu haftalık %10'luk tutarlı bir iyileşme gösterdi ve bu da yaklaşık %30'luk bir genel iyileşme ile sonuçlandı. Buna karşılık, MICT eğitimi daha kademeli kazanımlara yol açtı, Umax'ta yalnızca eğitimin üçüncü haftasında kaydedilen kayda değer ~% 10'luk bir artış ve ardından sonraki hafta daha fazla iyileşme olmadı (p = 0.0024). Bu bulgular, HIIT ve MICT eğitim protokollerinin zebra balığının fiziksel performansı üzerindeki farklı etkilerini vurgulamaktadır.
Şekil 1: Aparat tasarımı. (A) Yüzme aletinin şemaları. Mavi oklar suyun akış yönünü gösterir. İlgili boru uzunlukları tasvir edilmiştir. Harfler, Ek Tablo 1'de açıklanan her bir aparat bileşenini temsil eder. (B) Cihazın fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: 0,5 L'lik bir akış için gereken süreyi ölçerek su akış sensörünün kalibrasyonu. SEM 0.06 m/s'de 0.277, 0.3 m/s'de 0.123 ve 0.5 m/s'de 0.109 olarak bulundu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: LCD'ye Arduino bağlantılarının şemaları. Sensörün uygun kabloları, Arduino'nun D2 pini ile 10 kΩ direnç (Sinyal kablosu), Arduino'nun Topraklaması (siyah kablo) ve Arduino'nun 5 V'u (kırmızı kablo) arasına bağlanmalı veya lehimlenmelidir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Maksimum yüzme hızı (Umax) olarak ifade edilen yüzme performansı. a, b ve c, her gruptaki haftalık yüzme yeteneği tahminleri arasındaki istatistiksel farkları göstermektedir. *Gruplar arasındaki farkı, iki yönlü varyans analizi (Tukey posthoc) kullanarak karşılaştırmayı gösterir. *p = 0.01; **p = 0,001; p = 0.0001 olur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Morfolojik ölçümler. (A) Vücut kondisyon indeksleri (ağırlık [g] / standart uzunluk [mm]2; BMI). (B) Vücut ölçümünün temsili görüntüsü. (C) Vücut Kondisyon Skorlaması (BCS). Hata çubuğu, BMI için 0,026 ila 0,045 ve BCS için 0,4 ila 0,96 aralığına karşılık gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Tablo 1: Zebra balığı egzersiz aparatı için malzemeler ve montaj kılavuzu. Tabloda, şekilde gösterilen montaj sırasına uygun harfler bulunur. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1: Su hızını ölçmek için açıklamalı Arduino taslağı. Her kod satırı için açıklamalar, çift eğik çizgiden sonra eklenir. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 2: Kurulum detayları da dahil olmak üzere Arduino dosyası. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Bu çalışmada, zebra balığı yüzme performansının kapsamlı bir şekilde incelenmesi için Loligo Systems21'in yüzme tüneli respirometresi ve kanal sistemi22'den esinlenerek yenilikçi, uygun maliyetli bir egzersiz sistemi geliştirilmiştir. Umax, su akışının ayrı aşamalarda sistematik olarak arttırılmasıyla, balık yorgunluğa ulaşana kadar kısa aralıklarla (20-30 dakika) meydana gelen hız artışları ile belirlendi, bu da art arda üç yorgunluk veya yüzme tünelindeki akıntının üstesinden gelememe ile karakterize edildi. Bu tespitler, iki egzersiz protokolünün (MICT ve HIIT) tasarlanmasında etkili oldu. Nispeten uzun aşama sürelerini (bir ila birkaç saat arasında değişen) içeren protokollerin aksine, tükenme anındaki su akış hızı Kritik Yüzme Hızı (Ucri)12 olarak bilinir. Egzersiz sistemi kullanılarak hesaplanan Umax değerleri, diğer çalışmalarda7 gözlemlenen aralığa düştü ve bu tünel yüzme cihazının zebra balığı fiziksel performansını değerlendirmek için etkinliğini doğruladı. Ayrıca, bu kompakt cihaz, uygulamalı eğitim protokollerinin özelleştirilmesini kolaylaştırarak, su akış hızlarının tüm spektrumunu kapsayacak çok yönlülüğe sahiptir.
Bu aparat geliştirmede, sadece su akış hızını kontrol ederek farklı egzersiz protokolleri oluşturmak mümkündür. Su akış hızının doğru bir şekilde ölçülmesi, düşük hızlarda zorluklar doğurdu ve yaklaşık %30'luk bir hata oranıyla sonuçlandı. Bununla birlikte, daha güvenilir bir hız ölçümü ve %3-4 oranında azaltılmış hata oranı ile Umax'a yaklaşan orta ve yüksek hızlarda hassasiyet iyileştirildi. Sonuç olarak, düşük hızlarda cihaz hassasiyetinde bir sınırlama tespit edildi. Bu sınırlamaya rağmen, çalışma, 0.02 m/s'lik bir hız değişiminde bile, eğitim sırasında SED grubunun fiziksel kapasitesi üzerinde önemli bir etki gözlenmediğini buldu. Bu, düşük yoğunluklu antrenmandaki varyasyonların, en azından bu çalışmada sunulan modelde, fiziksel kapasite üzerinde önemli etkiler göstermeyebileceğini düşündürmektedir. Önerilen aparatın bir başka sınırlaması, oksijen tüketiminin ölçülmesini imkansız kılan bir oksijen sensörünün olmamasıdır.
Önceki çalışmalar, yetişkin erkek ve dişi zebra balığı arasında yüzme hızında kayda değer bir eşitsizlik olduğunu göstermiştir ve önerilen atıflar, gravid dişilerinin artan çevresi gibi morfolojik farklılıklar ve gravidbalıklarında azalmış kas gücü çıkışı gibi fizyolojik farklılıklar dahil 5,23,24. Bu araştırma, yalnızca dişi zebra balıklarını eğitim rejimine tabi tuttu ve bu dişilerin eğitimden önce, sırasında ve sonrasında, tutarlı bir şekilde vücut ölçümlerinden önce üç üreme döngüsüne tabi tutulduğunu kabul etti. Bu stratejik yaklaşım, cinsiyetler arası beden farklılıklarını etkili bir şekilde azalttı. Ayrıca, bu çalışma, antrenman grupları arasında (Şekil 5) veya kadınlarda antrenman öncesi ve sonrası koşulları karşılaştırırken vücut parametrelerinde fark edilebilir bir fark olmadığını ortaya koymuştur. Bireyler arasında yaş değişimi için herhangi bir kontrol bulunmamakla birlikte, yüzme performansının ve hareket enerjisi taleplerinin ontogenez, üreme ve yaşlanma nedeniyle yaşam döngüsü boyunca belirgin şekilde dalgalanabileceği iyi belgelenmiştir 25,26,27. Her gruptaki potansiyel yaş farklılıklarına rağmen, tüm hayvanlar büyüklük, vücut ağırlığı ve tutarlı bir cinsel olarak olgun yetişkin aşamasına göre titizlikle gruplandırıldı. Özellikle, egzersiz rejimine başlamadan önce gruplar arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark gözlenmedi. Sonuç olarak, yüzme kapasitesinde gözlenen artışın, yalnızca kullanılan egzersiz protokollerine güvenle atfedilebileceği varsayılmıştır.
Bu çalışma, iki farklı egzersiz protokolü uygulayarak egzersiz sisteminin etkinliğini değerlendirmeyi amaçlamıştır. MICT, sürekli, sürekli bir egzersiz rejimi içerirken, HIIT, kısa süreli maksimum yoğunluklu egzersiz patlamalarını ve ardından kısa, daha az yoğun iyileşme dönemlerini içerir. Her iki protokol de eğitim süresi boyunca yorgunluğa neden olmadan eşdeğer eğitim yükleri sağlayacak şekilde titizlikle ayarlandı. SED grubu, diğer egzersiz grupları gibi dört hafta boyunca haftada bir kez aynı dayanıklılık testine tabi tutuldu, ancak minimum performans artışı gösterdi. Dayanıklılık eğitimi, kardiyak debiyi, maksimum oksijen tüketimini ve mitokondriyal biyogeneziarttırmasıyla tanınır 28; Bununla birlikte, haftalık egzersiz sıklığı, yüzme performansında önemli değişiklikler ortaya çıkarmak için yetersiz kaldı. Zebra balığı MICT eğitimine tabi tutulduğunda, eğitimin üçüncü haftasından sonra yüzme performansında kayda değer bir gelişme gözlendi. Ancak, takip eden hafta daha fazla iyileşme olmadı. MICT, ortalamadan daha yüksek bir güç çıkışı gerektiren uzun süreler boyunca maksimum altı bir iş yükünü sürdüren bireyleri içerir22. En önemlisi, HIIT grubu, sadece iki haftalık eğitimden sonra görülen ve dördüncü haftaya kadar devam eden performansta önemli bir artışla en önemli iyileşmeyi gösterdi. Kısa, yüksek yoğunluklu egzersizin dayanıklılık adaptasyonuna yol açtığı iyi belgelenmiş olsa da, fenotipik kas kaymalarını ortaya çıkarmaktan sorumlu spesifik egzersiz türü devam eden bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir28.
Bu yazıda sunulan araştırmayla ilişkili olarak rekabet eden herhangi bir mali çıkar bulunmadığını açıklığa kavuşturmak önemlidir. Bu çalışmanın sonuçlarını potansiyel olarak etkileyebilecek veya önyargılı olabilecek kuruluş veya kuruluşlarla hiçbir finansal ortaklık veya bağlantı kurulmamıştır. Bu beyan, araştırma sürecinin açık ve dürüst olduğuna ve sonuçları etkileyen herhangi bir finansal çatışma olmadığına dair bir güvence görevi görür. Bu çalışmanın sunumu, yalnızca akademi sevgisi ve bilimsel bilgi arayışı tarafından yönlendirilen, konuya yönelik gerçek bir tutkuyla motive edilmiştir.
Balıkların bakımı ve testlerin yürütülmesi için laboratuvara cömertçe erişim sağladığı için Dr. Omar Mertins'e şükranlarımızı sunarız. Ayrıca, bu araştırmayı desteklemek için burs verdikleri için FAPESP, CNPq ve CAPE'lere teşekkür edilir.
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır