高强度间歇训练肥胖大鼠减脂效果及鸢尾素的表达

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3091

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (14): 2137-2141.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3091

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高强度间歇训练肥胖大鼠减脂效果及鸢尾素的表达

史霄雨1，2，冯子洋2，刘子铭3，李琳4，王祯2，刘晓然5，于亮2

1邯郸职业技术学院运动与健康系，河北省邯郸市 056001；2北京体育大学运动人体科学学院，北京市 100084；3国家体育总局网球运动管理中心，北京市 100763；4九州职业技术学院，江苏省徐州市 221116；5首都体育学院，北京市 100191

收稿日期:2020-04-24 修回日期:2020-04-26 接受日期:2020-05-27 出版日期:2021-05-18 发布日期:2020-12-30
通讯作者: 于亮，博士，副教授，博士生导师，北京体育大学运动人体科学学院，北京市 100084
作者简介:史霄雨，女，1992 年生，河北省邯郸市人，汉族，2018年北京体育大学毕业，硕士，讲师，主要从事运动对骨骼肌形态和机能影响的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(31500964)，项目负责人：于亮

Effect of high-intensity interval training on fat reduction and irisin expression in obese rats

Shi Xiaoyu1, 2, Feng Ziyang2, Liu Ziming3, Li Lin4, Wang Zhen2, Liu Xiaoran5, Yu Liang2

1Department of Sports and Health, Handan Polytechnic College, Hebei Province, China; 2School of Sports and Human Sciences, Beijing Sport University, China; 3Tennis Management Center of the General Administration of Sports of China, China; 4Jiuzhou Polytechnic College, Jiangsu Province, China; 5Capital University of Physical Education and Sports, China

Received:2020-04-24 Revised:2020-04-26 Accepted:2020-05-27 Online:2021-05-18 Published:2020-12-30
Contact: Yu Liang, MD, Associate professor, Doctoral supervisor, School of Sports and Human Sciences, Beijing Sport University, Beijing 100084, China
About author:Shi Xiaoyu, Master, Lecturer, Department of Sports and Health, Handan Polytechnic College, Handan 056001, Hebei Province, China; School of Sports and Human Sciences, Beijing Sport University, Beijing 100084, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 31500964 (to YL)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
高强度间歇训练(high intensity interval training，HIIT)：是在短时间内进行全力、快速、爆发式锻炼的一种训练技术，其特点是：具有较大运动强度、短时间、多个运动训练模块且在间歇期间以较低强度运动或完全休息。通常会选取运动强度为85%-95%的最大摄氧量强度，小组性训练时间和其间的休息时间范围为若干秒至若干分钟。
鸢尾素(Irisin)：是一种包含了112个氨基酸残基的多肽，运动过程中由肌肉分泌，直接作用于涉及能量代谢和体内平衡的白色脂肪细胞，诱导其转化为棕色脂肪细胞，被激活的棕色脂肪组织通过快速消耗葡萄糖和脂肪来发热从而预防或治疗人和啮齿类动物的许多代谢疾病。

背景：研究表明，高强度间歇训练较中等强度耐力训练更省时，且能有效降低内脏脂肪含量。
目的：拟通过对肥胖大鼠进行高强度间歇训练，观察训练后大鼠体脂的变化和比目鱼肌含Ⅲ型纤连蛋白域蛋白5(fibronectin type III domain containing protein 5，FNDC5)蛋白表达量以及血清鸢尾素水平。
方法：将80只5周龄健康雄性SD大鼠随机分为正常对照组(20只)和肥胖造模组(60只)，并从造模成功的大鼠中随机挑选30只，随机分为肥胖安静对照组、肥胖运动对照组(中等强度运动组)和肥胖高强度间歇训练组(每组10只)，饲养8周，记录大鼠体质量变化，末次安静或运动后12 h进行采样。测定大鼠体质量和体脂，免疫印迹法检测比目鱼肌FNDC5蛋白表达，并检测血清鸢尾素水平。实验方案经北京体育大学动物实验伦理委员会批准。
结果与结论：①较肥胖安静对照组，肥胖运动组大鼠体质量降低(P < 0.01)，体脂成分下降(P < 0.05)，FNDC5蛋白表达量增加(P < 0.01)，血清中鸢尾素含量增高(P < 0.01)；②高强度间歇训练组大鼠体质量明显低于中等强度运动组(P < 0.01)，体脂成分低于中等强度运动组(P < 0.05)，FNDC5蛋白表达量以及血清中鸢尾素含量明显高于中等强度运动组(P < 0.01)；③结果说明，运动训练可通过增加血清中鸢尾素和FNDC5蛋白表达降低大鼠体脂；高强度间歇训练组大鼠较中等强度训练组体脂含量更低，血清中鸢尾素含量和比目鱼肌FNDC5蛋白表达量更高，即高强度间歇训练对肥胖大鼠减脂效果好。
https://orcid.org/0000-0001-9184-2315 (史霄雨)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 骨骼肌, 高强度间歇训练, 鸢尾素, 运动, 减脂, 体脂, 蛋白, 模型, 鼠

Abstract: BACKGROUND: Studies have shown that high-intensity interval training is more time-saving than medium-intensity endurance training, which can effectively reduce visceral fat content.
OBJECTIVE: To observe the changes of body fat, fibronectin type III domain containing protein 5 (FNDC5) expression of the soleus muscle and serum irisin level after high-intensity interval training in obese rats.
METHODS: Eighty healthy male Sprague-Dawley rats, 5 weeks old, were randomly divided into normal control group (n=20) and obesity group (n=60). The 30 rats were selected from the successful models and randomized into obesity quiet control group, moderate intensity exercise group and high-intensity intermittent training group (n=10 in each group), raising for 8 weeks. The change of the rat body mass was recorded, and samples were collected at quiet state after final exercise or at 12 hours after exercise. Body mass and body fat of the rats were measured, and the expression of FNDC5 in the soleus muscle was detected by immunoblotting, and the serum irisin level was determined. The experimental plan was approved by the Animal Experimental Ethics Committee of Beijing Sport University.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the obesity quiet control group, the body mass of rats decreased (P < 0.01), body fat composition decreased (P < 0.05), FNDC5 protein expression increased (P < 0.01), and serum irisin level increased (P < 0.01) in the two obese exercise groups. Compared with the moderate-intensity exercise group, the body mass of rats was significantly lowered (P < 0.01), the body fat composition was decreased (P < 0.05), and the protein expression level of FNDC5 and the serum irisin levels were significantly increased in the high-intensity interval training group (P < 0.01). To conclude, exercise training can reduce body fat in rats by increasing the serum expression of irisin and FNDC5. The body fat content of rats in the high-intensity interval training group was lower than that in the moderate-intensity training group, and the serum irisin content and soles muscle FNDC5 protein expression were higher, indicating that the high-intensity interval training has a better effect on fat reduction in obese rats.

Key words: skeletal muscle, high-intensity interval training, irisin, exercise, fat reduction, body fat, protein, model, rat

中图分类号:

史霄雨, 冯子洋, 刘子铭, 李琳, 王祯, 刘晓然, 于亮. 高强度间歇训练肥胖大鼠减脂效果及鸢尾素的表达[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(14): 2137-2141.

Shi Xiaoyu, Feng Ziyang, Liu Ziming, Li Lin, Wang Zhen, Liu Xiaoran, Yu Liang. Effect of high-intensity interval training on fat reduction and irisin expression in obese rats[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(14): 2137-2141.

图/表（结果） 6

2.1 实验动物数量分析从80只大鼠中随机选取20只给予普通膳食喂养，60只给予高脂膳食喂养建立的肥胖大鼠模型，并从肥胖模型大鼠中随机选取30只，分为3组，至实验结束无脱失，均进入结果分析。
2.2 大鼠体质量变化 8周后称量大鼠体质量，结果显示，普通膳食组平均体质量498.8 g，肥胖造模组平均体质量600.9 g。肥胖造模组大鼠较普通膳食组大鼠体质量有显著性增加(P < 0.01)。
2.3 运动干预对肥胖大鼠体质量的影响结果显示，运动对照组大鼠和高强度间歇训练组大鼠体质量均显著低于安静对照组(P < 0.01)；高强度间歇训练组大鼠体质量显著低于运动对照组(P < 0.01)。见表4。

2.4 运动干预对肥胖大鼠体脂的影响结果显示，运动对照组和高强度间歇训练组大鼠体脂含量较安静对照组降低(P < 0.05)；高强度间歇训练组大鼠体脂含量低于运动对照组(P < 0.05)。见图1，表5。

2.5 运动干预对肥胖大鼠比目鱼肌FNDC5蛋白表达的影响结果显示，与安静对照组相比，高强度间歇训练组和运动对照组比目鱼肌FNDC5蛋白表达明显提高(P < 0.01)；与运动对照组相比，高强度间歇训练组比目鱼肌FNDC5蛋白表达更高(P < 0.01)。见图2，表6。

2.6 运动干预对肥胖大鼠血清鸢尾素水平的影响结果显示，运动对照组和高强度间歇训练组大鼠血清鸢尾素水平较安静对照组显著上升(P < 0.01)；与运动对照组相比，高强度间歇训练组大鼠血清鸢尾素水平上升更明显(P < 0.01)。见表 7。

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验。
1.2 时间及地点实验于2017年4月至2018年2月在北京体育大学动物实验中心完成。
1.3 材料自北京维通利华实验动物技术有限公司采购80只SPF级5周龄健康雄性SD大鼠，适应性饲养1周后将大鼠随机分成2组，分别为对照组20只和肥胖造模组60只。饲养环境温度20-24 ℃，相对湿度45%-55%，自由饮水，每周测1次体质量。
1.4 实验方法
1.4.1 肥胖大鼠模型的建立正常对照组大鼠给予普通饲料喂养，肥胖造模组大鼠给予高脂饲料喂养。高脂饲料[Research Diets，D12492，红荣微再(上海)生物工程技术有限公司]，热量为21.94 J/g，其中脂肪含量60%，碳水化合物20%，蛋白质20%。高脂饲料喂养大鼠8周后，从60只中筛选30只体质量超过普通饲料喂养大鼠平均体质量的20%作为肥胖模型组大鼠。

1.4.2 肥胖模型组大鼠分组干预从肥胖大鼠模型中随机选取30只，分为安静对照组、运动对照组和高强度间歇训练组，每组10只，均继续喂食高脂饲料，每周测1次体质量。安静对照组安静饲养4周，不进行运动训练；运动对照组进行4周中等强度即60%-70%VO2max运动干预；高强度间歇训练组进行4周高强度间歇运动训练，具体训练方案见表1，2。

1.4.3 取材末次安静或运动干预后12 h左右进行采样。将实验大鼠用适量10%水合氯醛注射麻醉，通过DEXA检测大鼠体脂含量，在大鼠腹主动脉处取血，将血液离心后保留血清。分离双侧比目鱼肌，低温转移到-80 ℃冰箱中保存备用。
1.4.4 最大摄氧量测试用Columbus Instruments测试仪器，逐渐递增法进行跑台实验测试大鼠的最大摄氧量。起始速度5 m/min，持续时间4 min，此后每级负荷持续3 min。具体测试方案如下表3。当肥胖大鼠在受到电刺激但无法继续运动且两级负荷之间的速度相差<5%时，可以看作肥胖大鼠已经达到最大摄氧量。

1.4.5 双能X射线吸收测量大鼠体成分(DEXA) 校准仪器(Lunar IDXA)后打开enCORE软件，将麻醉的大鼠平躺放置于扫描床上，模式中选择小动物，分别录入大鼠身长和体质量后仪器扫描大鼠全身，将得到数据保存并分析。
1.4.6 血清的提取和鸢尾素的测定低温离心机提前预冷至4 ℃，将标清组别的血液样品对称放入离心机中，设定为5 000 r/min，5 min后用枪头小心缓慢地吸出血清，放入新的EP管中，标注组别并保存在-20 ℃。采用酶联免疫吸附测定法测定不同组别大鼠血清鸢尾素水平，严格按照Rat Irisin ELISA Kit试剂盒中说明书进行操作。
1.4.7 免疫印迹法检测FNDC5蛋白表达取100 mg比目鱼肌，加入500 μL RIPA裂解液(预先加入1∶100蛋白酶抑制剂)，低温下剪碎组织，匀浆后再加入500 μL RIPA裂解液，静置 30 min。将低温离心机设置4 ℃，12 000 r/min离心10 min，取上清液800 μL放入新标好组别的EP管中。取上清液8 µL，加入64 µL裂解液稀释。按照BCA试剂盒说明书操作，用酶标仪在562 nm波长下测定目的蛋白A值并计算样品的真实浓度。煮沸并待样品恢复到室温后放入-40 ℃冰箱保存。
制备分离胶和浓缩胶，加入marker 8 µL和蛋白样品20 µL。将电泳仪设定80 V恒压，1 h后升高电压至120 V，观察1.5-2 h后切取目的蛋白凝胶。设定300 mA恒定电流，蛋白样品浸泡在转膜缓冲液中，60-90 min后转移至PVDF膜上。5%BSA室温封闭2 h。按1∶500-1∶1 000的比例加入一抗，4 ℃过夜。用TBST在摇床上清洗5次，每次 6 min。以相应的二抗按1∶2 000的比例室温轻摇2h，用TBST在摇床上清洗5次，每次6 min。取等量的ECL发光液A液B液混合后覆于膜上，放于Chemi DocTM XRS，Bio-Rad凝胶成像系统中，附属Image Lab 4.1软件进行免疫印迹胶片扫描，结果导出后用Gel-pro软件分析蛋白条带灰度值。
1.5 主要观察指标 ①各组大鼠体质量、体脂含量；②比目鱼肌FNDC5蛋白表达；③血清鸢尾素水平。
1.6 统计学分析所有实验数据均使用Image J、GraphPad Prism等软件进行分析处理，结果均以x±s表示。数据采用SPSS 19.0软件包进行独立样本t检验，P < 0.05为差异有显著性意义，P < 0.01为差异有非常显著性意义。

讨论

此次实验研究了4周60%-70%VO2 max运动干预和4周高强度间歇训练后大鼠体质量、体脂的变化，FNDC5蛋白表达的改变和血清鸢尾素水平的变化，从而得出4周高强度间歇训练可能是通过增加骨骼肌中FNDC5分泌，释放入血后形成鸢尾素对肥胖大鼠起到减脂作用。
3.1 运动对肥胖大鼠的减脂效果此次研究得出4周中等强度训练和高强度间歇训练均使大鼠体脂含量显著降低，高强度间歇训练组大鼠体脂含量低于中等强度训练组。有学者提出食源性肥胖大鼠经过8周电针刺激+跑步机运动后体质量明显降低，PGC-1α蛋白、FNDC5 mRNA、AMPK mRNA和鸢尾素水平均增加[3]。LU等[4]指出游泳运动可提高高脂饲料喂养Wistar大鼠血清鸢尾素水平，降低体脂质量。GOH等[5]指出8周高强度间歇训练导致小鼠肌核增生和功能性肌肉肥大。CHIN等[6]研究发现4周训练后高强度间歇训练组男性体脂质量明显下降，而中等强度连续训练组(×3/周)体脂未见下降，证明4周高强度间歇训练比中等强度训练效果好，但不排除增加中等强度训练时长后对降低体脂有效果。张赛[2]通过实验研究得出12周高强度间歇训练与中等强度训练均能有效降低肥胖小鼠体质量，但高强度间歇训练对减轻内脏脂肪含量的效果更好。此次实验结果证明４周中等强度训练和高强度间歇训练均使大鼠体质量显著降低，且高强度间歇训练更佳。BEETHAM等[7]在比较高强度间歇训练与中等强度连续训练对慢性肾病患者的有效性中证明高强度间歇训练和中等强度连续训练对线粒体生物发生和骨骼肌蛋白合成有相似的益处，两组间无显著性差异。FIORENZA等[8]通过实验证明高强度间歇训练可降低血压，改善身体成分、心肺健康和运动能力，增加线粒体体积和自噬发生。此次研究得出高强度间歇训练组大鼠体脂含量低于中等强度训练组，提示高强度间歇训练是肥胖人群运动处方的最佳选择。有研究表明可能是间隔训练反应使糖原重新合成、线粒体解偶联和蛋白质转换等产生动后过量氧耗，从而使高强度间歇训练和短跑间歇训练等最大强度运动方案比中强度连续训练对体脂消耗更明显[9]。
3.2 运动对肥胖大鼠血清鸢尾素水平的影响此次实验得出4周运动干预后，高强度间歇训练和中等强度持续运动的大鼠血清鸢尾素水平较安静对照组有显著上升，且高强度间歇训练组大鼠血清鸢尾素水平明显高于中等强度持续运动组。运动可增加代谢综合征患者和健康人体内的鸢尾素水平[10]，鸢尾素导致白色脂肪组织褐变，从而增加产热。研究表明鸢尾素可改善糖脂代谢[11-12]、心血管功能[13]、内皮功能和中枢神经系统功能[14-16]。有学者提出一次性下坡跑运动引起大鼠骨骼肌PGC1-α蛋白表达增加且通过调控FNDC5蛋白表达引起血清鸢尾素水平增加，进而激活AMPK在能量代谢中发挥作用。同样有学者提出急性运动可增加血清鸢尾素水平[17]。KANG等[18]指出8周的游泳锻炼使高脂饮食性骨质疏松大鼠血清鸢尾素水平增加，FNDC5和PGC-1α蛋白表达增加。NATALICCHIO等[19]研究表明，腹腔注射鸢尾素可以增加小鼠大脑厌食基因和神经营养基因的表达，但对小鼠体质量没有影响。有研究比较了高强度间歇训练与急性中等强度的有氧运动对肥胖女性青年的骨骼肌和血浆中鸢尾素表达的影响，结果显示经过高强度间歇训练训练后，骨骼肌鸢尾素表达水平显著升高，而有氧运动对鸢尾素水平无影响，两组间血浆鸢尾素水平无显著差异。但此次研究得出高强度间歇训练组大鼠血清鸢尾素水平明显高于中等强度持续运动组。
3.3 运动对肥胖大鼠骨骼肌FNDC5蛋白表达的影响此次研究发现4周高强度间歇训练和中等强度持续运动后肥胖大鼠骨骼肌FNDC5蛋白含量均显著增加，而高强度间歇训练组FNDC5蛋白表达增加更明显。FNDC5是一种诱导脂肪褐变、减轻肥胖小鼠糖脂代谢紊乱的蛋白。有研究表明，运动干预能通过AMPKα-PGC-1α通路提高大鼠骨骼肌FNDC5蛋白含量，通过增加脂肪组织中UCP1蛋白表达促进白色脂肪组织发生褐变[20]。有研究提出和鸢尾素类似，白藜芦醇(Res)和全反式维甲酸(ATRA)能调控FNDC5表达[21]。SHIRVANI等[22]研究了肥胖雄性Wistar大鼠有氧训练时有热量限制或无热量限制鸢尾素、FNDC5浓度的变化，得出每周运动6次比每周运动3次+ 3 d热量限制(10%热量限制)大鼠体内鸢尾素水平、FNDC5和UCP1的蛋白表达更高，提示适当的方式和强度的运动较热量限制对减肥更有效。DEHGHANI等[23]提出大鼠8 周下坡跑较上坡跑和无倾斜性跑步锻炼骨骼肌中FNDC5蛋白表达更高。有学者得出高强度间歇训练20 d后C2C12细胞中FNDC5 mRNA表达量显著升高[24]。苏坤霞[25]提出大强度耐力运动训练使肥胖小鼠体长和Lee’s指数降低且小鼠股四头肌PGC-1α、FNDC5和PPARδ蛋白表达增加，肥胖小鼠血清鸢尾素水平提高。有研究指出高脂喂养加运动训练后小鼠腓肠肌FNDC5 mRNA表达及FNDC5蛋白表达显著高于高脂安静组，但比目鱼肌FNDC5 mRNA和蛋白表达无显著改变，表明运动对FNDC5的调节具有组织特异性[26]。此次研究发现4周高强度间歇训练和中等强度持续运动后肥胖大鼠骨骼肌FNDC5蛋白含量均显著增加。蛋白经过剪切和修饰后转变成鸢尾素激活棕色脂肪，燃烧大量热量达到减肥的目的，而高强度间歇训练组FNDC5蛋白表达和血清鸢尾素增加更明显，即高强度间歇运动对脂肪组织的褐变和新陈代谢的改善更有效，减肥效果会更明显。
结论：①4周高强度间歇训练可显著降低肥胖大鼠体质量及体脂含量，且效果优于中等强度训练；②4周高强度间歇训练显著提高大鼠骨骼肌FNDC5表达与血清鸢尾素水平，推测其减脂作用可能是通过增加骨骼肌中FNDC5分泌，释放入血后形成鸢尾素，从而促进脂肪褐变，改善肥胖大鼠体脂，但具体机制有待进一步研究。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

高强度间歇训练肥胖大鼠减脂效果及鸢尾素的表达

Effect of high-intensity interval training on fat reduction and irisin expression in obese rats

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