Συγκριτική μελέτη επίμυ και ανθρώπου στις βιοχημικές ανταποκρίσεις στην άσκηση

Abstract

Many achievements in biological sciences and research results on physiological response of skeletal muscle, metabolic profile, metabolism of glucose fats and proteins as well as oxidative and inflammatory response during exercise or after it, bare significant benefits for human health and are fundamentally based on animal models. Research studies suggest that both rats and human share similarities in physiology, under circumstances, and the data resulting from rat models could be traditionally used for human research, in vivo. However, recent research studies have raised significant concerns regarding the extent to which rats and humans share a similar response to different physiological stimuli, thus challenging the accepted notion that data obtained through animal studies could be transferred directly to humans in vivo. The goal of this dissertation is to study the rat and human physiological response under strict exercise protocol of equal intensity and duration. In the experimental phase, both rats and humans run in a horizontal treadmill in the 86% of their maximum achievable speed. Blood biochemical parameters were examined for both rats and human, pre and post workout. The 31 chosen parameters assess the iron (Fe) content in blood, lipid profile, glucose regulation, protein metabolism and respiratory – liver – kidney function. The similarities in biochemical blood response for both species after acute exercise are noteworthy, despite the well-documented differences in physiology and significant differences in 23 out of 31 biochemical parameters in the resting phase. Variation in biochemical parameters has demonstrated a similar trend in quantitative and qualitative characteristics for both species. More specifically, 27 out of 31 parameters demonstrated a change in the same direction (qualitative conformity). Values of glucose, lipids, proteins and transaminases exhibited a decrease resulting from an increased consumption during exercise. The uniformity of changes in biochemical parameters is presented in the similarity of the average absolute values, 7.9% for rats and 7.3% for human (quantitative conformity). ANOVA (Analysis of Variation) demonstrated that almost all biochemical parameters that determine the iron and oxygen level in tissues, lipid profile, glucose regulation, insulin, vitamins and protein metabolism, follow a similar pattern after exercise for both species with similar qualitative and quantitative characteristics. Only 2 out of 31 total parameters demonstrated a different response to exercise for rat and human. On the contrary, the exercise had a significant effect on the 16 of the 31 parameters (copper, p=0.06, apolipoprotein, p=0.058). These results demonstrate a significant relationship for physiological response from an identical exercise stimulus between the two species, thus providing evidence that the rat adequately reflects human response to exercise according to changes in hematological parameters associated with various organs, tissues, functions and diseases. The findings of this research study suggest that the rat is a suitable animal model in the research of exercise physiology.

Τα ζωικά μοντέλα, συγκεκριμένα τα τρωκτικά χρησιμοποιούνται ευρέως στις βιολογικές επιστήμες και τα αποτελέσματα των ερευνών αυτών, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στους ανθρώπους. Πρόσφατες δημοσιεύσεις έχουν εγείρει σημαντικές ανησυχίες σχετικά με το εάν τα δεδομένα αυτά είναι μεταβιβάσιμα και ισχύουν για τον άνθρωπο in vivo. Σκοπός της παρούσης διατριβής ήταν να διερευνήσει εάν ο επίμυς αποτελεί κατάλληλο πειραματικό μοντέλο, ώστε να μελετηθούν οι φυσιολογικές αποκρίσεις που προκαλούνται κατά την άσκηση και στον άνθρωπο. Πραγματοποιήθηκε η εφαρμογή ενός πανομοιότυπου ερεθίσματος άσκησης, το τρέξιμο σε εργοδιάδρομο, καθώς αυτό επιτρέπει τον πλήρη έλεγχο του φόρτου της εκγύμνασης και τη σύγκριση μεταξύ επίμυ και ανθρώπου. Ακολούθησε η άμεση σύγκριση βιοχημικών αιματολογικών αποκρίσεων, πριν και μετά την άσκηση.Μεθοδολογία- Οι συμμετέχοντες, επίμυες και άνθρωποι, μετά την εξοικείωση στον εργοδιάδρομο, εκτέλεσαν ένα δρομικό τεστ, για τον προσδιορισμό της μέγιστης ταχύτητας. Ακολούθως έτρεξαν στον ίδιο οριζόντιο εργοδιάδρομο, έως την εξάντληση, με ταχύτητα που αντιστοιχούσε στο 86% της μέγιστης ταχύτητας. Ο χρόνος μέχρι την εξάντληση, στο 86% της μέγιστης ταχύτητας προσδιορίζεται ως ο χρόνος μεταξύ της επίτευξης του καθορισμένου στόχου και το πέρας της άσκησης. Δείγματα αίματος συλλέχθηκαν σε ηρεμία και μετά την άσκηση, από όλους τους συμμετέχοντες. Μετρήθηκαν τόσο στους επίμυες, όσο και στους ανθρώπους, 31 παράμετροι του αίματος, οι οποίες καθορίζουν, το λιπιδαιμικό προφίλ, τη ρύθμιση της γλυκόζης, το μεταβολισμό των πρωτεϊνών, τη λειτουργία ήπατος και νεφρών, τα επίπεδα βιταμινών και σιδήρου. Οι ομοιότητες στις βιοχημικές αποκρίσεις του αίματος μεταξύ επιμύων και ανθρώπων, εμφανίστηκαν σε 23/31 παραμέτρους, παρά τις καλά περιγραφείσες διαφορές στη φυσιολογία μεταξύ των ειδών και τις σημαντικές διαφορές στις τιμές κατά την ηρεμία. Η ανάλυση διακύμανσης ANOVA, επεσήμανε ότι σχεδόν όλες οι βιοχημικές παράμετροι ακολουθούν παρόμοια μεταβολή μετά την άσκηση και στα δύο είδη. Μόνον 2/31 σημαντικές αλληλεπιδράσεις είδους-άσκησης, έδειξαν διαφορετικές αποκρίσεις μεταξύ επιμύων και ανθρώπων, στην τεστοστερόνη και τις σφαιρίνες. Αντίθετα, η κύρια επίδραση της άσκησης ήταν σημαντική σε 16/31 παραμέτρους και οριακά μη σημαντική σε άλλες δύο παραμέτρους (χαλκός, p=0.060 και απολιποπρωτεΐνη Β, p=0.058). Οι μεταβολές στις βιοχημικές παραμέτρους είχαν επίσης παρόμοια ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά. 27/31 μεταβλητές άλλαξαν προς την ίδια κατεύθυνση μετά την άσκηση (ποιοτική συμφωνία). Το μέγεθος στις μέσες απόλυτες τιμές, των ομοιόμορφων αλλαγών, ήταν επίσης όμοια, 7,9% στους επίμυες και 7,3% στους ανθρώπους (ποσοτική συμφωνία). Συμπεράσματα- Χρησιμοποιώντας μία άμεση σύγκριση και την εφαρμογή ενός πανομοιότυπου ερεθίσματος άσκησης και για τα δύο είδη, αποδείξαμε ότι ο επίμυς αντικατοπτρίζει επαρκώς τις ανθρώπινες αποκρίσεις στην άσκηση, σε παραμέτρους του αίματος που συνδέονται με όργανα, ιστούς, λειτουργίες και ασθένειες. Η μελέτη μας υπογραμμίζει την αποτελεσματικότητα της άσκησης ως φυσιολογικό περιβαλλοντικό ερέθισμα για τη διερεύνηση βιολογικών φαινομένων. Η ποικιλομορφία των βιοχημικών μετρήσεων που εξετάσθηκαν, παρείχαν αποδείξεις που υποστηρίζουν ότι ο επίμυς αποτελεί ένα κατάλληλο πειραματικό μοντέλο στην έρευνα της φυσιολογίας της άσκησης.