在帕金森病及一般的运动障碍疾病中,敏感且可靠的动物行为学检测方法对于评估新型潜在治疗手段至关重要。本文介绍了一套适用于小鼠的可操作性感觉运动功能测试组合,该测试组合对黑质纹状体系统的不同程度损伤具有不同程度的敏感性,可用于临床前研究。
在帕金森病及一般的运动障碍疾病中,敏感且可靠的动物行为学检测方法对于评估新型潜在治疗手段至关重要。本文介绍了一套适用于小鼠的可操作性感觉运动功能测试组合,该测试组合对黑质纹状体系统的不同程度损伤具有不同程度的敏感性,可用于临床前研究。
敏感且可靠的动物行为学结局指标对于许多神经退行性疾病的临床前试验中潜在治疗手段的评估至关重要。在帕金森病中,能够对黑质纹状体功能障碍不同程度敏感的感觉运动测试,是评估潜在治疗药物有效性的基础。尽管已有可靠且设计精良的大鼠感觉运动检测方法,但其中许多测试主要衡量大鼠体内的感觉运动不对称性,因而并不完全适用于新型帕金森病基因小鼠模型。我们整合了一套受大鼠敏感性测试启发并针对小鼠优化的感觉运动测试组合。本研究重点介绍的测试组合具有以下优势:a)在多种帕金森病小鼠模型中均表现出良好的敏感性;b)易于在研究中实施;c)成本较低。这些测试在表征新型帕金森病基因小鼠模型以及评估潜在疾病修饰疗法方面已被证实具有重要价值。
帕金森病(PD)是一种致残性神经退行性疾病,主要特征是黑质中多巴胺能神经元进行性丧失,以及中枢和外周系统中路易小体包涵体的形成。患者会出现感觉运动功能障碍,包括随时间推移而加重的运动迟缓、震颤、僵直和姿势不稳。尽管家族性帕金森病较为罕见,但过去15年发现的家族性病例已帮助识别出多个潜在疾病修饰治疗的重要新靶点。编码α-突触核蛋白、parkin、DJ-1、LRRK2和ATP13A2等蛋白的基因发生突变,标志着帕金森病动物模型进入了一个新的“代际”,即遗传性小鼠模型。
对于广泛研究的帕金森病(PD)单侧6-羟基多巴胺(6-OHDA)大鼠模型,已存在多种优秀的非药物干预行为学检测方法。这些方法包括肢体使用不对称性测试、运动启动能力测试、躯体感觉忽视测试、抓取能力测试,以及近年来应用的超声波发声检测1-6。这些检测方法对不同程度的黑质纹状体多巴胺能神经元损伤具有敏感性,并已被广泛用于评估各类潜在治疗手段的有效性7-11。然而,在遗传性小鼠模型中,目前尚无统一共识明确应采用哪些最佳的感觉运动测试,或应使用多少项测试。这一问题在表征新型遗传性小鼠模型、开展临床前研究以及尝试在不同模型之间进行比较时尤为突出。在过去十年中,我们致力于建立一套类似于大鼠模型中已成功应用的感觉运动测试组合,用于小鼠模型。本文所描述的测试方法已被用于表征多种帕金森病遗传性小鼠模型,并正应用于当前针对新型潜在治疗手段的临床前研究中12。
用于评估小鼠运动功能的最常见测试包括开放场地中的活动度测试和转棒仪协调性测试13。尽管这两种测试均可自动化操作、相对易于使用,并能提供有关感觉运动功能的信息,但它们往往缺乏检测黑质纹状体多巴胺系统细微改变所需的敏感性。例如,多巴胺功能存在轻微异常的parkin基因缺陷小鼠在转棒仪测试中并未表现出功能障碍,但在具有挑战性的横梁行走测试中却显示出明显的运动障碍14。此外,接受中等剂量神经毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)处理的小鼠在转棒仪测试中也不表现出障碍,但在步态分析和倒置网格测试中却存在显著异常15。因此,仅依赖转棒仪进行表型评估的研究可能会遗漏更细微的功能损伤。在我们看来,行为学特征分析的最佳方法应包含一系列测试,这些测试能够敏感地反映感觉和运动功能的不同方面,以及基底神经节功能的细微变化13-15。本文中,我们将介绍如何利用具有挑战性的横梁穿越测试、圆筒内自发活动测试以及对感觉刺激反应测试来测量和分析小鼠的感觉运动功能。
小鼠的最佳测试时间应为其活跃期(暗周期)。我们实验室的小鼠维持在反转的光/暗周期中,这使我们能够方便地在它们的活跃期(也是我们的工作时间)进行测试。测试应在暗周期开始至少一小时后进行。然而,并非所有研究人员都能维持一个具有反转光周期的独立小鼠房。在此情况下,所有三项测试均可在光周期期间进行,但需注意,此时小鼠在横梁上通过所需时间、在圆筒中踩踏和直立的次数,以及触觉接触和移除时间可能会更长。
以下描述的三种实验均可由一名实验人员完成,但对于不熟悉小鼠操作或缺乏小鼠行为测量经验的人员,可能需要额外一名实验人员协助。在此情况下,第二名实验人员可在平衡木实验中协助将小鼠放置到平衡木上,同时另一名实验人员记录实验过程;或在黏附物移除实验中,由第二名实验人员负责计时,而另一名实验人员将贴纸贴在小鼠鼻部并将小鼠放入笼中。
1. 具有挑战性的光束穿行步骤
2. 光束视频分析
3. 试管实验中的自发活动
4. 自发活动的分析
5. 黏附物去除
平衡木测试、圆筒自发活动测试以及黏附物移除测试均为评估小鼠感觉运动功能的高效实验方法。我们已通过这些测试在多种帕金森病的遗传性和毒素性小鼠模型中发现感觉运动功能的改变,包括parkin基因敲除、parkin Q311X突变、Pitx3-aphakia、α-突触核蛋白过表达以及单侧6-羟基多巴胺处理的小鼠14, 16-19。本文展示了在Thy1启动子驱动下过表达人源野生型α-突触核蛋白的小鼠(Thy1-aSyn)以及Pitx3-aphakia小鼠的实验数据18,20。在平衡木测试中,与野生型小鼠相比,Thy1-aSyn小鼠每步的错误次数显著且稳定地增加(图1)。在同一品系小鼠中,圆筒测试也反复显示其后肢踏步次数明显减少(图2)12, 16, 21。在黏附物移除测试中,黑质纹状体多巴胺神经元显著减少的Pitx3-aphakia小鼠,其触碰黏附物所需时间明显长于野生型对照组(图3)。

图1. 野生型(n=13)与Thy1-aSyn(n=4)小鼠在4月龄时于挑战性横梁行走任务中的错误表现。 A) 每步错误数,取五次试验的平均值。B) 各横梁宽度下的平均错误数。** 表示与野生型小鼠相比,p<0.01。采用Student's t检验。

图2. 4月龄野生型(n=13)与Thy1-aSyn(n=4)小鼠在圆筒实验中的后肢踏步情况。 * 表示与野生型相比,p<0.05。采用学生t检验。

图3. 4周龄野生型(n=10)与Pitx3-无晶状体(Pitx3-aphakia,n=12)小鼠的接触时间。 ** 表示与野生型相比,p<0.01;采用Mann-Whitney U检验。
| 测试 | 参数 | 分析选项 |
| 挑战性横梁 | 错误次数 | 横梁宽度(仅错误次数) 5次试验的平均值 单独试验结果 |
| 时间 | ||
| 步数 | ||
| 自发活动 | 前肢步数 | 平均值 前肢/后肢步数比 |
| 后肢步数 | ||
| 直立次数 | 平均值 | |
| 理毛时间 | 平均值 | |
| 粘性物移除 | 接触时间 | 平均值 中位数 最佳/最差得分 移除时间接触时间评分 |
| 移除时间 |
表1. 感觉运动功能测试组合:分析选项。
在本研究中,我们展示了如何在小鼠中进行并分析三种有用的神经感觉运动功能检测。这些检测包括穿越狭窄横梁、圆筒中的自发活动以及对感觉刺激的反应(黏附物移除)。选择这些检测方法的原因如下:1)我们及其他研究者发现,这些方法对遗传性小鼠模型中不同程度的黑质纹状体多巴胺能功能障碍具有高度敏感性14,16-18;2)横梁实验和感觉刺激反应实验仅需短暂训练或简单操作处理,训练完成后,所有检测可在一次实验过程中完成;3)与购买更自动化的设备(如转棒仪和开放场地记录装置)相比,进行这些检测所需的设备成本相对较低。
挑战性横梁实验不仅有助于检测帕金森病(PD)遗传小鼠模型中的运动功能和协调能力缺陷,还可有效揭示1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶处理小鼠、6-羟基多巴胺处理小鼠以及去甲肾上腺素缺乏小鼠的运动功能障碍19, 23-25。此外,我们发现与其他运动功能和协调性检测方法(如转棒实验和杆实验)相比,挑战性横梁实验受体重影响较小。这一点在实验使用体重可达50克以上老龄雄性小鼠时尤为有利。与横梁实验类似,parkin基因敲除小鼠、PQ311X小鼠、Thy1-aSyn小鼠、Pitx3-无晶状体小鼠以及LRRK2小鼠均能稳定观察到自发活动的改变14, 16-18, 26。黏附物移除实验对多种基因操作也具有敏感性,包括parkin基因敲除、parkin Q311X突变、Thy1-aSyn过表达以及DJ-1基因敲除小鼠14,16, 17, 22。在单侧6-羟基多巴胺处理的小鼠中,黏附物移除实验的操作方式与大鼠中常规操作类似1,2。使用镊子将黏附标签贴于每只前爪,记录小鼠移除标签所需时间。我们发现,6-羟基多巴胺处理的小鼠会优先移除未受影响肢体上的标签,随后才移除受影响肢体上的标签19。
该测试组合在使用慢性处理的衰老研究中易于实施,同时也适用于药理学研究。动物经过训练并准备好测试后,可为每项检测设置相应的测试站。每次测试时,动物按相同的顺序进行实验。在给予目标药物并达到预期的药物峰浓度后,可依次对每只小鼠进行横梁实验,随后将其转移至圆筒中活动三分钟,最后进行粘性物质移除测试。我们发现,该策略在测试不同多巴胺受体激动剂时效果良好18, 21。横梁实验和粘性物质移除测试均适用于重复检测,但圆筒中的自发活动会因重复测试而受到影响,表现为随时间推移活动量减少16。根据小鼠功能缺陷的严重程度,即使在重复测试条件下,仍有可能检测到圆筒中活动水平的差异16。通常情况下,从第二次进入圆筒开始即可观察到习惯化现象及活动减少,但在药理学研究中,若在横梁行走测试结束后立即进行自发活动测试,我们发现仍可获得足够的活动水平18,21。研究中包含的自发活动测试次数取决于小鼠品系(某些品系明显比其他品系更活跃)以及处理持续时间。在我们以混合C57BL/6 × DBA背景小鼠开展的药理学研究中,活动水平测量进行了2至4次,各测试间隔一周21。
横梁和圆柱实验确实需要对录像记录的行为进行测试后的分析。在这一分析环节中,尤其重要的是评估者必须对实验条件保持盲态。在实验室培训新评估者时,我们会让受训人员对之前由实验室专家评估者分析过的录像带进行行为评分。首先向新评估者解释并展示评分标准,然后由其独立对这些已分析过的录像带进行评分。随后将评分结果与专家的评分进行比较。只有当受训人员的评分准确率达到专家水平的95%至98%时,才被允许对新的数据进行评分。所有数据随后都会由专家评估者随机抽样核查准确性。
本研究中描述的一系列测试旨在评估小鼠的感感觉运动功能。然而,在表征一种新的小鼠疾病模型时,始终需要对动物进行基本的检查。在整个测试过程中应监测体重和体温,并记录任何异常行为,例如被尾部提起时出现的须毛脱落或后肢抓握现象。基本的神经学评估在其他文献中已有详细描述27-29。
本工作由美国国立卫生研究院神经疾病与中风研究所(NIH/NINDS NS07722-01)以及加德纳家族帕金森病与运动障碍中心资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 挑战性横梁装置 | Starks Plastics | 第一段 = 3.5 cm 第二段 = 2.5 cm 第三段 = 1.5 cm 第四段 = 0.5 cm | 联系方式: 11276 Sebring Dr. Forest Park ,OH 45240 美国 电话 +1 (513) 541-4591 传真 +1 (513) 541-6773 |
| 圆柱体 | Starks Plastics | 直径 15.5 cm 高度 12.7 cm | 联系方式: 11276 Sebring Dr. Forest Park ,OH 45240 美国 电话 +1 (513) 541-4591 传真 +1 (513) 541-6773 |
| 网状格栅导线 | Ace Hardware | 1 cm2 | |
| 小鼠笼具 | Ancare | 19 x 29 x 12.7 cm | |
| 玻璃板 | Ace Hardware | 19 cm2 | |
| 镜子 | Ace Hardware | 18 x 13 cm | |
| 摄像机 | Sony HDR-HC9 | ||
| MiniDV 磁带 | Sony DVC premium | 90 分钟长时播放 | |
| 标签 | Avery 颜色编码标签 | 直径 6.35 mm(1/4" 圆形) |