一种快速表型神经功能评分系统用于评估ALS的SOD1-G93A小鼠模型中的疾病进展

摘要

本视频方案描述了一种敏感、可靠且快速的方法，用于评估肌萎缩侧索硬化症转基因小鼠模型中的神经肌肉功能缺陷。

摘要

SOD1-G93A 转基因小鼠是肌萎缩侧索硬化症（ALS）最广泛使用的动物模型。在 ALS TDI，我们开发了一种表型筛选方案，本视频中对此进行了演示，可快速、可靠地评估 SOD1-G93A 小鼠的神经肌肉功能。该方案包含一个简单的神经系统评分系统（NeuroScore），用于评估后肢功能。NeuroScore 重点关注后肢功能，因为后肢功能障碍是 SOD1-G93A 小鼠疾病最早报道的神经系统症状。ALS TDI 开发的该方案能够无偏倚地评估轻瘫（轻微或部分瘫痪）的发生、瘫痪的进展及严重程度，并且具有足够的敏感性以检测药物诱导的疾病进展变化。本报告结合详细的文稿与视频，最大限度地减少了评分歧义和不同实验人员之间的变异性，从而使其他实验室能够采用该方案，并实现不同研究环境下的研究结果比较。我们认为，该视频方案可作为当前及未来 ALS 研究人员的优秀培训工具。

引言

自20世纪90年代中期问世以来，SOD1-G93A转基因小鼠模型已成为肌萎缩侧索硬化症（ALS）最广泛使用的动物模型¹。该转基因小鼠模型经过基因工程改造，可过表达一种携带与ALS相关的第93位氨基酸由甘氨酸突变为丙氨酸（G93A）的人源Cu/Zn超氧化物歧化酶1（SOD1）基因的突变形式。G93A突变是SOD1基因众多突变之一，这些突变 collectively 占家族性ALS病例的约五分之一²。

SOD1-G93A 模型已成为肌萎缩侧索硬化症（ALS）药物研发研究中的常用模型，因为它除了与 ALS 具有明确的遗传关联外，还能重现人类 ALS 的多种病理特征，例如运动神经元丢失、进行性肌无力和肌肉萎缩，最终导致瘫痪和死亡³。然而，与许多转基因动物模型一样，SOD1-G93A 小鼠存在固有的生物学变异性。Scott et al. 研究表明，在药物疗效研究设计中，需要至少包含 24 只同窝出生、性别均衡的小鼠群体，以克服生物学变异性带来的数据噪声⁴。由于此类研究需要使用大量动物，且疾病进展迅速，还需每日监测，因此无法采用复杂、耗时且可能造成应激的神经肌肉功能检测技术（例如，肌电图、抓力测试、转棒实验等）。相反，这凸显了对一种能够快速、可靠地评估 SOD1-G93A 小鼠神经肌肉功能的体内筛选工具的需求。

在ALS TDI，我们建立了一种方案，可对SOD1-G93A小鼠的神经肌肉功能进行可靠评估，平均每只小鼠的评估时间不到30秒 。该方案包括使用一种简单的神经系统评分系统（NeuroScore）每日评估后肢功能，本报告（已发表）及配套视频中对此进行了详细描述。NeuroScore重点关注后肢功能，因为后肢功能障碍是SOD1-G93A小鼠疾病最早 reported 的神经系统症状^5,6。此外，ALS TDI开发的该方案能够无偏倚地评估轻瘫（轻微或部分瘫痪）的发生、瘫痪的进展及严重程度，并且具有足够的敏感性，可检测药物干预引起的疾病进展变化。

方案

所有实验均按照美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》所述方案进行，并经ALS TDI机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准。

1. 动物、饲养与研究设计

注意：SOD1-G93A 小鼠品系源自 Gurney 等人最初构建的高拷贝 B6SJLTgN(SOD1G93A)1Gur 品系et al. ⁷。目前该品系通过将转基因 C57BL/6-SJL 雄鼠与野生型 C57BL/6-SJL F1 雌鼠交配来维持。F1 代动物由 SJL 雄鼠与 B6 雌鼠交配产生。小鼠在 35–45 日龄时每周运送至 ALS TDI。

1. 在将小鼠分配至实验组之前，应让其在动物房中至少适应一周时间（12小时光照/12小时黑暗循环，温度18–23 °C ，湿度40–60%）。
2. 将雄性SOD1-G93A小鼠单只饲养于笼中，因为群养雄性小鼠容易发生争斗；雌性SOD1-G93A小鼠可每笼饲养最多两只 。提供塑料小屋等形式的环境丰富化设施。除实验需要通过饮水或饲料给予药物外，其余情况下均应自由供应食物和饮水（ad libitum）。若涉及药物干预实验，则需定量供给并记录食物和饮水的消耗量。
3. 药物疗效研究建议从出生后第50天左右开始，纳入64只性别均衡、同窝出生的小鼠（每组32只）。最后，确保参与实验的研究人员对实验分组情况设盲。
   注意：通常建议药物疗效研究从出生后第50天开始，但根据治疗干预的类型，可能更适宜提前或推迟开始时间。
   注意：每组32只小鼠的样本量足以检测性别特异性的药物效应；若无需进行性别间比较，则每组24只小鼠已足以检测整体药物效应。

2. 体重

1. 每日以精确到0.1克的精度记录所有实验小鼠的体重。注意：体重是疾病进展以及慢性药物治疗可能引起不适的敏感指标。
2. 小鼠体重在一天内波动较大，早晨时较高，因此应每天在大致相同的时间进行记录。

3. 神经系统评分系统（NeuroScore）

1. 每天通过依次观察小鼠在以下三种情况下的表现来评估其神经学评分（NS）：a）将小鼠用尾部悬吊；b）允许小鼠自由行走；c）在出现轻瘫后，将小鼠侧放。
   1. 在进行悬尾实验时，将小鼠尾部末端约1.5英寸处悬挂在其家笼金属网盖上方，远离食盆，持续1-2秒，同时观察其后肢行为。重复该悬挂操作3次，记录最一致的结果。
   2. 在进行行走测试时，将小鼠放置于一个清洁且具有一定摩擦力的表面上，行走距离为25 厘米（cm）例如，用胶带固定纸巾以防滑动）。让小鼠行走总共75次 cm（纸巾长度的3倍），同时观察其步态。
   3. 在进行“翻正反射”测试时，将小鼠置于其左侧或右侧，使用秒表测量小鼠从两侧各自无辅助翻正所需的时间。注意：该测试仅需进行一次试验。
2. 分别对每侧后肢（左或右）的神经功能评分（NS）进行独立评估，评分范围为0到4分。注意：例如，评分0,1表示左侧后肢NS为0分，右侧后肢NS为1分。
3. 根据以下观察指标（汇总见于 表1):
   1. 若观察到以下情况，则评为 NS 0（无症状期）：当小鼠通过尾巴悬吊时，后肢呈正常伸展状态 即， 完全向外侧中线伸展，并在此位置保持 2 秒 或更长时间。当允许小鼠行走时，可观察到正常的步态。
   2. 若观察到以下情况，则评定为 NS 1（首发症状）：当小鼠通过尾巴悬吊时，后肢呈现异常外展， 即， 呈塌陷或向身体侧中线部分塌陷，或在尾悬吊期间出现震颤，或出现回缩/紧握现象。当允许小鼠行走时，可见正常或略缓慢的步态。
   3. 若观察到以下情况，则评分为 NS 2（轻瘫 onset）：当小鼠被尾部悬吊时，后肢部分或完全塌陷，无法充分伸展（关节可能仍有活动）。当允许小鼠行走时，后肢可用于前进运动，但在 90 cm 的行进过程中，脚趾至少两次向下蜷曲，或足部任何部位在笼底/桌面拖行。当小鼠被置于左侧和右侧时，均能在 10 秒内自行恢复为腹部朝下姿势。 从两侧
   4. 若观察到以下情况，评分为 NS 3（瘫痪）：将小鼠尾部悬吊时，其后肢出现强直性瘫痪或关节活动极少；当允许小鼠行走时，虽能向前移动，但后肢未参与向前运动；当小鼠被置于左侧和右侧时，可在 10 秒内自行恢复为腹侧朝下体位 从两侧。 注意：极少数情况下，瘫痪发生后，后肢可能出现尿液湿润。  若不及时处理，尿液潮湿可能导致尿液“灼伤”和皮肤损伤。  通过剪除毛发处理尿液浸湿部位，用温水浸洗去除尿液，并轻柔拍干。若存在皮肤损伤，应涂抹抗生素软膏。
   5. 若观察到以下情况，应评定为 NS 4（人道终点）：将小鼠尾部悬吊时，其后肢出现强直性瘫痪；允许小鼠行走时，无法向前移动；将小鼠分别置于左侧和右侧时，均无法在 10 秒内自行恢复为腹部着地的正常体位。 从任意一侧。 即， 翻正反射消失

4. 数据录入与分析

1. 在药物有效性研究过程中，将每只小鼠收集的数据录入实验室信息管理系统（LIMS）或商业化的电子表格软件中。
   注意：ALS TDI 开发的 LIMS 软件是内部研究所有数据的集中存储库，便于 ALS TDI 研究人员在研究期间方便地访问这些数据。LIMS 可追踪任意一只具有唯一编号的小鼠，回溯其谱系、各研究日的体重或神经学评分，并包含其生命周期内记录的其他任何观察结果。LIMS 最终生成一个用于后续分析的电子表格。
2. 在药物有效性研究完成后，即当所有小鼠均达到人道终点时，使用电子表格软件（见材料表）通过取左右后肢神经学评分（NS）的平均值，计算每只小鼠每日的综合 NS。接着，计算每只小鼠在每个 NS 下的中位年龄，以及每只小鼠处于特定 NS 的天数。
3. 通过将电子表格软件中的数据导入统计软件（见材料表），分析 NS 随时间的总体变化。采用有序逻辑回归模型拟合数据，该模型以中位年龄和药物处理作为回归效应，估计预期的 NS。使用对数秩卡方检验估算效应可能性概率，并确定药物处理对 NS 进展的影响是否具有统计学意义（详见补充代码文件中的分步说明）。
   注意：p 值 <0.05 被认为具有统计学显著性。
   注意：该统计分析方法尊重 NS 数据的有序性质以及个体小鼠 NS 轨迹的变异性。该方法更受推荐，因为个体 NS 轨迹可能存在显著差异，导致基于时间的组平均值不足以准确反映 NS 响应。此外，在某些情况下，NS 可能出现波动，尤其是在 0 到 1 的范围内。
4. 最后，使用绘图软件（见材料表）生成药物处理组与对照组动物的“预期有序 NS 与 NS 中位年龄”图（图 2；详见补充代码文件中的分步说明）。通过从 y 轴插值得到 x 轴上的疾病发病中位年龄（即 NS 2），利用这些图方便地估算药物处理组与对照组之间的差异。
   注意：两组之间中位年龄的差异代表药物诱导的偏移，被视为效应强度的实用度量。
   注意：预期 NS 与中位年龄曲线向右偏移表明症状性疾病进展减缓；相反，向左偏移则表明症状性疾病进展加速。

结果

对2014年在ALS TDI研究的90只雄性和94只雌性未经处理的SOD1-G93A小鼠的神经功能评分数据进行了评估。结果显示，雄性小鼠的疾病进展通常比雌性小鼠更为迅速，表现为达到NS 1阶段所占寿命比例高于雌性。NS 2和NS 3在不同性别间的发生频率几乎相等。NS 0被排除在分析之外，因其被视为“正常”表型。NS 4也被排除，因为根据定义，其在SOD1-G93A小鼠的一生中仅能出现一次（表2和图1）。

图中展示了在SOD1-G93A小鼠（每性别每处理组n=16，共64只小鼠）中进行的测试化合物TDI173治疗肌萎缩侧索硬化（ALS）疾病进展的药效学研究中的神经系统（NS）数据。图2显示了通过本文所述NeuroScore方案采集数据并经序数回归分析得出的神经疾病进展速率。TDI173处理组小鼠与溶剂对照组进行了比较。当按性别分别分析时，未观察到具有统计学意义的差异；但当合并性别数据时，达到了统计学显著性。尽管生存率的Kaplan-Meier分析呈现出与序数逻辑回归统计分析相似的趋...

讨论

在本报告中，我们介绍了一种快速且简单的视频实验方案，若正确实施，可稳定评估 SOD1-G93A 小鼠的疾病进展，并识别药物诱导的变化。尽管不同研究团队已开发出针对 SOD1-G93A 小鼠的表型评分系统^8-10，但这些系统通常缺乏对操作步骤的充分细节描述，难以被重复使用。因此，这些评分系统很少在最初开发它们的特定研究团队之外得到应用。本报告通过结合详细的书面描述与视频演示，最大限度地减少了评分过程中的歧义以及不同实验人员之间的操作差异，从而使该方案能够被其他实验室采纳，并支持在不同实验条件下开展的研究之间的相互比较。

本报告中描述的神经系统评分系统（称为 NeuroScore）生成的是有序数据，其中赋予各组体征和症状的精确数值仅用于建立疾病严重程度的等级，本身并无其他意义。在此系统中，NS 0 代表最轻的疾病状态，表示小鼠后肢功能正常；而 NS 4 代表最严重的疾病状态，指小鼠已达到或接近因神经肌肉疾病引起的病态。尽管该评分系统采用了症状阈值，但每个有序的 NS 值均涵盖了一系列广泛的可能临床表现，其中许多表现已被视频记录并包含在本报告中。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
B6SJLTgN(SOD1G93A)1Gur 品系	美国缅因州巴港杰克逊实验室	002726	本研究使用的小鼠品系
种鼠	美国马萨诸塞州伍斯特生物医学研究模型公司		种群维持
电子天平	美国帕西帕尼OHAUS Navigator	型号 N14120	用于称量小鼠体重
Nutra-GelH	美国弗莱明顿Bio-Serv公司	#S4798	为病鼠提供的湿性饲料
辐照实验动物饲料	美国印第安纳波利斯Harlan公司	2918-111914M	标准颗粒饲料
实验级Sani-chips垫料	美国印第安纳波利斯Harlan Teklad公司	7090	笼具垫料
JMPH	SAS Institute, Inc., SAS Campus Drive, Cary, NC	v10.0.2	统计分析软件
Microsoft Excel	Microsoft, One Microsoft Way, Redmond, WA	Excel 2013 (v 15.0)	电子表格软件
GraphPad Prism 5	美国拉霍亚GraphPad软件公司	v5.4	绘图软件
小鼠庇护屋（Mouse Huts）	美国弗莱明顿Bio-Serv公司	K3272	用于环境丰富化