将RatWalker系统应用于帕金森病遗传大鼠模型中的步态分析
2021年1月18日
在这里，我们描述了RatWalker系统，该系统是通过重新设计MouseWalker设备来构建的，以适应增加的老鼠的尺寸和重量。该系统使用受挫全内反射 （FTIR）、高速视频捕获和开放式访问分析软件来跟踪和量化步态参数。
这种方法可以重复地量化步态参数的差异。步态参数可以在自由行走的啮齿动物中进行评估，并且该技术不依赖于侵入性步骤，例如用墨水浸渍脚。演示该程序将是Ben Lamberty。
在每次跑步开始之前，首先在人行道的尽头放置一个家庭笼子，作为老鼠穿越人行道的积极提示。关掉房间的灯。打开相机电源并开始记录，然后在将老鼠放在平台上几秒钟。
安装围栏后，将老鼠放在人行道的尽头，与家笼相对，并让它以非强迫的方式穿过人行道。一旦动物到达人行道的终点，就停止记录。在跑步之间以及动物排尿或排便后，使用 70% 乙醇和非研磨性毛巾清洁人行道。
然后，在引入另一只动物之前让乙醇蒸发。在每个观察期间，大鼠在人行道上总共跑七次，将得分的前三次作为通过进行分析。如果动物向主笼的方向连续四步或更多步，而没有因梳理、暂停或错误的动作而中断，则得分为及格。
在两个月龄时对雄性野生型和Parkin DKO大鼠进行步态分析，以确定使用运动学步态分析是否可以在出现粗大运动问题之前发现细微的运动障碍。尽管DKO大鼠的体重增加，但施加在行走表面上的脚压没有改变。在评估几个步态参数作为步行速度的函数时，发现野生型和DKO大鼠的步行速度和步长相似。
野生型和DKO大鼠在较慢的步行速度下的站立阶段和摆动持续时间上的变化变得明显。腿处于站立阶段的步进周期部分是占空比。随着占空比的降低，摆动阶段花费的时间多于站立阶段。
此外，虽然野生型动物的摆动速度随着速度的增加而增加，但在DKO大鼠中相关性减弱。FTIR步态分析还用于创建自由行走的大鼠每条腿相对于身体的站立阶段曲线图。通过比较爪子位置，观察到AEP和PEP的显着变化。
与野生型相比，DKO大鼠的几个附加参数发生了显着变化。DKO大鼠左右后肢摆动速度均增加，左右后肢摆动时间均缩短。设备的一致设置，包括相机相对于RatWalker的位置，对于成功实施该协议非常重要。
执行此协议后，动物可用于任何其他必要的行为或实验终点。例如，步态变化可能与组织学改变相关。该技术可用于评估其他非PD啮齿动物模型中的步态，例如焦虑和抑郁模型。
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概述
本研究介绍了RatWalker系统，该系统旨在使用挫败全内反射（FTIR）和高速视频捕捉来分析自由行走的大鼠步态。它能够精确量化步态参数，为运动障碍提供洞察，特别是在基因改造的Parkin DKO大鼠中。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为分析
- 步态评估
背景
- 啮齿动物的步态分析通常依赖于侵入性方法。
- 先前的研究表明需要改进的非侵入性技术来评估运动功能。
- RatWalker是MouseWalker系统的修改版，用于适应较大的啮齿动物。
- 该系统可以帮助在明显症状出现之前识别细微的运动缺陷。
研究目的
- 开发一种用于大鼠步态分析的非侵入性方法。
- 调查野生型与Parkin DKO大鼠之间的步态差异。
- 建立一个可靠的协议，以在多次试验中跟踪步态参数。
使用的方法
- 使用RatWalker系统分析自由行走的大鼠的步态。
- 两个月龄的雄性野生型和Parkin DKO大鼠是生物模型。
- 研究中未提及多组学工作流程。
- 大鼠总共在步道上行走了七次，评分基于连续步数。
- 步态参数通过FTIR和视频分析进行量化。
主要结果
- 步态分析显示DKO大鼠在较慢速度下的站立阶段和摆动持续时间存在显著差异。
- 尽管步行速度相似，DKO大鼠的时间步态参数与野生型大鼠相比发生了改变。
- 在DKO大鼠中观察到爪子位置和摆动速度的重要变化。
- 该研究强调了设备一致性对可靠结果的重要性。
结论
- RatWalker系统允许进行非侵入性的步态分析，具有在各种啮齿动物模型中更广泛应用的潜力。
- 研究结果有助于理解基因疾病模型中的运动功能障碍。
- 研究的意义延伸到调查与不同神经系统疾病相关的步态障碍。
常见问题
Executive Industry Relevance
Early detection of subtle motor impairments in genetic models supports target validation and mechanistic de-risking in neurodegenerative disease programs. The RatWalker system enables non-invasive, quantitative gait analysis that can identify phenotypic changes prior to gross motor deficits, improving predictive confidence in preclinical screening. This approach aids in prioritizing therapeutic candidates by providing translatable biomarkers of functional decline in Parkinson’s disease models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying gait parameters in genetic rat models of Parkinson’s disease.
- Operational Value: Supports biological de-risking through reproducible assessment of motor function in freely-walking rodents.
- Predictive Value: Facilitates early phenotypic characterization to inform target confidence and portfolio triage decisions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, high-resolution gait data including stance phase, swing duration, and paw positioning for comparative analysis.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable readouts suitable for assay development and compound screening campaigns.
- Reproducibility: Requires consistent equipment setup and scoring criteria to ensure reliable data across trials and laboratories.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Correlates gait alterations with histological endpoints to bridge behavioral and neuropathological findings.
- Disease-Relevant System: Models early-stage motor dysfunction in genetic Parkinson’s disease prior to overt symptom onset.
- Mechanistic De-risking: Identifies gait-based biomarkers that reflect underlying neuropathology in Parkin/Pink1-deficient models.
Pipeline & Workflow Integration
The RatWalker system fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical efficacy testing, enabling iterative assessment of motor phenotypes across study phases.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by measuring gait deficits in genetic models to validate target engagement and pathway modulation.
- Screening: Provides assay-ready, quantitative outputs for evaluating therapeutic effects on motor function in rodent models.
- Analytics: Delivers kinematic parameters such as duty factor, swing speed, and step symmetry for objective comparison between genotypes.
- Translational Research: Enables correlation of gait changes with neurodegeneration markers to support biomarker alignment and pathophysiological insight.
- Enterprise Reuse: Represents a scalable, non-invasive platform applicable across multiple neurological disease models beyond Parkinson’s disease.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by detecting early motor impairments that mirror clinical prodromal symptoms.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized walkway traversal, scoring thresholds, and environmental controls.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing reliance on late-stage phenotypic readouts in preclinical development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted advancement by identifying models with construct validity for therapeutic screening.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and video-based motion analysis for proper setup and interpretation.
- Depends on consistent camera positioning, lighting conditions, and walkway sanitation to minimize variability.
- Necessitates cross-team agreement on run scoring criteria (e.g., four consecutive steps) to ensure data comparability.
- Must account for species-specific locomotion patterns when adapting the system to other rodent models or strains.
- Limited to assessing temporal and spatial gait parameters; does not capture complex locomotor sequences or fine limb kinematics without supplementary methods.
