3D Kinematische Analyse zur funktionellen Bewertung im Rattenmodell von Ischias-Nerven-Crush-Verletzungen
12. Februar 2020
Wir führen eine kinematische Analysemethode ein, die ein dreidimensionales Bewegungserfassungsgerät mit vier Kameras und Datenverarbeitungssoftware für die Durchführung funktionaler Auswertungen während der Grundlagenforschung mit Nagetiermodellen verwendet.
Wir bieten eine präzise und DiCharacter-Methode für die funktionelle Auswertung von Labortieren. Sie ist sensibel und zuverlässig und ohne Mängel, die anderen Methoden für funktionelle Evaluierungen zugeschrieben werden. Zum Beispiel der ischiefunktionale Index.
Zunächst stellen Sie zwei transparente Kunststoffplatten auf beiden Seiten des Laufbandes auf, um eine 12 Wochen alte männliche LEWIS-Ratte in gerader Frontrichtung laufen zu lassen und dann das elektrische Stoßgitter einzuschalten. Lassen Sie jede Ratte auf dem Laufband laufen. Beschleunigen Sie das Laufband nach und nach auf die gewünschte Geschwindigkeit von 20 Zentimetern pro Sekunde und lassen Sie die Ratte mit dieser Geschwindigkeit fünf Minuten lang normal laufen.
Nach jeder Gehzeit eine ein- bis zweiminütige Ruhepause einlegen. Wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal täglich an fünf Tagen pro Woche für eine Woche. Während die Ratte durch die Anästhesiemaske eine stabile Anästhesie erhält, rasieren Sie einen Bereich vom unteren Rücken zu den bilateralen Malleoli mit einem elektrischen Rasierer.
Platzieren Sie die Ratte in der anfälligen Position. Verwenden Sie einen schwarzen Marker-Stift, um die Knochen-Landmarks auf der rasierten Haut zu markieren, eine Linie durch die spinlösen Prozesse von der Lendenwirbelsäule bis zu sakralen Wirbeln. Verwenden Sie außerdem einen schwarzen Marker, um die vorderen/oberen Iliasdorne, die größeren Trochanter, die Kniegelenke, die seitlichen Malleoli, die fünften metatarsalen Phalangealgelenke und die Spitze des vierten Zehenzus zu markieren.
Verwenden Sie dann einen flüssigen Klebstoff, um hemisphärische Marker an diesen Knochen-Landmarken zu befestigen, mit Ausnahme der Linie durch die spinlösen Prozesse von der Lendenwirbelsäule bis zum Sakralwirbel und der Spitze des vierten Zehe. Nachdem Sie alle Markierungen platziert haben, legen Sie die Ratte wieder in den Käfig. Legen Sie die Ratte nicht auf das Laufband, bis sie sich vollständig von der Anästhesie erholt.
Richten Sie zwei transparente Kunststoffplatten auf beiden Seiten des Laufbandes ein und legen Sie die Kalibrierbox in die Mitte des Laufbandes. Öffnen Sie die Aufnahmesoftware und klicken Sie dann auf das Kalibrierungsbildsymbol auf dem Display. Klicken Sie auf das Aufnahmesymbol, um ein bis zwei Sekunden Video aus vier Richtungen mit 120 Hertz CCD-Kameras aufzunehmen.
Klicken Sie erneut auf das Aufnahmesymbol, um die Aufnahme zu beenden. Öffnen Sie die Videodateien in der Berechnungssoftware. Klicken und ziehen Sie die charakteristischen Punkte der Kalibrierbox 3D-Modelle in der unteren rechten Ecke des Bildschirms auf die entsprechenden Marker auf den vier Bildern, die automatisch aus dem Video im Kalibrierungsmuster transformiert werden.
Klicken Sie dann auf das Speichersymbol. Nehmen Sie nun die Kalibrierbox aus dem Laufband, schalten Sie das Elektrische Stoßgitter ein und legen Sie die vollwache Ratte auf das Laufband. Öffnen Sie die Aufnahmesoftware, und geben Sie die grundlegenden Informationen über die Ratte ein, einschließlich der Seriennummer, der Gehgeschwindigkeit und des Namens des Hauptoperators.
Schalten Sie das Laufband ein und stellen Sie die Geschwindigkeit auf 20 Zentimeter pro Sekunde ein. Nachdem sich die Ratte an die Geschwindigkeit anpasst und normal laufen kann, klicken Sie auf das Aufnahmesymbol auf dem Display, um die Wanderratte mit den vier Kameras aufzunehmen. Sobald über 10 Schritte aufgezeichnet sind, klicken Sie erneut auf das Symbol, um die Aufnahme zu beenden und das Laufband auszuschalten.
Die Ratte zur Anästhesisierung wieder in die Anästhesie-Induktionskammer geben. Während die Ratte über die Anästhesiemaske unter ständiger Anästhesie steht, entfernen Sie die hemisphärischen Marker. Öffnen Sie die Berechnungssoftware, und öffnen Sie die Videodatei auf der Schnittstelle.
Klicken und ziehen Sie die bilaterale Steuerleiste auf der Fortschrittsleiste des Videos, um sicherzustellen, dass nur ein 10-stufiger Laufband-Wanderdatensatz angezeigt wird. Klicken und ziehen Sie jeden Merkmalspunkt vom 3D-Modell in der unteren rechten Ecke des Bildschirms auf die entsprechende Markierung auf jedem der vier anfangs Bilder der Videos, die von den Kameras aufgenommen wurden. Klicken Sie dann auf das Symbol für die automatische Ablaufverfolgung, um den automatischen Markerverfolgungsprozess zu starten.
Wenn das System einen Marker nicht genau verfolgt, klicken Sie auf das Symbol zur manuellen Digitalisierung, um in den manuellen Ablaufverfolgungsmodus zu wechseln, klicken Sie auf den Tracing-Merkmalspunkt im 3D-Modell und dann auf die antwortende Markierung im Bild. Sobald auf die Markierung geklickt wurde, stellen Sie sicher, dass das Bild zum nächsten Bild des Videos wechselt. Klicken Sie nun kontinuierlich auf den Marker, bis die Markierungsverfolgung abgeschlossen ist.
Sobald Sie fertig sind, klicken Sie auf das Speichersymbol. Öffnen Sie die Analysesoftware, und öffnen Sie dann die verarbeitete Videodatei auf der Schnittstelle. Klicken Sie auf das Einstellungssymbol und wählen Sie bestimmte Parameter wie Knöchelwinkel, Zehenwinkel und Beckenverschiebung zur Anzeigeliste im Popup-Fenster auf der rechten Seite aus und fügen Sie sie hinzu.
Klicken Sie auf OK, damit die Kurven, die die Werte darstellen, sich in den Parametern ändern, auf der Schnittstelle angezeigt werden. Klicken Sie auf das Messsymbol und wählen Sie im Pulldown-Menü die reibungslose Verarbeitung aus. Geben Sie 20 Hertz in das Popup-Fenster ein, um Frequenzen größer als 20 Hertz innerhalb der Kurven zu entfernen.
Mittels 3D-Kinematikanalyse wurde das Mittlere Verhältnis der Haltungs- oder Schwingphase im 10-Stufen-Zyklus automatisch berechnet und auf der Schnittstelle dargestellt. Jede bilaterale Haltungs- und Schwingphase in 10-Stufigen Zyklusperioden für die Kontrollgruppe, eine Woche nach der Operation, drei Wochen nach der Operation und sechs Wochen nach der Operation werden hier gezeigt. Die normale Schwerpunktbahnform ähnelt dem Unendlichkeitszeichen.
Die Schwerpunktbahn formte erst sechs Wochen nach der Operation wieder eine normale Form. Der Mittelwert des Knöchels oder Zehenwinkels in der Zehenabstellphase deutete darauf hin, dass sie sich nach der Operation in aufwärts verbesserten. Das Richtige ist, die Knochenmarkierungen auf der rasierten Haut so sorgfältig und korrekt wie möglich zu lokalisieren.
Analyse des Ischiasnervs kann durchgeführt werden und es wird die Beziehung zwischen funktionellen und histologischen Veränderungen zeigen.
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Überblick
Diese Studie stellt eine kinematische Analysemethode vor, die ein 3D-Bewegungserfassungssystem mit vier Kameras verwendet, um die Lokomotion von Nagetieren zu bewerten. Der Ansatz zielt darauf ab, zuverlässige funktionelle Bewertungen zu liefern, die bestehende Methoden verbessern.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Lokomotion von Tieren
- Kinematik
Hintergrund
- Funktionelle Bewertungen von Labortieren können eine Herausforderung sein.
- Aktuelle Methoden können verschiedene Mängel aufweisen.
- Der Bedarf an empfindlicheren und zuverlässigeren Erkennungsmethoden in Studien.
- Nagetiermodelle werden häufig bei solchen funktionellen Bewertungen eingesetzt.
Zweck der Studie
- Eine neue Methode zur Bewertung der Lokomotion von Labortieren zu entwickeln.
- Die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit bei der Erfassung funktioneller Daten zu verbessern.
- Die Einschränkungen bestehender Bewertungstechniken anzugehen.
Verwendete Methoden
- Ein 3D-Bewegungserfassungsapparat und eine Datenverarbeitungssoftware wurden genutzt.
- 12 Wochen alte männliche LEWIS-Ratten wurden für das Bewertungsprotokoll eingesetzt.
- Schrittweise kinematische Analyse des Rattengehens mit klaren Anweisungen für Aufbau und Durchführung.
- Aufzeichnungs- und Analysemethoden, die mehrere Videoperspektiven und Kalibrierung einbeziehen.
Hauptergebnisse
- Die Methode ermöglicht eine präzise Verfolgung und Analyse von Lokomotionsphasen.
- Bemerkenswerte Veränderungen in den Knöchel- und Zehenwinkeln wurden im Laufe der Zeit nach der Operation beobachtet.
- Die Daten unterstützen Erkenntnisse über die funktionelle Erholung nach Intervention.
- Die Schwerpunkstrajektorie zeigte erst nach sechs Wochen Anzeichen einer Rückkehr zur Normalität.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie demonstriert eine effektive Methode für die detaillierte kinematische Analyse der Lokomotion von Nagetieren.
- Verbesserungen in der methodischen Zuverlässigkeit können die funktionelle Bewertung in der Forschung erheblich verbessern.
- Die Erkenntnisse können das Verständnis der Mechanismen der lokomotorischen Erholung in Tiermodellen vorantreiben.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Kinematic analysis using 3D motion capture provides a more sensitive and reliable functional evaluation method than traditional indices like SFI for rodent models of nerve injury. This approach supports target validation by enabling precise quantification of locomotor recovery, which is critical for de-risking mechanistic hypotheses in preclinical neuroscience programs. The method enhances predictive confidence in early discovery by delivering quantitative, reproducible data on neuromuscular function.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise measurement of stance/swing phase ratios and joint kinematics in nerve injury models.
- Operational Value: Reduces mechanistic ambiguity by providing high-resolution temporal and spatial locomotor data not accessible via endpoint functional indices.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variables such as ankle angle, toe angle, and center of gravity trajectory for assay standardization.
- Operational Value: Supports screening readiness through automated calculation of stance/swing phase means across multiple post-injury timepoints.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation between functional recovery and histological changes, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by tracking recovery trajectories over six weeks post-surgery.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early biology to preclinical validation by delivering functional readouts that inform target confidence and pathway modulation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via measurement of locomotor parameters that reflect sciatic nerve function.
- Screening: Delivers assay-ready quantitative outputs including pelvic shift and joint angles for compound evaluation.
- Analytics: Provides smooth-processed kinematic curves at 20 Hz cutoff for reliable inter-group comparison.
- Translational Research: Connects functional data to structural outcomes, enabling mechanistic de-risking before preclinical advancement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable locomotor phenotyping platform applicable across trauma and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through sensitive detection of functional deficits and recovery.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via calibrated 3D motion capture and software-based marker tracing.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing false negatives in functional assessment.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on longitudinal locomotor recovery profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in motion capture systems, marker placement, and kinematic data processing.
- Dependent on 3D motion capture apparatus with multi-camera synchronization and calibration tools.
- Necessitates cross-team standardization for marker placement protocols and software workflows.
- Involves adaptation considerations for different rodent strains and injury models due to skin shifting artifacts.
- Limited by high equipment cost, operational complexity, and potential data deviation from soft tissue movement.
