Anwendung des RatWalker-Systems zur Ganganalyse in einem genetischen Rattenmodell der Parkinson-Krankheit
18. Januar 2021
Hier beschreiben wir das RatWalker-System, das durch die Neugestaltung des MouseWalker-Geräts erstellt wurde, um der zunehmenden Größe und dem Gewicht von Ratten gerecht zu werden. Dieses System verwendet frustrierte Totalreflexion (FTIR), Hochgeschwindigkeits-Videoaufzeichnung und Open-Access-Analysesoftware, um Gangparameter zu verfolgen und zu quantifizieren.
Diese Methode ermöglicht es, Unterschiede in den Gangparametern reproduzierbar zu quantifizieren. Die Gangparameter können bei frei gehenden Nagetieren beurteilt werden, und die Technik beruht nicht auf invasiven Schritten wie dem Eintauchen der Füße mit Tinte. Das Verfahren wird von Ben Lamberty demonstriert.
Beginnen Sie, indem Sie vor Beginn jedes Laufs einen Heimkäfig am Ende des Gehwegs platzieren, um der Ratte als positives Signal zu dienen, den Gehweg zu durchqueren. Schalten Sie das Licht im Raum aus. Schalten Sie die Kamera ein und starten Sie die Aufnahme einige Sekunden, bevor die Ratte auf die Plattform gesetzt wird.
Wenn das Gehege installiert ist, platzieren Sie die Ratte am Ende des Gehwegs, gegenüber dem Hauskäfig, und lassen Sie sie ungezwungen über den Gehweg laufen. Stoppen Sie die Aufnahme, sobald das Tier das Ende des Gehwegs erreicht hat. Reinigen Sie den Gehweg mit 70% Ethanol und einem nicht scheuernden Handtuch zwischen den Läufen und nachdem ein Tier uriniert oder defäkiert hat.
Lassen Sie dann Ethanol verdampfen, bevor Sie ein anderes Tier einführen. Führen Sie die Ratten während jedes Beobachtungszeitraums insgesamt sieben Mal durch den Gehweg und nehmen Sie die ersten drei Durchläufe, die als bestanden für die Analyse bewertet werden. Bewerten Sie einen Lauf als bestanden, wenn das Tier vier oder mehr aufeinanderfolgende Schritte in Richtung des Heimatkäfigs macht, ohne dass es aufgrund von Fellpflege, Pausen oder fehlerhaften Bewegungen unterbrochen wird.
Die Ganganalyse wurde an männlichen Wildtyp- und Parkin-DKO-Ratten im Alter von zwei Monaten durchgeführt, um festzustellen, ob die Verwendung der kinematischen Ganganalyse subtile motorische Beeinträchtigungen vor dem Auftreten von grobmotorischen Problemen aufdecken kann. Trotz des erhöhten Gewichts der DKO-Ratten blieb der Fußdruck, der auf die Lauffläche ausgeübt wurde, unverändert. Bei der Beurteilung mehrerer Gangparameter in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit wurde festgestellt, dass die Gehgeschwindigkeit und die Schrittlängen zwischen Wildtyp- und DKO-Ratten ähnlich waren.
Die Variation zwischen Wildtyp- und DKO-Ratten zeigte sich in der Standphase und der Schwungdauer bei langsameren Gehgeschwindigkeiten. Der Anteil des Schrittzyklus, in dem sich das Bein in der Standphase befindet, war der Tastfaktor. In der Swing-Phase wurde mehr Zeit verbracht als in der Standphase, da der Duty-Faktor abnahm.
Während die Schwunggeschwindigkeiten bei Wildtyp-Tieren mit zunehmender Geschwindigkeit zunahmen, war die Korrelation bei DKO-Ratten abgestumpft. Die FTIR-Ganganalyse wurde auch verwendet, um Diagramme von Standphasenspuren jedes Beines relativ zum Körper bei frei gehenden Ratten zu erstellen. Beim Vergleich der Pfotenpositionierung wurden signifikante Veränderungen von AEP und PEP beobachtet.
Mehrere zusätzliche Parameter wurden bei den DKO-Ratten im Vergleich zum Wildtyp signifikant verändert. Die Schwunggeschwindigkeit sowohl der linken als auch der rechten Hinterbeine war bei DKO-Ratten erhöht, während die Schwingungsdauer der linken und rechten Hinterbeine verringert war. Wichtig für die erfolgreiche Implementierung dieses Protokolls ist die konsistente Einstellung der Ausrüstung, einschließlich der Kameraposition in Bezug auf RatWalker.
Nach Durchführung dieses Protokolls stehen die Tiere für zusätzliche Verhaltens- oder experimentelle Endpunkte zur Verfügung. Zum Beispiel können Gangänderungen mit histologischen Veränderungen korreliert werden. Diese Technik kann verwendet werden, um den Gang in anderen Nicht-PD-Nagetiermodellen zu beurteilen, wie z. B. Angst- und Depressionsmodelle.
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Überblick
Diese Studie stellt das RatWalker-System vor, das entwickelt wurde, um den Gang von freilaufenden Ratten mithilfe von frustrated total internal reflection (FTIR) und Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen zu analysieren. Es ermöglicht eine präzise Quantifizierung von Gangparametern und liefert Einblicke in motorische Beeinträchtigungen, insbesondere bei genetisch modifizierten Parkin DKO-Ratten.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Verhaltensanalyse
- Ganganalyse
Hintergrund
- Die Ganganalyse bei Nagetieren basiert üblicherweise auf invasiven Methoden.
- Frühere Studien zeigten die Notwendigkeit verbesserter nicht-invasiver Techniken zur Beurteilung der motorischen Funktion.
- Der RatWalker ist eine Modifikation des MouseWalker-Systems zur Anpassung an größere Nagetiere.
- Dieses System kann helfen, subtile motorische Defizite vor offensichtlichen Symptomen zu identifizieren.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer nicht-invasiven Methode zur Ganganalyse bei Ratten.
- Untersuchung von Gangunterschieden bei Wildtyp- im Vergleich zu Parkin DKO-Ratten.
- Etablierung eines zuverlässigen Protokolls zur Verfolgung von Gangparametern über mehrere Versuche hinweg.
Verwendete Methoden
- Das RatWalker-System wurde zur Analyse des Gangs von freilaufenden Ratten eingesetzt.
- Männliche Wildtyp- und Parkin DKO-Ratten im Alter von zwei Monaten waren die biologischen Modelle.
- In der Studie wurden keine Multiomics-Workflows erwähnt.
- Ratten durchliefen den Gang insgesamt sieben Mal, wobei die Bewertung auf aufeinanderfolgenden Schritten basierte.
- Gangparameter wurden mithilfe von FTIR und Videoanalyse quantifiziert.
Hauptergebnisse
- Die Ganganalyse zeigte signifikante Unterschiede in der Standphase und der Schwingendauer von DKO-Ratten bei niedrigeren Geschwindigkeiten.
- Trotz ähnlicher Gehgeschwindigkeiten zeigten DKO-Ratten im Vergleich zu Wildtyp-Ratten veränderte zeitliche Gangparameter.
- Wichtige Veränderungen in der Pfotenpositionierung und den Schwingengeschwindigkeiten wurden bei DKO-Ratten beobachtet.
- Die Studie unterstreicht die Bedeutung der Gerätekonsistenz für zuverlässige Ergebnisse.
Schlussfolgerungen
- Das RatWalker-System ermöglicht eine nicht-invasive Ganganalyse mit Potenzial für breitere Anwendungen in verschiedenen Nagetiermodellen.
- Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der motorischen Dysfunktion bei genetischen Krankheitsmodellen bei.
- Die Implikationen erstrecken sich auf die Untersuchung von Gangstörungen im Zusammenhang mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen.
Häufig gestellte Fragen
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.
