Umfassendes Verständnis der inaktivitätsinduzierten Gangveränderung bei Nagetieren
6. Juli 2022
Das vorliegende Protokoll beschreibt die dreidimensionale Bewegungsverfolgung/-auswertung zur Darstellung der Veränderung der Gangbewegung von Ratten nach Exposition gegenüber einer simulierten Nichtverwendungsumgebung.
Unser Protokoll bietet ein umfassendes Verfahren zur Bestimmung von Parametern für die Gelenkbewegungsanalyse. Gelenkbewegungsanalysen sind oft kompliziert, da keine umfassende Definition von Parametern vorhanden ist. Wir zeigen Standardschemata von Parameterdefinitionen, die universell auf verwandte Felder anwendbar sind.
Öffnen Sie zunächst die MotionRecorder-App. Legen Sie die Ratte auf den Laufbandgürtel. Erhöhen Sie die Bandgeschwindigkeit auf 20 Zentimeter pro Sekunde.
Wenn die Ratte normal mit der gewünschten Geschwindigkeit zu laufen beginnt, klicken Sie auf das Aufnahmesymbol, um die Videoaufnahme zu starten. Sobald 5 bis 10 aufeinanderfolgende Schritte abgeschlossen sind, stoppen Sie die Aufnahme, indem Sie auf das Aufnahmesymbol klicken. Öffnen Sie die 3DCalculator-App und die zu analysierende Videodatei.
Schneiden Sie das Video zu, indem Sie den horizontalen Schieberegler oben anpassen, um eine ausreichende Anzahl aufeinanderfolgender Schritte zu enthalten. Um die Marker zu erfassen, ziehen Sie die Markerlegenden auf dem Stick-Picture-Modell auf die entsprechende Markierung auf dem aufgenommenen Video und lassen Sie die Schaltfläche los. Klicken Sie auf das Symbol Automatische Ablaufverfolgung.
Wenn das System Marker nicht genau verfolgt oder der Tracking-Prozess aufgrund von Markerverlust anhält, wechseln Sie in den manuellen Modus, indem Sie auf das Symbol Manuell klicken. Klicken Sie auf die fehlende Markerlegende auf dem Stickbild und die entsprechende Markierung auf dem Video. Öffnen Sie die KineAnalyzer-App und laden Sie die Datei.
Gehen Sie zu Ansicht und klicken Sie auf Marker-Master-Menü bearbeiten. Es öffnet sich das Marker-Master-Bearbeitungsfenster. Klicken Sie auf das gewünschte Etikett oder die gewünschte Landmarke auf der Registerkarte "Marker" und dann auf die gewünschte Farbe.
Bei diesem Prozess wird jeder Marker einem bestimmten Orientierungspunkt zugeordnet. Erstellen Sie dann auf der Registerkarte "Link" Linien, die jedem Glied entsprechen, indem Sie nacheinander auf zwei Markierungen klicken. Weisen Sie den erstellten Linien Farben zu, indem Sie die gewünschte Farbe in der Spalte Farbe auswählen.
Definieren Sie Winkel auf der Registerkarte "Winkel". Nachdem Sie den Winkel benannt haben, weisen Sie Vektor A als Referenzlinie und Vektor B als bewegliche Linie zu, indem Sie auf die Markierungen klicken, die jeder Landmarke entsprechen. Definieren Sie dann die Richtung des Winkels mit einem Wert im Abschnitt "Oper" auf derselben Registerkarte.
Definieren Sie anschließend auf der Registerkarte "Entfernung" den Entfernungsparameter. Wählen Sie im Abschnitt "Entfernungseinstellung" zwei entsprechende Markierungen aus. Jeweils sechs Tiere wurden nach dem Zufallsprinzip entweder der Entladegruppe zugeordnet, bei der die Hinterbeine des Tieres zwei Wochen lang am Schwanz entladen wurden, oder der Kontrollgruppe, in der die Tiere frei gelassen wurden.
Die normalisierten Gelenktrajektorien für Knie und Knöchel während der Standphase zeigten, dass die unbelastete Gruppe weitere Extensions im Knie und Knöchel aufwies als die Kontrollgruppe. Zwei Wochen nach dem Entladen waren quantitative Maße wie Kniewinkel in der Mitte und Knöchelwinkel der unbelasteten Gruppe signifikant größer als die der Kontrollgruppe. Auch der Metatarso-Hüftabstand, der praktisch der Höhe des Hüftgelenks in der Mitte entspricht, war in der unbelasteten Gruppe deutlich höher.
Diese Methode gab den Forschern die Grundlagen für die Bestimmung von Gelenkbewegungsparametern. Auf diese Weise können sie spezifische Rahmenbedingungen für ihre eigenen Forschungsfragen einrichten.
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Übersicht
Diese Studie beschreibt ein Protokoll zur dreidimensionalen Bewegungsverfolgung, um Gangveränderungen bei Ratten nach einem simulierten Nichtbenutzungs-Zustand zu analysieren. Das Protokoll ermöglicht eine umfassende Analyse der Gelenkbewegungen und liefert klare Parameterdefinitionen, die in verschiedenen Forschungsbereichen anwendbar sind. Insbesondere wird der Einfluss der Hinterbeinentlastung auf die Bewegungen von Knie und Sprunggelenk während der Fortbewegung untersucht.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Verhaltensanalyse
- Biomechanik
Hintergrund
- Die Analyse der Gelenkbewegung wird häufig durch schlecht definierte Parameter erschwert.
- Das Verständnis der Gangstörungen nach Entlastung kann Aufschluss über die Auswirkungen von Nichtbenutzung geben.
- Nutzt eine kontrollierte Umgebung, um die Effekte der Nichtbenutzung auf die Fortbewegung von Ratten zu simulieren.
- Verwendet fortschrittliche Bewegungsanalyse-Software für präzise Bewertungen.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines Protokolls zur Verfolgung der Gelenkbewegung im dreidimensionalen Raum.
- Beurteilung der Auswirkungen einer Hinterbeinentlastung auf die Gangmechanik.
- Bereitstellung standardisierter Parameterdefinitionen für eine breite Anwendbarkeit.
Verwendete Methoden
- Die Hauptplattform für die Bewegungsverfolgung umfasst einen Laufbandaufbau in Kombination mit der MotionRecorder-App.
- Das biologische Modell besteht aus Ratten, die zwei Wochen lang einer Hinterbeinentlastung unterzogen wurden, verglichen mit einer Kontrollgruppe.
- Es wurden keine Multiomik-Workflows erwähnt; der Fokus liegt auf der biomechanischen Analyse.
- Zu den wichtigsten Schritten gehören die Videoaufnahme der Lokomotion, die Markerverfolgung und die Datenanalyse mittels KineAnalyzer.
- Die Normalisierung der Gelenkbahnen liefert Erkenntnisse über die Auswirkungen der Entlastung auf die Gelenkwinkel.
Hauptergebnisse
- Die Ergebnisse zeigen, dass die entlastete Gruppe während der Standphase eine größere Dehnbarkeit der Knie- und Sprunggelenkwinkel aufwies.
- Quantitative Messungen zeigten signifikante Zunahmen der Knie- und Sprunggelenkwinkel im Vergleich zu Kontrollpersonen.
- Der Metatarso-Hüft-Abstand nahm in der entlasteten Gruppe signifikant zu, was auf veränderte Biomechanik aufgrund von Nichtbenutzung hinweist.
- Diese Methode ermöglicht die präzise Bestimmung von Gelenkbewegungsparametern für verwandte Forschungsfragen.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie demonstriert einen robusten Ansatz zur quantitativen Analyse der Gelenkbewegung als Reaktion auf Bewegungsmangel.
- Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf das Verständnis biomechanischer Anpassungen und Defizite nach Immobilisierung.
- Die Methode dient als Grundlage für weitere Untersuchungen zu Gangbildveränderungen und Rehabilitationsstrategien.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die quantitative 3D-Ganganalyse an Nagetiermodellen ermöglicht eine objektive Beurteilung neuromuskulärer und biomechanischer Veränderungen, die durch Inaktivität hervorgerufen werden, und unterstützt so die frühe Entdeckung und translationsmedizinische Forschung. Dieser Ansatz liefert standardisierte, reproduzierbare Parameter zur Gelenkbewegung, die für die mechanistische Risikominimierung und eine vorhersagbare Zuverlässigkeit bei der Auswahl präklinischer Modelle entscheidend sind. Die Methode verbessert die Entscheidungsfindung im Forschungsportfolio, indem sie die Auswirkungen von Bewegungsmangel auf die motorische Funktion verdeutlicht und die risikoadjustierte Weiterentwicklung therapeutischer Hypothesen für neuromuskuläre Erkrankungen unterstützt.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die quantitative Untersuchung der neuromuskulären Funktion nach Inaktivität in krankheitsrelevanten Nagetiermodellen.
- Unterstützt die mechanistische Entwicklungsrisikominderung, indem objektive Parameter der Gelenkbewegung für die Zielstrukturvalidierung bereitgestellt werden.
- Erleichtert die Vorhersagegenauigkeit bei der Verknüpfung neuronaler oder muskuloskelettaler Zielstrukturen mit funktionellen Ergebnissen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Etabliert validierte, reproduzierbare Gangparameter für die nachgeschaltete Untersuchung von potenziellen Interventionen.
- Standardisiert die Ergebnisse der Bewegungsanalyse und unterstützt die Entwicklung von Assays sowie den Vergleich zwischen Studien.
- Ermöglicht die Gewinnung mehrerer quantitativer Parameter aus einem einzigen Datensatz und erhöht dadurch die Vielseitigkeit des Assays.
Translationale und präklinische Forschung
- Verknüpft präklinische Gangparameter mit translationsrelevanten Endpunkten für neuromuskuläre und rehabilitative Forschung.
- Ermöglicht Kontinuität von der frühen Entdeckung bis zur präklinischen Validierung durch objektive, quantitative Messgrößen.
- Bietet eine Grundlage für risikoadjustierte Entscheidungen zum Fortschreiten basierend auf der Übereinstimmung funktioneller Biomarker.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese 3D-Bewegungsanalysemethode integriert sich in den Übergang von der Entdeckung zur präklinischen Forschung, indem sie Hypothesentests, die Standardisierung von Assays und die Abstimmung translationaler Endpunkte ermöglicht.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung bezüglich neuromuskulärer Veränderungen durch Nichtgebrauch und die Aufklärung beteiligter Signalwege.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Gangbild-Metriken zur Bewertung von Wirkstoffen oder Interventionen.
- Analytik: Ermöglicht die Messung von Gelenkwinkeln und Distanzen für robuste statistische Vergleiche zwischen experimentellen Gruppen.
- Translationale Forschung: Verbindet präklinische Erkenntnisse mit klinischen Gangparametern in der neuromuskulären Forschung.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet einen wiederverwendbaren, standardisierten Workflow für vielfältige Ganganalysen an Nagetieren über verschiedene therapeutische Bereiche hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei der Validierung neuromuskulärer Zielstrukturen.
- Operationaler Wert: Verbessert Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit von Ganganalyse-Arbeitsabläufen.
- Strategischer Wert: Verbessert Go/No-Go-Entscheidungen und Kapitalnutzungseffizienz durch objektive funktionelle Endpunkte.
- Portfolio-Implikation: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung therapeutischer Programme, die auf Inaktivität oder neuromuskuläre Dysfunktionen abzielen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Bewegungsaufnahme, der Platzierung von Markern und der Bedienung von Software zur 3D-Rekonstruktion.
- Setzt den Zugang zu Mehrkamerasystemen für die Videoaufnahme und speziellen Analyseanwendungen voraus.
- Erfordert eine standardisierte Definition von Parametern und Datenverarbeitungsabläufen über mehrere Arbeitsgruppen hinweg.
- Die Übertragung auf andere Nagetiermodelle oder Krankheitskontexte kann eine Optimierung des Protokolls notwendig machen.
- Manuelle Eingriffe können erforderlich sein, falls die automatische Marker-Verfolgung fehlschlägt, was die Durchsatzleistung beeinträchtigen kann.
