Aplicación del sistema RatWalker para el análisis de la marcha en un modelo genético de ratas de la enfermedad de Parkinson
18 de enero de 2021
Aquí describimos el sistema RatWalker, construido mediante el rediseño del aparato MouseWalker para adaptarse al aumento de tamaño y peso de las ratas. Este sistema utiliza reflexión interna total frustrada (FTIR), captura de video de alta velocidad y software de análisis de acceso abierto para rastrear y cuantificar los parámetros de la marcha.
Este método permite cuantificar de forma reproducible las diferencias en los parámetros de la marcha. Los parámetros de la marcha se pueden evaluar en roedores que caminan libremente, y la técnica no se basa en pasos invasivos como sumergir los pies con tinta. Demostrando el procedimiento estará Ben Lamberty.
Comience colocando una jaula casera al final de la pasarela antes del inicio de cada carrera, para que sirva como una señal positiva para que la rata atraviese la pasarela. Apague las luces de la habitación. Encienda la cámara y comience a grabar varios segundos antes de que la rata se coloque en la plataforma.
Con el recinto instalado, coloque la rata al final de la pasarela, frente a la jaula de la casa, y permita que camine por la pasarela de manera no forzada. Deje de grabar una vez que el animal llegue al término de la pasarela. Limpie la pasarela con etanol al 70% y una toalla no abrasiva entre carreras y después de que un animal orine o defeque.
Luego, deje que el etanol se evapore antes de introducir otro animal. Pase a las ratas por la pasarela un total de siete veces durante cada período de observación, tomando las primeras tres carreras que puntúan como pasantes para el análisis. Marque una carrera como pasada si el animal da cuatro o más pasos consecutivos en dirección a la jaula de la casa sin interrupción debido al aseo, la pausa o los movimientos errantes.
El análisis de la marcha se realizó en ratas macho de tipo salvaje y Parkin DKO a los dos meses de edad para determinar si el uso del análisis cinemático de la marcha podría descubrir deficiencias motoras sutiles antes de la aparición de problemas motores gruesos. A pesar del aumento de peso de las ratas DKO, la presión del pie aplicada a la superficie de caminata no se alteró. Tras la evaluación de varios parámetros de la marcha en función de la velocidad de marcha, se encontró que la velocidad de marcha y la longitud de los pasos eran similares entre las ratas de tipo salvaje y DKO.
La variación entre ratas de tipo salvaje y DKO se hizo evidente en la fase de postura y la duración del balanceo a velocidades de marcha más lentas. La fracción del ciclo de paso donde la pierna está en la fase de postura fue el factor de trabajo. Se dedicó más tiempo a la fase de oscilación que a la fase de postura, ya que el factor de trabajo disminuyó.
Además, mientras que las velocidades de giro aumentaron con el aumento de la velocidad en animales de tipo salvaje, la correlación se atenuó en ratas DKO. El análisis de la marcha FTIR también se utilizó para crear gráficos de rastros de fase de postura de cada pierna en relación con el cuerpo en ratas que caminaban libremente. Al comparar el posicionamiento de la pata, se observaron cambios significativos en AEP y PEP.
Varios parámetros adicionales se cambiaron significativamente en las ratas DKO en comparación con el tipo salvaje. La velocidad de oscilación de las extremidades traseras izquierda y derecha aumentó en ratas DKO, mientras que la duración de la oscilación de las extremidades traseras izquierda y derecha disminuyó. La configuración consistente del equipo, incluida la posición de la cámara con relación a RatWalker, es importante para la implementación exitosa de este protocolo.
Después de realizar este protocolo, los animales están disponibles para cualquier comportamiento adicional o puntos finales experimentales necesarios. Por ejemplo, los cambios en la marcha pueden correlacionarse con alteraciones histológicas. Esta técnica se puede utilizar para evaluar la marcha en otros modelos de roedores no PD, como los modelos de ansiedad y depresión.
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Visión general
Este estudio presenta el sistema RatWalker, diseñado para analizar la marcha en ratas que caminan libremente utilizando la reflexión interna total frustrada (FTIR) y la captura de video de alta velocidad. Permite una cuantificación precisa de los parámetros de la marcha, proporcionando información sobre los deterioros motores, particularmente en ratas Parkin DKO genéticamente modificadas.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Análisis conductual
- Evaluación de la marcha
Antecedentes
- El análisis de la marcha en roedores comúnmente se basa en métodos invasivos.
- Estudios previos mostraron la necesidad de técnicas no invasivas mejoradas para evaluar la función motora.
- El RatWalker es una modificación del sistema MouseWalker para acomodar roedores más grandes.
- Este sistema puede ayudar a identificar déficits motores sutiles antes de los síntomas obvios.
Propósito del estudio
- Desarrollar un método no invasivo para el análisis de la marcha en ratas.
- Investigar las diferencias de marcha en ratas de tipo salvaje versus ratas Parkin DKO.
- Establecer un protocolo confiable para el seguimiento de los parámetros de la marcha a lo largo de múltiples ensayos.
Métodos utilizados
- El sistema RatWalker se utilizó para analizar la marcha de ratas que caminan libremente.
- Ratas macho de tipo salvaje y Parkin DKO de dos meses de edad fueron los modelos biológicos.
- No se mencionaron flujos de trabajo multiómicos en el estudio.
- Las ratas caminaron a través del pasillo un total de siete veces, con una puntuación basada en pasos consecutivos.
- Los parámetros de la marcha se cuantificaron utilizando FTIR y análisis de video.
Resultados principales
- El análisis de la marcha reveló diferencias significativas en la fase de apoyo y la duración del balanceo de las ratas DKO a velocidades más lentas.
- A pesar de velocidades de caminata similares, las ratas DKO exhibieron parámetros temporales de la marcha alterados en comparación con las ratas de tipo salvaje.
- Se observaron cambios importantes en la posición de las patas y las velocidades de balanceo en las ratas DKO.
- El estudio subraya la importancia de la consistencia del equipo para obtener resultados confiables.
Conclusiones
- El sistema RatWalker permite un análisis de la marcha no invasivo con potencial para aplicaciones más amplias en varios modelos de roedores.
- Los hallazgos contribuyen a la comprensión de la disfunción motora en modelos genéticos de enfermedades.
- Las implicaciones se extienden a la investigación de alteraciones de la marcha relacionadas con diferentes condiciones neurológicas.
Preguntas frecuentes
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.
