Application du système RatWalker pour l’analyse de la marche dans un modèle génétique de la maladie de Parkinson chez le rat
18 janvier 2021
Nous décrivons ici le système RatWalker, construit en redessinant l’appareil MouseWalker pour s’adapter à l’augmentation de la taille et du poids des rats. Ce système utilise la réflexion interne totale frustrée (FTIR), la capture vidéo à grande vitesse et un logiciel d’analyse en libre accès pour suivre et quantifier les paramètres de marche.
Cette méthode permet de quantifier de manière reproductible les différences de paramètres de marche. Les paramètres de la démarche peuvent être évalués chez les rongeurs qui marchent librement, et la technique ne repose pas sur des étapes invasives telles que tremper les pieds avec de l’encre. La démonstration de la procédure sera Ben Lamberty.
Commencez par placer une cage à la fin de la passerelle avant le début de chaque course, pour servir de signal positif au rat pour traverser la passerelle. Éteignez les lumières de la pièce. Allumez la caméra et commencez à enregistrer plusieurs secondes avant que le rat ne soit placé sur la plate-forme.
Une fois l’enceinte installée, placez le rat au bout de la passerelle, en face de la cage de la maison, et laissez-le traverser la passerelle de manière non forcée. Arrêtez l’enregistrement une fois que l’animal atteint le terminus de la passerelle. Nettoyez la passerelle avec de l’éthanol à 70 % et une serviette non abrasive entre les courses et après qu’un animal urine ou défèque.
Ensuite, laissez l’éthanol s’évaporer avant d’introduire un autre animal. Faites passer les rats à travers la passerelle un total de sept fois au cours de chaque période d’observation, en prenant les trois premiers passages qui marquent comme passage pour analyse. Marquez une course comme passant si l’animal fait quatre pas consécutifs ou plus en direction de la cage familiale sans interruption en raison du toilettage, de la pause ou des mouvements errants.
Une analyse de la démarche a été effectuée sur des rats mâles de type sauvage et Parkin DKO à l’âge de deux mois afin de déterminer si l’utilisation de l’analyse cinématique de la marche pouvait révéler des déficiences motrices subtiles avant l’apparition de problèmes de motricité globale. Malgré l’augmentation du poids des rats DKO, la pression du pied appliquée à la surface de marche n’a pas changé. Après évaluation de plusieurs paramètres de démarche en fonction de la vitesse de marche, la vitesse de marche et la longueur des pas se sont avérées similaires entre les rats de type sauvage et les rats DKO.
La variation entre les rats de type sauvage et les rats DKO est devenue apparente dans la phase de posture et la durée de balancement à des vitesses de marche plus lentes. La fraction du cycle de pas où la jambe est dans la phase de posture était le facteur de service. Plus de temps a été consacré à la phase de basculement qu’à la phase de position, car le facteur de service a diminué.
De plus, alors que les vitesses de balancement augmentaient avec l’augmentation de la vitesse chez les animaux de type sauvage, la corrélation était émoussée chez les rats DKO. L’analyse de la démarche FTIR a également été utilisée pour créer des tracés de traces de phase de position de chaque patte par rapport au corps chez des rats marchant librement. En comparant le positionnement de la patte, des changements significatifs dans l’AEP et la PPE ont été observés.
Plusieurs paramètres supplémentaires ont été significativement modifiés chez les rats DKO par rapport aux rats de type sauvage. La vitesse de balancement des membres postérieurs gauche et droit a été augmentée chez les rats DKO, tandis que la durée de balancement des membres postérieurs gauche et droit a été réduite. Une configuration cohérente de l’équipement, y compris la position de la caméra par rapport à RatWalker, est importante pour la mise en œuvre réussie de ce protocole.
Après avoir exécuté ce protocole, les animaux sont disponibles pour tout comportement supplémentaire ou critère expérimental nécessaire. Par exemple, les changements de démarche peuvent être corrélés avec des altérations histologiques. Cette technique peut être utilisée pour évaluer la démarche dans d’autres modèles de rongeurs non atteints de la MP, tels que les modèles d’anxiété et de dépression.
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Aperçu
Cette étude présente le système RatWalker, conçu pour analyser la démarche chez les rats en marche libre en utilisant la réflexion interne totale frustrée (FTIR) et la capture vidéo haute vitesse. Il permet une quantification précise des paramètres de la démarche, fournissant des informations sur les déficiences motrices, en particulier chez les rats Parkin DKO génétiquement modifiés.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neuroscience
- Analyse comportementale
- Évaluation de la démarche
Contexte
- L'analyse de la démarche chez les rongeurs repose couramment sur des méthodes invasives.
- Des études antérieures ont montré le besoin de techniques non invasives améliorées pour évaluer la fonction motrice.
- Le RatWalker est une modification du système MouseWalker pour s'adapter aux rongeurs plus grands.
- Ce système peut aider à identifier des déficits moteurs subtils avant l'apparition de symptômes évidents.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode non invasive pour l'analyse de la démarche chez les rats.
- Investiguer les différences de démarche chez les rats de type sauvage par rapport aux rats Parkin DKO.
- Établir un protocole fiable pour le suivi des paramètres de la démarche sur plusieurs essais.
Méthodes utilisées
- Le système RatWalker a été utilisé pour analyser la démarche des rats en marche libre.
- Des rats mâles de type sauvage et Parkin DKO à deux mois d'âge ont été les modèles biologiques.
- Aucune méthode multiomique n'a été mentionnée dans l'étude.
- Les rats ont traversé la passerelle un total de sept fois, avec un score basé sur les pas consécutifs.
- Les paramètres de la démarche ont été quantifiés en utilisant la FTIR et l'analyse vidéo.
Résultats principaux
- L'analyse de la démarche a révélé des différences significatives dans la phase d'appui et la durée de balancier des rats DKO à des vitesses plus lentes.
- Malgré des vitesses de marche similaires, les rats DKO présentaient des paramètres temporels de démarche modifiés par rapport aux rats de type sauvage.
- Des changements importants dans le positionnement des pattes et les vitesses de balancier ont été observés chez les rats DKO.
- L'étude souligne l'importance de la cohérence de l'équipement pour obtenir des résultats fiables.
Conclusions
- Le système RatWalker permet une analyse de la démarche non invasive avec un potentiel d'applications plus larges dans divers modèles de rongeurs.
- Les résultats contribuent à la compréhension des dysfonctionnements moteurs dans les modèles génétiques de maladie.
- Les implications s'étendent à l'investigation des perturbations de la démarche liées à différentes conditions neurologiques.
Questions fréquemment posées
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.
