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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Qui descriviamo il sistema RatWalker, costruito riprogettando l'apparato MouseWalker per adattarsi alle maggiori dimensioni e peso dei ratti. Questo sistema utilizza la riflessione interna totale frustrata (FTIR), l'acquisizione video ad alta velocità e il software di analisi ad accesso aperto per tracciare e quantificare i parametri dell'andatura.
La malattia di Parkinson (PD) è una malattia neurodegenerativa progressiva causata dalla perdita di neuroni dopaminergici (DA) nella pars compacta substantia nigra. Le anomalie dell'andatura, tra cui la diminuzione dell'oscillazione del braccio, la velocità di camminata più lenta e i passi più brevi sono comuni nei pazienti con PD e compaiono precocemente nel corso della malattia. Pertanto, la quantificazione dei pattern motori in modelli animali di PD sarà importante per la caratterizzazione fenotipica durante il decorso della malattia e dopo il trattamento terapeutico. La maggior parte dei casi di PD sono idiopatici; tuttavia, l'identificazione di forme ereditarie di PD ha scoperto mutazioni e varianti genetiche, come mutazioni con perdita di funzione in Pink1 e Parkin, due proteine coinvolte nel controllo della qualità mitocondriale che potrebbero essere sfruttate per creare modelli animali. Mentre i topi sono resistenti alla neurodegenerazione dopo la perdita di Pink1 e Parkin (delezione singola e combinata), nei ratti, Pink1 ma non la carenza di Parkin porta alla perdita del neurone DA nigrale e alla compromissione motoria. Qui, riportiamo l'utilità dell'imaging FTIR per scoprire i cambiamenti dell'andatura in ratti maschi giovani (2 mesi di età) che camminano liberamente con perdita combinata di Pink1 e Parkin prima dello sviluppo di una grossolana anomalia motoria visivamente apparente quando questi ratti invecchiano (osservati a 4-6 mesi), caratterizzati da trascinamento degli arti posteriori come precedentemente riportato nei ratti knockout (KO) Pink1.
La PD, la più comune malattia neurodegenerativa del movimento legata all'età, è causata dalla perdita di neuroni DA nella substantia nigra pars compacta. Questa perdita di neuroni DA nigrali e gli input di DA nello striato portano alle compromissioni osservate della funzione motoria osservate nei pazienti con PD 1,2. Le caratteristiche motorie che definiscono i pazienti con PD, note collettivamente come parkinsonismo, includono rigidità, tremore a riposo, bradicinesia, instabilità posturale e micrografia3. Inoltre, i disturbi dell'andatura, che sono comuni nei pazienti con PD, compaiono precocemente nel corso della malattia 1,4,5. Mentre alcuni stili di vita sono suggeriti per aiutare a rallentare la progressione del PD, come un'alimentazione sana e un regolare esercizio fisico, attualmente non esiste una cura per il PD, solo farmaci per gestire i sintomi. Ciò lascia spazio alla necessità di ulteriori indagini nella speranza di migliorare le terapie. Pertanto, la caratterizzazione del modello di andatura nei modelli animali di PD è uno strumento cruciale per caratterizzare la rilevanza del modello e il modo in cui i trattamenti terapeutici volti a controllare il PD stanno prevenendo o migliorando le menomazioni motorie.
Ci sono vari modelli animali PD che sono stati utilizzati per testare trattamenti terapeutici, tuttavia ognuno ha i suoi limiti. Ad esempio, modelli animali trattati con la neurotossina 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina (MPTP) hanno prodotto una grande quantità di informazioni sui processi importanti per la perdita dei neuroni DA nigrale e i successivi adattamenti striatali, e hanno indicato il ruolo dei mitocondri nella patogenesi della PD; tuttavia, il background patogenetico del modello MPTP è di natura tossica piuttosto che un processo neurodegenerativo come nel PD 6umano. Ulteriori modelli chimicamente inducibili includono 6-idrossidopamina (6-OHDA) e rotenone. 6-OHDA è stato il primo agente utilizzato per indurre PD mediante accumulo selettivo del farmaco nei neuroni DA, che alla fine uccide i neuroni e porta a sintomi simili a PD. Questo modello è stato utilizzato per la prima volta per il monitoraggio della deplezione di DA esaminando il comportamento in risposta all'anfetamina e all'apomorfina7. Questo metodo di induzione del PD si è dimostrato utile per lo screening di agenti farmacologici che hanno un impatto su DA e sui suoi recettori8. Mentre il modello 6-OHDA è un ottimo modello per tracciare i deficit motori quantificabili, questo modello non mostra come la graduale perdita di neuroni e la formazione di corpi di Lewy influiscano sull'animale. L'altro metodo di induzione, il rotenone, ha dimostrato di avere una progressiva degenerazione dei neuroni nigrostriatali con la perdita di tirosina idrossilasi e trasportatore DA, consentendo un modello migliore per tracciare la perdita di neuroni nel tempo9. I ratti trattati con rotenone hanno mostrato bradicinesia, instabilità posturale e andatura instabile10. Tuttavia, questo metodo è risultato essere ampiamente variabile tra diversi ceppi di ratti, il che ha provocato dubbi sul fatto che il rotenone sia o meno un modello PD affidabile11,12,13. Mentre l'analisi dell'andatura ha dimostrato di essere influenzata dall'induzione del PD nei ratti, fino ad oggi, i modelli di ratto PD geneticamente indotti non sono stati prontamente utilizzati per l'analisi dell'andatura camminando liberamente lungo una pista.
Un modo per analizzare la compromissione motoria nei roditori che camminano liberamente è l'analisi cinematica dell'andatura, che può essere eseguita utilizzando l'imaging FTIR. Questo metodo consolidato utilizza un sensore tattile ottico basato su FTIR, che registra e traccia le impronte dei roditori mentre si muovono lungo la pista14,15,16. Rispetto ad altri metodi, FTIR non dipende da alcun marcatore sul corpo dell'animale che potrebbe interferire con le impronte delle zampe. La generazione dei dati video produce impronte digitali di zampe di tutti e quattro gli arti che possono essere combinate per creare un modello di camminata dinamico e riproducibile per vari modelli di roditori. Il principio dell'analisi dell'andatura basata sull'imaging è quello di prendere ogni singola zampa e misurare l'area di contatto nel tempo mentre il roditore cammina lungo la pista. Ogni posizione è rappresentata da un aumento dell'area della zampa (nella fase di frenata) e una diminuzione dell'area della zampa (nella fase di propulsione). Questo è proceduto dalla fase di oscillazione, che è quando non viene rilevato alcun segnale di zampa. Dopo la valutazione del video, vengono generati diversi parametri che possono essere utilizzati per confrontare il modello wild-type (WT) rispetto al modello PD. Alcuni esempi di parametri sono la lunghezza del passo (distanza che la zampa copre in un passo), la durata dell'oscillazione (durata del tempo in cui la zampa non è in contatto con la pista), la velocità di oscillazione (lunghezza del passo in funzione della durata dell'oscillazione) e il modello di passo (passi diagonali, gradini laterali o gradini della cintura).
Per dimostrare l'utilità della FTIR per scoprire i primi cambiamenti del modello di andatura nei ratti, abbiamo usato un modello genetico di ratto di PD. Mentre la maggior parte dei casi di PD sono idiopatici; l'identificazione di forme ereditarie di mutazioni e varianti genetiche scoperte per il PD, come le mutazioni con perdita di funzione in Pink1 e Parkin, due proteine coinvolte nel controllo della qualità mitocondriale17, che potrebbero essere sfruttate per creare modelli animali18. Sfortunatamente, i topi sono resistenti alla neurodegenerazione per perdita di queste proteine (singole e combinate)19,20,21. Nei ratti, il Pink1 ma non il deficit di Parkin porta alla perdita del neurone DA nigrale e a menomazioni motorie22, ma senza penetranza completa. Pertanto, abbiamo generato un modello combinato di ratto Pink1 / Parkin double knockout (DKO), che mostra il fenotipo di trascinamento degli arti posteriori visivamente evidente riportato nei ratti maschi Pink1 KO22, ma ora a un tasso più elevato: 100% contro 30-50% dei maschi tra 4-6 mesi.
Mentre questo metodo funziona bene per analizzare i deficit motori nei topi14, le specifiche del sistema di andatura di imaging FTIR per adattarsi alle dimensioni e al peso dei ratti non erano precedentemente disponibili non commerciali. Qui spieghiamo come costruire il RatWalker, un sistema di imaging dell'andatura FTIR modificato modellato sul MouseWalker14, tranne adattato per le dimensioni e il peso dei ratti. Questo sistema utilizza un effetto ottico, FTIR, per fornire un metodo per visualizzare e successivamente registrare le impronte degli animali per l'analisi. Il contatto del piede di un animale con la guida d'onda ottica (piattaforma) provoca interruzioni nel percorso della luce con conseguente effetto di dispersione visibile, che viene catturato utilizzando videografia domestica ad alta velocità ed elaborazione utilizzando software open source. Questo studio dimostra il potere dell'imaging FTIR nello studio dei cambiamenti dell'andatura nei modelli genetici di ratto di PD. Ad esempio, mentre i cambiamenti motori palesi visivamente evidenti (cioè il trascinamento degli arti posteriori) sono osservati nei ratti DKO maschi al più presto a 4 mesi, utilizzando FTIR siamo in grado di scoprire anomalie del gate nei ratti DKO maschi a 2 mesi di età.
Tutti gli studi sugli animali sono stati approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC) dell'Università del Nebraska Medical Center.
1. Apparato di deambulazione
NOTA: Modellato dal MouseWalker14, il RatWalker è stato progettato con dimensioni proporzionali alla differenza di lunghezza del passo tra ratti e topi. È costituito da una retroilluminazione laterale, un involucro per passerella, una passerella ottica a guida d'onda, uno specchio e una telecamera (Figura S1). Strisce LED, orientate in posizione sfalsata, sono state utilizzate su ciascun lato della passerella e guide d'onda di retroilluminazione per accogliere il materiale extra. I materiali necessari per costruire l'apparato di andatura modificato possono essere trovati nella Tabella S1.
2. Configurazione dell'attrezzatura
3. Acclimatazione degli animali
NOTA: Una settimana prima del primo esperimento, eseguire gli animali attraverso l'apparato di andatura modificato.
4. Procedura di andatura
5. Pre-elaborazione video
NOTA: I video catturati dalla fotocamera ad alta velocità sono renderizzati in formato mp4 a 120 fps e una risoluzione di 1080p. Per alleggerire il carico sul software analitico a valle, prima taglia le riprese non necessarie e rimuovi l'audio da ogni video usando il software LosslessCut (versione 3.23.7, https://github.com/mifi/lossless-cut), quindi converti il flusso video mp4 in una sequenza di immagini png usando il software open source FFmpeg (versione 4.2, http://ffmpeg.org/). Nota: altri formati Lossless come tiff possono essere utilizzati al posto di png.
6. Elaborazione dell'andatura
NOTA: i dati dell'andatura vengono elaborati e quantificati utilizzando il software disponibile gratuitamente, MouseWalker (http://biooptics.markalab.org/MouseWalker/)14.
7. Analisi dei dati
Manutenzione delle colonie di ratti
La generazione e la caratterizzazione dei ratti Pink1 e Parkin single KO sono state descritte in precedenza22. I ratti KO singoli Pink1 e Parkin sono stati ottenuti da SAGE Labs (e ora disponibili da Envigo). I ratti DKO sono stati generati incrociando ratti Pink1-/- con ratti Parkin-/- per ottenere ratti Pink1+/-/Parkin+/-, che sono stati incrociati per ottenere ratti Pink1-/-/Parkin-/- (sarà disponibile da Envigo). Per confermare la delezione di 26 bp in Park6 (gene che codifica per Pink1), la genotipizzazione è stata eseguita utilizzando primer 5'-CCCTGGCTGACTATCCTGAC-3' in avanti e 5'-CCACCACCCACTACCACTTACT-3' reverse primer. La delezione di 5 bp in Park2 (gene che codifica per Parkin) è stata testata dopo che il DNA è stato amplificato utilizzando un 5'-GGTGTGTCTTGGCTCAGTGTGA-3' e un 5'-GCCACCCAGAATAGCATCTC-3' inverso. I campioni di reazione a catena della polimerasi amplificata (PCR) sono stati inviati ad ACGT Inc (Wheeling, IL) per il sequenziamento (Figura S7). Tutti i ratti sono stati tenuti sullo sfondo Long Evans Hooded (LEH). I ratti DKO erano vitali e fertili; tuttavia, c'era un alto tasso di mortalità tra le dighe DKO al momento del parto (circa il 30%). Solo i ratti maschi sono stati utilizzati in questi esperimenti. I ratti sono stati tenuti in un ambiente a temperatura controllata con un ciclo luce/buio di 12 ore e libero accesso al ratto chow e all'acqua.
Risultati
Per servire come esempio dell'utilità del sistema di analisi dell'andatura FTIR per i ratti, adattato da14, abbiamo eseguito l'analisi dell'andatura su ratti maschi WT e Pink1 / Parkin DKO a 2 mesi di età per determinare se l'uso dell'analisi cinematica dell'andatura potesse scoprire sottili menomazioni motorie non osservate con la percezione visiva umana prima della comparsa di problemi motori grossolani a partire dai 4 mesi di età.
Analogamente ai precedenti studi sull'andatura nei topi14, il sistema FTIR adattato è stato in grado di visualizzare il modello di impronta creato dal ratto che cammina e il percorso creato dal centro del corpo (Figura 1A). Nonostante l'aumento del peso dei ratti DKO rispetto al WT (Figura 1B), la pressione del piede applicata alla superficie di calpestio (visualizzata come mappe di calore) determinata dalle intensità del segnale FTIR, è rimasta inalterata (Figura 1C). Dopo aver valutato diversi parametri dell'andatura in funzione della velocità di camminata (Figura 1D-H), abbiamo osservato che la velocità di camminata e le lunghezze dei passi erano simili tra i ratti WT e DKO (Figura 1D). Tuttavia, la variazione tra ratti WT e DKO è diventata evidente nella fase di posizione e nella durata dell'oscillazione a velocità di camminata più lente (Figura 1E, F). La frazione del ciclo di passi in cui la gamba è nella fase di posizione (durata / periodo di posizione) è il fattore di servizio, e questo parametro evidenzia più tempo trascorso nella fase di oscillazione che nella fase di posizione al diminuire del fattore di lavoro, tipico della corsa (Figura 1G). Ancora una volta, le differenze sono evidenziate a velocità inferiori. Inoltre, mentre le velocità di oscillazione aumentano con l'aumentare della velocità negli animali WT, la correlazione è smussata nei ratti DKO (Figura 1H).
L'analisi dell'andatura FTIR ha anche permesso di tracciare tracce di fase di posizione di ciascuna gamba rispetto al corpo in ratti che camminano liberamente (Figura 2A, B). Le tracce di posizione sono normalizzate alla lunghezza del corpo e sono definite come la posizione del piede rispetto al centro del corpo dal touchdown della zampa (posizione estrema anteriore, AEP) alla fine della fase di posizione (posizione estrema posteriore, PEP). Confrontando il posizionamento della zampa, abbiamo osservato cambiamenti significativi in AEP (arto posteriore sinistro) e PEP (arto posteriore destro) suggerendo che l'arto posteriore sinistro è più vicino al corpo durante il touchdown della zampa (AEP), mentre l'arto posteriore destro è più lontano dal corpo durante il decollo della zampa (PEP) in DKO rispetto ai ratti WT (Figura 2C).
Diversi parametri aggiuntivi sono stati significativamente modificati nei ratti DKO rispetto a WT. In particolare, sono stati scoperti cambiamenti nei modelli di oscillazione degli arti posteriori. La velocità di oscillazione di entrambi gli arti posteriori sinistro e destro è aumentata nei ratti DKO rispetto ai ratti WT (Figura 3A), mentre la durata di oscillazione di entrambi gli arti posteriori sinistro e destro è diminuita (Figura 3B). Da notare che la lunghezza del passo è rimasta inalterata (Figura 4).

Figura 1. Analisi del modello di impronta e dei parametri di passaggio. Modelli di impronta rappresentativi per (A) WT e (B) ratti DKO che mostrano (pannello superiore) mappa termica dell'impronta che rappresenta l'intensità dei pixel e linea orizzontale che rappresenta il percorso del corpo e (pannello inferiore) singoli piedi etichettati con colori diversi: anteriore sinistro (LF, giallo), posteriore sinistro (LH, blu), anteriore destro (RF, arancione) e posteriore destro (RH, verde). (C) Velocità media di camminata per ogni ratto WT (n = 7) e DKO (n = 8). Media con SEM. Non significativo. (D-H) Parametri di passo in funzione della velocità nei ratti WT (n = 7) e DKO (n = 8). Linee di regressione lineare e valori R quadrati inclusi. (D) La lunghezza del passo aumenta con la velocità nei ratti WT e DKO. (E) La durata dell'oscillazione è inversamente proporzionale alla velocità nei ratti WT, ma non nei ratti DKO (non sono significativi). (F) La durata della posizione diminuisce con la velocità nei ratti WT e DKO. (G) Il fattore di dovere è inversamente proporzionale alla velocità nei ratti DKO, ma non nei ratti WT (non sono significativi). (H) La velocità di oscillazione aumenta linearmente con la velocità nei ratti WT, ma non nei ratti DKO (non sono significativi). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2. Analisi delle tracce di posizione e del posizionamento delle zampe. (A) Analisi rappresentativa del percorso di camminata per un ratto WT (prima e dopo la correzione dello sfondo) visualizzata con naso (solido rosso), contorno della testa (tratteggiato blu), contorno della coda (verde tratteggiato), centro del corpo (tratteggiato bianco) e impronte (cerchi: verde, RF e azzurro, LH). (B) Grafici rappresentativi di tracce di posizione per ratti WT e DKO che camminano liberamente. (C) Viene mostrato il posizionamento delle zampe nei ratti WT (n = 7) e DKO (n = 8). AEP, posizione estrema anteriore; PEP, posizione estrema posteriore; L, sinistra; R, a destra; F, zampa anteriore; H, zampa posteriore. Media con SEM. Significativo rispetto a WT (p < 0,05*, 0,001***) utilizzando ANOVA bidirezionale e il test di confronto multiplo di Sidak. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3. I parametri di oscillazione della zampa posteriore sono stati alterati nei ratti DKO. Misurazioni della zampa anteriore e posteriore della velocità (A) alla quale le zampe si muovono e del tempo (B) le zampe sono in volo nei ratti WT (n = 7) e DKO (n = 8). L, sinistra; R, a destra; F, zampa anteriore; H, zampa posteriore. Media con SEM. Significativo rispetto a WT (p < 0,01**) utilizzando il test t a due code spaiato di Student con correzione di Welch. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4. Lunghezza del passo inalterata nei ratti DKO. Misurazioni della zampa anteriore e posteriore della lunghezza del passo nei ratti WT (n = 7) e DKO (n = 8). L, sinistra; R, a destra; F, zampa anteriore; H, zampa posteriore. Media con SEM. Significativo rispetto a WT (non significativo) usando il test t a due code spaiato di Student con correzione di Welch. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura supplementare. Clicca qui per scaricare questo file.
Tabella supplementare. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Gli autori non dichiarano interessi finanziari concorrenti.
Qui descriviamo il sistema RatWalker, costruito riprogettando l'apparato MouseWalker per adattarsi alle maggiori dimensioni e peso dei ratti. Questo sistema utilizza la riflessione interna totale frustrata (FTIR), l'acquisizione video ad alta velocità e il software di analisi ad accesso aperto per tracciare e quantificare i parametri dell'andatura.
KS e HF ringraziano la Michael J Fox Foundation for Parkinson's Research per il sostegno al loro lavoro sulla malattia di Parkinson.
| 1,5" Angolo in alluminio (1/8" - 6063) | Dimensioni: 8' Qtà: 8 | ||
| 1" Tubo quadrato in alluminio (1/16" - 6063) | Dimensioni: 8' Quantità: 4 | ||
| di | alluminio calibro 32 | : 10' Quantità: 1 | |
| 1" Tubo in alluminio (1/8" - 6063) | Dimensioni: 8' Qtà: 1 | ||
| 7/32" Dimensioni del foglio | acrilico trasparente | : 4'x8' Qtà: 2 | |
| 1/8" Lastra acrilica bianca 55% (2447) | Dimensioni: 4'x8' Qtà: 1 | ||
| Mirror | |||
| 7/32" Specchio | di vetro | Dimensioni: 60 "x12" < > Quantità: 1 | |
| 5050 Luce a nastro LED (verde) | Dimensioni: 16,4' Quantità: 1 | ||
| 5050 LED Tape Light (rosso) | Dimensioni: 16,4' Quantità: 1 | ||
| Camera | |||
| GoPro Hero 6 Black | Qtà: 1 | ||
| Dimensioni del treppiede | : 57" Qtà: 1 |