Applicazione del sistema RatWalker per l'analisi dell'andatura in un modello genetico di ratto della malattia di Parkinson
18 gennaio 2021
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.
Questo metodo consente di quantificare in modo riproducibile le differenze nei parametri dell'andatura. I parametri dell'andatura possono essere valutati nei roditori che camminano liberamente e la tecnica non si basa su passaggi invasivi come immergere i piedi con l'inchiostro. A dimostrare la procedura sarà Ben Lamberty.
Inizia posizionando una gabbia domestica alla fine della passerella prima dell'inizio di ogni corsa, per servire come spunto positivo per il topo per attraversare la passerella. Spegni le luci della stanza. Accendi la fotocamera e inizia a registrare alcuni secondi prima che il topo venga posizionato sulla piattaforma.
Con il recinto installato, posizionare il topo alla fine della passerella, di fronte alla gabbia domestica, e consentirgli di attraversare la passerella in modo non forzato. Interrompi la registrazione una volta che l'animale raggiunge il capolinea della passerella. Pulire la passerella utilizzando il 70% di etanolo e un asciugamano non abrasivo tra una corsa e l'altra e dopo che un animale urina o defeca.
Quindi, lasciare evaporare l'etanolo prima di introdurre un altro animale. Fai correre i ratti attraverso la passerella per un totale di sette volte durante ogni periodo di osservazione, prendendo le prime tre corse che segnano come passaggio per l'analisi. Segna una corsa come passaggio se l'animale fa quattro o più passi consecutivi in direzione della gabbia domestica senza interruzioni a causa di toelettatura, pause o movimenti erranti.
L'analisi dell'andatura è stata eseguita su ratti maschi wild-type e Parkin DKO a due mesi di età per determinare se l'uso dell'analisi cinematica dell'andatura potesse rivelare sottili menomazioni motorie prima della comparsa di grossolani problemi motori. Nonostante l'aumento di peso dei ratti DKO, la pressione del piede applicata alla superficie di calpestio era inalterata. Dopo la valutazione di diversi parametri dell'andatura in funzione della velocità di camminata, la velocità di camminata e le lunghezze dei passi sono risultate simili tra ratti wild-type e DKO.
La variazione tra ratti wild-type e DKO è diventata evidente nella fase di posizione e nella durata dell'oscillazione a velocità di camminata più lente. La frazione del ciclo di passi in cui la gamba è nella fase di posizione era il fattore di dovere. È stato speso più tempo nella fase di oscillazione che nella fase di posizione poiché il fattore di servizio è diminuito.
Inoltre, mentre le velocità di oscillazione aumentavano con l'aumentare della velocità negli animali selvatici, la correlazione era smussata nei ratti DKO. L'analisi dell'andatura FTIR è stata utilizzata anche per creare grafici di tracce di fase di posizione di ciascuna gamba rispetto al corpo in ratti che camminano liberamente. Dopo aver confrontato il posizionamento della zampa, sono stati osservati cambiamenti significativi in AEP e PEP.
Diversi parametri aggiuntivi sono stati significativamente modificati nei ratti DKO rispetto al wild-type. La velocità di oscillazione di entrambi gli arti posteriori sinistro e destro è aumentata nei ratti DKO, mentre la durata dell'oscillazione di entrambi gli arti posteriori sinistro e destro è diminuita. La configurazione coerente delle apparecchiature, compresa la posizione della telecamera rispetto a RatWalker, è importante per la corretta implementazione di questo protocollo.
Dopo aver eseguito questo protocollo, gli animali sono disponibili per qualsiasi comportamento aggiuntivo o endpoint sperimentale necessari. Ad esempio, i cambiamenti dell'andatura possono essere correlati con alterazioni istologiche. Questa tecnica può essere utilizzata per valutare l'andatura in altri modelli di roditori non PD, come i modelli di ansia e depressione.
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Panoramica
Questo studio presenta il sistema RatWalker, progettato per analizzare l'andatura nei ratti che camminano liberamente utilizzando la riflessione interna totale frustrata (FTIR) e la cattura video ad alta velocità. Permette una quantificazione precisa dei parametri dell'andatura, fornendo informazioni sulle disfunzioni motorie, in particolare nei ratti Parkin DKO geneticamente modificati.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienze
- Analisi comportamentale
- Valutazione dell'andatura
Sfondo
- L'analisi dell'andatura nei roditori si basa comunemente su metodi invasivi.
- Studi precedenti hanno mostrato la necessità di tecniche non invasive migliorate per valutare la funzione motoria.
- Il RatWalker è una modifica del sistema MouseWalker per adattarsi a roditori più grandi.
- Questo sistema può aiutare a identificare deficit motori sottili prima che compaiano sintomi evidenti.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un metodo non invasivo per l'analisi dell'andatura nei ratti.
- Indagare le differenze di andatura tra ratti wild-type e Parkin DKO.
- Stabilire un protocollo affidabile per il monitoraggio dei parametri dell'andatura su più prove.
Metodi utilizzati
- Il sistema RatWalker è stato utilizzato per analizzare l'andatura dei ratti che camminano liberamente.
- I modelli biologici erano ratti maschi wild-type e Parkin DKO di due mesi di età.
- Nessun flusso di lavoro multiomics è stato menzionato nello studio.
- I ratti hanno attraversato la passerella un totale di sette volte, con una valutazione basata su passi consecutivi.
- I parametri dell'andatura sono stati quantificati utilizzando FTIR e analisi video.
Risultati principali
- L'analisi dell'andatura ha rivelato differenze significative nella fase di appoggio e nella durata della pendola nei ratti DKO a velocità più basse.
- Nonostante velocità di cammino simili, i ratti DKO hanno mostrato parametri temporali dell'andatura alterati rispetto ai ratti wild-type.
- Cambiamentsi importanti nella posizione delle zampe e nelle velocità di pendola sono stati osservati nei ratti DKO.
- Lo studio sottolinea l'importanza della coerenza delle apparecchiature per risultati affidabili.
Conclusioni
- Il sistema RatWalker consente un'analisi non invasiva dell'andatura con potenziali applicazioni più ampie in vari modelli di roditori.
- I risultati contribuiscono alla comprensione delle disfunzioni motorie nei modelli genetici di malattia.
- Le implicazioni si estendono alla ricerca delle alterazioni dell'andatura correlate a diverse condizioni neurologiche.
Domande frequenti
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.
