パーキンソン病の遺伝的ラットモデルにおける歩行解析のためのラットウォーカーシステムの適用
2021年1月18日
ここでは、ラットのサイズと重量の増加に対応するためにマウスウォーカー装置を再設計することによって構築されたラットウォーカーシステムについて説明します。このシステムは、フラストレーション全反射(FTIR)、高速ビデオキャプチャ、およびオープンアクセス分析ソフトウェアを使用して、歩行パラメータを追跡および定量化します。
この方法により、歩行パラメータの違いを再現可能に定量化することができる。歩行パラメータは、自由に歩くげっ歯類で評価することができ、この技術は、足をインクに浸すなどの侵襲的なステップに依存しません。手順を実演するのはベン・ランバーティです。
各ランニングの開始前に歩道の端にホームケージを配置することから始めて、ラットが歩道を横断するための前向きな手がかりとして機能します。部屋の明かりを消します。カメラの電源を入れ、ラットがプラットフォームに配置される数秒前に録画を開始します。
エンクロージャーを取り付けたら、ラットを歩道の端、ホームケージの反対側に置き、強制せずに歩道を横切って歩けるようにします。動物が歩道の終点に到達したら、記録を停止します。ランニングの合間や動物の排尿や排便後に、70%エタノールと非研磨性のタオルを使用して歩道を掃除します。
次に、別の動物を導入する前にエタノールを蒸発させます。各観察期間中にラットを歩道に合計7回走らせ、最初の3回の実行を分析の合格として採点します。動物がグルーミング、一時停止、または誤った動きのために中断することなく、ホームケージの方向に4つ以上の連続したステップを行った場合、ランをパスとしてスコアリングします。
歩行分析は、運動学的歩行分析の使用が肉眼的運動障害の出現前に微妙な運動障害を発見できるかどうかを決定するために、生後2か月の雄の野生型およびパーキンDKOラットで実施されました。DKOラットの体重が増加したにもかかわらず、歩行面に加えられた足圧は変化しなかった。歩行速度の関数としていくつかの歩行パラメータを評価したところ、歩行速度と歩幅は野生型ラットとDKOラットの間で類似していることがわかりました。
野生型ラットとDKOラットの変動は、歩行速度が遅い場合の立脚期とスイング時間で明らかになりました。脚が立脚段階にあるステップサイクルの割合がデューティファクターでした。デューティファクターが減少するにつれて、スタンスフェーズよりもスイングフェーズでより多くの時間が費やされました。
さらに、野生型動物ではスイング速度が速度の増加とともに増加しましたが、DKOラットでは相関関係が鈍化しました。FTIR歩行分析は、自由に歩くラットの体に対する各脚の立脚位相痕跡のプロットを作成するためにも使用されました。足の位置を比較すると、AEPとPEPに有意な変化が観察されました。
いくつかの追加のパラメータは、野生型と比較してDKOラットにおいて有意に変化した。DKOラットでは左右後肢のスイング速度が上昇し、左右後肢のスイング持続時間は減少した。RatWalkerに関連するカメラ位置を含む機器の一貫したセットアップは、このプロトコルの実装を成功させるために重要です。
このプロトコルを実行した後、動物は、必要な追加の行動または実験エンドポイントに利用可能である。例えば、歩行の変化は組織学的変化と相関し得る。この手法は、不安やうつ病のモデルなど、他の非PDげっ歯類モデルにおける歩行を評価するために使用できます。
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概要
この研究では、フラストレーテッド全内反射（FTIR）と高速ビデオキャプチャを使用して、自由に歩くラットの歩行を分析するために設計されたRatWalkerシステムを紹介します。これにより、歩行パラメータの正確な定量化が可能になり、特に遺伝子組み換えされたParkin DKOラットの運動障害に関する洞察を提供します。
研究の主要な構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 行動分析
- 歩行評価
背景
- げっ歯類の歩行分析は一般的に侵襲的な方法に依存しています。
- 以前の研究では、運動機能を評価するための改良された非侵襲的技術の必要性が示されました。
- RatWalkerは、より大きなげっ歯類に対応するためにMouseWalkerシステムを改良したものです。
- このシステムは、明白な症状の前に微妙な運動障害を特定するのに役立ちます。
研究の目的
- ラットの歩行分析のための非侵襲的方法を開発すること。
- 野生型とParkin DKOラットの歩行の違いを調査すること。
- 複数の試行にわたって歩行パラメータを追跡するための信頼できるプロトコルを確立すること。
使用された方法
- RatWalkerシステムは、自由に歩くラットの歩行を分析するために使用されました。
- 生物学的モデルとして、2ヶ月齢の雄の野生型とParkin DKOラットが使用されました。
- 研究では、マルチオミクスのワークフローについて言及されていません。
- ラットは通路を合計7回渡り、連続した歩数に基づいてスコア付けが行われました。
- 歩行パラメータはFTIRとビデオ分析を用いて定量化されました。
主な結果
- 歩行分析により、遅い速度でのDKOラットの立位相と揺れ動きの持続時間に有意な違いが明らかになりました。
- 歩行速度は似ていましたが、DKOラットは野生型ラットと比較して、時間的な歩行パラメータが変化していることがわかりました。
- DKOラットでは、足の位置と揺れ動きの速度に重要な変化が観察されました。
- この研究は、信頼できる結果を得るための機器の一貫性の重要性を強調しています。
結論
- RatWalkerシステムにより、げっ歯類の様々なモデルで幅広い応用が可能な非侵襲的な歩行分析が可能になります。
- この発見は、遺伝子疾患モデルにおける運動機能障害の理解に貢献します。
- その影響は、異なる神経学的状態に関連する歩行障害の研究にまで及びます。
よくある質問
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.
