파킨슨병의 유전적 쥐 모델에서 보행 분석을 위한 RatWalker 시스템 적용
2021년 1월 18일
여기에서는 쥐의 증가된 크기와 무게를 수용하기 위해 MouseWalker 장치를 재설계하여 구축된 RatWalker 시스템에 대해 설명합니다. 이 시스템은 좌절된 전체 내부 반사(FTIR), 고속 비디오 캡처 및 오픈 액세스 분석 소프트웨어를 사용하여 보행 매개변수를 추적하고 정량화합니다.
이 방법을 사용하면 보행 매개 변수의 차이를 재현 가능하게 정량화 할 수 있습니다. 보행 매개 변수는 자유롭게 걷는 설치류에서 평가할 수 있으며이 기술은 발을 잉크로 담그는 것과 같은 침습적 단계에 의존하지 않습니다. 절차를 시연하는 것은 벤 램버티 (Ben Lamberty)가 될 것입니다.
각 달리기가 시작되기 전에 산책로 끝에 홈 케이지를 배치하여 쥐가 산책로를 가로 지르는 긍정적 인 신호 역할을하는 것으로 시작하십시오. 실내 조명을 끕니다. 쥐가 플랫폼에 놓이기 몇 초 전에 카메라의 전원을 켜고 녹화를 시작하십시오.
인클로저를 설치 한 상태에서 쥐를 집 케이지 맞은 편 통로 끝에 놓고 강제로 통로를 가로 질러 걸을 수 있도록합니다. 동물이 통로의 종점에 도달하면 기록을 중지하십시오. 달리기 사이와 동물이 소변을 보거나 배변 한 후에는 70 % 에탄올과 비 마모성 수건을 사용하여 통로를 청소하십시오.
그런 다음 다른 동물을 도입하기 전에 에탄올이 증발하도록하십시오. 각 관찰 기간 동안 총 7 번 산책로를 통해 쥐를 달리고, 처음 3 번의 실행은 분석을 위해 통과 한 것으로 간주합니다. 동물이 그루밍, 일시 중지 또는 잘못된 움직임으로 인한 중단 없이 집 케이지 방향으로 4개 이상 연속 걸음을 내딛는 경우 달리기를 통과로 점수매기십시오.
보행 분석은 2 개월령의 수컷 야생형 및 Parkin DKO 쥐에 대해 수행되어 운동 학적 보행 분석을 사용하면 총 운동 문제가 나타나기 전에 미묘한 운동 장애를 발견 할 수 있는지 확인했습니다. DKO 쥐의 체중 증가에도 불구하고, 보행 표면에 가해지는 발 압력은 변경되지 않았다. 보행 속도의 함수로서 여러 보행 매개 변수를 평가 한 결과, 보행 속도와 걸음 길이는 야생형과 DKO 쥐간에 유사한 것으로 나타났습니다.
야생형과 DKO 쥐 사이의 변화는 느린 보행 속도에서 자세 단계와 스윙 지속 시간에서 분명해졌습니다. 다리가 자세 단계에 있는 스텝 사이클의 비율은 듀티 팩터였습니다. 듀티 팩터가 감소함에 따라 스탠스 단계보다 스윙 단계에서 더 많은 시간이 소요되었습니다.
또한, 야생형 동물에서는 속도가 증가함에 따라 스윙 속도가 증가했지만 DKO 쥐에서는 상관 관계가 둔화되었습니다. FTIR 보행 분석은 또한 자유롭게 걷는 쥐의 신체에 대한 각 다리의 자세 위상 추적 플롯을 만드는 데 사용되었습니다. 발 위치를 비교했을 때 AEP와 PEP의 상당한 변화가 관찰되었습니다.
몇몇 추가적인 파라미터는 야생형과 비교하여 DKO 래트에서 유의하게 변화되었다. DKO 쥐에서 왼쪽 및 오른쪽 뒷다리의 스윙 속도가 증가한 반면 왼쪽 및 오른쪽 뒷다리의 스윙 지속 시간은 감소했습니다. RatWalker와 관련된 카메라 위치를 포함한 일관된 장비 설정은 이 프로토콜의 성공적인 구현에 중요합니다.
이 프로토콜을 수행한 후, 동물은 필요한 임의의 추가 행동 또는 실험 종점에 사용할 수 있다. 예를 들어, 보행 변화는 조직 학적 변화와 상관 될 수 있습니다. 이 기술은 불안 및 우울증 모델과 같은 다른 비 PD 설치류 모델에서 보행을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.
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개요
이 연구는 자유롭게 걷는 쥐의 보행을 분석하기 위해 고안된 RatWalker 시스템을 소개합니다. 이 시스템은 좌절된 완전 내부 반사(FTIR)와 고속 비디오 캡처를 사용하여 보행 매개변수의 정확한 정량화를 가능하게 하여, 특히 유전자 변형된 Parkin DKO 쥐의 운동 장애에 대한 통찰력을 제공합니다.
주요 연구 요소
과학 분야
- 신경과학
- 행동 분석
- 보행 평가
배경
- 설치류의 보행 분석은 일반적으로 침습적인 방법에 의존합니다.
- 이전 연구들은 운동 기능을 평가하기 위한 개선된 비침습적인 기술의 필요성을 보여주었습니다.
- RatWalker는 더 큰 설치류를 수용하기 위해 MouseWalker 시스템을 수정한 것입니다.
- 이 시스템은 명백한 증상이 나타나기 전에 미묘한 운동 결손을 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
연구 목적
- 쥐의 보행 분석을 위한 비침습적인 방법을 개발하는 것.
- 야생형 대 Parkin DKO 쥐의 보행 차이를 조사하는 것.
- 여러 시도에 걸쳐 보행 매개변수를 추적하기 위한 신뢰할 수 있는 프로토콜을 수립하는 것.
사용된 방법
- RatWalker 시스템은 자유롭게 걷는 쥐의 보행을 분석하는 데 사용되었습니다.
- 2개월령의 수컷 야생형 및 Parkin DKO 쥐가 생물학적 모델로 사용되었습니다.
- 연구에서 멀티오믹스 워크플로는 언급되지 않았습니다.
- 쥐들은 통로를 총 7번 건너갔으며, 연속된 발걸음을 기반으로 점수가 매겨졌습니다.
- 보행 매개변수는 FTIR와 비디오 분석을 통해 정량화되었습니다.
주요 결과
- 보행 분석은 더 느린 속도에서 DKO 쥐의 발판 단계와 흔들림 지속 시간에 중요한 차이를 보여주었습니다.
- 유사한 걷기 속도에도 불구하고, DKO 쥐는 야생형 쥐와 비교하여 시간적 보행 매개변수가 변경되었습니다.
- DKO 쥐에서 발바닥 위치 및 흔들림 속도의 중요한 변화가 관찰되었습니다.
- 이 연구는 신뢰할 수 있는 결과를 위한 장비 일관성의 중요성을 강조합니다.
결론
- RatWalker 시스템은 다양한 설치류 모델에서 더 넓은 응용을 가능하게 하는 비침습적인 보행 분석을 허용합니다.
- 이 연구 결과는 질병의 유전자 모델에서 운동 기능 장애에 대한 이해에 기여합니다.
- 의미는 다양한 신경학적 상태와 관련된 보행 장애를 조사하는 데까지 확장됩니다.
자주 묻는 질문
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.
