Het ratwalkersysteem toepassen voor loopanalyse in een genetisch rattenmodel van de ziekte van Parkinson
18 januari 2021
Hier beschrijven we het RatWalker-systeem, gebouwd door het MouseWalker-apparaat opnieuw te ontwerpen om tegemoet te komen aan de toegenomen grootte en het gewicht van ratten. Dit systeem maakt gebruik van gefrustreerde totale interne reflectie (FTIR), snelle video-opname en open-access analysesoftware om loopparameters te volgen en te kwantificeren.
Deze methode maakt het mogelijk om verschillen in loopparameters reproduceerbaar te kwantificeren. De loopparameters kunnen worden beoordeeld bij vrij lopende knaagdieren en de techniek is niet afhankelijk van invasieve stappen zoals het onderdompelen van de voeten met inkt. De procedure wordt gedemonstreerd door Ben Lamberty.
Begin met het plaatsen van een thuiskooi aan het einde van de loopbrug voor het begin van elke run, om te dienen als een positieve aanwijzing voor de rat om de loopbrug te doorkruisen. Doe de kamerverlichting uit. Schakel de camera in en begin met opnemen enkele seconden voordat de rat op het platform wordt geplaatst.
Terwijl de behuizing is geïnstalleerd, plaatst u de rat aan het einde van de loopbrug, tegenover de thuiskooi, en laat u hem op een ongedwongen manier over het looppad lopen. Stop met opnemen zodra het dier het eindpunt van de loopbrug bereikt. Reinig de loopbrug met 70% ethanol en een niet-schurende handdoek tussen de runs door en nadat een dier urineert of poept.
Laat vervolgens ethanol verdampen voordat je een ander dier introduceert. Laat de ratten in totaal zeven keer door de loopbrug rennen tijdens elke observatieperiode, waarbij de eerste drie runs die scoren als doorgaand voor analyse worden genomen. Scoor een run als passerend als het dier vier of meer opeenvolgende stappen in de richting van de thuiskooi maakt zonder onderbreking als gevolg van verzorging, pauzeren of dwalende bewegingen.
Loopanalyse werd uitgevoerd op mannelijke wild-type en Parkin DKO-ratten op de leeftijd van twee maanden om te bepalen of het gebruik van kinematische loopanalyse subtiele motorische stoornissen kon blootleggen voorafgaand aan het verschijnen van grove motorische problemen. Ondanks het toegenomen gewicht van de DKO-ratten was de voetdruk op het loopoppervlak ongewijzigd. Bij beoordeling van verschillende loopparameters als functie van de loopsnelheid bleken de loopsnelheid en staplengtes vergelijkbaar te zijn tussen wildtype en DKO-ratten.
De variatie tussen wild-type en DKO ratten werd duidelijk in houdingsfase en swingduur bij langzamere loopsnelheden. De fractie van de stappencyclus waarbij het been zich in de standfase bevindt, was de duty factor. Er werd meer tijd besteed aan de swingfase dan aan de standfase, omdat de duty factor afnam.
Bovendien, terwijl de swingsnelheden toenamen met verhoogde snelheid bij wilde dieren, werd de correlatie afgestompt bij DKO-ratten. De FTIR-loopanalyse werd ook gebruikt om plots van standfasesporen van elk been ten opzichte van het lichaam te creëren bij vrij rondlopende ratten. Bij het vergelijken van de pootpositionering werden significante veranderingen in AEP en PEP waargenomen.
Verschillende aanvullende parameters waren significant veranderd bij de DKO-ratten in vergelijking met wild-type. De swingsnelheid van zowel de linker als de rechter achterpoten was verhoogd bij DKO-ratten, terwijl de swingduur van zowel de linker- als de rechterachterpoten werd verminderd. Consistente installatie van apparatuur, inclusief camerapositie ten opzichte van RatWalker, is belangrijk voor de succesvolle implementatie van dit protocol.
Na het uitvoeren van dit protocol zijn dieren beschikbaar voor eventueel aanvullend gedrag of experimentele eindpunten die nodig zijn. Loopveranderingen kunnen bijvoorbeeld worden gecorreleerd met histologische veranderingen. Deze techniek kan worden gebruikt om de gang te beoordelen in andere niet-PD knaagdiermodellen, zoals modellen van angst en depressie.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert het RatWalker-systeem, ontworpen om de gang van vrij lopende ratten te analyseren met behulp van frustrated total internal reflection (FTIR) en high-speed video-opname. Het maakt nauwkeurige kwantificering van gangparameters mogelijk en biedt inzichten in motorische beperkingen, met name bij genetisch gemodificeerde Parkin DKO-ratten.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Gedragsanalyse
- Gangbeoordeling
Achtergrond
- Ganganalyse bij knaagdieren vertrouwt vaak op invasieve methoden.
- Eerdere studies toonden de noodzaak van verbeterde niet-invasieve technieken voor het beoordelen van motorische functie.
- De RatWalker is een aanpassing van het MouseWalker-systeem om grotere knaagdieren te accommoderen.
- Dit systeem kan helpen bij het identificeren van subtiele motorische tekortkomingen vóór duidelijke symptomen.
Doel van het onderzoek
- Om een niet-invasieve methode voor ganganalyse bij ratten te ontwikkelen.
- Om verschillen in gang tussen wild-type en Parkin DKO-ratten te onderzoeken.
- Om een betrouwbaar protocol vast te stellen voor het volgen van gangparameters over meerdere proeven.
Gebruikte methoden
- Het RatWalker-systeem werd gebruikt voor het analyseren van de gang van vrij lopende ratten.
- Mannelijke wild-type en Parkin DKO-ratten op twee maanden oud waren de biologische modellen.
- Er werden geen multiomics-workflows vermeld in de studie.
- Ratten liepen in totaal zeven keer over de loopbrug, met scoring op basis van opeenvolgende stappen.
- Gangparameters werden gekwantificeerd met behulp van FTIR en videoanalyse.
Belangrijkste resultaten
- Ganganalyse onthulde significante verschillen in de standfase en swingduur van DKO-ratten bij lagere snelheden.
- Ondanks vergelijkbare loopsnelheden vertoonden DKO-ratten gewijzigde temporele gangparameters vergeleken met wild-type ratten.
- Belangrijke veranderingen in pootpositionering en swingsnelheden werden waargenomen bij DKO-ratten.
- De studie onderstreept het belang van consistentie van apparatuur voor betrouwbare resultaten.
Conclusies
- Het RatWalker-systeem maakt niet-invasieve ganganalyse mogelijk met potentieel voor bredere toepassingen in verschillende knaagdiermodellen.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van motorische disfunctie in genetische modellen van ziekte.
- De implicaties strekken zich uit tot het onderzoeken van gangstoornissen gerelateerd aan verschillende neurologische aandoeningen.
Veelgestelde vragen
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.
