Opisujemy ustanowienie mysiego modelu choroby Parkinsona za pomocą MPTP, oraz oceny behawioralne za pomocą testów cylindrycznych i otwartych do pomiaru funkcji motorycznych. Następnie używamy L-DOPA jako jednego z przykładów, aby pokazać, jak zastosować ten model w badaniu leków na chorobę Parkinsona.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Behawioralna ocena spontanicznej lokomocji w mysim modelu choroby Parkinsona wywołanym MPTP
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Choroba Parkinsona (PD) jest powszechną chorobą neurodegeneracyjną, powodującą zjawisko drżenia, sztywności, spowolnienia ruchów i demencji. 1-metylo-4-fenylo-1,2,3,6-tetrahydropirydyna (MPTP) może prowadzić do niektórych objawów podobnych do choroby Parkinsona poprzez niszczenie neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej mózgu. W ten sposób wykorzystano go do ustalenia modeli PD w różnych badaniach na zwierzętach. Tutaj myszy otrzymują zastrzyki MPTP (20 mg / kg / dzień) przez siedem dni, a testy behawioralne są wykonywane ósmego dnia. Model ten jest skutecznie adaptowany w badaniach nad chorobą Parkinsona. Testy behawioralne obejmują tutaj test cylindra i test w otwartym polu. Eksperyment z cylindrem służy do wykrywania zdolności zwierząt do podnoszenia przednich łap po umieszczeniu w innym środowisku. Gdy myszy z modelem PD wykazują wygięcie w łuk - mysz wygina grzbiet w łuk - liczba uniesień łap maleje. Ten test jest łatwy do wykonania. Test w otwartym polu służy do wykrywania czasu, jaki myszy spędzają na bieganiu, chodzeniu i pozostawaniu w bezruchu. Analizujemy ruchy zwierząt w terenie otwartym za pomocą oprogramowania i pozyskujemy dane. Na koniec używamy L-DOPA, jednego z najczęściej stosowanych leków na chorobę Parkinsona, jako jednego z przykładów, aby pokazać, jak zastosować ten model do badania leków na chorobę Parkinsona. Nasze wyniki wskazują, że neurotoksyczność MPTP indukuje deficyt motoryczny, który może być złagodzony przez L-DOPA.
Wprowadzenie
Choroba Parkinsona (PD), jedna z najczęstszych chorób wśród osób starszych, jest długotrwałym zaburzeniem neurodegeneracyjnym1. Pacjenci zawsze wykazują zjawisko drżenia, sztywności, spowolnienia ruchów i demencji, które pogarszają się z czasem2. Często obserwuje się również inne objawy, w tym problemy sensoryczne, problemy ze snem i emocjonalne2. Przyczyna choroby Parkinsona jest nadal niejasna, ale ogólnie uważa się, że obejmuje ona zarówno czynniki genetyczne, jak i środowiskowe, które indukują utratę neuronów dopaminergicznych w istocie 3 oraz rozwój ciał Lewy'ego i neurytów Lewy'ego w różnych regionach mózgu4.
Wśród badań nad chorobą Parkinsona, 1-metylo-4-fenylo-1,2,3,6-tetrahydropirydyna (MPTP)5 jest szeroko stosowany w odtwarzaniu niektórych objawów PD w modelach eksperymentalnych. W 1984 roku Langston i wsp. po raz pierwszy odkryli, że wstrzyknięcia MPTP u małp wiewiórek powodowały Parkinsonism6. Chociaż model gryzoni MPTP nie wykazuje obecności ciał Lewy'ego, które są biomarkerem PD, MPTP powoduje objawy podobne do choroby Parkinsona poprzez niszczenie neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej mózgu7. W porównaniu z innymi modelami leków na PD, takimi jak te indukowane przez 6-hydroksydopaminę (6-OHDA)8 i 1-metylo-4-fenylopirydynium (MPP+)9, wstrzyknięcie MPTP jest łatwe do wykonania, a model MPTP zajmuje mniej czasu. Myszy otrzymują zastrzyki MPTP (20-30 mg / kg / dzień) przez siedem dni, a testy behawioralne są wykonywane ósmego dnia10.
Test otwartego pola11 został po raz pierwszy opracowany przez Calvina S. Halla, Amerykanina12. W różnych badaniach testowane są różne rodzaje zachowań. W badaniach, które koncentrują się na chorobach Parkinsona, testuje się zachowania, takie jak czynności lokomocji i prędkość lokomocji, aby sprawdzić, czy wpływa to na zdolność zwierzęcia do poruszania się. W porównaniu z innymi metodami stosowanymi do badania zadomowienia się zwierząt z chorobą Parkinsona, test w otwartym polu jest łatwy do przeprowadzenia, ponieważ potrzebny sprzęt jest prosty, a oprogramowanie do prototypowania i analizy danych (np. MATLAB, Excel) może być używane do łatwego zbierania i tworzenia wykresów danych. Ponadto współczynnik zmienności jest stosunkowo mały13, co oznacza, że wynik testu w terenie otwartym jest wiarygodny. Kolejną zaletą w porównaniu z innymi metodami jest to, że zachowania zawarte w tym eksperymencie są łatwe do odróżnienia; Myszy mogą biegać, chodzić lub stać w miejscu. Zazwyczaj test na otwartym polu może być stosowany na gryzoniach, gdy badacz musi ocenić mobilność badanego.
Test cylindryczny jest również nazywany testem asymetrycznego użycia kończyn przednich. Kiedy ten test został po raz pierwszy zaprojektowany, został użyty do przetestowania asymetrycznego użycia kończyn przednich szczura14. Tutaj używamy tego testu do analizy zdolności zwierzęcia do rozciągania się i używania obu przednich kończyn do odkrywania nowego otoczenia. Kiedy istota i ciało prążkowane są uszkodzone przez MPTP w mózgu, zwierzę ma tendencję do wyginania grzbietu w łuk i staje się mniej skłonne do rozciągania się i eksploracji nieznanego środowiska. Ten test jest łatwy do wykonania i może dać wstępny wynik. Jednak ten test ma dużą zmienność wewnętrzną, więc jest zwykle używany wraz z innymi eksperymentami behawioralnymi.
Przyjmowanie L-DOPA, która jest również znana jako lewodopa lub L-3,4-dihydroksyfenyloalanina, jest powszechnym sposobem leczenia choroby Parkinsona, ponieważ jedną z przyczyn PD jest spadek dopaminy w . L-DOPA jest prekursorem dopaminy. Ale w przeciwieństwie do dopaminy, może przekraczać barierę krew-mózg, co oznacza, że będzie bardziej skuteczny w zwiększaniu stężenia dopaminy w obszarze mózgu. Po przekroczeniu bariery krew-mózg, L-DOPA jest przekształcana w dopaminę przez dekarboksylazę L-aminokwasów15.
Tutaj opisujemy pomiar i analizę funkcji motorycznych u myszy z indukowanym MPTP PD za pomocą testu cylindra14 i zmodyfikowanego testu otwartego pola. Podajemy L-DOPA jako jeden z przykładów, aby pokazać, jak zastosować ten model w badaniu leków na chorobę Parkinsona. Nasze wyniki wskazują, że MPTP indukuje deficyt motoryczny, który może być złagodzony przez L-DOPA.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
To badanie zostało przeprowadzone zgodnie z międzynarodowymi, krajowymi i instytucjonalnymi zasadami dotyczącymi eksperymentów na zwierzętach. Protokół badania został zatwierdzony przez komisję etyczną ds. zwierząt Uniwersytetu Nankai.
1. Administracja MPTP i L-DOPA
UWAGA: Dziesięciotygodniowe samice myszy BALB/c zostały dostarczone przez Instytut Zoologii Chińskiej Akademii Nauk. Myszy trzymano po sześć w klatce w 12-godzinnym cyklu światło/ciemność (światła włączane w godzinach 08:00-20:00), stałej temperaturze 21-22 °C i wilgotności względnej 55% ± 5%. Autoklawowana standardowa karma dla myszy o tej samej preparacie i wodzie ad libitum została podana wszystkim zwierzętom.
- Po tygodniu aklimatyzacji podziel zwierzęta na trzy grupy po sześć myszy każda.
- Grupie 1 należy podać dootrzewnowe wstrzyknięcia (patrz krok 1.5) 250 μl/mysz/dobę soli fizjologicznej od 1. dnia do 7. dnia, a następnie podać dożołądkowo (patrz krok 1.6) 250 μl/mysz soli fizjologicznej w 8. dniu.
- Do grupy 2 należy podawać dootrzewnowe wstrzyknięcia w dawce 20 mg/kg mc./dobę MPTP codziennie od 1. dnia do 7. dnia, a następnie podać dożołądkowo 250 μl/mysz soli fizjologicznej w 8. dniu.
- Do grupy 3 należy podać dootrzewnowe wstrzyknięcia w dawce 20 mg/kg/dobę MPTP od 1. dnia do 7. dnia, a następnie wykonać dożołądkowe podanie 5 mg/kg L-DOPA w 8. dniu.
- Wykonaj wstrzyknięcie dootrzewnowe w następujący sposób.
- Załadować lek do sterylnej strzykawki o pojemności 1 ml z igłą o pojemności 26 g. Usunąć powietrze ze strzykawki.
- Potrząśnij myszą brzuchem do góry. Utrzymuj głowę, szyję i korpus myszy w linii prostej, również z zamocowaną głową.
- Ustaw igłę pod kątem, aby wniknąć w otrzewną. Wciśnij igłę na odpowiednią odległość, aż pojawi się niewielki opór, a następnie wstrzyknij lek. Wyciągnij igłę płynnie.
- Podanie dożołądkowe należy wykonać w następujący sposób.
- Przygotuj lek w sterylnej strzykawce o pojemności 1 ml z igłą do jamy ustnej. Usunąć powietrze ze strzykawki.
- Trzymaj mysz brzuchem do góry. Trzymaj głowę, szyję i korpus myszy w linii prostej z zamocowaną głową.
- Trzymaj igłę równolegle do ciała myszy i włóż ją z kącika ust myszy, naciskając język i dociskając do środka górną szczękę.
- Przy niewielkim oporze, który pokazuje, że igła płynnie wchodzi do przełyku, ostrożnie wepchnij igłę w odpowiednią odległość. Zanim końcówka igły dotrze do dolnej części klatki piersiowej, wstrzyknij lek.
- Wyciągnij igłę płynnie.
2. Test cylindra
UWAGA: Testy behawioralne zostały przeprowadzone w dniu 8. L-DOPA wstrzyknięto trzeciej grupie myszy 40 minut przed testami behawioralnymi. Jeśli testy behawioralne nie są wykonywane w tym samym pomieszczeniu, w którym trzymane są zwierzęta, zwierzęta muszą być zaaklimatyzowane w nowym pomieszczeniu na 30-60 minut przed badaniem.
- Badanie należy wykonać 24 godziny po ostatniej dawce MPTP.
- Umieść przezroczysty szklany cylinder (wysokość = 19,5 cm, średnica = 15 cm, waga ≥1 kg) na środku stołu. Otocz cylinder z trzech stron czarnym kartonem, aby zmniejszyć efekt oświetlenia otoczenia. Pozostaw jedną stronę cylindra skierowaną w stronę kamery do nagrywania wideo.
UWAGA: Odległość między kartonem a cylindrem powinna wynosić około 4 do 8 cm. - Podłącz kamerę (> rozdzielczości 1 miliona pikseli) w odległości ~40-60 cm od cylindra, aby upewnić się, że cały cylinder jest widoczny.
UWAGA: Nie jest to ani za blisko, ani za daleko, aby nie przeszkadzać myszy podczas nagrywania wideo jej ruchu. - Umieść jedną mysz w cylindrze na raz i rozpocznij filmowanie od razu. Przerwanie filmowania po 3 minach
UWAGA: Podczas tego procesu staraj się unikać szumów lub zmian światła, aby nie wpływać na zachowanie myszy. - Po przetestowaniu umieść mysz z powrotem w klatce domowej.
- Wyczyść cylinder wodą, a następnie rozpyl 70% v/v etanolu na wewnętrzną ściankę, aby go zdezynfekować i usunąć zapachy myszy. Wytrzyj cylinder do sucha przed włożeniem do niego kolejnej myszy.
- Odtwarzaj wideo z szybkością 0,5 raza większą niż normalna prędkość i policz liczbę uniesień łapy do ściany każdej myszy.
UWAGA: Unoszenie łap następuje, gdy mysz podnosi się na tylnych kończynach, podnosi obie przednie kończyny powyżej poziomu ramion i ląduje. Jedno uniesienie kończyn przednich NIE jest liczone. Zwykle mysz podnosi przednie kończyny, aby dotknąć ścianek cylindra. Jeśli mysz uniesie przednie kończyny powyżej poziomu ramion kilka razy w sposób ciągły bez lądowania, należy to liczyć tylko jako jednokrotne.
3. Test na otwartym polu
- Wykonaj test w terenie otwartym 24 godziny po dozowaniu MPTP.
UWAGA: Można go przeprowadzić w tym samym czasie, co test butli. - Przygotuj przezroczyste pudełko reakcyjne na otwartym polu (45 cm dł. x 45 cm szer. x 25 cm wys.) z drewnianą pokrywą talerza od dołu przykrytą czarną szmatką. Ustaw kamerę (> rozdzielczości 1 miliona pikseli) nad polem na wysokości 1 m.
UWAGA: Kolor dolnego pola otwartego pola powinien różnić się od testowanego koloru myszy, aby zapewnić kontrast kolorów w filmie. - Dostosuj kamerę, aby upewnić się, że pole reakcji w otwartym polu znajduje się dokładnie pośrodku filmu.
- Włóż jedną mysz testową do pudełka i pozwól myszy zapoznać się z otoczeniem przez około 1 minutę.
- Nagraj 5-minutowy film za pomocą kamery podłączonej do komputera.
- Przeanalizuj wideo za pomocą narzędzi programowych (np. MATLAB), aby uzyskać liczbę śladów ruchu, rozkład czasu statycznego (prędkość <1 cm/s), chodzenia (prędkość 1-20 cm/s) i biegu (prędkość >20 cm/s), całkowitego przebytego dystansu i średniej prędkości każdej testowanej myszy.
UWAGA: Analizując wideo, śledzimy cały korpus myszy. Średnia prędkość ciała oznacza całkowitą długość pokonanej drogi, podzieloną przez czas, który upłynął. Dlatego, jeśli mysz się nie porusza, jej prędkość chwilowa będzie uważana za zerową. - Usuń wszelkie odchody w skrzynce reakcyjnej na otwartym polu. Rozpyl 70% etanolu na pudełko i wytrzyj je.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
W teście cylindra zaobserwowano spadek liczby wspięć na tylnych łapach przy ścianie u myszy (grupa 2) traktowanych MPTP od 1. do 7. dnia i solą fizjologiczną w 8. dniu w porównaniu z myszami traktowanymi solą fizjologiczną (grupa 1), natomiast wzrost liczby wspięć odnotowano u myszy (grupa 3) traktowanych MPTP od 1. do 7. dnia i L-DOPA w 8. dniu w porównaniu z myszami (grupa 2) traktowanymi MPTP od 1. do 7. dnia i solą fizjologiczną w 8. dniu (Rycina 1).
...Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Z powodu zniszczenia neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej mózgu, MPTP powoduje objawy podobne do choroby Parkinsona u myszy7. L-DOPA jest najbardziej preferowanym lekiem na chorobę Parkinsona od czasu jego zastosowania klinicznego, ponieważ pomaga w utrzymaniu normalnych codziennych czynności u pacjentów z chorobą Parkinsona, skutecznie tłumiąc nieprawidłowości motoryczne, w tym akinezję i sztywność15. Myszy leczone MPTP wykazywały upośledzenie w testach behawioraln...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Nasza praca jest finansowana przez Tianjin Undergraduate Training Programs for Innovation and Entrepreneurship (Grant No. 63183004). Projekt ten został zainicjowany w Państwowym Kluczowym Laboratorium Biologii Chemicznej Medycyny na Uniwersytecie Nankai. Autorzy deklarują, że nie występują konflikty interesów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 70% etanolu | Ruiboxing Company | RBX-64175 | |
| Aparat fotograficzny | BASLER | acA645-100gm | |
| Test cylindra | Wykonane we własnym zakresie na Uniwersytecie Nankai | Nie dotyczy Excel | |
| Microsoft | Nie dotyczy | ||
| Lewodopy | Sigma-Aldrich | 72816 | |
| Matalb 2017a | Mathworks | Nie dotyczy | |
| Myszy, Instytut Zoologii, Chińska Akademia Nauk | Balb/c | Dorosłe samice myszy (10 tygodni) | |
| MPTP | Yuanye Biological Technology Company Ltd., Szanghaj | S31504-500mg | |
| Test w otwartym polu | Wyprodukowany we własnym zakresie na Uniwersytecie Nankai | Nie dotyczy | |
| strzykawki | Solelybio | S-xsgwz-w Strzykawka | irygacyjna |
| Jiangxi Fenglin Medical Aplikacja Co. | hc3824 | Wstrzyknięcie dootrzewnowe |
Bibliografia
- Dehay, B., Bourdenx, M., Gorry, P., Przedborski, S., Vila, M., Hunot, S., Singleton, A., Olanow, C. W., Merchant, K. M., Bezard, E. Targeting -synuclein for treatment of Parkinson's disease: mechanistic and therapeutic considerations. Lancet Neurology. 14, 855-866 (2015).
- Weintraub, D., Comella, C., Horn, L., S, Parkinson's disease - Part 1: Pathophysiology, symptoms, burden, diagnosis, and assessment. American Journal of Managed Care. 14, 40-48 (2008).
- Ismaiel, A. A., et al. Metformin, besides exhibiting strong in vivo anti-inflammatory properties, increases mptp-induced damage to the nigrostriatal dopaminergic system. Toxicology and Applied Pharmacology. , 19-30 (2016).
- Bayliss, J. A., et al. Ghrelin-AMPK signaling mediates the neuroprotective effects of calorie restriction in Parkinson's disease. Journal of Neuroscience. 36, 3049-3063 (2016).
- Olanow, C. W., Stern, M. B., Sethi, K. The scientific and clinical basis for the treatment of Parkinson disease. Neurology. 72 (21 Supplement 4), (2009).
- Chiba, K., Trevor, A., Castagnoli, N. Metabolism of the neurotoxic tertiary amine, MPTP, by brain monoamine oxidase. Biochemical & Biophysical Research Communications. 120 (2), 574-578 (1984).
- Bakay, R. A., et al. Biochemical and behavioral correction of MPTP parkinson-like syndrome by fetal cell transplantation. Annals of the New York Academy of Sciences. 495 (1), 623-638 (2010).
- Kelly, P. H., Seviour, P. W., Iversen, S. D. Amphetamine and apomorphine responses in the rat following 6-OHDA lesions of the nucleus accumbenssepti and corpus striatum. Brain Research. 94 (3), 507-522 (1975).
- Langston, J. W., Irwin, I., Langston, E. B., Forno, L. S. 1-methyl-4-phenylpyridinium ion (MPP+): identification of a metabolite of MPTP, a toxin selective to the substantia nigra. Neuroscience Letters. 48 (1), 87-92 (1984).
- Katila, N., et al. Metformin lowers α-synuclein phosphorylation and upregulates neurotrophic factor in the MPTP mouse model of Parkinson's disease. Neuropharmacology. 125, (2017).
- Goldberg, N. R. S., Haack, A. K., Lim, N. S., Janson, O. K., Meshul, C. K. Dopaminergic and behavioral correlates of progressive lesioning of the nigrostriatal pathway with MPTP. Neuroscience. 180, 256-271 (2011).
- Schwarting, R. K., Sedelis, M., Hofele, K., Auburger, G. W., Huston, J. P. Strain-dependent recovery of open-field behavior and striatal dopamine deficiency in the mouse MPTP model of Parkinson's disease. Neurotoxicity Research. 1 (1), 41(1999).
- Shiguang, S., et al. The open field test as a method for ethology in Kunming mice: test-retest reliability. Chinese Journal of Behavioral Medicine and Brain Science. 19 (12), 1093-1095 (2010).
- Roome, R. B., Vanderluit, J. L. Paw-Dragging: a Novel, Sensitive Analysis of the Mouse Cylinder Test. Journal of Visualized Experiments. (98), e52701(2015).
- Cotzias, G. C., Van Woert, M. H., Schiffer, L. M. Aromatic amino acids and modification of Parkinsonism. New England Journal of Medicine. 282, 31-33 (1967).
- Cassady, J. C., Johnson, R. E. Cognitive test anxiety and academic performance. Contemporary Educational Psychology. 27 (2), 270-295 (2002).
- Rogalewski, A., et al. Semaphorin 6A improves functional recovery in conjunction with motor training after cerebral ischemia. Plos One. 5 (5), 0010737(2010).
- Chen, W., Qiao, D., Liu, X., Shi, K. Treadmill exercise improves motor dysfunction and hyperactivity of the corticostriatal glutamatergic pathway in rats with 6-ohda-induced parkinson's disease. Neural Plasticity. 2017, 2583910(2018).
- Colas-Zelin, D., et al. The imposition of, but not the propensity for, social subordination impairs exploratory behaviors and general cognitive abilities. Behavioural Brain Research. 232 (1), 294-305 (2012).
- Spurney, C., et al. Preclinical drug trials in the mdx mouse: Assessment of reliable and sensitive outcome measures. Muscle Nerve. 39, 591-602 (2009).
- Valle, F. P. Effects of strain, sex, and illumination on open-field behavior of rats. American Journal of Psychology. 83, 103-111 (1970).
- Tatem, K. S., et al. Behavioral and Locomotor Measurements Using an Open Field Activity Monitoring System for Skeletal Muscle Diseases. Journal of Visualized Experiments. (91), e51785(2014).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
