Zastosowanie systemu RatWalker do analizy chodu w genetycznym modelu szczurzym choroby Parkinsona
18 stycznia 2021
Tutaj opisujemy system RatWalker, zbudowany przez przeprojektowanie aparatu MouseWalker, aby dostosować go do zwiększonych rozmiarów i wagi szczurów. System ten wykorzystuje sfrustrowane całkowite odbicie wewnętrzne (FTIR), szybkie przechwytywanie wideo i oprogramowanie do analizy w otwartym dostępie do śledzenia i ilościowego określania parametrów chodu.
Metoda ta umożliwia powtarzalne ilościowe określenie różnic w parametrach chodu. Parametry chodu można ocenić u swobodnie chodzących gryzoni, a technika ta nie opiera się na inwazyjnych krokach, takich jak zanurzanie stóp w tuszu. Procedurę zademonstruje Ben Lamberty.
Zacznij od umieszczenia domowej klatki na końcu chodnika przed rozpoczęciem każdego biegu, aby służyć jako pozytywna wskazówka dla szczura do przejścia przez chodnik. Wyłącz światła w pokoju. Włącz kamerę i rozpocznij nagrywanie na kilka sekund przed umieszczeniem szczura na platformie.
Po zainstalowaniu wybiegu umieść szczura na końcu chodnika, naprzeciwko klatki domowej i pozwól mu przejść przez chodnik w niewymuszony sposób. Zatrzymaj nagrywanie, gdy zwierzę dotrze do końca chodnika. Wyczyść chodnik za pomocą 70% etanolu i nierysującego ręcznika między biegami i po oddaniu moczu lub kału przez zwierzę.
Następnie pozwól etanolowi odparować przed wprowadzeniem kolejnego zwierzęcia. Przeprowadź szczury przez chodnik w sumie siedem razy w każdym okresie obserwacji, biorąc pierwsze trzy biegi, które zostaną uznane za pozytywne do analizy. Oceń bieg jako podanie, jeśli zwierzę wykona cztery lub więcej kolejnych kroków w kierunku klatki domowej bez przerwy spowodowanej pielęgnacją, pauzami lub błędnymi ruchami.
Analizę chodu przeprowadzono na samcach szczurów DKO typu dzikiego i z Parkinem w wieku dwóch miesięcy, aby ustalić, czy zastosowanie kinematycznej analizy chodu może ujawnić subtelne upośledzenia motoryczne przed pojawieniem się problemów z motoryką dużą. Pomimo zwiększonej masy szczurów DKO, nacisk stopy wywierany na powierzchnię do chodzenia pozostał niezmieniony. Po ocenie kilku parametrów chodu w funkcji prędkości chodu, stwierdzono, że prędkość chodzenia i długość kroku są podobne między szczurami typu dzikiego i DKO.
Różnica między szczurami typu dzikiego i DKO stała się widoczna w fazie postawy i czasie trwania zamachu przy niższych prędkościach chodzenia. Ułamek cyklu krokowego, w którym noga znajduje się w fazie podporu, był współczynnikiem obowiązku. Więcej czasu spędzono w fazie wymachu niż w fazie podporu, ponieważ współczynnik pracy zmniejszył się.
Co więcej, podczas gdy prędkość zamachu wzrastała wraz ze wzrostem prędkości u zwierząt typu dzikiego, korelacja była stępiona u szczurów DKO. Analiza chodu FTIR została również wykorzystana do stworzenia wykresów śladów fazowych postawy każdej nogi w stosunku do ciała u swobodnie chodzących szczurów. Porównując ułożenie łap, zaobserwowano istotne zmiany w AEP i PEP.
Kilka dodatkowych parametrów uległo znaczącym zmianom u szczurów DKO w porównaniu z typem dzikim. Prędkość zamachu zarówno lewej, jak i prawej kończyny tylnej została zwiększona u szczurów DKO, podczas gdy czas trwania zamachu zarówno lewej, jak i prawej kończyny tylnej został skrócony. Spójna konfiguracja sprzętu, w tym pozycja kamery w stosunku do RatWalker, jest ważna dla pomyślnego wdrożenia tego protokołu.
Po wykonaniu tego protokołu zwierzęta są dostępne dla wszelkich dodatkowych niezbędnych zachowań lub eksperymentalnych punktów końcowych. Na przykład zmiany chodu mogą być skorelowane ze zmianami histologicznymi. Technika ta może być stosowana do oceny chodu w innych modelach gryzoni innych niż PD, takich jak modele lęku i depresji.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia system RatWalker, zaprojektowany do analizy chodu u wolno chodzących szczurów przy użyciu sfrustrowanego całkowitego wewnętrznego odbicia (FTIR) i rejestracji wideo wysokiej prędkości. Umożliwia precyzyjne określenie parametrów chodu, zapewniając wgląd w upośledzenia ruchowe, szczególnie u genetycznie zmodyfikowanych szczurów Parkin DKO.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Analiza zachowań
- Ocena chodu
Tło
- Analiza chodu u gryzoni zwykle opiera się na inwazyjnych metodach.
- Poprzednie badania wykazały potrzebę ulepszonych nieinwazyjnych technik do oceny funkcji motorycznych.
- RatWalker jest modyfikacją systemu MouseWalker, aby pomieścić większe gryzonie.
- Ten system może pomóc w identyfikacji subtelnych upośledzeń motorycznych przed wyraźnymi objawami.
Cel badania
- Opracowanie nieinwazyjnej metody analizy chodu u szczurów.
- Badanie różnic w chodzie między szczurami typu dzikiego a Parkin DKO.
- Ustawienie niezawodnego protokołu do śledzenia parametrów chodu w wielu próbach.
Stosowane metody
- System RatWalker został wykorzystany do analizy chodu wolno chodzących szczurów.
- Męskie szczury typu dzikiego i Parkin DKO w wieku dwóch miesięcy były modelami biologicznymi.
- W badaniu nie wymieniono żadnych przepływów multiomicznych.
- Szczury przeszły przez przejście łącznie siedem razy, z punktacją na podstawie kolejnych kroków.
- Parametry chodu zostały zmierzone za pomocą FTIR i analizy wideo.
Główne wyniki
- Analiza chodu wykazała znaczące różnice w fazie postawy i trwaniu wymachu u szczurów DKO przy niższych prędkościach.
- Mimo podobnych prędkości chodzenia, szczury DKO wykazywały zmienione czasowe parametry chodu w porównaniu ze szczurami typu dzikiego.
- Zaobserwowano istotne zmiany w pozycjonowaniu łap i prędkościach wymachu u szczurów DKO.
- Badanie podkreśla znaczenie spójności sprzętu dla uzyskania wiarygodnych wyników.
Konkluzje
- System RatWalker umożliwia nieinwazyjną analizę chodu z potencjalnym zastosowaniem w różnych modelach gryzoni.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia dysfunkcji motorycznych w genetycznych modelach choroby.
- Implikacje obejmują badanie zaburzeń chodu związanych z różnymi stanami neurologicznymi.
Często zadawane pytania
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.
