Análise Cinética 3D para a Avaliação Funcional no modelo de rat da lesão ciática de esmagamento nervoso
12 de fevereiro de 2020
Introduzimos um método de análise cinemática que usa um aparelho de captura de movimento tridimensional contendo quatro câmeras e software de processamento de dados para realizar avaliações funcionais durante pesquisas fundamentais envolvendo modelos de roedores.
Fornecemos um método preciso e DiCharacter para avaliações funcionais de animais de laboratório. É sensível e confiável e desprovido de deficiências atribuídas a outros métodos para avaliações funcionais. Por exemplo, o índice funcional ciático.
Para começar, configure duas folhas de plástico transparentes em ambos os lados da esteira para deixar um rato LEWIS macho de 12 semanas andar em uma direção dianteira reta, em seguida, ligar a grade de choque elétrica. Que cada rato ande na esteira. Acelere gradualmente a esteira até a velocidade desejada de 20 centímetros por segundo e deixe o rato andar normalmente a esta velocidade por cinco minutos.
Após cada sessão de caminhada, forneça uma pausa de descanso de um a dois minutos. Repita este processo três vezes por dia cinco dias por semana durante uma semana. Enquanto o rato está recebendo anestesia estável através da máscara anestésico, raspe uma área da parte inferior das costas para o maleeoli bilateral usando um barbeador elétrico.
Coloque o rato na posição propensa. Use uma caneta marcadora preta para marcar os marcos ósseos na pele raspada, uma linha através dos processos espinhosos da lombar para vértebras sacrais. Além disso, use um marcador preto para marcar as espinhas ilícíais anterior/superiores, os maiores trochanteres, as articulações do joelho, o maleeoli lateral, as quintas articulações falangeais metatarsais e a ponta do quarto dedo.
Em seguida, use um adesivo líquido para anexar marcadores hemisféricos a esses marcos ósseos, exceto pela linha através dos processos espinhosos da lombar até as vértebras sacrais e a ponta do quarto dedo do pé. Depois de colocar todos os marcadores, coloque o rato de volta na gaiola. Não coloque o rato na esteira até que ele se recupere totalmente da anestesia.
Coloque duas folhas plásticas transparentes em ambos os lados da esteira e coloque a caixa de calibração no meio da esteira. Abra o software de gravação e clique no ícone de imagem de calibração no visor. Clique no ícone de gravação para gravar de um a dois segundos de vídeo de quatro direções usando 120 câmeras HERTZ CCD.
Clique no ícone de gravação novamente para interromper a gravação. Abra os arquivos de vídeo no software de cálculo. Clique e arraste os pontos característicos dos modelos 3D da caixa de calibração no canto inferior direito da tela para os marcadores correspondentes nas quatro imagens que são automaticamente transformados do vídeo no padrão de calibração.
Em seguida, clique no ícone salvar. Agora tire a caixa de calibração da esteira, ligue a grade de choque elétrica e coloque o rato totalmente acordado na esteira. Abra o software de gravação e insira as informações básicas sobre o rato, incluindo seu número de série, velocidade de caminhada e o nome do operador principal.
Ligue a esteira e afina a velocidade para 20 centímetros por segundo. Depois que o rato se adaptar à velocidade e conseguir andar normalmente, clique no ícone de gravação no visor para gravar o rato ambulante com as quatro câmeras. Uma vez que mais de 10 passos são gravados, clique no ícone novamente para parar de gravar e desligue a esteira.
Coloque o rato de volta na câmara de indução da anestesia para anestesia. Enquanto o rato está sob anestesia contínua através da máscara anestésica, remova os marcadores hemisféricos. Abra o software de cálculo e abra o arquivo de vídeo na interface.
Clique e arraste a barra de controle bilateral na barra de progresso do vídeo para garantir que apenas um registro de caminhada de esteira de 10 passos seja exibido. Clique e arraste cada ponto característico do modelo 3D no canto inferior direito da tela para o marcador correspondente em cada uma das quatro fotos iniciais dos vídeos que foram tiradas pelas câmeras. Em seguida, clique no ícone de rastreamento automático para iniciar o processo de rastreamento automático do marcador.
Se o sistema não rastrear com precisão um marcador, clique no ícone digitalizar manualmente para mudar para o modo de rastreamento manual, clique no ponto característico de rastreamento no modelo 3D e, em seguida, no marcador de resposta na imagem. Uma vez que o marcador é clicado, certifique-se de que a imagem muda para o próximo quadro do vídeo. Agora clique continuamente no marcador até que o processo de rastreamento do marcador seja concluído.
Uma vez terminado, clique no ícone de salvar. Abra o software de análise e, em seguida, abra o arquivo de vídeo processado na interface. Clique no ícone de configuração e selecione e adicione parâmetros designados, como o ângulo do tornozelo, o ângulo do dedo do pé e o turno pélvico para a lista de exibição na janela pop-up à direita.
Clique em OK para que as curvas que representam as alterações de valor nos parâmetros apareçam na interface. Clique no ícone de medição e selecione processamento suave em seu menu pull down. Digite 20 hertz na janela pop-up para remover frequências superiores a 20 hertz dentro das curvas.
Por meio da análise cinemática 3D, a razão média da fase de postura ou oscilação no ciclo de 10 passos foi calculada automaticamente e representada na interface. Cada postura bilateral e fase de balanço em períodos de ciclo de 10 etapas para o grupo controle, uma semana após a cirurgia, três semanas após a cirurgia e seis semanas de pós-cirurgia são mostrados aqui. A forma normal do centro de gravidade se assemelha ao sinal infinito.
O centro da forma da trajetória gravitacional não voltou à forma normal até seis semanas após a cirurgia. O valor médio do ângulo do tornozelo ou do dedo do pé na fase de desarmada sugeriu que eles melhoraram em uma direção ascendente após a cirurgia. Localizar os marcos ósseos na pele raspada com o mais cuidado e corretamente possível é o mais importante.
a análise do nervo ciático pode ser realizada e revelará a relação entre alterações funcionais e histológicas.
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Visão Geral
Este estudo introduz um método de análise cinemática usando um sistema de captura de movimento 3D com quatro câmeras para avaliar a locomoção de roedores. A abordagem visa fornecer avaliações funcionais confiáveis que melhoram os métodos existentes.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Locomoção Animal
- Cinemática
Fundamentos
- Avaliações funcionais de animais de laboratório podem ser desafiadoras.
- Métodos atuais podem ter várias deficiências.
- A necessidade de uma detecção mais sensível e confiável em estudos.
- Modelos de roedores são frequentemente usados em tais avaliações funcionais.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um novo método para avaliar a locomoção de animais de laboratório.
- Melhorar a sensibilidade e confiabilidade na captura de dados funcionais.
- Abordar as limitações das técnicas de avaliação existentes.
Métodos Utilizados
- Utilizou um aparato de captura de movimento 3D e software de processamento de dados.
- Envolveu ratos LEWIS machos de 12 semanas de idade para o protocolo de avaliação.
- Análise cinemática passo-a-passo da caminhada do rato, com instruções claras de configuração e execução.
- Métodos de gravação e análise que incorporam múltiplas perspectivas de vídeo e calibração.
Principais Resultados
- O método permite o rastreamento preciso e a análise das fases de locomoção.
- Alterações notáveis observadas nos ângulos do tornozelo e dos dedos ao longo do tempo pós-cirurgia.
- Os dados apoiam insights sobre a recuperação funcional após intervenção.
- A trajetória do centro de gravidade mostrou sinais de retorno à normalidade apenas após seis semanas.
Conclusões
- Este estudo demonstra um método eficaz para análise cinemática detalhada da locomoção de roedores.
- Melhorias na confiabilidade metodológica podem melhorar significativamente a avaliação funcional na pesquisa.
- As descobertas podem avançar a compreensão dos mecanismos de recuperação locomotora em modelos animais.
Perguntas Frequentes
Executive Industry Relevance
Kinematic analysis using 3D motion capture provides a more sensitive and reliable functional evaluation method than traditional indices like SFI for rodent models of nerve injury. This approach supports target validation by enabling precise quantification of locomotor recovery, which is critical for de-risking mechanistic hypotheses in preclinical neuroscience programs. The method enhances predictive confidence in early discovery by delivering quantitative, reproducible data on neuromuscular function.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise measurement of stance/swing phase ratios and joint kinematics in nerve injury models.
- Operational Value: Reduces mechanistic ambiguity by providing high-resolution temporal and spatial locomotor data not accessible via endpoint functional indices.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variables such as ankle angle, toe angle, and center of gravity trajectory for assay standardization.
- Operational Value: Supports screening readiness through automated calculation of stance/swing phase means across multiple post-injury timepoints.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation between functional recovery and histological changes, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by tracking recovery trajectories over six weeks post-surgery.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early biology to preclinical validation by delivering functional readouts that inform target confidence and pathway modulation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via measurement of locomotor parameters that reflect sciatic nerve function.
- Screening: Delivers assay-ready quantitative outputs including pelvic shift and joint angles for compound evaluation.
- Analytics: Provides smooth-processed kinematic curves at 20 Hz cutoff for reliable inter-group comparison.
- Translational Research: Connects functional data to structural outcomes, enabling mechanistic de-risking before preclinical advancement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable locomotor phenotyping platform applicable across trauma and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through sensitive detection of functional deficits and recovery.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via calibrated 3D motion capture and software-based marker tracing.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by reducing false negatives in functional assessment.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on longitudinal locomotor recovery profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in motion capture systems, marker placement, and kinematic data processing.
- Dependent on 3D motion capture apparatus with multi-camera synchronization and calibration tools.
- Necessitates cross-team standardization for marker placement protocols and software workflows.
- Involves adaptation considerations for different rodent strains and injury models due to skin shifting artifacts.
- Limited by high equipment cost, operational complexity, and potential data deviation from soft tissue movement.
