Aplicando o Sistema RatWalker para Análise de Marcha em um Modelo de Rato Genético da Doença de Parkinson
18 de janeiro de 2021
Aqui descrevemos o sistema RatWalker, construído redesenhando o aparelho MouseWalker para acomodar o aumento do tamanho e peso dos ratos. Este sistema usa reflexão interna total frustrada (FTIR), captura de vídeo de alta velocidade e software de análise de acesso aberto para rastrear e quantificar os parâmetros da marcha.
Este método permite quantificar de forma reprodutível as diferenças nos parâmetros da marcha. Os parâmetros da marcha podem ser avaliados em roedores que caminham livremente, e a técnica não depende de etapas invasivas, como mergulhar os pés com tinta. Demonstrando o procedimento estará Ben Lamberty.
Comece colocando uma gaiola doméstica no final da passarela antes do início de cada corrida, para servir como uma sugestão positiva para o rato atravessar a passarela. Desligue as luzes do quarto. Ligue a câmera e comece a gravar vários segundos antes que o rato seja colocado na plataforma.
Com o recinto instalado, coloque o rato no final da passarela, em frente à gaiola doméstica, e permita que ele atravesse a passarela de maneira não forçada. Pare de registrar assim que o animal chegar ao término da passarela. Limpe a passarela usando etanol a 70% e uma toalha não abrasiva entre as corridas e depois que um animal urinar ou defecar.
Em seguida, deixe o etanol evaporar antes de introduzir outro animal. Execute os ratos pela passarela um total de sete vezes durante cada período de observação, tomando as três primeiras corridas que pontuam como passagem para análise. Marque uma corrida como passageira se o animal der quatro ou mais passos consecutivos na direção da gaiola doméstica sem interrupção devido a cuidados com a tosa, pausa ou movimentos errantes.
A análise da marcha foi realizada em ratos machos do tipo selvagem e Parkin DKO aos dois meses de idade para determinar se o uso da análise cinemática da marcha poderia revelar deficiências motoras sutis antes do aparecimento de problemas motores grossos. Apesar do aumento do peso dos ratos DKO, a pressão do pé aplicada à superfície de caminhada não foi alterada. Após a avaliação de vários parâmetros de marcha em função da velocidade de caminhada, a velocidade de caminhada e o comprimento dos passos foram semelhantes entre ratos selvagens e DKO.
A variação entre ratos selvagens e DKO tornou-se aparente na fase de postura e duração do balanço em velocidades de caminhada mais lentas. A fração do ciclo de passos em que a perna está na fase de postura foi o fator de serviço. Gastou-se mais tempo na fase de oscilação do que na fase de postura, à medida que o fator de imposto diminuiu.
Além disso, enquanto as velocidades de balanço aumentaram com o aumento da velocidade em animais do tipo selvagem, a correlação foi atenuada em ratos DKO. A análise da marcha FTIR também foi usada para criar gráficos de traços de fase de postura de cada perna em relação ao corpo em ratos que caminham livremente. Ao comparar o posicionamento da pata, observaram-se alterações significativas no PEP e PEP.
Vários parâmetros adicionais foram significativamente alterados nos ratos DKO em comparação com o tipo selvagem. A velocidade de balanço dos membros posteriores esquerdo e direito foi aumentada em ratos DKO, enquanto a duração do balanço dos membros posteriores esquerdo e direito foi diminuída. A configuração consistente do equipamento, incluindo a posição da câmera em relação ao RatWalker, é importante para a implementação bem-sucedida deste protocolo.
Após a realização deste protocolo, os animais estão disponíveis para qualquer comportamento adicional ou desfechos experimentais necessários. Por exemplo, as alterações da marcha podem ser correlacionadas com alterações histológicas. Essa técnica pode ser usada para avaliar a marcha em outros modelos de roedores não DP, como modelos de ansiedade e depressão.
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Visão geral
Este estudo apresenta o sistema RatWalker, projetado para analisar a marcha em ratos que caminham livremente usando reflexão interna total frustrada (FTIR) e captura de vídeo em alta velocidade. Ele permite a quantificação precisa dos parâmetros de marcha, fornecendo insights sobre deficiências motoras, particularmente em ratos Parkin DKO geneticamente modificados.
Componentes principais do estudo
Área da ciência
- Neurociência
- Análise comportamental
- Avaliação da marcha
Fundo
- A análise da marcha em roedores geralmente depende de métodos invasivos.
- Estudos anteriores mostraram a necessidade de técnicas não invasivas aprimoradas para avaliar a função motora.
- O RatWalker é uma modificação do sistema MouseWalker para acomodar roedores maiores.
- Este sistema pode ajudar a identificar deficiências motoras sutis antes de sintomas óbvios.
Propósito do estudo
- Desenvolver um método não invasivo para análise de marcha em ratos.
- Investigar diferenças de marcha em ratos do tipo selvagem versus Parkin DKO.
- Estabelecer um protocolo confiável para rastrear parâmetros de marcha em várias tentativas.
Métodos utilizados
- O sistema RatWalker foi utilizado para analisar a marcha de ratos caminhando livremente.
- Ratos machos do tipo selvagem e Parkin DKO com dois meses de idade foram os modelos biológicos.
- Nenhum fluxo de trabalho multiômico foi mencionado no estudo.
- Os ratos caminharam pela passarela um total de sete vezes, com pontuação baseada em passos consecutivos.
- Os parâmetros de marcha foram quantificados usando FTIR e análise de vídeo.
Principais resultados
- A análise da marcha revelou diferenças significativas na fase de postura e duração do balanço dos ratos DKO em velocidades mais lentas.
- Apesar de velocidades de caminhada semelhantes, os ratos DKO exibiram parâmetros temporais de marcha alterados em comparação com ratos do tipo selvagem.
- Mudanças importantes na posição das patas e velocidades de balanço foram observadas nos ratos DKO.
- O estudo ressalta a importância da consistência do equipamento para resultados confiáveis.
Conclusões
- O sistema RatWalker permite a análise não invasiva da marcha com potencial para aplicações mais amplas em vários modelos de roedores.
- As descobertas contribuem para a compreensão da disfunção motora em modelos genéticos de doenças.
- As implicações se estendem à investigação de distúrbios de marcha relacionados a diferentes condições neurológicas.
Perguntas frequentes
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.
