Применение системы RatWalker для анализа походки в генетической крысиной модели болезни Паркинсона
18 января 2021 г.
Здесь мы описываем систему RatWalker, построенную путем перепроектирования аппарата MouseWalker для размещения увеличенных размеров и веса крыс. Эта система использует разочарованное полное внутреннее отражение (FTIR), высокоскоростной захват видео и программное обеспечение для анализа с открытым доступом для отслеживания и количественной оценки параметров походки.
Этот метод позволяет воспроизводимо количественно оценить различия в параметрах походки. Параметры походки могут быть оценены у свободно ходячих грызунов, и техника не полагается на инвазивные шаги, такие как погружение ног чернилами. Продемонстрировать процедуру будет Бен Ламберти.
Начните с размещения домашней клетки в конце дорожки перед началом каждого пробега, чтобы служить положительным сигналом для крысы, чтобы пересечь дорожку. Выключите свет в комнате. Включите камеру и начните запись за несколько секунд до того, как крыса будет помещена на платформу.
Установив вольер, поместите крысу в конце дорожки, напротив домашней клетки, и позвольте ей ходить по дорожке невынужденным образом. Прекратите запись, как только животное достигнет конечной точки дорожки. Очистите дорожку, используя 70% этанол и неабразивное полотенце между пробежками и после того, как животное мочится или испражняется.
Затем дайте этанолу испариться перед введением другого животного. Пропустите крыс через дорожку в общей сложности семь раз в течение каждого периода наблюдения, принимая первые три пробега, которые оцениваются, как проходные для анализа. Оцените бег как проходной, если животное делает четыре или более последовательных шага в направлении домашней клетки без перерыва из-за груминга, паузы или ошибочных движений.
Анализ походки был проведен на самцах крыс дикого типа и Parkin DKO в двухмесячном возрасте, чтобы определить, может ли использование кинематического анализа походки выявить тонкие двигательные нарушения до появления грубых двигательных проблем. Несмотря на увеличенный вес крыс DKO, давление ног, приложенное к поверхности ходьбы, не изменилось. После оценки нескольких параметров походки в зависимости от скорости ходьбы было обнаружено, что скорость ходьбы и длина шага схожи между крысами дикого типа и DKO.
Различия между крысами дикого типа и DKO стали очевидными в фазе стойки и продолжительности качелей на более медленных скоростях ходьбы. Часть цикла шага, где нога находится в фазе стоя, была фактором нагрузки. Больше времени было потрачено на фазу свинга, чем на фазу стойки, поскольку коэффициент дежурства уменьшился.
Кроме того, в то время как скорость качелей увеличивалась с увеличением скорости у диких животных, корреляция была притуплена у крыс DKO. Анализ походки FTIR также использовался для создания графиков следов фазы стойки каждой ноги относительно тела у свободно ходячих крыс. При сравнении положения лапы наблюдались значительные изменения AEP и PEP.
Несколько дополнительных параметров были значительно изменены у крыс DKO по сравнению с диким типом. Скорость поворота как левой, так и правой задних конечностей была увеличена у крыс DKO, в то время как продолжительность колебаний как левых, так и правых задних конечностей была уменьшена. Последовательная настройка оборудования, включая положение камеры по отношению к RatWalker, важна для успешной реализации этого протокола.
После выполнения этого протокола животные доступны для любого дополнительного поведения или необходимых экспериментальных конечных точек. Например, изменения походки могут быть коррелированы с гистологическими изменениями. Этот метод может быть использован для оценки походки в других моделях грызунов без БП, таких как модели тревоги и депрессии.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Это исследование представляет систему RatWalker, разработанную для анализа ходьбы свободно ходящих крыс с использованием фрустрированного полного внутреннего отражения (FTIR) и высокоскоростной видеозаписи. Она позволяет точно определять параметры ходьбы, предоставляя представление о моторных нарушениях, особенно у генетически модифицированных крыс Parkin DKO.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Поведенческий анализ
- Оценка ходьбы
Фон
- Анализ ходьбы у грызунов обычно основан на инвазивных методах.
- Предыдущие исследования показали необходимость улучшенных неинвазивных методов для оценки моторной функции.
- RatWalker является модификацией системы MouseWalker для использования с более крупными грызунами.
- Эта система может помочь выявить небольшие моторные дефициты до появления явных симптомов.
Цель исследования
- Разработать неинвазивный метод анализа ходьбы у крыс.
- Исследовать различия в ходьбе у диких типов и крыс Parkin DKO.
- Установить надежный протокол для отслеживания параметров ходьбы на протяжении нескольких испытаний.
Использованные методы
- Система RatWalker использовалась для анализа ходьбы свободно ходящих крыс.
- Мужские крысы дикого типа и Parkin DKO в возрасте двух месяцев являлись биологическими моделями.
- В исследовании не упоминались многоомические рабочие процессы.
- Крысы переходили через тропу всего семь раз, и оценка производилась на основе последовательных шагов.
- Параметры ходьбы измерялись с использованием FTIR и видеоанализа.
Основные результаты
- Анализ ходьбы показал значительные различия в фазе стояния и продолжительности маха лап у крыс DKO при более низких скоростях.
- Несмотря на схожие скорости ходьбы, у крыс DKO наблюдались измененные временные параметры ходьбы по сравнению с крысами дикого типа.
- У крыс DKO были замечены важные изменения в позиционировании лап и скорости маха.
- Исследование подчеркивает важность согласованности оборудования для получения надежных результатов.
Выводы
- Система RatWalker позволяет неинвазивный анализ ходьбы с возможностью более широкого применения в различных моделях грызунов.
- Результаты способствуют пониманию моторной дисфункции в генетических моделях заболеваний.
- Результаты могут быть использованы для исследования нарушений ходьбы, связанных с различными неврологическими состояниями.
Часто задаваемые вопросы
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.
