Всестороннее понимание изменения походки, вызванного бездействием, у грызунов
6 июля 2022 г.
Настоящий протокол описывает трехмерное отслеживание/оценку движения для изображения изменения движения походки крыс после воздействия моделируемой среды неиспользования.
Наш протокол предусматривает комплексную процедуру определения параметров для совместного анализа движения. Анализ совместного движения часто осложняется из-за отсутствия всестороннего определения параметров. Мы показываем стандартные схемы определений параметров, которые универсально применимы к смежным областям.
Для начала откройте приложение MotionRecorder. Поместите крысу на ремень беговой дорожки. Увеличьте скорость ленты до 20 сантиметров в секунду.
Когда крыса начнет нормально ходить с нужной скоростью, нажмите на значок «Запись», чтобы начать захват видео. После получения от 5 до 10 последовательных шагов остановите захват, щелкнув значок Запись. Откройте приложение 3DCalculator и видеофайл для анализа.
Обрежьте видео, отрегулировав горизонтальный ползунок сверху, чтобы он содержал достаточное количество последовательных шагов. Чтобы захватить маркеры, перетащите условные обозначения маркеров на модели stick-picture на соответствующий маркер на захваченном видео и отпустите кнопку. Щелкните значок Автоматическая трассировка.
Если система не отслеживает точно маркеры или процесс отслеживания останавливается из-за потери маркера, переключитесь в ручной режим, щелкнув значок Вручную. Щелкните отсутствующую легенду маркера на картинке стика и соответствующий маркер на видео. Откройте приложение KineAnalyzer и загрузите файл.
Перейдите в Вид и нажмите на меню Редактировать маркер Мастер. Откроется окно редактирования мастера маркера. Нажмите на нужную метку или ориентир на вкладке «маркер», затем нажмите на нужный цвет.
Этот процесс обозначает каждый маркер определенному ориентиру. Затем на вкладке «ссылка» создайте линии, соответствующие каждой конечности, нажав на два маркера последовательно. Присвойте цвета созданным линиям, выбрав нужный цвет в столбце «Цвет».
Определение углов на вкладке "Угол". Назвав угол, назначьте вектор A в качестве контрольной линии, а вектор B в качестве движущейся линии, щелкнув маркеры, соответствующие каждому ориентиру. Затем определите направление угла со значением в разделе "операция" в той же вкладке.
Далее, на вкладке "расстояние", определите параметр расстояния. Выберите два соответствующих маркера в разделе Настройка расстояния. Шесть животных были случайным образом распределены либо в группу разгрузки, в которой задние конечности животного выгружались хвостом в течение двух недель, либо в контрольную группу, в которой животные оставались свободными.
Нормализованные суставные траектории для колена и лодыжки во время фазы стойки показали, что ненагруженная группа демонстрировала дальнейшие разгибания в колене и лодыжке, чем контрольная группа. Через две недели после разгрузки количественные показатели, такие как угол колена в средней стойке и угол лодыжки разгруженной группы, были значительно больше, чем у контрольной группы. Плюснево-тазобедренное расстояние, которое практически эквивалентно высоте тазобедренного сустава в средней стойке, также было значительно выше в разгруженной группе.
Этот метод дал исследователям основы того, как определить параметры движения сустава. Таким образом, они могут создать конкретные рамки для решения своих собственных исследовательских вопросов.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлен протокол трехмерного отслеживания движений для анализа изменений походки у крыс после имитации условий гиподинамии. Протокол позволяет проводить комплексный анализ движений суставов, предоставляя четкие определения параметров, применимые в различных областях исследований. В частности, изучается влияние разгрузки задних конечностей на движения коленного и голеностопного суставов при локомоции.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Поведенческий анализ
- Биомеханика
Теоретические основы
- Анализ движений суставов часто затруднен из-за плохо определенных параметров.
- Понимание дисфункции походки после разгрузки может прояснить эффекты от неиспользования.
- Используется контролируемая среда для имитации эффектов неиспользования на локомоции крыс.
- Применяется современное программное обеспечение для анализа движений для проведения точных оценок.
Цель исследования
- Разработать протокол отслеживания движений суставов в трехмерном пространстве.
- Оценить влияние разгрузки задних конечностей на механику походки.
- Предоставить стандартизированные определения параметров для широкого применения.
Используемые методы
- Основная платформа, используемая для отслеживания движений, представляет собой установку с беговой дорожкой в сочетании с приложением MotionRecorder.
- Биологическая модель состоит из крыс, подвергавшихся разгрузке задних конечностей в течение двух недель, в сравнении с контрольной группой.
- Рабочие процессы мультиомики не упоминались; основное внимание уделяется биомеханическому анализу.
- Ключевые этапы включают видеозапись локомоции, отслеживание маркеров и анализ данных с помощью KineAnalyzer.
- Нормализация траекторий суставов позволяет оценить влияние разгрузки на углы в суставах.
Основные результаты
- Результаты показывают, что в группе с отсутствием нагрузки наблюдалась большая растяжимость углов в коленном и голеностопном суставах во время фазы опоры.
- Количественные показатели выявили значительное увеличение углов в коленном и голеностопном суставах по сравнению с контрольной группой.
- Расстояние от плюсневой кости до бедра значительно увеличилось в группе с отсутствием нагрузки, что указывает на изменение биомеханики вследствие неиспользования.
- Данный метод позволяет точно определить параметры движения суставов для проведения соответствующих научных исследований.
Выводы
- В данном исследовании продемонстрирован надежный подход к количественному анализу движений в суставах в ответ на условия отсутствия нагрузки.
- Полученные результаты имеют значение для понимания биомеханических адаптаций и дефицитов, возникающих после иммобилизации.
- Данный метод служит основой для дальнейших исследований изменений походки и стратегий реабилитации.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Количественный трехмерный анализ походки на моделях грызунов позволяет объективно оценить нейромышечные и биомеханические изменения, вызванные малоподвижностью, что способствует раннему обнаружению эффектов и развитию трансляционных исследований. Данный подход обеспечивает получение стандартизированных и воспроизводимых параметров движения суставов, которые имеют решающее значение для снижения механистических рисков и повышения прогностической уверенности при выборе доклинических моделей. Этот метод улучшает процесс принятия решений по портфелю исследований, уточняя влияние отсутствия физической активности на локомоторную функцию и поддерживая корректирующее по рискам продвижение терапевтических гипотез, направленных на лечение нейромышечных расстройств.
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Обеспечивает количественную оценку нейромышечной функции после периода бездействия на моделях грызунов, соответствующих конкретным заболеваниям.
- Способствует снижению механистических рисков, предоставляя объективные параметры движения суставов для валидации мишеней.
- Повышает прогностическую достоверность при установлении связи между нейральными или скелетно-мышечными мишенями и функциональными результатами.
Скрининг и разработка анализа
- Позволяет установить валидированные, воспроизводимые показатели походки для последующего скрининга потенциальных методов вмешательства.
- Стандартизирует результаты анализа движений, что способствует разработке методов анализа и обеспечивает сопоставимость данных между различными исследованиями.
- Обеспечивает извлечение множества количественных параметров из одного набора данных, что повышает универсальность анализа.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет доклинические показатели походки с трансляционными конечными точками, имеющими значение для исследований в области нейромышечных заболеваний и реабилитации.
- Обеспечивает преемственность от этапа раннего поиска до доклинической валидации за счет использования объективных количественных показателей.
- Создает основу для принятия решений о дальнейшем продвижении проекта с учетом рисков на базе согласования функциональных биомаркеров.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод 3D-анализа движения интегрируется в континуум от поиска препарата до доклинических исследований, обеспечивая возможность проверки гипотез, стандартизации анализа и согласования трансляционных конечных точек.
- Открывающая биология: Поддерживает проверку гипотез о нейромускулярных изменениях, вызванных отсутствием нагрузки, и уточнение соответствующих путей.
- Скрининг: Обеспечивает воспроизводимые количественные показатели походки для оценки соединений или методов вмешательства.
- Аналитика: Предоставляет измерения углов в суставах и расстояний для надежного статистического сравнения экспериментальных групп.
- Трансляционные исследования: Связывает доклинические результаты с клиническими конечными точками анализа походки в нейромускулярных исследованиях.
- Корпоративное повторное использование: Предлагает стандартный, многократно используемый рабочий процесс для различных исследований походки грызунов в разных терапевтических областях.
Операционное и организационное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую уверенность и снижает механистическую неопределенность при валидации нейромышечных мишеней.
- Операционная ценность: улучшает стандартизацию, воспроизводимость и масштабируемость рабочих процессов анализа походки.
- Стратегическая ценность: оптимизирует принятие решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и повышает эффективность использования капитала за счет предоставления объективных показателей функционального состояния.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять приоритизацию терапевтических программ, направленных на борьбу с атрофией от бездействия или нейромышечной дисфункцией, с учетом оценки рисков.
Рекомендации по реализации
- Требуется опыт работы с системами захвата движения, расстановкой маркеров и программным обеспечением для 3D-реконструкции.
- Необходим доступ к многокамерным системам видеозахвата и специализированным приложениям для анализа.
- Требуется межкомандная стандартизация определений параметров и рабочих процессов обработки данных.
- Адаптация к другим моделям грызунов или контекстам заболеваний может потребовать оптимизации протокола.
- В случае сбоя автоматического отслеживания маркеров может потребоваться ручное вмешательство, что повлияет на пропускную способность.
