Summary
Footprint-analyse er et billigt alternativ til digitaliserede gangart-analyseprogrammer for forskere, der kvantificerer bevægelses anomalier i mus. På grund af sin hurtighed, enkelhed, og langsgående potentiale, er det ideelt til adfærdsmæssige fænotypebestemmelse af musemodeller.
Abstract
Måling af dyrenes bevægelse er et almindeligt adfærds værktøj, der bruges til at beskrive Fænotypen for en given sygdom, skade eller lægemiddel model. Den billige metode til gangart-analyse demonstreret her er en enkel, men effektiv måling af gangart abnormaliteter i murine modeller. Fodspor analyseres ved at male en mus fødder med ikke-giftige vaskbare maling og tillader motivet at gå gennem en tunnel på et ark papir. Udformningen af test tunnelen udnytter den naturlige muse adfærd og deres affinitet til små mørke steder. Skridtlængde, stride bredde, og tå spredning af hver mus er let måles ved hjælp af en lineal og en blyant. Dette er en veletableret og pålidelig metode, og det genererer flere målinger, der er analoge til digitale systemer. Denne tilgang er følsom nok til at opdage ændringer i stride tidligt i fænotype præsentation, og på grund af sin ikke-invasive tilgang, det giver mulighed for testning af grupper på tværs af Life-Span eller fænotypiske præsentation.
Introduction
Bevægelse kræver kompleks neurologisk og muskuloskeletale koordination, og underskud i et enkelt aspekt af motorveje kan producere observerbare ganganomalier1,2. Gait analyse er et kritisk værktøj for forskere, der tester musemodeller, fordi det giver kvantificerbare adfærdsmæssige data om, hvordan en given sygdom, skade, eller narkotika påvirker et dyrs bevægelse3. Digitaliseret gangart-analyse kræver dog køb af et løbebånd, et kamera og tilhørende software, som kan være uoverkommeligt dyrt for forskerne. Gait-analyse bruges ofte periodisk til at spore langsgående ændringer i motorisk funktion, hvorfor det kan være vanskeligt at retfærdiggøre udgifterne, hvis sporadisk anvendes4. Selv om digitaliserede analyser kan give mere detaljerede gangart-Metrics end simpel footprint-analyse, er disse mere komplekse foranstaltninger ikke altid nødvendige eller relevante for karakteriseringen af en adfærdsmæssig fænotype5.
Her præsenterer vi en lavpris manual metode til analyse af fodspor som et hurtigt og følsomt alternativ til digitaliserede gangart-analyseprogrammer6,7. Manuel fodaftryk analyse er blevet påvist at opdage betydelige gangart forskelle i et væld af murine disease modeller4,7,8,9,10,11 ,12,13,14,15,16,17og i mindst ét tilfælde identificerede denne lavpris metodeændringer i gangart, blev ikke opdaget af et fælles digitaliseret gangart-analyseprogram12. De samlede omkostninger til materialer er nominelle, og det kan nemt tilpasses andre gnaver forskningsmodeller.
Selv om der er mange forskellige gangart-Metrics, som data kan trækkes fra, fokuserer den metode, vi beskriver, på tre specifikke målinger: skridtlængde, stride bredde (alias "sporbredde") og toe spread. Det er vigtigt at bemærke, at de parametre, der skal vurderes, bør fastlægges på grundlag af model for model. Denne metode til gangart analyse er ikke designet til at måle kognitiv funktion, og det anbefales ikke til undersøgelser, der kræver komplekse biomekaniske målinger af gangart16.
Vi præsenterer adfærdsmæssige data fra en kohorte af præ-og post-symptomatiske mus modellering X-linked spinal og bulbar muskuløs atrofi (SBMA), en neuromuskulær sygdom karakteriseret ved motorisk neuron degeneration og muskelatrofi. Disse mus udvikler progressive underskud i gangpå, der falder sammen med udbrud af andre sygdomsspecifikke fænotyper. Dette viser metodens gyldighed og specificitet og bekræfter, at den pålideligt kan diskriminere mellem berørte og ikke-berørte dyr.
De eksperimentelle mus i dette studie var 2,5 (præ-symptomatiske) og 9 måneder gamle (post-symptomatiske) BAC fxAR121 Transgene mus på en C57BL/6 baggrund (nexpt= 12). Denne model blev genereret i vores laboratorium og er blevet fuldt karakteriseret som en kraftfuld musemodel af SBMA9. Ikke-transgene littermates blev anvendt som kontrol (nCTRL= 8). SBMA er en køns begrænset sygdom, der kun manifesterer sig hos mænd, så hanmus blev udelukkende brugt til denne undersøgelse. Under planlægningen etaper, skal forskerne tage hensyn til National Institutes of Health 's overvejelser om køn som en biologisk variabel til at bestemme gruppestørrelser og sammensætning18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle tests udført med mus blev gennemgået og godkendt af det institutionelle dyrepleje-og Brugsudvalg (IACUC) fra Duke University. Det personale, der er ansvarligt for afprøvning og scoring, skal være blændet til dyre genotype eller eksperimentel tilstand, indtil gangart-analyse og scoring af papirer er afsluttet for hele kohorten.
1. klargøring af testmateriale
- Udfør test med en tunnel bygget fra 3 præ-cut klar akryl paneler, der er 0,375 inches tyk. Saml tunnel ved limning paneler sammen med en fugemasse, der specifikt obligationer akryl og vil ikke udsende lugte når tørret.
- For standard C57BL/6-mus skal du bruge følgende tunnel målinger: 2,5 i. Wide, 3 i. High og 13 i. Long. Mus skal være i stand til komfortabelt at gå gennem tunnelen og tage nok skridt (> 4), så gangart kan måles.
- Konstruere målet kammer med præ-cut grå akryl paneler 0,375 inches tyk, limet sammen med samme fugemasse som anvendes på tunnelen. De indvendige målinger af kammeret er 4 i. bred, 4 i. lang, og 3 i. høj. Matche åbningen af dette kammer til åbningen af tunnelen (2,5 i. Wide x 3,0 i. Tall). Fordi musene naturligt foretrækker mørkede rum til veloplyste rum, skal du bruge materiale, der er uigennemsigtigt og mørkt i farve.
- Brug papir til sporings trin, der er tykke og glatte (Akvarelpapir fungerer godt). Skær enkelte papirstrimler til at være lidt bredere og længere end bredden og længden af tunnelen. Hvis du bruger de tunnel dimensioner, der er beskrevet her, skal du skære papir til 15 i. Long med 3,5 i. Wide.
- Brug to kontrastfarver (f. eks. grøn og lilla) af ikke-giftig vaskbart vandbaseret maling. Tildel en farve til baglemmer, den anden til forbimbs. Mus vil slikke den resterende maling fra deres fødder efter testning, så den valgte maling skal være helt ikke-giftige.
- Brug to runde tønde pensler, en for hver maling farve (~ 0,5 cm i diameter, koniske/spidst børste spids).
- Vælg en lineal med markeringer ned til millimeter, og en caliper med målinger ned til 0,1 mm. blyant anbefales at skrive på scoring papirer.
- Valgfrit: for dyr med høj angst eller lav motivation, give en adfærdsmæssig incitament i målet kammer. Dette kan omfatte små mængder af steriliseret solsikkefrø (placeret i hjemmet bur 2 dage før testning for at tillade habituation). På testdagen skal du placere solsikkefrø inde i målkammeret for at opmuntre mus til at gå igennem uden at stoppe.
2. data indsamling
- Hvis testen udføres i et separat rum, skal du acclimere musene til det nye rum i 30 minutter og derefter starte de adfærdsmæssige assays. Desuden, fordi mus er naturligt natlige, sikre alle mus er fuldt vågen og advare i mindst 5 minutter før testning.
- Forbered test opsætningen ved at placere tunnelen over papiret og markere papiret med muse-ID og testdato. Placer målkammeret i enden af tunnelen, og Tilslut begge åbne ender. Tilsæt solsikkefrø i slutningen af tunnelen (inde i målkammeret) for motivation, hvis det er nødvendigt.
- Fjern musen til at blive testet fra sit bur og greb det fast ved sin Scruff, så sørg for at gribe halen til at stabilisere bevægelsen af sine baglemmer.
- Maling forpoterne så hele undersiden af alle tæer og midten af foden er fuldt dækket af maling. Gentag dette med en kontrast farve maling på dens bagpoter. Tør enhver maling, som musen får på andre dele af sin krop med en ren fugtig klud for at forhindre pletter, der kan forstyrre dataindsamlingen.
Bemærk: mus håndtering skal udføres af erfarne forskere for at minimere dyrs stress. - Placer musen i starten af tunnelen og lad den gå hele vejen ind i målet kammer, og derefter hente musen, forsigtigt tørre fødderne med en vand-dæmpet klud, og returnere den til sit hjem bur.
- Lad papir med fodspor tørre helt, inden du scorer. Aftør testområdet og tunnelen med ethanol eller en tilsvarende rengøringsløsning mellem hvert dyr.
3. scoring kriterier
- Brug trin, der konsekvent er fordelt med klare, ikke-tilsmudset fodspor til scoring. Figur 1b er et godt eksempel på en fodspor sekvens, der kan scores. For at generere tilstrækkelige scorings data skal der være mindst 2 på hinanden følgende trin fra hver fod, men 4-6 trin pr. fod anbefales. Medtag ikke de første og sidste fodspor på papiret, da det er usandsynligt, at de repræsenterer normal gangtid, fordi musen ændrer sin ganghastighed.
- Brug skridtlængde, stride bredde og tå spredt som tre forskellige målinger af gangtid, der kan analyseres ved hjælp af denne metode.
Bemærk: skridtlængde og bredde kræver klare sekventielle udskrifter, hvor forfods området er veldefineret i Paint. Toe Spread kræver ikke sekventielle udskrifter til scoring, kun klare udskrifter af de første og sidste tæer på en enkelt fod. Men hvis et bestemt fodaftryk ikke er inkluderet i målinger af skridtlængde eller bredde, kan det ikke ikke blive scoret for tå spredning. Alle tre foranstaltninger vurderes i centimeter.- Definer skridtlængde som afstanden mellem to sekventielle fodspor skabt af samme fod (dvs. en stride) (figur 1A, 1B).
- Med en blyant, tegne en 2-4 mm cirkel omkring forgrunden-foden regionen af begge forbimb fodspor (identificeret ved tildelte farve ovenfor) i et enkelt skridt og trække en linje mellem dem ved hjælp af en lineal.
- Optag afstanden mellem to udskrifter fra midten af hver cirkel (dvs. midten af hver fodpude) som højre-fore 1 (RF1) eller venstre-fore 1 (LF1).
- Gentag dette for alle trin, der kan scores (RF2, LF2, RF3, LF3 osv.).
- Gentag for højre og venstre bagben fodspor.
- Gennemsnitlige alle individuelle registrerede skridt afstande for hver lemmer. Til statistisk analyse kan de enkelte kohorte medlemmer gennemsnitligt sammensættes.
- Definer skridt bredde som mål for afstanden mellem venstre og højre forbimbs eller baglemmer (figur 1A, 1B).
- For at vurdere denne afstand skal du tegne og måle en linje fra den cirklede forfods region af en bagende, der skærer vinkelret med linjen for skridtlængde på den kontralaterale bagled.
- Gentag dette for alle fingeraftryk, der kan scores, og derefter gennemsnitlige målinger. Beregningsmetoden for stride bredde er den samme for fore-og baglemmer.
- Definer tå spredning som afstanden mellem første og sidste tæer på en enkelt fore-eller bagben fodaftryk (figur 1a, 1B).
- Brug kalibre til at måle afstanden mellem spidsen af den første tå print og spidsen af den sidste tå print.
- Gentag for alle fingeraftryk, der kan scores og gennemsnitlige målinger. Beregningsmetoden for spændet er den samme for fore-og baglemmer.
- Definer skridtlængde som afstanden mellem to sekventielle fodspor skabt af samme fod (dvs. en stride) (figur 1A, 1B).
- Hvis papiret ikke kan scores, skal du lade dyret hvile i 10 minutter, før du prøver igen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Med et tilstrækkeligt antal dyr, denne procedure er i stand til at påvise gangskit forskelle mellem mus genotyper, inden for samme stamme over tid. Figur 1b viser repræsentative spor af fodspor billeder indsamlet i vores laboratorium, ved hjælp af en musemodel af X-linked spinal og bulbar muskelatrofi (SBMA), en neurodegenerative lidelse, der påvirker lavere motoriske neuroner og skeletmuskulatur. Vi har tidligere rapporteret, at mandlige BAC fxAR121 Transgene mus udvikle betydelige vægttab, funktionsnedsættelser i Grip styrke, og forkortet skridtlængde i post-symptomatiske aldre i forhold til ikke-transgene littermate kontrol9.
Her præsenterer vi gangart-analyseresultater fra en kohorte af præsymptomatisk (2,5 måneders alderen) og post-symptomatisk (9 måneders alderen) BAC fxAR121 transgene og littermate Control hanmus (figur 2). Før sygdommens indtræden viser BAC fxAR121 Transgene mus lignende skridtlængde, stride bredde og tå spredning sammenlignet med deres littermate ikke-transgene kontrol. Efter sygdommens indtræden viser BAC fxAR121 Transgene mus signifikant kortere skridtlængde (pabduktion af forben= 0,001, pbagben= 0,009) (figur 2a). Tilsvarende langsgående analyse viste ingen forskelle i stride bredde i nogen af de testede alder (p2.5 måneder= 0,709, p9 måneder= 0,204) (figur 2b). Post-symptomatiske BAC fxAR121-Transgene-mus har også signifikant smallere bagtå-spredning (p = 0,01) end alders matchede litteratur styringer (figur 2c). BAC fxAR121-mus model en neuromuskulær sygdom, der primært påvirker baglemmer, så detaljerede foranstaltninger af forbimb gangart blev ikke indsamlet. Vi opfordrer forskere, der bruger denne gangart analysemetode til at overveje Fænotypen af deres musemodeller og vælge forbimb eller bagekstremitet gangart målinger i overensstemmelse hermed.
Figur 1: foranstaltninger til analyse af Gait og fejlfinding.
A. skematisk gengivelse af gangart-analyse på mus, der skildrer skridtlængde, stride bredde, og tå Spread information. B. repræsentativt eksempel på en gangsekvens af gangart-analyse, som kan bedømmes, og som afbilder måling af alle tre parametre. C. repræsentative eksempler på problematiske gangart-analyse fodspor, der ikke kan scores. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: SBMA BAC fxAR121-Transgene-mus udviser en progressiv, neurodegenerativ gangart-fænotype, der kan påvises via gangart-analyse.
A. på trods af ingen forskelle i præ-symptomatiske aldre (2,5 måneder, nCTL= 11, nexpt= 12), udvikler BAC fxAR121 mus signifikant reduceret skridtlængde sammenlignet med deres ikke-transgene littermate kontrol på post-symptomatiske stadier (9 måneder, nCTL= 8, nexpt= 12). B. der blev ikke fundet ændringer i stride bredde i begge aldre. C. SYMPTOMATISKE SBMA BAC fxAR121 Transgene mus viser signifikant reduceret bagekstremitet tå spredning sammenlignet med ikke-transgene littermate kontrol. N = 8-12/gruppe. ANOVA med en post-hoc Tukey-test * p < 0,05, * * p < 0,01. Fejllinjer repræsenterer SEM. Klik venligst her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ved hjælp af den billige gangart analysemetode, der er beskrevet ovenfor, viser vi en vellykket identifikation af flere parametre for gangart dysfunktion i post-symptomatiske aldre i BAC fxAR121 musemodel af SBMA. Fald i skridtlængde er i overensstemmelse med tidligere SBMA-undersøgelser af musemodeller og humane patienter9. Vi viser også for første gang, at der er betydelige forskelle i baglemmer tå spredning i symptomatisk SBMA mus sammenlignet med ikke-transgene littermate kontrol. Interessant, fald i bagtå spredning kan være forårsaget af svaghed i pote extensor muskler, tæthed i Paw flexor muskler, eller dårlig nerve innervation2,19, som også er i overensstemmelse med etiologien af SBMA.
Musene skal let køre til målet kammer på grund af deres naturlige adfærdsmæssige præference for små mørke rum, men nogle mus kan ikke kontinuerligt bevæge sig gennem tunnelen. Hvis en mus hopper, stopper eller vender rundt i tunnelen (Se eksemplerne i figur 1c), gentages analysen efter en hvileperiode på et nyt scorings papir. Resultaterne kan blive reddet, hvis en mus stopper i begyndelsen af tunnelen, da det ofte kan være forsigtigt prodded til at køre til målet boksen.
Anvendelse for meget eller for lidt maling til en mus fødder kan producere ubrugelige resultater. Overskydende maling kan føre til tilsmudset eller forvrænget tryk, mens utilstrækkelig maling kan producere svage eller uidentificerbare udskrifter (figur 1c). I begge tilfælde gentages analysen på et rent scoring papir for at forhindre unøjagtige målinger.
Meget unge mus (< 3 måneder gamle) er mere tilbøjelige til at hoppe frem i tunnelen, hvorimod ældre (> 8 måneder gamle) eller meget fænotypiske mus er mere tilbøjelige til at stoppe eller modstå fremad bevægelse helt. Tilføjelse af en adfærdsmæssig incitament (solsikkefrø) i målet kammer kan hjælpe med at mindske hyppigheden af problematisk adfærd ved at tilskynde umotiverede mus til at krydse tunnelen uden at stoppe.
Tunnelens dimensioner skal afspejle motivet; Hvis du bruger mus, der er betydeligt større eller mindre end en gennemsnitlig Lab-mus (på grund af alder, kost eller genetiske mutationer), anbefaler vi at ændre tunnel-og målkammerets dimensioner, så de passer til dyrets størrelse. I tunnelen, bør musene være i stand til at gå komfortabelt i en lige linje, men bør have nogle problemer med at vende rundt for at modvirke denne adfærd. Målet kammer bør matche højden af tunnelen og mus bør passe komfortabelt inde i kammeret.
Forskere, der bruger tå-klipning metode identifikation for deres mus kan ikke være i stand til at indsamle data om toe Spread, men andre foranstaltninger af gangbar som skridtlængde og stride bredde kan stadig indsamles. Toe-klipning påvirker ikke i væsentlig grad gangart i mus, så længe der ikke er mere end to tæer, der klippes per mus20.
Denne gangart analysemetode afspejler ikke kognitiv funktion, så det bør ikke bruges som et mål for kognition. Andre har til hensigt at bruge denne metode bør overveje de neuromuskulære grupper påvirket i deres musemodel, og derefter vælge fore-eller bagekstremitet målinger i overensstemmelse hermed. Denne metode til gangart analyse anbefales ikke til forskere, der studerer smerte respons kræver fodpanel injektioner, eller for undersøgelser, der kræver biomekaniske foranstaltninger af bevægelse, som ikke kan beskrives ved fodspor alene, ligesom tidsmæssige målinger af lemmer bevægelse eller fælles rotation21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke A.M. for hjælp til dyreidentifikation. Dette arbejde blev støttet af tilskud fra de amerikanske National Institutes of Health (R01 7 RF1 AG057264 til A.R.L.S. og C.J.C. og R01 NS100023 til A. R. L. S) og den muskuløse Dystrophy Association (grundforskning tilskud til A.R.L.S., Udviklingstilskud til C.J.C.).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Caliper | n/a | n/a | must have markings down to 0.1 mm |
| Craft Glue | E6000 | n/a | |
| Footprint Paint (Tempera Paint) | Artmind | n/a | must be non-toxic |
| Round Barrel Paintbrushes | Symply Simmons | n/a | 0.5 cm diameter |
| Ruler | n/a | n/a | must have markings down to millimeters |
| Scoring Paper (Watercolor Pads) | Canson | n/a | cut to size |
| Tunnel and Goal Chamber | Interstate Plastics | n/a | cut to size |
References
- Clarke, K. A., Still, J. Development and consistency of gait in the mouse. Physiology & Behavior. 73 (1-2), 159-164 (2001).
- Mendes, C. S., et al. Quantification of gait parameters in freely walking rodents. BMC Biology. 13, 50 (2015).
- Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. Motor coordination and balance in rodents. Current Protocols in Neuroscience. , Chapter 8 Unit 8 (2001).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Exercise induces behavioral recovery and attenuates neurochemical deficits in rodent models of Parkinson's disease. Neuroscience. 119 (3), 899-911 (2003).
- Pallier, P. N., Drew, C. J., Morton, A. J. The detection and measurement of locomotor deficits in a transgenic mouse model of Huntington's disease are task- and protocol-dependent: influence of non-motor factors on locomotor function. Brain Research Bulletin. 78 (6), 347-355 (2009).
- Sugimoto, H., Kawakami, K. Low-cost Protocol of Footprint Analysis and Hanging Box Test for Mice Applied the Chronic Restraint Stress. Journal of Visualized Experiments. (143), (2019).
- Carter, R. J., et al. Characterization of progressive motor deficits in mice transgenic for the human Huntington's disease mutation. Journal of Neuroscience. 19 (8), 3248-3257 (1999).
- Barlow, C., et al. Atm-deficient mice: a paradigm of ataxia telangiectasia. Cell. 86 (1), 159-171 (1996).
- Cortes, C. J., et al. Muscle expression of mutant androgen receptor accounts for systemic and motor neuron disease phenotypes in spinal and bulbar muscular atrophy. Neuron. 82 (2), 295-307 (2014).
- D'Hooge, R., et al. Neuromotor alterations and cerebellar deficits in aged arylsulfatase A-deficient transgenic mice. Neuroscience Letters. 273 (2), 93-96 (1999).
- Fernagut, P. O., Diguet, E., Labattu, B., Tison, F. A simple method to measure stride length as an index of nigrostriatal dysfunction in mice. Journal of Neuroscience Methods. 113 (2), 123-130 (2002).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. W. Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson's disease or amyotrophic lateral sclerosis. Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).
- Harper, S. Q., et al. RNA interference improves motor and neuropathological abnormalities in a Huntington's disease mouse model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (16), 5820-5825 (2005).
- Lin, C. H., et al. Neurological abnormalities in a knock-in mouse model of Huntington's disease. Human Molecular Genetics. 10 (2), 137-144 (2001).
- Sopher, B. L., et al. Androgen receptor YAC transgenic mice recapitulate SBMA motor neuronopathy and implicate VEGF164 in the motor neuron degeneration. Neuron. 41 (5), 687-699 (2004).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Detection of behavioral impairments correlated to neurochemical deficits in mice treated with moderate doses of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine. Experimental Neurology. 178 (1), 80-90 (2002).
- Wheeler, V. C., et al. Early phenotypes that presage late-onset neurodegenerative disease allow testing of modifiers in Hdh CAG knock-in mice. Human Molecular Genetics. 11 (6), 633-640 (2002).
- Clayton, J. A., Collins, F. S. Policy: NIH to balance sex in cell and animal studies. Nature. 509 (7500), 282-283 (2014).
- Maricelli, J. W., Lu, Q. L., Lin, D. C., Rodgers, B. D. Trendelenburg-Like Gait, Instability and Altered Step Patterns in a Mouse Model for Limb Girdle Muscular Dystrophy 2i. PLoS One. 11 (9), e0161984 (2016).
- Castelhano-Carlos, M. J., Sousa, N., Ohl, F., Baumans, V. Identification methods in newborn C57BL/6 mice: a developmental and behavioural evaluation. Lab Animals. 44 (2), 88-103 (2010).
- Lakes, E. H., Allen, K. D. Gait analysis methods for rodent models of arthritic disorders: reviews and recommendations. Osteoarthritis Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).
