Summary
この原稿は、アンジェルマン症候群マウスモデルを検証するための再現性の高い行動テストのセットを提示します。
Abstract
この原稿は、ASの確立されたマウスモデルにおけるアンジェルマン症候群(AS)様表現型を特徴付けるために利用可能な一連の行動試験について説明しています。ロタロッド学習パラダイム、詳細な歩行分析、巣作りテストを使用して、動物の運動障害を検出および特徴付けます。オープンフィールドでの動物の感情と高架プラス迷路テスト、およびテールサスペンションテストでの影響をテストします。ASマウスをオープンフィールドテストでテストする場合、運動機能障害は迷路でのマウスの行動に影響を与え、活動スコアを変化させるため、結果を慎重に解釈する必要があります。
提示された行動テストの再現性と有効性は、異なるノックアウトバリアントを持ついくつかの独立したUba3aマウス系統ですでに検証されており、この一連のテストをAS研究における優れた検証ツールとして確立しています。関連する構成と顔の妥当性を備えたモデルは、疾患の病態生理学を解明し、原因となる治療法の開発を可能にするために、さらなる調査を必要とします。
Introduction
アンジェルマン症候群(AS)はまれな神経発達疾患です。ASの最も一般的な遺伝的起源は、母体由来の染色体の15q11-q13領域の大きな欠失であり、これは患者のほぼ74%に見られます1。この領域が欠失すると、E3ユビキチンリガーゼをコードするASの主な原因遺伝子であるUBE3Aが失われます。ニューロンにおけるUBE3A遺伝子の父方対立遺伝子は、刷り込みとして知られるプロセスでサイレンシングされます。その結果、遺伝子の父方の刷り込みは、中枢神経系(CNS)2での母方の発現のみを可能にします。したがって、母体由来の染色体からのUBE3A遺伝子欠失は、AS症状の発症につながる。ヒトでは、ASは生後約6か月で発症し、発達遅滞はすべての発達段階を通じて持続し、影響を受けた個人に重度の衰弱症状をもたらします3,4。この障害の主な症状には、ぎくしゃくした運動失調歩行、重度の言語障害、知的障害など、細かい運動能力と粗大運動能力の欠如が含まれます。AS患者の約80%も睡眠障害やてんかんに苦しんでいます。今日まで、利用可能な唯一の治療法は、てんかん発作を軽減し、睡眠の質を改善する対症療法薬です1。したがって、再現可能な行動表現型を有する堅牢な動物モデルの開発と洗練された表現型解析は、疾患の病態生理学的メカニズムを解明し、効果的な薬物療法と治療法を発見するために不可欠です。
中枢神経系に影響を与えるヒトの疾患の複雑さは、モデル生物が同等のゲノム、生理学、および行動を有することを要求します。マウスは、生殖周期が短く、サイズが小さく、DNA修飾が比較的容易であるため、モデル生物として人気があります。1984年、Paul Willnerは、モデルの値を決定するために使用される3つの基本的な疾患モデル検証基準、つまり、構成、顔、および予測妥当性を提案しました5。簡単に言えば、構築物の妥当性は障害の発症に関与する生物学的メカニズムを反映し、顔の妥当性はその症状を要約し、予測妥当性は治療薬に対するモデル反応を記述します。
上記の原則を遵守するために、最も一般的な遺伝的病因であるUBE3A遺伝子を含む母体の15q11.2-13q遺伝子座の大量欠失を選択し、ASモデルマウスを作成しました。CRISPR/Cas9技術を用いて、C57BL/6Nバックグラウンドからマウスにおいて、UBE3A遺伝子全体にまたがる76,225 bpの長さの領域を欠失させ、遺伝子のコード要素と非コード要素の両方を網羅しました6。その後、これらの動物を繁殖させ、UBE3A+/-ヘテロ接合型マウスを得た。モデルの顔面検証のために、UBE3A+/-雌と野生型の雄の交配動物を用いてUBE3A+/-子孫(C57BL/6NCrl-UBE3A
ここで提示された行動テストは、その高い予測値と十分な構成概念の有効性のおかげで、遺伝子研究における一般的な表現型ツールに属します8,9,10。これらのテストを使用して、ヒト疾患の中核症状を再現可能な年齢に依存しない方法で再現することにより、ASのマウスモデルを検証しました。動物の感情性は、高架プラス迷路およびオープンフィールドテストで評価されました。これらのテストは両方とも、動物が食物、避難所、または交尾の機会を求めて新しい環境を探索すると同時に、不安原性コンパートメントを回避するアプローチ回避の対立に基づいています11。さらに、オープンフィールドテストは、マウスの自発運動をテストするために使用されます8。尾懸垂試験は、マウスノックアウトモデル12における新しい抗うつ薬またはうつ病様表現型をスクリーニングするために、うつ病研究で広く使用されています。このテストでは、避けられない状況で動物が時間の経過とともに発達する絶望を評価します。運動学習と詳細な歩行特性は、それぞれロタロッドとデジゲイトで決定されました。加速棒での動物の持久力は、そのバランスと運動協調能力を特徴づけますが、マウスのステップパターンの詳細な分析は、多くの神経発生運動障害に関連する神経筋障害の敏感な評価です13、14、15。ネストレットシュレッダーテストは、げっ歯類の衝動的な行動を検出するための標準的な方法論の一部であり、自然なげっ歯類の建物の行動を利用しているため、動物の健康状態を示します16,17。
実験群の規模は、3Rルールの要求を満たすための妥協とコロニー育種性能の効率的な使用の結果でした。しかし、統計的検出力を得るために、十分な量の繁殖ペアが確立されているため、グループには10人以上の個体がいました。残念ながら、繁殖性能は必ずしも十分な数の動物をもたらすわけではありませんでした。
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Protocol
この研究で使用されたすべての動物と実験は倫理審査を受け、欧州指令2010/63 / EUに従って実施されました。この研究は、チェコ中央動物福祉委員会によって承認されました。マウスを個別換気ケージに収容し、22 ± 2°Cの一定温度に12時間の明暗サイクルで維持した。マウスには、マウス固形飼料および水を 自由摂取で提供した。マウスをケージあたり3〜6匹の群で飼育した。試験前に計量以外の取り扱いは行わなかった。このプロトコルで使用されるすべての材料と機器の詳細については、 材料表 を参照してください。
1. テスト前およびテスト中の一般的な考慮事項
注:わかりやすくするために、個々のテストの説明の前に一般的なコメントが表示されます。これは、住宅室で実施され、実験装置の使用を必要としないネストレットシュレッダー試験を除いて、各試験に適用されます。
- 輸送や環境の変化に起因するストレスを最小限に抑えるために、試験前に少なくとも14日間研究施設に動物を収容してください。
- 体重は行動研究における一般的な交絡因子であるため、テスト前に動物の体重を記録します。
- 動物を収容室から輸送後少なくとも1時間実験室に順応させて、輸送ストレスを最小限に抑えるために、そのような輸送が行われるときはいつでも(すなわち、収容室で行われる雌羊細断を除く以下に説明するすべての試験)。
- 尾の各動物に無毒の水性マーカーでラベルを付けて、実験中に迅速に識別できるようにします。
- 各試行後の試験中に動物によって実験装置に沈着したすべての尿および糞便を除去する。
- 各試験動物の前後にすべての実験装置を75%アルコールで拭きます。洗浄により、試験中に堆積した嗅覚痕跡が除去され、安定した実験条件を維持するのに役立ちます。
- 動物を自宅のケージから実験装置まで、できるだけ注意して、できれば小さな不透明な容器に入れて輸送し、他の操作が必要でない限り自由に放します。
- テスト後、各動物を一時的な保持ケージに入れて、ホームケージ内のテストされていない動物に影響を与えないようにします。
- 連続した日に男性と女性をテストします。テスト中に異なる遺伝子型の順序を交互にして、実験グループ間の予測不可能な環境要因のバランスを取ります。
- すべての動物がテストされた後、動物を家のケージに戻し、収容室に戻します。
- 動物を繰り返し試験する場合は、各試験の間に少なくとも1日の間隔を維持してください。
2.行動テスト
- 高架プラス迷路 (EPM)
注:C57BL / 6NCrlおよびUBE3AmGenedel / + マウス株の雌雄は、9〜12週齢でこの研究のためにテストされました。試験時の動物の体重は、男性で22〜36 g、女性で18〜28 gの範囲でした。- プラス型の迷路をカメラのすぐ下のテストプラットフォームに置きます。壁のポテンショメーターを使用して、ルクスメーターを使用して中心の光強度を70ルクスに設定し、調整中にセンサーを迷路の中心に配置します。
- Viewer ソフトウェア アイコンをダブルクリックしてソフトウェアを開き、[構成] タブの左上にあるアイコンをクリックして EPM テスト用の構成をロードします。[ファイル] メニューから EPM プラグインを読み込みます。コンピューターのキーボードを使用して、動物情報(動物ID、遺伝子型、性別、および実験情報(日付、光強度)を[実験]タブの対応するフィールドに入力します。ゾーンの位置、開いた腕、閉じた腕が正しく構成されているかどうかを確認します。ビジュアルコントロールとコンピューターマウスを使用して、仮想アウトラインゾーンがビデオプレビューの対応するEPMゾーンと一致することを確認します。
- EPMは、動物の一般的な不安を評価するために使用されるテストであり、アプローチ回避の競合に基づいています。げっ歯類は当然、より安全な場所(閉じた腕)を支持して、明るい保護されていない領域(両手を広げる)を避ける傾向があります。この完全に自動化されたテストはビデオ追跡システムに基づいているため、ソフトウェアに各ゾーンで費やされた時間と入り口の数を自動的に計算させます。
- テスト中は、産業用赤外線に敏感なカメラ を介して 動物をビデオに記録します。ソフトウェアが記録中にリアルタイムで動物の位置を検出できるようにします。これに続いて、ソフトウェアに動物の足跡を自動的に評価させて、迷路での動物の行動を説明するすべてのパラメーターを計算させます。不安誘発性の両手を広げて過ごした時間と両手を広げた訪問の割合を使用して、動物の不安のような行動のレベルを評価します。
注意: カスタムメイドの迷路は赤外線透過性材料でできており、発光ダイオード(LED)赤外線光源プラットフォームに配置されています。 - [取得]タブの左上にある矢印アイコンにマウスカーソルを置きます。手でホームケージから動物を取り出し、EPMの中央にそっと置きます。コンピュータのマウスを左クリックしてプロトコルを起動し、すぐに実験室を出ます。
- 5分間の無料の迷路探索の後に記録プロトコルが終了したら、プロトコル終了後に表示されるウィンドウで[ OK ]をクリックして記録されたデータを保存し、ファイルに適切な名前を付けて、[ 保存]をクリックします。 [データ 分析]タブの左側の垂直パネルにあるアイコンをクリックして、オフライン分析のためにテストされた各動物の結果を.csvファイルにエクスポートします。
- 動物を手で迷路から取り出し、一時的な保持ケージに入れます。同じ方法ですべての動物のテストを進めます。Elevated Plus迷路プラグインの結果タブにある[結果のコピー]アイコンをクリックして、オフライン分析のためにすべてのテストされた動物の結果をメモ帳ファイルにコピーします。
注意: ソフトウェアとハ ードウェアは異なる場合があり、関連するマニュアルに従う必要があります。さらに、照明やコンピューターの配置などの実験設定は、動物施設の建設によって異なる場合があります。
- オープンフィールド(OF)テスト
注:オープンフィールドテストは、新しい環境での探索行動によって引き起こされる動物の全体的な動きを評価します。さらに、保護されていない明るい場所で一般的な不安を検出するためのスクリーニングツールとして一般的に使用されます。これは、前回のテストでも使用されたビデオ追跡システムを利用する完全に自動化されたテストです。- 4つのOFテストボックスをカメラのすぐ下のテストプラットフォームに置きます。壁のポテンショメーターを使用して、ルクスメーターを使用して各OFテストの中央で光強度を200ルクスに設定し、調整中にセンサーを各ボックスの中央に配置します。
- Viewer ソフトウェア アイコンをダブルクリックしてソフトウェアを開き、[構成] タブの左上にあるアイコンをクリックして OF テスト用の構成をロードします。コンピューターのキーボードを使用して、動物情報(動物ID、遺伝子型、性別、および実験情報(日付、光強度))を[実験]タブの対応するフィールドに入力します。ゾーンの位置(中央と周辺)がOFテストボックスと一致するかどうかを確認し、必要に応じて調整します。ビジュアルコントロールとコンピューターマウスを使用して、仮想の輪郭を描かれた中央ゾーンと周辺ゾーンが、ビデオプレビューの対応するOFテストゾーンと一致することを確認します。
- テスト中は、産業用赤外線に敏感なカメラ を介して 動物をビデオに記録します。ソフトウェアが記録中に動物の位置をリアルタイムで検出し、動物のトラックを自動的に評価して、OFテストボックス内の動物の行動を説明するすべてのパラメーターを計算できるようにします。歩行距離、平均速度、および休息時間は、新しい環境での動物の活動を評価するために使用されるパラメーターであり、センターエントリの数とセンターでの時間は、動物の不安のような行動を表します。
注意: カスタムメイドの迷路は赤外線透過性素材でできており、LED赤外線光源プラットフォームに配置されています。 - [取得]タブの左上にある矢印アイコンにマウスカーソルを置きます。ホームケージから4匹の動物を手で取り出し、各OFテストボックスの隅にそっと置きます。コンピュータのマウスを左クリックしてプロトコルを起動し、すぐに実験室を出ます。
- 10分間の無料の迷路探索の後にプロトコルが終了したら、プロトコル終了後に表示されるウィンドウで [OK ]をクリックしてデータを保存し、ファイルに適切な名前を付けて、[ 保存]をクリックします。 [データ 分析]タブの左側の垂直パネルにあるアイコンをクリックして、オフライン分析のためにテストされた各動物の結果を.csvファイルにエクスポートします。
- 動物を手で迷路から取り出し、一時的な保持ケージに入れます。同じ方法ですべての動物のテストを進めます。エクスポートしたデータを分析します。
注意: ソフトウェアとハ ードウェアは異なる場合があり、関連するマニュアルに従う必要があります。さらに、照明、迷路の数、コンピューターの配置などの実験設定は、動物施設の建設によって異なる場合があります。
- テールサスペンションテスト(TST)
注:3匹のマウスを自動尾部懸濁装置と同時に試験する。- 部屋の光強度を100〜120ルクスに維持します。
- TSTシステムをUSBケーブルでコンピュータに接続します。USBドングルをコンピュータに挿入し、BIO-TSTソフトウェアアイコンをダブルクリックしてソフトウェアを起動します。[グローバル]の下の[設定]タブで、取得時間を360秒に調整します。[実験] タブで [被験者の新しいリスト] を選択し、開いたタブの指示に従って、新しい実験ファイルとテスト対象の新しいリストを作成します。
- [取得] タブで [実行の開始] | [続行] をクリックして実行を開始します。トランスポア医療用テープなどの片面粘着テープを、動物の尾の約3/4にベースから始めて巻き付けて、試験用の動物を準備します。
- サスペンションフックをテープに通し、動物をその上に吊り下げます。各動物の視覚化位置の下にある [開始 ]アイコンをクリックして、フックに掛けた直後に各動物のデータ取得を開始し、テスト中に動物を継続的に観察します。
- 動物の最初のセットの取得が完了したら、[ 次の実行の開始]をクリックし、フックから動物を取り外し、粘着テープを尾から剥がし、尾に沿ってハサミでテープを慎重に切断し、動物を一時的な保持ケージに入れます。
- 75%アルコールと紙ティッシュで装置を洗浄し、上記のように残りの動物に進みます。[分析]タブで、分析のために取得の最後の4分間を選択し、[分析]期間内のすべての有効な実行を選択し、[選択した被験者の分析]をクリックして目的のデータ形式を選択し、[選択したデータのエクスポート]をクリックして、収集したデータをエクスポートしてさらに分析します。
注:テストは6分間続きます。最初の2分間は動物は激しく奮闘しますが、残りの4分間は絶望反応が蔓延するため、この期間中の不動時間が分析に取られます。ソフトウェアとハ ードウェアは異なる場合があり、関連するマニュアルに従う必要があります。さらに、機器自体は異なる場合があります(テスト位置の数など)。
- 歩行分析
- トレッドミルの電源を入れ、速度インジケーターの横にある+または-記号をクリックして、機器パネルでベルト速度を手動で20 cm / sに設定します。ノブを時計回りに回して、装置のライトをオンにします。ソフトウェアアイコンをダブルクリックしてDigiGait Imagerソフトウェアを起動し、シャッタースピードをアルビノマウスの場合は100、フィールド内の黒/暗いマウスの場合はシャッタースピードを130に設定します。
- 最初の動物をホームケージから手で取り出し、トレッドミルベルトにそっと置きます。動物コンパートメントへのドアを閉めます。動物の尻尾がドアとフレームの間に挟まっていないことを確認するために目視検査します。
- 記録する前に、マウスがトレッドミルベルトを探索できるようにします。トレッドミルをゆっくりとした歩行速度に~3秒間設定してから停止し、動物を継続的に観察することにより、動物がテストを実行できることを確認します。
- 機器パネルの スタート ボタンを押してベルトを始動し、約10秒間記録します。少なくとも10〜15ステップの明確で流暢な移動が観察可能であることを確認してください。機器パネルの 停止 ボタンを押してベルトを停止し、マウスを手で一時保持ケージに戻します。
- 流暢な手順で一連の画像の記録をスクリーニングするには、[ 再生 ]をクリックし、 編集 モードのビジュアルコントロールで記録を確認します。開始フレーム番号と終了フレーム番号を関連するフィールドに手動で書き込んで、10〜15の流暢な動きを選択します(最初のフレームの場合はフレーム# から、最後のフレームの場合は To )。動物の情報(動物ID、生年月日、性別、体重、ベルト速度、ベルト角度)を記入し、必要に応じて関連フィールドにコメントします。[ 保存] をクリックして、さらに分析するためにファイルを保存します。
- ベルトを水できれいにし、残りの動物を同じように進めます。 カメラ を選択して、次の動物の散歩の記録を続行します。すべての動物の記録が取得されたら、分析に進みます。
注意: ベルトの設定速度で歩くことができない動物は、テストから除外されます。私たちの経験に基づいて、高齢の動物(50週間以上)は、遺伝子型に応じて2%から50%の頻度で、トレッドミルの上を歩くのがより困難になることがわかりました。動物の排泄物は、トレッドミルの前面または背面にあるトレイに収集されます。トレイは各研究の後に空にされ、温かい石鹸水で洗浄されます。ベルトを湿らせた布で拭きます。 - 動物の足跡のビデオ録画の完全自動分析に基づいて歩行分析を実行します。 デジガイト解析 ソフトウェアでデータを調整します。
注:歩行分析は、運動協調の尺度だけでなく、動的歩行信号の分析に基づく詳細な運動学的記述も提供し、連続したストライドによる足の配置の時間的履歴を表します。次のパラメータがソフトウェアによって自動的に測定されます:スイング時間、スイング中のストライド時間の割合、ブレーキング時間、ブレーキング時のストライド時間の割合、推進時間、推進中のストライドの割合、スタンス持続時間、スタンスでのストライドの割合、ストライド時間、スタンスのブレーキパーセンテージ、スタンスフェーズの推進パーセンテージ、スイング対スタンス比、 歩幅、歩幅、歩幅、足角変動、歩幅変動係数、歩幅変動係数、歩角変動係数、歩幅変動係数、スイング持続時間の変動係数、ピーク立脚時の足面積、ピーク立脚時の足面積変動、 後肢共有スタンス持続時間、共有スタンスの割合、左右後方スタンス持続時間の比率、歩行対称性、制動段階におけるトレッドミルベルトと接触する足面積の最大変化率、推進段階におけるトレッドミルベルトと接触する足面積の最大変化率、タウ推進、足の重なり距離、 足の配置位置、運動失調係数、正中線距離、軸距離、および足の抗力。このソフトウェアでは、ステップトレースノイズをわずかに補正することができますが、これは統計解析の前に完了する必要があります。ソフトウェアとハ ードウェアは異なる場合があり、関連するマニュアルに従う必要があります。
- ロタロッド
注:ロタロッドテストは、げっ歯類の運動機能-バランスと運動協調を評価するために使用されます。この試験では、マウスが固定直径(5 cm)の回転棒の上を歩き、動物が止まらなくなるまで一定時間(5分)にわたって回転を加速させる必要があります。- 機器のオン/オフスイッチを押してローター機器の電源を入れ、ロッドソフトウェアアイコンをダブルクリックしてソフトウェアを起動します。[ファイル]タブで新しいファイルを初期化し、適切な名前で保存します。[セットアップ] ウィンドウで、日付、ユーザー名、最終的なコメントなど、実験の詳細を入力します。速度プロファイルを 300 秒、初速度を 4 rpm、ターミナル速度を 40 rpm に設定します。
- [動物]フィールドでテストされた動物のスケジュールを準備し、各動物をロッド上のその位置に割り当てます。位置はソフトウェアに明示的に示されていませんが、リスト行に対応しています。たとえば、最初の行はロッドの最初の位置を示し、5 番目の行はロッドの 5 番目の位置を示します。実験グループ間の各ロッド位置のバランスをとることを忘れないでください。
注:5匹の動物を同時にテストできます。 - 閉じるをクリックしてセットアップパネルを閉じ、測定をクリックして測定パネルを開きます。開始/停止をクリックしてロッドの初期回転を4rpmで開始し、最初の5匹の動物を割り当てられた位置に配置します。すべての動物がロッドに乗ったら、[プロファイルの開始]をクリックしてテストプロトコルを開始すると、ロッドは5分間で40rpmまで徐々に加速します。動物がロッドから落ちた場合は、プロトコルを開始する前にロッドに戻してください。
注:動物は通常、最初の試行中にすべてのマウスを一度にロッドに置くのに十分な時間ロッドにとどまりません。開始時に一定の回転速度で動物をロッドに置くときは、辛抱強く待つことが重要です。テストの目的は、一定の回転速度でロッド上での動物の持久力を決定することではなく、動物がロッド上にとどまることができない速度を見つけることです。ロッドの速度は、ロッドにとどまる待ち時間に比例します。したがって、それは動物のバランスを表現するために使用されます。 - すべての動物がロッドから落ちた後、または5分が経過した後、動物を一時的な保持ケージに移動します。動物の排泄物を取り除き、ロッドとトレイをアルコールできれいにします。
- クリック 動物 -> 同じ方法で次の動物グループに進みます。すべての動物をテストしたら、[閉じる] をクリックして [計測] ウィンドウを閉じ、[表示] をクリックして収集したデータを表示します。取得したデータを.csvファイル形式でエクスポートし、[CSVのエクスポート]をクリックしてさらに分析します。
- 15分の試行間隔でロッド上の各動物を3回テストします。待機時間の平均値を使用して、3 つの試行をフォールオーバーして、さらに統計分析します。テストを5日間連続して繰り返すことにより、動物の運動学習を評価します。
注意: ソフトウェアとハ ードウェアは異なる場合があり、関連するマニュアルに従う必要があります。さらに、機器自体は、たとえば、テスト位置の数、全体的な構造、およびロッドの寸法が異なる場合があります。
- ネストレットシュレッダーネストビル
- 動物を標準装備(寝具、食物メッシュ、および給水)を備えた単一のポリカーボネートマウスケージに1週間分離します。鉗子を使用して約12 gの綿の巣箱を取り、はかりを使用して手動でその重量を記録し、ケージにランダムに置きますが、給水の反対側に置きます。動物と一緒にケージを収容室に戻します。
- 体重計を使用して手動で次の4日間、毎日同じ時間に各巣の重さを量ります。重量を紙または事前に作成されたスプレッドシートに記録します。計量するときは、各ネストレットが乾いていることを確認してください。そうでない場合は、加熱パッドで乾かし、マウスが巣を作った場所で、すべての巣を同時に割り当てられたケージに戻します。ネストレットがいくつかの部分に引き裂かれている場合は、最大のものの重さを量ります。
- データ分析のために、初期重量に対する各日のネストレット重量の減少を表し、それを使用済み材料のパーセンテージとして提示します。
注:オスを一般的なケージに戻すと、動物の攻撃性が高まり、望ましくない怪我をする可能性があります。したがって、ネストレットシュレッダーテストは、動物福祉を損なうことを避けるために、テストレジメンの終わりに向かってスケジュールする必要があります。
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Representative Results
高架プラス迷路とオープンフィールドテスト
EPMおよびOFテストでは、げっ歯類が新しい環境を探索する自然な傾向を使用します18,19。探査は、げっ歯類が新しい環境の探査と起こりうる危険の回避のどちらかを選択するアプローチ回避紛争によって支配されています。動物は、避難所、社会的接触、または採餌を求めて未知の場所を探索します。ただし、新しい場所には捕食者や競合他社などの危険因子が含まれる場合があります。OFテストとEPMはどちらも、OFテストでは周辺と中央、EPMではクローズドアームとオープンアームの安全なコンパートメントと危険なコンパートメントで構成されています。げっ歯類は、開いた、高く、明るく照らされた領域と比較して、暗くて囲まれたコンパートメントを自然に好みます。したがって、訪問回数と訪問期間の減少として、または最初の訪問までの潜時の増加として表される、危険/不安原性の部分の探索の減少は、動物の不安のような行動を特徴付けます8,11。休息時間、平均速度、および総横断距離は、動物の自発的な活動に関する追加情報を提供します。不安様行動に関連するパラメータは、OF試験またはEPMのいずれにおいてもUBE3AmGenedel/+変異体において変化しなかった(図1D-G)。しかし、UBE3AmGenedel/+動物は、OF試験におけるより短い横断距離、より低い平均速度、およびより長い休息時間に反映されるように、有意に低活性であった(図1A-C)。
図1:EPMおよびOFテストにおける新しい環境に対する自発的な活動と不安反応。 (A-E)オープンフィールドの探査。UBE3AmGenedel/+動物は、より短い距離(A)で、平均速度が低く(B)、長い休息時間(C)でした。センターでの訪問回数と期間は動物間で差がありませんでした(D、E)。二元配置分散分析では、遺伝子型と性別の間に有意な交互作用はなく、有意な主遺伝子型効果が認められた(遺伝子型効果:p < 0.01、遺伝子型/ 性交作用:p > 0.7)。開放型と閉鎖型への訪問の割合は遺伝子型に依存しず(F)、不安誘発性の開放型に費やされた時間は実験群間で異なりませんでした(G)。二元配置分散分析では、有意な主効果または遺伝子型/性交は明らかにされなかった(遺伝子型効果:p > 0.9、遺伝子型/性交作用 :p > 0.9)。箱ひげ図に表示されるデータは、中央値、四分位範囲、および値の範囲を示しています。重要な事後テスト結果は*として示されます。対照動物(雌n = 10、雄n = 11)のデータは赤で、突然変異体(雌n = 9、雄n = 10)のデータは青で示されています。この図はSydingら6から採用された。略語:EPM =高架と迷路。OF = オープンフィールド。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
テールサスペンションテスト
TSTは、避けられない状況で発達した動物の絶望を測定します。尾で吊り下げられると、げっ歯類は最初の活発な活動期間の後に急速に動かなくなります。不動の期間は、「絶望」の大きさを示しています。多くの研究所は、広範囲の臨床的に活性な抗うつ薬が不動期間を短縮することを示しています9,20,21。この複雑でない検査は、潜在的な抗うつ物質のスクリーニングに一般的に使用されるようになり、抑うつ状態の神経生物学的基盤を探求する研究において、さまざまな動物系統およびトランスジェニックマウスの表現型を特徴付けるためにも利用される可能性があります9,21。UBE3AmGenedel/+動物は、対照の同腹仔よりも有意に長く動かず、うつ病のような行動を示しています(図2)。
図2:テールサスペンションテストにおける不動時間。 UBE3AmGenedel/+動物は、尾懸垂中により長い不動を示しました。二元配置分散分析では、遺伝子型/性交作用に有意な主効果が示されたが有意性は示されなかった(遺伝子型効果:p < 0.001、性効果:p < 0.001、遺伝子型/ 性交作用:p > 0.5)。 箱ひげ図に表示されるデータは、中央値、四分位範囲、および値の範囲を示しています。重要な事後テスト結果は*として示されます。対照動物(雌n = 10、雄n = 14)のデータは赤で、突然変異体(雌n = 10、雄n = 11)のデータは青で示されています。この図はSydingら6から採用された。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ロタロッドと歩行分析
神経運動障害のモデルにおけるロタロッドテストの歴史は、20世紀半ばにさかのぼります22。ロータロッドは、動物のバランスおよび運動協調性を評価するために使用されるが、それは、それらの障害が回転ロッド14から落下する著しく短い潜伏期で現れるからである。ロタロッドの繰り返しテストは、動物の運動学習能力を研究するために使用されます。最新の機器とデジタル技術の急速な発展により、げっ歯類の自発運動表現型の歩行の詳細な説明に基づいて、自動で正確かつ偏りのない評価が可能になりました23。自動歩行分析はフットプリント分析に取って代わり、神経筋欠損に対してもより敏感です14,24,25。動物の歩行の時空間特性の変化は、モデル化された病態ユニット26、27、28に固有である。UBE3AmGenedel/+変異体は、歩行指数の強力な交代を有し(図3A-G)、さらに、ロタロッドから落下する潜伏期間の減少によって確認された(図3H)。
図3:ロタロッドの詳細な歩行分析と運動学習。 (A-G) UBE3AmGenedel/+動物の歩行指数を変化させた。UBE3AmGenedel/+動物は、スイング(A)とスタンス(B)が長く、ストライドの持続時間と長さ(C、D)が長くなりました。後肢の推進時間(E)と減速(F)も増加した。分析はまた、ピークスタンス(G)でより大きな足の面積を明らかにしました。動物の測定基準パラメータも体重も異ならなかった(データは示さず)、観察された違いは動物の大きさの違いによるものではないことが示された。反復測定による二元配置分散分析では、有意な遺伝子型/性交のない遺伝子型の有意な主効果が示された(遺伝子型効果: p < 0.001;遺伝子型/性交作用:p > 0.2)。(H)ロータロッド性能の結果は、UBE3AmGenedel/+動物において落下までの潜伏時間が短いことを示している。反復測定による二元配置分散分析では、有意な交互作用なしに有意な主効果が明らかになりました(遺伝子型効果:p < 0.001;性効果:p < 0.01、遺伝子型/ 性交:p > 0.1)。 箱ひげ図に示されている歩行パラメータは、中央値、四分位範囲、および値の範囲を示します。重要な事後テスト結果は*として示されます。下降までの潜伏のデータは、SEM±平均として折れ線グラフで表示されます。 対照動物(雌n = 10、雄n = 14)のデータは赤で、突然変異体(雌n = 10、雄n = 11)のデータは青で示されています。この図はSydingら6から採用された。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ネスレットシュレッダー - 巣作り
ネストレットシュレッダーテストは、主にマウスのステレオタイプの強迫行動を検出するために使用されます29,30。しかし、マウスは巣を作るために提供された材料を引き裂く自然な傾向を示します。したがって、綿の巣箱を細断できないことは、神経発達障害の影響を受ける彼らの幸福の指標として使用されます16,31。UBE3AmGenedel/+動物は、巣を作るために使用する材料が大幅に少なく、この違いはトランスジェニック雌とその対照雌の間で特に顕著でした(図4A)。
図4:巣作りのための巣箱材料の使用。 UBE3AmGenedel/+ 動物は、対照の同腹仔よりも少ない綿の材料を細断しました。データは、正規性の前提条件を満たすために整列されたランクに変換されました。反復測定による分散分析では、遺伝子型/性交の有意性のない有意な遺伝子型効果が明らかになった(遺伝子型効果: p < 0.05、遺伝子型/性交: p > 0.4)。折れ線グラフに示されているデータは、SEM±平均を示しています。 有意な事後試験結果は*として示されます。対照動物(雌n = 10、雄n = 14)のデータは赤で、突然変異体(雌n = 10、雄n = 11)のデータは青で示されています。この図はSydingら6から採用された。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
タイムスケールのテスト
各グループ(対照および実験)は、同じ日に同じ試験を受ける。潜在的な持ち越しの影響を最小限に抑えるために、テストの間に1日の休憩が採用されています。可能であれば、女性と男性は連続した日にテストされます。それ以外の場合は、男性がテストされた後に女性がテストされます(図5)6。
図5:テストのタイムスケール。 UBE3AmGenedel/+ 動物とその対照を2つのコホートで試験した。最初のコホートのテストタイムスケールは上のパネルに表示され、2番目のコホートのテストタイムスケールは下のパネルに表示されます。男性が検査された日は青で示され、女性が検査された日は緑色で示されます。男女ともに検査された日は黄色で示されています。週末のテストは行われませんでした。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
この数値は、MDPIライセンスポリシーに従ってSydingら6 から採用されました。
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Discussion
異なるマウス系統で作成されたASモデルは、ヒトの症状との比較を容易にするために、動物の感情状態、運動機能、および認知能力のテストで一般的に検証されます31,32。ASモデルの運動欠損は、実験室全体で最も一貫した所見であり、変異体の感情状態が変化しておらず、巣作りが困難であることが続いています31,32,33。対照的に、認知障害は軽度または不在のいずれかです7,31,33。認知表現型の不一致は、Huangらによって示されているように、試験された動物の年齢に依存するようである7。したがって、この論文では、マウスとラットの両方のASモデルで同等の結果が観察されるため、再現性と年齢および種に依存しないことに基づいて一連のテストが選択されました6,31,32。
重要なことに、異なる実験設定で動物を繰り返し試験するには、事前操作に最も敏感な試験から始めて、同時にEPMやOF試験34などの次の試験への影響を最小限に抑えて、慎重な順序付けが必要であることを覚えておく必要があります。追加の懸念は、ストレスの多い状態であることが知られている動物が一戸建てであるネストレットシュレッダーテストに関係しています35。その後、共通のケージに男性をプールすると、階層の確立による攻撃性が高まります。したがって、ネストレットシュレッダーテストはテストスケジュールを締めくくる必要があります。また、女性の嗅覚の痕跡が女性の行動の影響を受けないように、女性の前に男性をテストすることも良い習慣です。試験中に異なる実験グループに属する動物を交互にすることは、動物の行動に対する予測不可能な要因の影響のバランスをとるための行動研究において重要です。EPMで試験する前に動物を扱うことは、観察されたストレス応答に影響を与えることはよく知られています。したがって、取り扱いの量は、全ての動物36について一貫していなければならない。また、これらの要因はすべてEPMおよびOF試験におけるマウスの反応に影響を及ぼし、結果にバイアスをかける可能性があるため、飼育条件(単一対グループ)、試験中、試験時間、および各動物の試験前の経験を維持することも非常に重要です37。
医薬品開発において確立されたスクリーニングツールに属する提示されたテストと、ラボ間で再現可能な結果をもたらす遺伝子組み換えマウスの表現型にもかかわらず、一部のテストは依然としてマイナーな変更の対象となる可能性があります。運動障害はAS動物モデルの表現型の主な特徴であるため、ロタロッドテストは5日間連続ではなく1日間のテストに制限される可能性があります。さらに、構築された巣の品質を記述するパラメータを、ネストレット破砕試験38に組み込むことができる。
提示された結果の明確な制限の1つは、それらの解釈のあいまいさです。特に、AS動物の運動障害は、OFテストやEPMなどの移動ベースのタスクの変化を説明できます。同様に、TSTでの不動時間の延長は、抑うつのような行動とは対照的に、AS動物がこの厳しいテスト中に発症するより大きな身体的疲労の結果である可能性があります。また、ネストレットシュレッダーテストでは、綿の使用量の減少は、巣作りの本能の喪失ではなく、神経筋表現型による可能性があります。歩幅の変化の解釈はあいまいであり、パーキンソン病の一部のマウスモデルでは短縮が観察され、老化マウスでは延長が観察されます39,40。ただし、全長の増加は、スイング時間が長くなった結果であると考えています。スイング持続時間は痛みとともに増加し、関節炎モデルでは延長され、これは、マウスにおけるより長いスイング持続時間が、体重を支える前に四肢の適切な位置決めを可能にする可能性があることを意味する41,42。推進時間とは、動物が前進運動を開始および維持するために必要な時間を指します。したがって、健康な動物における短期間は、より大きな強度およびより良い制御を示す可能性がある。これらの知見は、このASマウスモデルを特徴付けるだけでなく、歩行障害も示している。しかし、このような障害の生理学的基盤を解明するには、筋力の決定や神経筋の接続/伝達の調査など、より詳細な調査が必要です。
解釈上のジレンマにもかかわらず、提示された一連の行動テストは、ラボ間で一貫した再現可能な結果を提供し、アンジェルマン症候群の新しいマウスモデルと新しい治療アプローチのエレガントな検証ツールとして役立ちます6,31,32,43,44,45。
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Disclosures
著者は、開示すべき利益相反はありません。
Acknowledgments
本研究はLM2018126、チェコ科学アカデミーRVO 68378050、MEYS CR、OP RDE CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_013/0001789(チェコ現象ゲノミクスセンターのアップグレード:MEYSとESIFによる翻訳研究に向けての開発)、OP RDE CZ.02.1.01/0.0/0.0/18_046/0015861(MEYSとESIFによるCCPインフラストラクチャアップグレードII)、およびOP RDI CZ.1.05/2.1.00/19.0395(MEYSとERDFによるトランスジェニックモデルの高品質と容量)の支援を受けました。さらに、この研究は、チェコ共和国の教育青年スポーツ省が提供するNGO「遺伝子治療協会(ASGENT)」、チェコ(https://asgent.org/)およびチェコLM2023036フェノゲノミクスセンターから資金提供を受けました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cages, individually ventilated | Techniplast | ||
| DigiGait | Mouse Specifics, Inc., 2 Central Street Level Unit 110 Framingham, MA 01701, USA |
Equipment was tendered, no catalogue number was provided, nor could be find on company's web site | Detailed analysis of mouse gait, hardware and software provided. |
| FDA Nestlet squares | Datesand Ltd., 7 Horsfield Way, Bredbury, Stockport SK6, UK | Material was bought from Velaz vendor via direct email request. Velaz do not provide any catalogue no. | Cotton nestlets for nest building test. Nestlet discription: 2-3 g each, with diameter around 5 x 5 x 0.5cm. |
| Mouse chow | Altramion | ||
| Rotarod | TSE Systems GmbH, Barbara-McClintock-Str.4 12489 Berlin, Germany |
Equipment was tendered, no catalogue number was provided, nor could be find on company's web site | Rotarod for 5 mice, hardware and software provided. Drum dimensions: Diameter: 30 mm, width per lane: 50 mm, falling distance 147 mm. |
| Tail Suspension Test | Bioseb, In Vivo Research Instruments, 13845 Vitrolles FRANCE |
Reference: BIO-TST5 | Fully automated equipment for immobility time evaluation of 3 mice hanged by tail, hardware and software provided |
| Transpore medical tape | Medical M, Ltd. | P-AIRO1291 | The tape used to attach an animal to the hook by its tail. |
| Viewer - Video Tracking System | Biobserve GmbH, Wilhelmstr. 23 A 53111 Bonn, Germany |
Equipment with software were tendered, no catalogue number was provided, nor could be find on company's web site | Software with custom made hardware: maze, IR base, IR sensitive cameras. Custom-made OF dimensions: 42 x 42 cm area, 49 cm high wall, central zone area: 39 cm2. A custom-made EPM was elevated 50 cm above the floor, with an open arm 79 cm long, 9 cm wide, and closed arm 77 cm long, 7.6 cm wide. |
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