Démarche analyse des déficiences moteurs fonction de l’âge chez la souris avec la neurodégénérescence
Summary
Dans cette étude, nous montrons l’utilisation de l’analyse cinématique démarche basée sur plan ventral d’imagerie pour surveiller les changements subtils dans la coordination motrice ainsi que la progression de la neurodégénérescence avec l’âge dans des modèles murins (p. ex., endophiline mutant lignées de souris).
Abstract
Des tests de comportement moteur sont couramment utilisés pour déterminer la pertinence fonctionnelle d’un modèle de rongeur et pour tester nouvellement mis au point des traitements chez ces animaux. Plus précisément, analyse de la démarche permet de reconquérir la maladie des phénotypes pertinents qui sont observés chez des patients humains, en particulier dans les maladies neurodégénératives qui affectent des habiletés motrices comme la maladie de Parkinson (MP), la maladie d’Alzheimer (ma), amyotrophique latérale amyotrophique (SLA) et autres. Au début des études dans cette optique, la mesure des paramètres de la démarche a été laborieuse et dépendent de facteurs qui ont été difficiles à contrôler (par exemple, vitesse, fonctionnement continu). Le développement plan ventral systèmes d’imagerie (VPI) rend possible la démarche analyse à grande échelle, faisant de cette méthode un outil utile pour l’évaluation du comportement moteur chez les rongeurs. Nous présentons ici un protocole approfondi de l’utilisation de l’analyse cinématique démarche pour examiner la progression en fonction de l’âge des déficits moteurs dans des modèles murins de la neurodégénérescence ; lignées de souris avec une baisse des taux de l’endophiline, dans lequel les lésions neurodégénératives augmentent progressivement avec l’âge, sont utilisées à titre d’exemple.
Introduction
Imposent un lourd fardeau sur les patients, les familles et la société des maladies neurodégénératives et deviendront encore plus préoccupant que l’espérance de vie augmente et la population mondiale continue de vieillir. Un des symptômes plus courants des maladies neurodégénératives sont des problèmes d’équilibre et de la mobilité. Ainsi, la caractérisation du comportement moteur dans le vieillissement chez les mammifères (p. ex., un rongeur) des modèles ou des modèles montrant les phénotypes neurodégénératives, constitue un outil précieux pour démontrer la pertinence in vivo de la modèle animal spécifique (s), ou thérapeutique traitements qui visent à améliorer les symptômes de la maladie. Presque chaque approche pour traiter les maladies neurodégénératives nécessite finalement stable dans un modèle animal avant l’instauration d’un essai clinique chez l’homme. Par conséquent, il est crucial d’avoir des tests de comportement fiable et reproductible qui peuvent être utilisés pour quantifier systématiquement des phénotypes pertinents-maladie le long de la progression de l’âge, afin de s’assurer qu’un médicament candidat, qui a montré de potentiel dans un modèle in vitro , peut effectivement améliorer le phénotype chez un animal vivant.
Un des aspects de l’évaluation du comportement moteur chez les rongeurs sont l’analyse cinématique démarche, pouvant être exécutées par le VPI (également appelé plan ventral vidéographie)1,2. Cette méthode tire parti de l’enregistrement continu de la face inférieure des rongeurs marchant sur un tapis roulant transparent et motorisés ceinture1,2,3,4. Analyse le flux de données vidéo crée « patte digital prints » de quatre membres qui dynamiquement et de manière fiable récapitulent modèle marche du rongeur, initialement décrite par Kale et al. 2 et modifiée et al. 3.
Le principe de l’analyse de la démarche axée sur l’imagerie consiste à mesurer la patte en contact avec le tapis au fil du temps, pour chaque patte individuel. Chaque position est représentée par une augmentation dans la région de patte (en phase de freinage) et une diminution dans la région de la patte (en phase de propulsion). Elle est suivie de la phase pendulaire dans laquelle aucun signal n’est détecté. Swing et position ensemble forment une enjambée. En plus des paramètres de dynamique de marche, les paramètres de posture peuvent également être extraits des vidéos enregistrées. Paramètres exemplaires et leur définition sont répertoriés dans le tableau 1 et comprennent la largeur de la position (SW ; la distance combinée entre les pattes avant ou arrières et l’axe de la queue de museau), “Stridez” de longueur (SL ; distance moyenne entre deux enjambées de la patte même) ou patte de placement angle (l’angle de la patte à l’axe de la queue de museau). Les données de la posture et démarche dynamique permettent de tirer des conclusions sur l’équilibre animal (par les paramètres de position et leur variabilité au cours de plusieurs étapes) et de la coordination (par des paramètres de dynamique de marche). Autres paramètres, tels que le coefficient de l’ataxie (la variabilité SL calculé par [(max. SL−min. SL) / signifie SL]), membre postérieur partagé position (temps que les deux membres postérieurs sont en contact avec la ceinture), ou drag patte (superficie totale de la patte sur la ceinture de position complet pour la patte de Lift-off) peuvent également être extraits et ont été signalés à modifier dans divers neurodégénératives di Sease modèles5,6,7,8 (voir tableau 1).
| Paramètre | Unité | Définition |
| Swing time | MS | durée de temps que la patte n’est pas en contact avec la courroie |
| temps de position | MS | durée de que la patte est en contact avec la courroie |
| frein de % | % du temps de position | pourcentage de temps de position que les pattes sont en phase de freinage |
| propulser % | % du temps de position | pourcentage de temps de posture, que les pattes sont en phase de propulsion |
| largeur de la position | cm | combiné de distance entre les pattes avant ou arrières et l’axe de la queue de museau |
| longueur de foulée | cm | distance moyenne entre deux enjambées de la patte de même |
| fréquence de la foulée | progrès/s | numéro complet foulées par seconde |
| angle de placement patte | deg | angle de la patte par rapport à l’axe de museau-queue de l’animal |
| coefficient d’ataxie | a. u. | La variabilité SL calculé par [(max SL-min SL)/moyenne SL] |
| position partagée % | % de position | temps de patte partagé de position ; temps que les deux membres postérieurs sont en contact avec la courroie en même temps |
| patte de drag | mm2 | superficie totale de la patte sur la ceinture de position complet pour la patte de Lift-off |
| chargement de la branche | cm2 | MAX dA/dT ; taux maximal de changement de zone de patte dans la phase de rupture |
| variabilité d’angle étape | deg | écart-type de l’angle entre la biche pattes en fonction de la SL et SW |
Le tableau 1. Définition des paramètres de démarche clés qui peuvent être testés par imagerie plan ventral.
Évaluer le comportement moteur de modèles de rongeurs pour les maladies neurodégénératives peut être difficile selon la sévérité du phénotype d’un modèle spécifique à un âge donné. Plusieurs maladies, surtout de PD, spectacle comportement moteur solide (locomotion) déficits, tant chez les patients dans des modèles animaux. Un des quatre symptômes principaux dans PD est bradykinésie, qui progresse avec l’âge et se manifeste dans les handicaps graves démarche déjà dans les premiers stades de PD9. Études du modèle PD aiguë, rongeurs traités avec 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP), ont déjà utilisé le VPI démarche analyse10,11,12. Toutefois, étant donné la nature aiguë de ce modèle, ces études ne traitent pas de la progression liée à l’âge des déficits moteurs. Plusieurs études récentes ont effectué l’analyse de la démarche chez les souris âgées avec changements neurodégénératives,13,14,, par exemple15, mettant l’accent sur l’importance de comprendre la progression de la maladie avec l’âge .
En plus des déficits moteurs, modèles animaux de maladies neurodégénératives, souvent, ont des difficultés à se concentrer sur les tâches d’examen et montrent des troubles cognitifs importants, en particulier avec l’âge. Tel un phénotype peut influer sur le résultat des tests de comportement moteur. À savoir, un des tests plus largement utilisés pour examiner des déficits moteurs, les rotarod test16, s’appuie sur la cognition, l’attention et stress17,18. Alors que la volonté de marcher sur un tapis roulant motorisé dépend également de ces facteurs, l’affichage enregistré est en cours d’exécution, qui est une caractéristique plus standardisée et beaucoup moins influencé par la cognition altérée. Effets du stress et de l’attention peuvent être visibles dans les paramètres spécifiques, comme la fois swing/position pour le stress et SL pour attention19,20, mais pas dans la capacité globale de course.
L’approche de l’analyse cinématique démarche plus offre l’avantage d’avoir des options pour ajuster le défi pour les modèles de rongeurs. Le tapis de course avec vitesse et angle réglable permet de vitesses de marche allant de 0,1 – 99,9 cm/s, alors que les rongeurs ayant une déficience sévère marche peuvent encore être en mesure de rouler à une vitesse lente (~ 10 cm/s). Animaux non-voyants peut être mesurés à des vitesses plus rapide en cours d’exécution (30 – 40 cm/s). L’observation de si oui ou non les animaux testés sont capables de fonctionner à une certaine vitesse fournit un résultat en soi. En outre, le rongeur peut être en outre contesté d’exécuter un plan incliné vers le haut ou le bas une baisse, en inclinant le tapis roulant à un angle désiré à l’aide d’un goniomètre, ou en attachant un traîneau pondéré à souris ou rat des membres postérieurs.
En plus de nombreuses études sur les protéines simples qui sont mutés chez les patients, il y a une récente prise de conscience croissante des liens entre l’endocytose défectueux processus et neurodégénérescence13,21,22, 23,24,25,26,27,28. Modèles avec des niveaux réduits d’endophiline-a murins (désormais endophiline), un acteur clé dans les deux endocytose clathrine13,21,29,30,31 , 32 , 33 , 45 et endocytose clathrine indépendant34, ont été trouvés pour montrer la neurodégénérescence et déficiences de la fonction de l’âge dans l’activité locomotrice13,21. Trois gènes codent pour la famille de protéines endophiline : endophiline 1, endophiline 2 et endophiline 3. Notamment, le phénotype résultant de l’appauvrissement de la couche de protéines endophiline varie grandement selon le nombre de disparus endophiline gènes13,21. Alors que triple knock out (KO) de tous les gènes de l’endophiline est létale quelques heures après la naissance et les souris sans les deux endophiline 1 et 2 ne parviennent pas à s’épanouir et de mourir dans les 3 semaines après la naissance, KO unique pour toutes les trois endophilins ne montre aucun phénotype évidente pour testés conditions21. Autres génotypes mutants endophiline Voir la durée de vie réduite et développent des déficiences moteurs avec l’augmentation de l’âge13. Par exemple, endophiline 1KO-2HT-3KO souris affichage marche altérations et des problèmes de coordination motrice (selon les essais par rotarod et analyse de la démarche cinématique) déjà à 3 mois d’âge, tandis que leurs frères, animaux de 1KO-2WT-3KO endophiline, afficher une importante réduction de coordination motrice qu’à 15 mois d’âge13. En raison de la vaste diversité des phénotypes dans ces modèles, il est nécessaire d’identifier et d’appliquer un critère qui peut intégrer une variété de défis correspondant aux capacités de cognition et moteur de l’animal, ainsi que l’âge. Ici, nous détaillons les procédures expérimentales qui capitalisent sur l’analyse cinématique démarche pour évaluer le début et la progression du handicap moteur dans un modèle de souris qui montre les changements neurodégénératives (c.-à-d. endophiline mutants). Cela inclut la mesure des paramètres de marche à différentes époques et différentes sévérités des déficiences de la locomotion.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’étude de la coordination motrice est une approche utile dans la caractérisation de modèles de maladies neurodégénératives, en particulier pour les maladies comme PD dans laquelle la coordination motrice est durement touchée. Avec l’aide d’un test fonctionnel de l’analyse cinématique démarche, nous pouvons identifier les changements subtils dans la démarche d’animaux à l’apparition de problèmes locomoteurs, ou dans les modèles avec faible neurodégénérescence et phénotype donc relativement mo…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions les gardiens animaux à l’animalerie de l’ENI pour aide à l’élevage et Dr. Nuno Raimundo pour des commentaires utiles sur le manuscrit. I.M. est pris en charge par les subventions de la Fondation allemande de la recherche (DFG) à travers le centre de recherche en collaboration SFB-889 (projet A8) et SFB-1190 (projet P02) et le Emmy Noether Young Investigator Award (1702/1). C.M.R. est soutenu par la bourse de recherche de l’Ecole doctorale de Göttingen pour les Neurosciences, biophysique et des Biosciences moléculaires (GGNB).
Materials
| DigiGait | Mouse Specifics, Inc., Framingham, Massachusetts, USA | DigiGait Imager and Analysis Software are included with the hardware | |
| non-transparent blanket or dark cloth | cover the test chamber to reduce the animal's feeling of exposure/stress | ||
| balance | e.g. Satorius | balance with 0.1 g accuracy and a maximum load of at least 100 g | |
| red finger paint | e.g. Kreul or Staedtler | for increasing the contrast between paws and animal’s body | |
| small paint brush | soft brush to apply finger paint to the animal paws | ||
| diluted detergent | for cleaning | ||
| disinfectant, e.g. Meliseptol or 70% ethanol | e.g. B.Braun | for desinfection |
References
- Clarke, K. A., Still, l. J. Gait analysis in the mouse. Physiology and Behavior. 66, 723-729 (1999).
- Kale, A., Amende, I., Meyer, G. P., Crabbe, J. C., Hampton, T. G. Ethanol’s effects on gait dynamics in mice investigated by ventral plane videography. Alcohol Clin Exp Res. 28 (2), 1839-1848 (2004).
- Amende, I., Kale, A., McCue, S., Glazier, S., Morgan, J. P., Hampton, T. Gait dynamics in mouse models of Parkinson’s disease and Huntington’s disease. J Neuroeng Rehabil. 25, 2-20 (2005).
- Herbin, M., Hackert, R., Gasc, J. P., Renous, S. Gait parameters of treadmill versus overground locomotion in mouse. Behavioural Brain Res. 181 (2), 173-179 (2007).
- Powell, E., Anch, A. M., Dyche, J., Bloom, C., Richtert, R. R. The splay angle: A new measure for assessing neuromuscular dysfunction in rats. Physiol Behav. 67 (5), 819-821 (1999).
- Blin, O., Ferrandez, A. M., Serratrice, G. Quantitative analysis of gait in Parkinson patients: increased variability of stride length. J Neurol Sci. 98 (1), 91-97 (1990).
- Švehlík, M. D., et al. Gait Analysis in Patients With Parkinson’s Disease Off Dopaminergic Therapy. Arch Phys Med Rehabil. 90 (11), 1880-1886 (2009).
- Roome, R. B., Vanderluit, J. L. Paw-dragging: a novel, sensitive analysis of the mouse cylinder test. J Vis Exp. (98), e52701 (2015).
- Roiz Rde, M., Cacho, E. W., Pazinatto, M. M., Reis, J. G., Cliquet, A., Barasnevicius-Quagliato, E. M. Gait analysis comparing Parkinson’s disease with healthy elderly subjects. Arg Neuropsiquiatr. 68 (1), 81-86 (2010).
- Wang, X. H., et al. Quantitative assessment of gait and neurochemical correlation in a classical murine model of Parkinson’s disease. BMC Neurosci. 13, 142 (2012).
- Lao, C. L., Kuo, Y. H., Hsieh, Y. T., Chen, J. C. Intranasal and subcutaneous administration of dopamine D3 receptor agonists functionally restores nigrostriatal dopamine in MPTP-treated mice. Neurotox Res. 24 (4), 523-531 (2013).
- Zhao, Q., Cai, D., Bai, Y. Selegiline rescues gait deficits and the loss of dopaminergic neurons in a subacute MPTP mouse model of Parkinson’s disease. Int J Mol Med. 32 (4), 883-891 (2013).
- Murdoch, J. D., et al. Endophilin-A deficiency induces the FoxO3a-Fbxo32 network in the brain and causes dysregulation of autophagy and the ubiquitin-proteasome system. Cell Rep. 17 (4), 1071-1086 (2016).
- Dai, M., et al. Progression of Behavioral and CNS Deficits in a Viable Murine Model of Chronic Neuronopathic Gaucher Disease. PLoS One. 11 (9), e0162367 (2016).
- Szalardy, L., et al. Lack of age-related clinical progression in PGC-1α-deficient mice – implications for mitochondrial encephalopathies. Behav Brain Res. , 272-281 (2016).
- Rustay, N. R., Wahlsten, D., Crabbe, J. C. Influence of task parameters on rotarod performance and sensitivity to ethanol in mice. Behavioural Brain Research. 141 (2), 237-249 (2003).
- Majdak, P., et al. A new mouse model of ADHD for medication development. Sci Rep. 6, 39472 (2016).
- Ishige, A., Sasaki, H., Tabira, T. Chronic stress impairs rotarod performance in rats: implications for depressive state. Sciences du comportement. (1-2), 79-84 (2002).
- Fukui, D., Kawakami, M., Matsumoto, T., Naiki, M. Stress enhances gait disturbance induced by lumbar disc degeneration in rat. European Spine Journal. 27 (1), 205-213 (2017).
- Stuart, S., Galna, B., Delicato, L. S., Lord, S., Rochester, L. Direct and indirect effects of attention and visual function on gait impairment in Parkinson’s disease: influence of task and turning. Eur J Neuroscience. 46 (1), 1703-1716 (2017).
- Milosevic, I., et al. Recruitment of endophilin to clathrin coated pit necks is required for efficient vesicle uncoating after fission. Neuron. 72 (4), 587-601 (2011).
- Shi, M., et al. Identification of glutathione S-transferase pi as a protein involved in Parkinson disease progression. Am. J. Pathol. 175 (1), 54-65 (2009).
- Arranz, A. M., et al. LRRK2 functions in synaptic vesicle endocytosis through a kinase-dependent mechanism. J. Cell Sci. 128, 541-552 (2015).
- Quadri, M., et al. Mutation in the SYNJ1 gene associated with autosomal recessive, early-onset Parkinsonism. Hum. Mutat. 34 (9), 1208-1215 (2013).
- Krebs, C. E., et al. The Sac1 domain of SYNJ1 identified mutated in a family with early-onset progressive Parkinsonism with generalized seizures. Hum. Mutat. 34 (9), 1200-1207 (2013).
- Edvardson, S., et al. A deleterious mutation in DNAJC6 encoding the neuronal-specific clathrin-uncoating co-chaperone auxilin, is associated with juvenile parkinsonism. PLoS ONE. 7 (5), e36458 (2012).
- Cao, M., Milosevic, I., Giovedi, S., De Camilli, P. Upregulation of parkin in endophilin mutant mice. J neurosci. 34 (49), 16544-16549 (2014).
- Cao, M., et al. Parkinson sac domain mutation in synaptojanin 1 impairs clathrin uncoating at synapses and triggers dystrophic changes in dopaminergic axons. Neuron. 93 (4), 882-896 (2017).
- Farsad, K., Ringstad, N., Takei, K., Floyd, S. R., Rose, K., De Camilli, P. Generation of high curvature membranes mediated by direct endophilin bilayer interactions. J. Cell Biol. 155, 193-200 (2001).
- Ringstad, N., Nemoto, Y., De Camilli, P. The SH3p4/Sh3p8/SH3p13 protein family: binding partners for synaptojanin and dynamin via a Grb2-like Src homology 3 domain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94 (16), 8569-8574 (1997).
- Ringstad, N., et al. Endophilin/SH3p4 is required for the transition from early to late stages in clathrin-mediated synaptic vesicle endocytosis. Neuron. 24 (1), 143-154 (1999).
- Ringstad, N., Nemoto, Y., De Camilli, P. J. Differential expression of endophilin 1 and 2 dimers at central nervous system synapses. Biol. Chem. 276 (44), 40424-40430 (2001).
- Verstreken, P., et al. Endophilin mutations block clathrin-mediated endocytosis but not neurotransmitter release. Cell. 109 (1), 101-112 (2002).
- Boucrot, E., et al. Endophilin marks and controls a clathrin-independent endocytic pathway. Nature. 517, 460-465 (2015).
- Takezawa, N., Mizuno, T., Seo, K., Kondo, M., Nakagawa, M. Gait disturbances related to dysfunction of the cerebral cortex and basal ganglia. Brain Nerve. 62 (11), 1193-1202 (2010).
- Wahlsten, D. . Mouse Behavioral Testing: How to Use Mice in Behavioral Neuroscience. , (2010).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. D. Treadmill Gait Analysis Does Not Detect Motor Deficits in Animal Models of Parkinson’s Disease or Amyotrophic Lateral Sclerosis. J Mot Behav. 40 (6), 568-577 (2008).
- Hampton, T. G., Amende, I. Treadmill gait analysis characterizes gait alterations in Parkinson’s disease and amyotrophic lateral sclerosis mouse models. J Mot Behav. 42 (1), 1-4 (2010).
- Glajch, K. E., Fleming, S. M., Surmeier, D. J., Osten, P. Sensorimotor assessment of the unilateral 6-hydroxydopamine mouse model of Parkinson’s disease. Behav Brain Res. 230 (2), 309-316 (2012).
- Takayanagi, N., et al. Pelvic axis-based gait analysis for ataxic mice. J Neurosci Methods. 219 (1), 162-168 (2013).
- Zhou, M., et al. Gait analysis in three different 6-hydroxydopamine rat models of Parkinson’s disease. Neurosci Lett. 584, 184-189 (2015).
- Geldenhuys, W. J., Guseman, T. L., Pienaar, I. S., Dluzen, D. E., Young, J. W. A novel biomechanical analysis of gait changes in the MPTP mouse model of Parkinson’s disease. PeerJ. 3, e1175 (2015).
- Baldwin, H. A., Koivula, P. P., Necarsulmer, J. C. Step Sequence is a Critical Gait Parameter of Unilateral 6-OHDA Parkinson’s Rat Models. Cell Transplant. 26 (4), 659-667 (2017).
- Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. Motor coordination and balance in rodents. Curr Protoc Neurosci. , (2001).
- Milosevic, I. Revisiting the Role of Clathrin-Mediated Endocytosis in Synaptic Vesicle Recycling. Front Cell Neurosci. , (2018).
