Yaş bağımlı Motor bozuklukları ile ateş farelerde, yürüyüş analizi
Summary
Bu çalışmada, biz ventral uçak motor koordinasyon yanı sıra ateş fare modelleri (Örneğin, endophilin mutant çağda ilerleyen ile ilerleme ince değişiklikleri izlemek için Imaging temel kinematik yürüyüş analizi kullanımını göstermektedir fare hat).
Abstract
Motor davranış testleri genellikle bir kemirgen modelinin fonksiyonel uygunluğu belirlemek için kullanılır ve bu hayvanların tedavilerde yeni test etmek için geliştirilmiştir. Özellikle yürüyüş analizi recapturing hastalığı özellikle Parkinson hastalığı (PD), Alzheimer hastalığı (Ah), amyotrofik gibi motor yeteneklere etkiler nörodejeneratif hastalıklarda insan hastalarda gözlenen ilgili fenotipleri sağlar lateral skleroz (ALS) ve diğerleri. Bu hat boyunca erken çalışmalarda, yürüyüş parametrelerinin ölçüm zahmetli ve kontrol etmek zor faktörlere bağlıydı (koşma hızı,Örneğin, sürekli çalışan). Ventral uçak görüntüleme (VPI) sistemlerinin geliştirilmesi mümkün yapım bu yöntemi motor davranış değerlendirilmesi için yararlı bir araç kemirgen bir büyük ölçekli, yürüyüş analizi gerçekleştirmek için yapılmış. Burada, ateş fare modelleri içinde motor açıkları yaş bağımlı ilerleme incelemek için kinematik yürüyüş analizi kullanmak hakkında derinlemesine bir iletişim kuralı mevcut; fare satırları azalan endophilin, hangi nörodejeneratif hasar giderek yaş ile artar düzeyde bir örnek olarak kullanılır.
Introduction
Nörodejeneratif hastalıklar ve hastalar, aileler ve toplum üzerinde önemli bir yük empoze daha büyük endişe yaşam beklentisi artış olarak olacak ve dünya nüfusunun yaş için devam ediyor. Nörodejeneratif hastalıkların en sık görülen belirtiler bir denge sorunu vardır. Böylece, karakterizasyonu yaşlanma memeli (Örneğin, kemirgen) motor davranış modelleri ve/veya nörodejeneratif fenotipleri, gösterilen modelleri olduğunu in vivo alaka belirli hayvan model (ler), ya da tedavi göstermek için değerli bir araç Bu hastalık belirtileri geliştirmek amacı tedavileri. Nörodejeneratif hastalıkları tedavi etmek için hemen hemen her yaklaşım sonuçta hayvan modelinde bir klinik insanlarda inisiyasyon önce sınama gerektirir. Bu nedenle, bir vitro modelde potansiyel gösterdi, bir aday ilaç olabilir sağlamak için sürekli olarak yaş ilerlemesi, boyunca hastalık ilgili fenotipleri ölçmek için kullanılabilir güvenilir ve tekrarlanabilir davranış testleri önemlidir etkili bir şekilde yaşayan hayvan fenotip iyileştirmek.
Bir motor davranış değerlendirme Rodents VPI (Ayrıca denilen ventral uçak videografisi)1,2tarafından gerçekleştirilen kinematik yürüyüş analizi yönüdür. Kurulan bu yöntem bir şeffaf ve Motorlu Koşu bandı kemer1,2,3,4yürüyüş kemirgenler alt sürekli kayıt capitalizes. Video veri akışı analizi “dijital pençe izleri” dinamik ve güvenilir bir şekilde özetlemek kemirgen ‘s yürüyen desen, özgün olarak Kale ve ark. tarafından açıklandığı gibi bütün dört ekstremitelerin oluşturur 2 ve Amende vd. 3.
Zamanla, her bireysel pençe için koşu bandı kemeri ile temas pençe alanı ölçmek için görüntüleme tabanlı yürüyüş analizi prensibidir. Her duruş pençe alanının (fren faz) ve pençe alanındaki bir düşüş (itiş aşamasında) bir artış ile temsil edilir. Bu sinyal tespit salıncak aşaması gelir. Salıncak ve duruş birlikte bir adım oluşturuyor. Yürüyüş dynamics parametrelerin yanında, duruş parametreleri de kayıtlı videolardan elde edilebilir. Örnek parametreleri ve bunların tanım Tablo 1 ‘ de listelenen ve duruş genişliği (SW; burun-kuyruk eksen ön veya arka paws kombine mesafe) dahil, uzunluğu (SL; aynı pençe iki adımlar arasındaki ortalama uzaklığı) stride veya yerleşim pençe açı (pençe çizgisi burun-kuyruk eksen için). Duruş ve yürüyüş dynamics veri (duruş parametreleri ve onların değişkenlik birkaç adım üzerinden tarafından) hayvan denge ve koordinasyon (tarafından yürüyüş dynamics parametreleri) üzerinde sonuç çıkarmayı sağlar. Ataksi katsayısı ([tarafından (maks. hesaplanan SL değişkenliği gibi diğer parametreleri SL−min. SL) / SL demek]), arka bacak duruş süresi (time) her iki arka bacaklarda kemer ile temas halinde olan, paylaşılan veya pençe sürükle (Ümumi sahəsi kemer üzerinden tam duruş kalkış pençe pençe) de elde edilebilir ve çeşitli nörodejeneratif di değiştirilecek bildirilmiştir sease modelleri5,6,7,8 (bkz. Tablo 1).
| Parametre | Birim | Tanımı |
| salıncak zamanı | MS | süre belgili tanımlık pençe kemer ile temas halinde değil |
| duruş zamanı | MS | zaman pençe kemer ile temas süresi |
| % fren | duruş zaman % | belgili tanımlık paws fren aşamasındadır duruş zamanın yüzdesi |
| % itmek | duruş zaman % | belgili tanımlık paws itiş aşamasındadır duruş zamanın yüzdesi |
| duruş genişliği | cm | burun-kuyruk eksenine uzaklığı ön veya arka paws |
| adım uzunluğu | cm | aynı pençe iki adımlar arasındaki ortalama uzaklığı |
| adım frekans | adımlar/s | tam adımlar saniyede sayısı |
| pençe yerleşim açı | değ | pençe ile ilgili olarak hayvan burnu-kuyruk ekseninin açısı |
| ataksi katsayısı | yapıyordum | SL SL değişkenlik hesaplanan [(max SL-min SL)/demek] |
| % Paylaşılan duruş | duruş % | Hind paylaşılan bacak duruş zaman; Her iki arka bacaklarda kemer ile temas halinde aynı zamanda çoğu zaman |
| pençe sürükle | mm2 | Ümumi sahəsi kemer üzerinden tam duruş kalkış pençe pençe |
| bacak yükleme | cm2 | MAX dA/dT; pençe alan değişim en son aşamasında maksimal oranı |
| adım açısı değişkenlik | değ | Standart sapma hind arasındaki açının SL ve SW bir fonksiyonu olarak paws |
Tablo 1. Ventral uçak görüntüleme tarafından test edilecek anahtar yürüyüş parametreleri tanımı.
Kemirgen modelleri nörodejeneratif hastalıklar için motor davranışını değerlendirme belirli bir modeli fenotip önem bağlı olarak belirli bir yaşta zor olabilir. Çeşitli hastalıklar, en belirgin PD, gösteri güçlü motor davranış (hareket) açıkları, hem hastaların hem de hayvan modellerinde. PD dört anahtar semptomlar biridir bradikinezi, yaşlanma ile ilerler ve şiddetli yürüyüş bozuklukları içinde zaten PD9erken dönemlerinde ortaya çıkar. Akut PD modelinin kemirgenler (MPTP), 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin ile tedavi çalışmaları zaten VPI yürüyüş analizi10,11,12kullandık. Ancak, bu model akut doğası göz önüne alındığında, bu çalışmalar motor açıkları yaşa bağlı ilerlemesini gidermez. Birkaç son yıllarda yapılan çalışmalarda ilerleyen yaş ile hastalık ilerleme anlama alaka vurgulayan örneğin13,14,15, yürüyüş analizi ile nörodejeneratif değişiklikler, yaşlı farelerde yaptık .
Ek olarak motor açıkları, nörodejeneratif hastalıkların hayvan modelleri genellikle muayene görevler üzerinde odaklanan zorluklar ve belirgin bilişsel bozuklukları, özellikle ilerleyen yaş ile göstermek. Böyle bir fenotip motor davranış testleri sonucu etkileyebilir. Yani, bir motor açıkları, rotarod test16, incelemek için en çok kullanılan testlerin biliş, dikkat ve stres17,18dayanmaktadır. Motorlu Koşu bandında yürümek için istekli, Ayrıca bu etmenlere bağlı iken, daha standart bir özellik olduğu kaydedilen eşleştirmeyi çalışıyor ve çok daha az tarafından değiştirilmiş biliş etkilemiştir. Stres ve dikkat etkileri stres ve dikkat19,20SL swing/duruş zamanı gibi belirli parametreleri ama genel çalışan yetenek görülebilir.
Kinematik yürüyüş analizi yaklaşımı daha fazla mücadele kemirgen modelleri için ayarlamak için size seçenekler sahip olmanın avantajı sunmaktadır. Koşu Bandı ayarlanabilir açı ve hızlı hız 0.1 – 99.9 cm yürüyüş sağlar/s, böylece kemirgenler şiddetli yürüme bozukluğu olan hala yavaş bir hızda çalıştırmak mümkün olabilir (~ 10 cm/s). Sigara Engelli hayvanlar ölçülen hızı daha hızlı çalışan (30 – 40 cm/s). Olup olmadığını test hayvanları belli bir hızda çalıştırmak mümkün gözlem sonucunda kendiliğinden sağlar. Ayrıca, kemirgen Ayrıca bir eğim yukarı veya aşağı bir düşüş, koşu bandı için istenen açıda bir Gonyometre yardımıyla devirme ya da fare ya da sıçan hind bacaklarda ağırlıklı bir kızak ekleyerek çalıştırmak için meydan okunabilir.
Yanı sıra çok sayıda çalışma hastalarda mutasyona tek proteinlerin bir son artan farkındalık arızalı endositoz süreci ve ateş13,21,22arasında bağlantılar var, 23,24,25,26,27,28. Fare modelleri düşük seviyelerde olduğu endophilin-A (bundan böyle endophilin), her iki clathrin-aracılı endositoz13,21,29,30,31 yılında önemli bir oyuncu , 32 , 33 , 45 ve clathrin bağımsız endositoz34, ateş ve yaş bağımlı bozuklukları lokomotor aktivite13,21‘ göstermek için bulunmuştur. Üç genler kodlamak endophilin proteinlerin aile: endophilin 1, endophilin 2 ve endophilin 3. Özellikle, endophilin proteinler tükenmesi kaynaklanan fenotip büyük ölçüde bağlı olarak numarası değişir endophilin genler13,21eksik. Üçlü knock-out (KO) tüm endophilin genlerin sadece birkaç saat sonra Doğum ve her iki endophilin 1 ve 2 başaramamak-e doğru gelişmek ve doğumdan sonra 3 hafta içinde ölmek olmadan fare öldürücü olmakla birlikte, herhangi bir üç endophilins için tek KO için test hiçbir belirgin fenotip gösterir koşullar21. Diğer endophilin mutant genotip sınırlı ömrü göstermek ve yaş13artan motor bozuklukları geliştirmek. Örneğin, endophilin 1KO-2HT-3KO fareler ekran yürüyüş değişiklikler ve (test kinematik yürüyüş analizi ve rotarod gibi) motor koordinasyon problemleri 3 ay-in yaş, onların littermates, süre de zaten endophilin 1KO-2WT-3KO hayvanlar, görüntülemek önemli bir Yaş1315 aylıkken sadece motor koordinasyon azalma. Fenotipleri bu modellerinde geniş çeşitlilik nedeniyle, tanımlamak ve yaş yanı sıra hayvanın motorlu ve biliş yetenekleri karşılık gelen sorunlar çeşitli entegre edebilirsiniz bir testi uygulamak gereklidir. Burada, başlangıç ve motor nörodejeneratif değişiklikler (Yani, endophilin mutantlar) gösterir bir fare modeli Kullan Kullan r arabirimnin ilerlemesini değerlendirmek için kinematik yürüyüş analizi yararlanmak deneysel prosedürler ayrıntılı. Bu yürüyüş parametreleri çeşitli yaş ve hareket bozuklukları farklı severities ölçme içerir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Motor koordinasyon eğitim modelleri özellikle içinde ciddi motor koordinasyon etkilenir PD gibi hastalıklar için nörodejeneratif hastalıkların karakterizasyonu yararlı bir yaklaşımdır. Kinematik yürüyüş analizi fonksiyonel tahlil yardımıyla, zayıf ateş ve dolayısıyla nispeten mütevazı fenotip ile yürüyüş hayvanların hareket sorunları başlangıcı veya modelleri ince değişiklikleri belirlemek için. Fenotipleri çeşitli küçük yürüyüş anormallikleri ve ağır hareket bozuklukları k…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Hayvan hademe ENI’ın hayvan tesisi üreme ile ilgili yardım ve Dr Nuno Raimundo el yazması yararlı yorumlar için teşekkür ediyoruz. Sohbet ortak araştırma merkezi SFB-889 (proje A8) aracılığıyla Alman Araştırma Vakfı (DFG) ve SFB-1190 (proje P02) ve Emmy Noether Genç Araştırmacı ödülü gelen hibe tarafından desteklenmektedir (1702/1). C.M.R. sinir, Biyofizik ve moleküler Biosciences (GGNB) için bursu Göttingen Enstitü tarafından desteklenmektedir.
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).
