יישום מערכת RatWalker לניתוח הליכה במודל חולדה גנטי של מחלת פרקינסון
Summary
כאן אנו מתארים את מערכת RatWalker, שנבנתה על ידי תכנון מחדש של מנגנון MouseWalker כדי להתאים לגודל ולמשקל המוגדלים של חולדות. מערכת זו משתמשת בהשתקפות פנימית כוללת מתוסכלת (FTIR), לכידת וידאו במהירות גבוהה ותוכנת ניתוח בגישה פתוחה כדי לעקוב אחר פרמטרים של הליכה ולכמת אותם.
Abstract
מחלת פרקינסון (PD) היא הפרעה נוירודגנרטיבית מתקדמת הנגרמת על ידי אובדן של נוירונים דופמינרגיים (DA) בחומר השחור pars compacta. הפרעות הליכה, כולל ירידה בנדנוד הזרוע, מהירות הליכה איטית יותר וצעדים קצרים יותר שכיחות בקרב חולי פרקינסון ומופיעות בשלב מוקדם במהלך המחלה. לפיכך, כימות הדפוסים המוטוריים במודלים של פרקינסון בבעלי חיים יהיה חשוב לאפיון פנוטיפי במהלך המחלה ובטיפול הטיפולי. רוב המקרים של פרקינסון הם אידיופתיים; עם זאת, זיהוי צורות תורשתיות של פרקינסון חשף מוטציות גנטיות ווריאנטים, כגון מוטציות אובדן תפקוד ב- Pink1 ופרקין, שני חלבונים המעורבים בבקרת איכות מיטוכונדריאלית שניתן לרתום ליצירת מודלים של בעלי חיים. בעוד עכברים עמידים לניוון עצבי עם אובדן פינק1 ופרקין (מחיקה יחידה ומשולבת), בחולדות, מחסור ב-Pink1 אך לא בפרקין מוביל לאובדן נוירון DA ניגלי ולפגיעה מוטורית. כאן, אנו מדווחים על התועלת של הדמיית FTIR כדי לחשוף שינויים בהליכה בחולדות זכרים צעירים (בני חודשיים) בהליכה חופשית עם אובדן משולב של Pink1 ופרקין לפני התפתחות של חריגה מוטורית גסה הנראית לעין ככל שחולדות אלה מזדקנות (נצפו בגיל 4-6 חודשים), המאופיינות בגרירת גפיים אחוריות כפי שדווח בעבר בחולדות נוקאאוט Pink1 (KO).
Introduction
מחלת פרקינסון, הפרעת התנועה הניוונית הנפוצה ביותר הקשורה לגיל, נגרמת על-ידי אובדן נוירוני DA ב-substantia nigra pars compacta. אובדן זה של נוירוני DA ניגרליים וקלט DA לתוך הסטריאטום מוביל לליקויים בתפקוד המוטורי שנצפו בחולים עם PD 1,2. המאפיינים המוטוריים המגדירים של חולי פרקינסון, המכונים פרקינסוניזם, כוללים קשיחות, רעד במנוחה, ברדיקינזיה, חוסר יציבות יציבה ומיקרוגרפיה3. יתר על כן, הפרעות הליכה, השכיחות בחולי פרקינסון, מופיעות בשלב מוקדם במהלך המחלה 1,4,5. בעוד שאורח חיים מסוים מוצע לעזור להאט את התקדמות מחלת הפרקינסון, כגון אכילה בריאה ופעילות גופנית סדירה, כיום אין תרופה לפרקינסון, אלא רק תרופות לניהול התסמינים. זה משאיר מקום לצורך בחקירה נוספת בתקווה לשיפור הטיפולים. לפיכך, אפיון דפוס ההליכה במודלים של חולי פרקינסון הוא כלי חיוני לאפיון הרלוונטיות של המודל, כמו גם כיצד טיפולים טיפוליים שמטרתם לשלוט בפרקינסון מונעים או משפרים ליקויים מוטוריים.
ישנם מודלים שונים של חולי פרקינסון בבעלי חיים ששימשו לבדיקת טיפולים טיפוליים, אולם לכל אחד מהם יש את המגבלות שלו. לדוגמה, מודלים של בעלי חיים שטופלו ברעלן העצבי 1-מתיל-4-פניל-1,2,3,6-טטרה-הידרופירידין (MPTP) הניבו שפע רב של מידע על תהליכים החשובים לאובדן נוירונים מסוג DA ניגלי ולהתאמות סטריאטליות לאחר מכן, והצביעו על תפקיד המיטוכונדריה בפתוגנזה של פרקינסון; עם זאת, הרקע הפתוגנטי של מודל MPTP הוא בעל אופי רעיל ולא תהליך נוירודגנרטיבי כמו במחלת פרקינסון6 אנושית. מודלים כימיים נוספים כוללים 6-הידרוקסידופמין (6-OHDA) ורוטנון. 6-OHDA היה החומר הראשון ששימש להשראת פרקינסון על ידי הצטברות סלקטיבית של התרופה בנוירוני DA, אשר בסופו של דבר הורגת את הנוירונים ומובילה לתסמינים דמויי פרקינסון. מודל זה שימש לראשונה למעקב אחר דלדול DA על ידי בחינת ההתנהגות בתגובה לאמפטמין ואפומורפין7. שיטה זו של השראת פרקינסון הוכחה כשימושית לסינון של חומרים פרמקולוגיים המשפיעים על DA והקולטנים שלה8. בעוד מודל 6-OHDA הוא מודל נהדר למעקב אחר ליקויים מוטוריים הניתנים לכימות, מודל זה אינו מראה כיצד אובדן הדרגתי של נוירונים והיווצרות של גופי לוי משפיעים על החיה. השיטה השנייה של אינדוקציה, רוטנון, הוכחה כניוון מתקדם של נוירונים ניגרוסטריאטליים עם אובדן של טירוזין הידרוקסילאז וטרנספורטר DA, מה שמאפשר מודל טוב יותר לעקוב אחר אובדן נוירונים לאורך זמן9. החולדות שטופלו ברוטנון הראו ברדיקינזיה, חוסר יציבות יציבה והליכה לא יציבה10. עם זאת, שיטה זו נמצאה משתנה מאוד בין זנים שונים של חולדות, מה שעורר את השאלה אם רוטנון הוא מודל PD אמין 11,12,13. בעוד שניתוח הליכה הוכח כמושפע מהשראת פרקינסון בחולדות, עד כה, מודלים גנטיים של חולדות PD לא שימשו בקלות לניתוח הליכה על ידי הליכה חופשית לאורך מסלול.
אחת הדרכים לנתח פגיעה מוטורית במכרסמים ההולכים בחופשיות היא ניתוח הליכה קינמטית, אשר יכול להתבצע באמצעות הדמיית FTIR. שיטה מבוססת זו משתמשת בחיישן מגע אופטי המבוסס על FTIR, אשר מתעד ועוקב אחר עקבותיהם של המכרסמים כשהם נעים במורד המסלול14,15,16. בהשוואה לשיטות אחרות, FTIR אינו תלוי בסמנים כלשהם על גוף החיה שעלולים להפריע לטביעות הכפות. הפקת נתוני הווידאו מייצרת הדפסי כפות דיגיטליות של כל ארבעת הגפיים שניתן לשלב ליצירת דפוס הליכה דינמי וניתן לשחזור עבור דגמי מכרסמים שונים. העיקרון של ניתוח הליכה מבוסס הדמיה הוא לקחת כל כף בודדת ולמדוד את אזור המגע לאורך זמן כאשר המכרסם הולך במורד המסלול. כל עמידה מיוצגת על ידי עלייה בשטח הכף (בשלב הבלימה) וירידה בשטח הכף (בשלב ההנעה). זה נמשך על ידי שלב הנדנדה, אשר כאשר אין אות כף זוהה. לאחר הערכת הסרטון, נוצרים מספר פרמטרים שניתן להשתמש בהם כדי להשוות מודל מסוג פרא (WT) לעומת PD. כמה דוגמאות לפרמטרים הם אורך צעד (מרחק שהכף מכסה בצעד אחד), משך הנדנדה (משך הזמן שהכף אינה באה במגע עם המסלול), מהירות הנדנדה (אורך צעד כפונקציה של משך הנדנדה) ותבנית צעד (צעדים אלכסוניים, צעדים רוחביים או מדרגות חגורה).
כדי להדגים את התועלת של FTIR כדי לחשוף שינויים מוקדמים בדפוסי ההליכה בחולדות, השתמשנו במודל גנטי של חולדות של פרקינסון. בעוד שרוב המקרים של פרקינסון הם אידיופתיים; זיהוי צורות תורשתיות של פרקינסון חשף מוטציות גנטיות ווריאנטים, כגון מוטציות אובדן תפקוד בפינק1 ופרקין, שני חלבונים המעורבים בבקרת איכות מיטוכונדריאלית17, שניתן לרתום ליצירת מודלים של בעלי חיים18. למרבה הצער, עכברים עמידים לניוון עצבי לאחר אובדן חלבונים אלה (בודדים ומשולבים)19,20,21. בחולדות, מחסור ב-Pink1 אך לא ב-Parkin מוביל לאיבוד נוירונים מסוג DA ניגלי ולליקויים מוטוריים22, אך ללא חדירה מלאה. לכן, יצרנו מודל משולב של חולדות Pink1/Parkin double knockout (DKO), אשר מציג את פנוטיפ גרירת הגפיים האחוריות הגלוי לעין שדווח בחולדות Pink1 KO זכרים22 אך כעת בשיעור גבוה יותר: 100% לעומת 30-50% מהזכרים בין 4-6 חודשים.
בעוד ששיטה זו פועלת היטב לניתוח ליקויים מוטוריים בעכברים14, מפרטי מערכת ההליכה של הדמיה FTIR כדי להתאים לגודל ולמשקל של חולדות לא היו זמינים בעבר באופן לא מסחרי. כאן אנו מסבירים כיצד לבנות את RatWalker, מערכת דימות הליכה FTIR שונה שעוצבה על פי המודל של MouseWalker14, למעט התאמה לגודל ולמשקל של חולדות. מערכת זו משתמשת באפקט אופטי, FTIR, כדי לספק שיטה להמחיש ולאחר מכן להקליט טביעות רגל של בעלי חיים לניתוח. מגע כף רגלו של בעל חיים עם מדריך הגל האופטי (פלטפורמה) גורם לשיבוש בנתיב האור וכתוצאה מכך לאפקט פיזור נראה לעין, אשר נלכד באמצעות וידאו ועיבוד במהירות גבוהה ברמה ביתית באמצעות תוכנת קוד פתוח. מחקר זה מדגים את כוחה של דימות FTIR בחקר שינויים בהליכה במודלים גנטיים של חולדות של פרקינסון. לדוגמה, בעוד ששינויים מוטוריים גלויים לעין (כלומר גרירת גפיים אחוריות) נצפים בחולדות DKO זכרים בגיל 4 חודשים לכל המוקדם, באמצעות FTIR אנו מסוגלים לחשוף חריגות שער בחולדות DKO זכרים בגיל חודשיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרעות הליכה, כולל ירידה בנדנוד הזרוע, מהירות הליכה איטית יותר וצעדים קצרים יותר, הן מאפיין מגדיר של מחלת פרקינסון, והן מתרחשות בשלב מוקדם במהלך המחלה 1,5. במהלך השנים פותחו מספר שיטות לתצפית ותיעוד של נפילות הליכה במודלים של מכרסמים של PD, כאשר טכניקות ידניות …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
KS ו- HF מודים לקרן מייקל ג’יי פוקס לחקר פרקינסון על תמיכתם בעבודתם על מחלת פרקינסון.
Materials
| Aluminum | |||
| 1.5” Aluminum Angle (1/8” – 6063) | Dimensions: 8' Qty: 8 |
||
| 1” Aluminum Square Tube (1/16” – 6063) | Dimensions: 8' Qty: 4 |
||
| 32 Gauge Aluminum Sheet | Dimensions: 10' Qty: 1 |
||
| 1” Aluminum Tube (1/8” – 6063) | Dimensions: 8' Qty: 1 |
||
| Acrylic | |||
| 7/32” Clear Acrylic Sheet | Dimensions: 4'x8' Qty: 2 |
||
| 1/8” White Acrylic Sheet 55% (2447) | Dimensions: 4'x8' Qty: 1 |
||
| Mirror | |||
| 7/32” Glass Mirror | Dimensions: 60"x12" Qty: 1 |
||
| LED | |||
| 5050 LED Tape Light (Green) | Dimensions: 16.4' Qty: 1 |
||
| 5050 LED Tape Light (Red) | Dimensions: 16.4' Qty: 1 |
||
| Camera | |||
| GoPro Hero 6 Black | Qty: 1 | ||
| Tripod | Dimensions: 57" Qty: 1 |
References
- Behari, M., et al. Parkinson’s disease. Annals of Indian Academy of Neurology. 14, 2-6 (2011).
- Kalia, L. V., Lang, A. E. Parkinson’s disease. Lancet. 386 (9996), 896-912 (2015).
- Fahn, S. Description of Parkinson’s disease as a clinical syndrome. Annals of the New York Academy of Sciences. 991, 1-14 (2003).
- Frenkel-Toledo, S., et al. Effect of gait speed on gait rhythmicity in Parkinson’s disease: variability of stride time and swing time respond differently. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 2, 23 (2005).
- Shulman, J. M., De Jager, P. L., Feany, M. B. Parkinson’s disease: genetics and pathogenesis. Annual Review of Pathology. 6, 193-222 (2011).
- Klemann, C., Martens, G. J. M., Poelmans, G., Visser, J. E. Validity of the MPTP-Treated Mouse as a Model for Parkinson’s Disease. Molecular Neurobiology. 53 (3), 1625-1636 (2016).
- Ungerstedt, U. Striatal dopamine release after amphetamine or nerve degeneration revealed by rotational behaviour. Acta Physiologica Scandinavian Supplementum. 367, 49-68 (1971).
- Beal, M. F. Experimental models of Parkinson’s disease. Nature Reviews Neuroscience. 2 (5), 325-334 (2001).
- Betarbet, R., et al. Chronic systemic pesticide exposure reproduces features of Parkinson’s disease. Nature Neuroscience. 3 (12), 1301-1306 (2000).
- Cannon, J. R., et al. A highly reproducible rotenone model of Parkinson’s disease. Neurobiology of Disease. 34 (2), 279-290 (2009).
- Quary, S., et al. Major strain differences in response to chronic systemic administration of the mitochondrial toxin 3-nitropropionic acid in rats: implications for neuroprotection studies. Neurosciences. 97 (3), 521-530 (2000).
- Cicchetti, F., Drouin-Ouellet, J., Gross, R. E. Environmental toxins and Parkinson’s disease: what have we learned from pesticide-induced animal models. Trends in Pharmacological Sciences. 30 (9), 475-483 (2009).
- Greenamyre, J. T., Cannon, J. R., Drolet, R., Mastroberardino, P. G. Lessons from the rotenone model of Parkinson’s disease. Trends in Pharmacological Sciences. 31 (4), 142-143 (2010).
- Mendes, C. S., et al. Quantification of gait parameters in freely walking rodents. BMC Biology. 13, 50 (2015).
- Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries. Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).
- Hamers, F. P., Koopmans, G. C., Joosten, E. A. CatWalk-assisted gait analysis in the assessment of spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 23 (3-4), 537-548 (2006).
- Pickrell, A. M., Youle, R. J. The roles of PINK1, parkin, and mitochondrial fidelity in Parkinson’s disease. Neuron. 85 (2), 257-273 (2015).
- Dawson, T. M., Ko, H. S., Dawson, V. L. Genetic animal models of Parkinson’s disease. Neuron. 66 (5), 646-661 (2010).
- Gispert, S., et al. Parkinson phenotype in aged PINK1-deficient mice is accompanied by progressive mitochondrial dysfunction in absence of neurodegeneration. PLoS One. 4 (6), 5777 (2009).
- Goldberg, M. S., et al. Parkin-deficient mice exhibit nigrostriatal deficits but not loss of dopaminergic neurons. Journal of Biological Chemistry. 278 (44), 43628-43635 (2003).
- Kitada, T., Tong, Y., Gautier, C. A., Shen, J. Absence of nigral degeneration in aged parkin/DJ-1/PINK1 triple knockout mice. Journal of Neurochemistry. 111 (3), 696-702 (2009).
- Dave, K. D., et al. Phenotypic characterization of recessive gene knockout rat models of Parkinson’s disease. Neurobiology of Disease. 70, 190-203 (2014).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Hruska, R. E., Kennedy, S., Silbergeld, E. K. Quantitative aspects of normal locomotion in rats. Life Sciences. 25 (2), 171-179 (1979).
- de Medinaceli, L., Freed, W. J., Wyatt, R. J. An index of the functional condition of rat sciatic nerve based on measurements made from walking tracks. Experimental Neurology. 77 (3), 634-643 (1982).
- Kunkel-Bagden, E., Dai, H. N., Bregman, B. S. Methods to assess the development and recovery of locomotor function after spinal cord injury in rats. Experimental Neurology. 119 (2), 153-164 (1993).
- Jacobs, B. Y., Kloefkorn, H. E., Allen, K. D. Gait Analysis Methods for Rodent Models of Osteoarthritis. Current Pain and Headache Reports. 18 (10), 456 (2014).
- Boix, J., von Hieber, D., Connor, B. Gait Analysis for Early Detection of Motor Symptoms in the 6-OHDA Rat Model of Parkinson’s Disease. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 12, 39 (2018).
- Zhou, M., et al. Gait analysis in three different 6-hydroxydopamine rat models of Parkinson’s disease. Neuroscience Letters. 584, 184-189 (2015).
- Vandeputte, C., et al. Automated quantitative gait analysis in animal models of movement disorders. BMC Neuroscience. 11, 92 (2010).
- Chuang, C. S., et al. Quantitative evaluation of motor function before and after engraftment of dopaminergic neurons in a rat model of Parkinson’s disease. Journal of Biomedical Science. 17, 9 (2010).
- Baldwin, H. A., Koivula, P. P., Necarsulmer, J. C., Whitaker, K. W., Harvey, B. K. Step Sequence Is a Critical Gait Parameter of Unilateral 6-OHDA Parkinson’s Rat Models. Cell Transplantation. 26 (4), 659-667 (2017).
