Применение системы RatWalker для анализа походки в генетической крысиной модели болезни Паркинсона
Summary
Здесь мы описываем систему RatWalker, построенную путем перепроектирования аппарата MouseWalker для размещения увеличенных размеров и веса крыс. Эта система использует разочарованное полное внутреннее отражение (FTIR), высокоскоростной захват видео и программное обеспечение для анализа с открытым доступом для отслеживания и количественной оценки параметров походки.
Abstract
Болезнь Паркинсона (БП) является прогрессирующим нейродегенеративным расстройством, вызванным потерей дофаминергических (DA) нейронов в черной субстанции pars compacta. Аномалии походки, в том числе уменьшение раскачивания рук, более медленная скорость ходьбы и более короткие шаги, распространены у пациентов с БП и появляются на ранней стадии заболевания. Таким образом, количественная оценка двигательных паттернов на животных моделях БП будет иметь важное значение для фенотипической характеристики во время течения заболевания и при терапевтическом лечении. Большинство случаев БП являются идиопатическими; однако идентификация наследственных форм БП выявила генные мутации и варианты, такие как мутации потери функции в Pink1 и Parkin, двух белках, участвующих в контроле качества митохондрий, которые могут быть использованы для создания животных моделей. В то время как мыши устойчивы к нейродегенерации при потере Pink1 и Parkin (одиночная и комбинированная делеция), у крыс дефицит Pink1, но не Parkin, приводит к потере нейронов NIGRAL DA и двигательным нарушениям. Здесь мы сообщаем о полезности FTIR-визуализации для выявления изменений походки у свободно идущих молодых (в возрасте 2 месяцев) самцов крыс с комбинированной потерей Pink1 и Parkin до развития грубой визуально видимой двигательной аномалии по мере старения этих крыс (наблюдаемой в 4-6 месяцев), характеризующейся перетаскиванием задних конечностей, как ранее сообщалось у нокаутирующих крыс Pink1 (KO).
Introduction
БП, наиболее распространенное возрастное нейродегенеративное двигательное расстройство, вызвано потерей нейронов DA в черной субстанции pars compacta. Эта потеря нигральных нейронов DA и входов DA в полосатое тело приводит к наблюдаемым нарушениям двигательной функции, наблюдаемым у пациентов с PD 1,2. Определяющие двигательные характеристики пациентов с БП, известные как паркинсонизм, включают ригидность, тремор покоя, брадикинезию, постуральную нестабильность и микрографию3. Кроме того, нарушения походки, которые часто встречаются у больных БП, появляются в начале течения заболевания 1,4,5. В то время как определенные образы жизни предлагаются, чтобы помочь замедлить прогрессирование БП, такие как здоровое питание и регулярные физические упражнения, в настоящее время нет лекарства от БП, только лекарства для управления симптомами. Это оставляет место для необходимости дальнейшего исследования в надежде на улучшение терапии. Таким образом, характеристика характера походки на животных моделях БП является важным инструментом для характеристики актуальности модели, а также того, как терапевтические методы лечения, направленные на контроль БП, предотвращают или улучшают двигательные нарушения.
Существуют различные модели БП на животных, которые использовались для тестирования терапевтического лечения, однако каждая из них имеет свои ограничения. Например, животные модели, обработанные нейротоксином 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридином (MPTP), дали большое количество информации о процессах, важных для потери нейронов NIGRAL DA и последующих стриатальных адаптаций, и указали на роль митохондрий в патогенезе БП; однако патогенетический фон модели MPTP имеет токсическую природу, а не нейродегенеративный процесс, как у человека PD6. Дополнительные химически индуцируемые модели включают 6-гидроксидофамин (6-OHDA) и ротенон. 6-OHDA был первым агентом, используемым для индуцирования БП путем селективного накопления препарата в нейронах DA, что в конечном итоге убивает нейроны и приводит к симптомам, подобным БП. Эта модель была впервые использована для отслеживания истощения DA путем изучения поведения в ответ на амфетамин и апоморфин7. Этот метод индукции БП оказался полезным для скрининга фармакологических агентов, воздействующих на ДА и его рецепторы8. Хотя модель 6-OHDA является отличной моделью для отслеживания количественного моторного дефицита, эта модель не показывает, как постепенная потеря нейронов и образование тел Леви влияют на животное. Было показано, что другой метод индукции, ротенон, имеет прогрессирующую дегенерацию нигростриатальных нейронов с потерей тирозингидроксилазы и транспортера DA, что позволяет лучше отслеживать потерю нейронов с течением времени9. Крысы, обработанные ротеноном, показали брадикинезию, постуральную нестабильность и неустойчивую походку10. Тем не менее, было обнаружено, что этот метод широко варьируется между различными штаммами крыс, что вызвало сомнения в том, является ли ротенон надежной моделью PD 11,12,13. В то время как было показано, что на анализ походки влияет индукция БП у крыс, на сегодняшний день генетически индуцированные модели крыс бП не были легко использованы для анализа походки при свободном хождении по взлетно-посадочной полосе.
Одним из способов анализа двигательных нарушений у свободно ходячих грызунов является кинематический анализ походки, который может быть выполнен с использованием FTIR-визуализации. Этот установленный метод использует оптический сенсорный датчик на основе FTIR, который записывает и отслеживает следы грызунов, когда они движутся по взлетно-посадочной полосе 14,15,16. По сравнению с другими методами, FTIR не зависит от каких-либо маркеров на теле животного, которые могли бы помешать отпечаткам лап. Генерация видеоданных производит цифровые отпечатки лап всех четырех конечностей, которые могут быть объединены для создания динамического и воспроизводимого рисунка ходьбы для различных моделей грызунов. Принцип анализа походки на основе визуализации заключается в том, чтобы взять каждую отдельную лапу и измерить область контакта с течением времени, когда грызун идет по взлетно-посадочной полосе. Каждая стойка представлена увеличением площади лап (в фазе торможения) и уменьшением площади лапы (в фазе движения). Это происходит за счет фазы свинга, когда сигнал лапы не обнаружен. После оценки видео генерируется несколько параметров, которые можно использовать для сравнения модели дикого типа (WT) и PD. Некоторыми примерами параметров являются длина шага (расстояние, которое лапа преодолевает за один шаг), продолжительность качелей (продолжительность времени, в течение которого лапа не соприкасается с взлетно-посадочной полосой), скорость свинга (длина шага в зависимости от длительности качелей) и схема шага (диагональные шаги, боковые шаги или шаги пояса).
Чтобы продемонстрировать полезность FTIR для выявления ранних изменений характера походки у крыс, мы использовали генетическую крысиную модель БП. В то время как большинство случаев БП являются идиопатическими; идентификация наследственных форм БП выявила генные мутации и варианты, такие как мутации потери функции в Pink1 и Parkin, двух белках, участвующих в контроле качества митохондрий17, которые могут быть использованы для создания животных моделей18. К сожалению, мыши устойчивы к нейродегенерации при потере этих белков (одиночных и комбинированных)19,20,21. У крыс дефицит Pink1, но не Parkin, приводит к потере нейронов NIGRAL DA идвигательным нарушениям 22, но без полной пенетрации. Поэтому мы создали комбинированную модель крыс с двойным нокаутом Pink1 / Parkin (DKO), которая отображает явный визуально видимый фенотип перетаскивания задних конечностей, зарегистрированный у самцов крыс Pink1 KO22, но теперь с более высокой скоростью: 100% против 30-50% самцов в возрасте от 4 до 6 месяцев.
Хотя этот метод хорошо работает для анализа двигательного дефицита у мышей14, спецификации системы FTIR-визуализации походки для учета размера и веса крыс ранее были недоступны некоммерчески. Здесь мы объясняем, как построить RatWalker, модифицированную систему визуализации походки FTIR, смоделированную по образцу MouseWalker14, за исключением адаптированной для размера и веса крыс. Эта система использует оптический эффект, FTIR, чтобы обеспечить метод визуализации и последующей записи следов животных для анализа. Контакт ноги животного с оптическим волноводом (платформой) вызывает нарушение светового пути, что приводит к видимому эффекту рассеяния, который фиксируется с помощью высокоскоростной видеосъемки и обработки с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом. Это исследование демонстрирует силу FTIR-визуализации в изучении изменений походки в генетических моделях БП у крыс. Например, в то время как явные визуально видимые двигательные изменения (т.е. волочение задними конечностями) наблюдаются у самцов крыс DKO не ранее 4 месяцев, с помощью FTIR мы можем обнаружить аномалии ворот у самцов крыс DKO в возрасте 2 месяцев.
Protocol
Representative Results
Discussion
Нарушения походки, включая уменьшение раскачивания рук, более медленную скорость ходьбы и более короткие шаги, являются определяющей чертой БП и возникают на ранней стадии заболевания 1,5. За прошедшие годы было разработано несколько методов для наблюде?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
KS и HF благодарят Фонд Майкла Джей Фокса для исследований Паркинсона за поддержку их работы по болезни Паркинсона.
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 |
Riferimenti
- 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. Neuroscienze. 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).
