Parkinson Hastalığının Genetik Sıçan Modelinde Yürüme Analizi için RatWalker Sisteminin Uygulanması
Summary
Burada, MouseWalker aparatının sıçanların artan boyutuna ve ağırlığına uyum sağlayacak şekilde yeniden tasarlanmasıyla inşa edilen RatWalker sistemini tanımlıyoruz. Bu sistem, yürüyüş parametrelerini izlemek ve ölçmek için hayal kırıklığına uğramış toplam dahili yansıma (FTIR), yüksek hızlı video yakalama ve açık erişimli analiz yazılımı kullanır.
Abstract
Parkinson hastalığı (PD), substantia nigra pars compacta’da dopaminerjik (DA) nöronların kaybından kaynaklanan ilerleyici nörodejeneratif bir hastalıktır. Azalmış kol sallanması, daha yavaş yürüme hızı ve daha kısa adımlar dahil olmak üzere yürüme anormallikleri PD hastalarında yaygındır ve hastalığın seyrinde erken ortaya çıkar. Bu nedenle, PD’nin hayvan modellerinde motor paternlerin nicelleştirilmesi, hastalık seyri sırasında ve terapötik tedavi sırasında fenotipik karakterizasyon için önemli olacaktır. PD vakalarının çoğu idiyopatiktir; Bununla birlikte, PD’nin kalıtsal formlarının tanımlanması, hayvan modelleri oluşturmak için kullanılabilecek mitokondriyal kalite kontrolünde yer alan iki protein olan Pink1 ve Parkin’deki fonksiyon kaybı mutasyonları gibi gen mutasyonlarını ve varyantlarını ortaya çıkarmıştır. Fareler Pink1 ve Parkin (tek ve kombine delesyon) kaybı üzerine nörodejenerasyona dirençli iken, sıçanlarda, Pink1 ancak Parkin eksikliği nigral DA nöron kaybına ve motor bozulmaya yol açmaz. Burada, serbestçe yürüyen genç (2 aylık) erkek sıçanlarda, bu sıçanlar yaşlandıkça (4-6 ayda gözlenen) brüt görsel olarak belirgin motor anormallik gelişmesinden önce Pink1 ve Parkin’in kombine kaybı olan yürüyüş değişikliklerini ortaya çıkarmak için FTIR görüntülemenin yararlılığını bildiriyoruz.
Introduction
Yaşa bağlı en yaygın nörodejeneratif hareket bozukluğu olan PD, substantia nigra pars compacta’daki DA nöronlarının kaybından kaynaklanır. Nigral DA nöronlarının bu kaybı ve striatuma DA girişleri, PD 1,2’li hastalarda görülen gözlenen motor fonksiyon bozukluklarına yol açmaktadır. Toplu olarak Parkinsonizm olarak bilinen PD’li hastaların tanımlayıcı motor özellikleri arasında sertlik, istirahat titremesi, bradikinezi, postüral instabilite ve mikrografi3 bulunur. Ayrıca PD hastalarında sık görülen yürüme bozukluklarıhastalığın seyrinde erken ortaya çıkmaktadır 1,4,5. Sağlıklı beslenme ve düzenli egzersiz gibi bazı yaşam tarzlarının PH’nin ilerlemesini yavaşlatmaya yardımcı olduğu öne sürülürken, şu anda PD için bir tedavi yoktur, sadece semptomları yönetmek için ilaçlar vardır. Bu, iyileştirilmiş terapötikler umuduyla daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmasına yer bırakmaktadır. Bu nedenle, PD hayvan modellerinde yürüme paterninin karakterizasyonu, modelin alaka düzeyini ve PD’yi kontrol etmeyi amaçlayan terapötik tedavilerin motor bozuklukları nasıl önlediğini veya iyileştirdiğini karakterize etmek için çok önemli bir araçtır.
Terapötik tedavileri test etmek için kullanılan çeşitli PD hayvan modelleri vardır, ancak her birinin sınırlamaları vardır. Örneğin, nörotoksin 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridin (MPTP) ile tedavi edilen hayvan modelleri, nigral DA nöron kaybı ve müteakip striatal adaptasyonlar için önemli süreçler hakkında büyük bir bilgi zenginliği sağlamış ve PD patogenezinde mitokondrinin rolüne işaret etmiştir; Bununla birlikte, MPTP modelinin patogenetik arka planı, insan PD6’da olduğu gibi nörodejeneratif bir süreçten ziyade toksik bir yapıya sahiptir. Ek kimyasal olarak indüklenebilir modeller arasında 6-hidroksidopamin (6-OHDA) ve rotenon bulunur. 6-OHDA, ilacın DA nöronlarında seçici birikimi ile PD’yi indüklemek için kullanılan ilk ajandı, bu da sonunda nöronları öldürür ve PD benzeri semptomlara yol açar. Bu model ilk olarak amfetamin ve apomorfin7’ye yanıt olarak davranışı inceleyerek DA tükenmesinin izlenmesi için kullanılmıştır. Bu PD indüksiyon yönteminin, DA ve reseptörlerini etkileyen farmakolojik ajanların taranmasında yararlı olduğu kanıtlanmıştır8. 6-OHDA modeli, ölçülebilir motor açıklarını izlemek için harika bir model olsa da, bu model nöronların kademeli olarak kaybının ve Lewy cisimlerinin oluşumunun hayvanı nasıl etkilediğini göstermez. Diğer indüksiyon yöntemi olan rotenonun, tirozin hidroksilaz ve DA taşıyıcı kaybı ile nigrostriatal nöronların ilerleyici dejenerasyonuna sahip olduğu ve zamanla nöron kaybını izlemek için daha iyi bir modele izin verdiği gösterilmiştir9. Rotenon ile tedavi edilen sıçanlar bradikinezi, postüral instabilite ve kararsız yürüyüş10 gösterdi. Bununla birlikte, bu yöntemin farklı sıçan suşları arasında geniş ölçüde değişken olduğu bulunmuştur, bu da rotenonun güvenilir bir PD modeli11,12,13 olup olmadığının sorgulanmasına neden olmuştur. Yürüme analizinin sıçanlarda PD indüksiyonundan etkilendiği gösterilmiş olsa da, bugüne kadar, genetik olarak indüklenen PD sıçan modelleri, bir pistte serbestçe yürüyerek yürüyüş analizi için kolayca kullanılmamıştır.
Serbestçe yürüyen kemirgenlerde motor bozulmasını analiz etmenin bir yolu, FTIR görüntüleme kullanılarak gerçekleştirilebilen kinematik yürüyüş analizidir. Bu yerleşik yöntem, kemirgenlerin14,15,16 pistinden aşağı inerken ayak izlerini kaydeden ve izleyen FTIR’a dayalı bir optik dokunma sensörü kullanır. Diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında, FTIR, hayvanın vücudunda pençe izlerine müdahale edebilecek herhangi bir işaretleyiciye bağlı değildir. Video verilerinin oluşturulması, çeşitli kemirgen modelleri için dinamik ve tekrarlanabilir bir yürüyüş paterni oluşturmak için birleştirilebilen dört uzuvun tümünün dijital pençe baskılarını üretir. Görüntüleme tabanlı yürüyüş analizinin prensibi, her bir pençeyi almak ve kemirgen pistte yürürken zaman içinde temas alanını ölçmektir. Her duruş, pençe alanında (frenleme aşamasında) bir artış ve pençe alanında (tahrik aşamasında) bir azalma ile temsil edilir. Bu, pençe sinyalinin algılanmadığı salıncak aşaması ile devam eder. Videonun değerlendirilmesinden sonra, vahşi tip (WT) ile PD modelini karşılaştırmak için kullanılabilecek çeşitli parametreler oluşturulur. Parametrelerin bazı örnekleri adım uzunluğu (pençenin bir adımda kat ettiği mesafe), salınım süresi (pençenin pistle temas etmediği süre), salınım hızı (salınım süresinin bir fonksiyonu olarak adım uzunluğu) ve adım desenidir (çapraz adımlar, yanal adımlar veya kuşak adımları).
Sıçanlardaki erken yürüyüş paterni değişikliklerini ortaya çıkarmak için FTIR’ın faydasını göstermek için, PD’nin genetik bir sıçan modelini kullandık. PD vakalarının çoğu idiyopatik olmakla birlikte; PD’nin kalıtsal formlarının tanımlanması, mitokondriyal kalite kontrolünde yer alan iki protein olan Pink1 ve Parkin’deki fonksiyon kaybı mutasyonları gibi gen mutasyonlarını ve varyantlarını ortaya çıkardı17, hayvan modelleri oluşturmak için kullanılabilecek18. Ne yazık ki, fareler bu proteinlerin (tek ve kombine) kaybı üzerine nörodejenerasyona karşı dirençlidir19,20,21. Sıçanlarda, Pembe1 ancak Parkin eksikliği değil, nigral DA nöron kaybına ve motor bozukluklarayol açar 22, ancak tam penetrans olmadan. Bu nedenle, erkek Pink1 KO sıçanları22’de bildirilen açık görsel olarak görünür arka bacak sürükleme fenotipini görüntüleyen, ancak şimdi daha yüksek bir oranda gösteren kombine bir Pink1 / Parkin çift nakavt (DKO) sıçan modeli oluşturduk: 4-6 ay arasında erkeklerin% 30-50’sine karşı% 100.
Bu yöntem, farelerde motor açıklarını analiz etmek için iyi çalışsa da,14, sıçanların büyüklüğünü ve ağırlığını karşılamak için FTIR görüntüleme yürüyüş sistemi özellikleri daha önce ticari olmayan bir şekilde kullanılamıyordu. Burada, sıçanların büyüklüğü ve ağırlığı için uyarlanmış olanlar dışında, MouseWalker14’ten sonra modellenmiş modifiye edilmiş bir FTIR yürüyüş görüntüleme sistemi olan RatWalker’ın nasıl inşa edileceğini açıklıyoruz. Bu sistem, hayvan ayak izlerini görselleştirmek ve daha sonra analiz için kaydetmek için bir yöntem sağlamak üzere optik bir etki olan FTIR’ı kullanır. Bir hayvanın ayağının optik dalga kılavuzu (platform) ile teması, ışık yolunda bozulmaya neden olur ve bu da ev içi sınıf, yüksek hızlı videografi ve açık kaynaklı yazılım kullanılarak işlenerek yakalanan görünür bir saçılma etkisine neden olur. Bu çalışma, PD’nin genetik sıçan modellerindeki yürüyüş değişikliklerini incelemede FTIR görüntülemenin gücünü göstermektedir. Örneğin, erkek DKO sıçanlarında en erken 4 ayda açık görsel olarak belirgin motor değişiklikler (yani arka bacak sürükleme) gözlenirken, FTIR kullanarak 2 aylıkken erkek DKO sıçanlarında kapı anormalliklerini ortaya çıkarabiliyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Azalmış kol sallanması, daha yavaş yürüme hızı ve daha kısa adımlar dahil olmak üzere yürüme bozuklukları, PD’nin tanımlayıcı bir özelliğidir ve hastalık seyri sırasında erken ortaya çıkar 1,5. PD’nin kemirgen modellerinde yürüyüş analizi için ayak izlerini gözlemlemek ve kaydetmek için yıllar içinde çeşitli yöntemler geliştirilmiştir; ayak basma pozisyonunu ölçmek için manuel teknikler, daha hassas ve dinamik parametreler…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
KS ve HF, Parkinson hastalığı konusundaki çalışmalarını destekledikleri için Michael J Fox Parkinson Araştırma Vakfı’na teşekkür eder.
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. 신경과학. 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).
