变性小鼠年龄依赖性运动障碍的步态分析
Summary
在本研究中, 我们演示了基于腹面成像的运动步态分析方法, 以监测运动协调的细微变化以及小鼠模型中变性的进展 (如 endophilin 突变体) 。鼠标线)。
Abstract
运动行为测试通常用于确定啮齿动物模型的功能相关性, 并测试这些动物新开发的治疗方法。具体来说, 步态分析允许在人类患者中观察到的与疾病相关的表型, 特别是在影响运动能力的神经退行性疾病中, 如帕金森病 (PD)、阿尔茨海默病 (AD)、肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 和其他。在这条线的早期研究中, 步态参数的测量是费力的, 取决于难以控制的因素 (例如,运行速度, 连续运行)。腹面成像系统的发展使步态分析成为可能, 使该方法成为评估啮齿动物运动行为的有效工具。在这里, 我们提出了一个深入的协议, 如何使用运动学步态分析, 以检查年龄依赖性进展的运动缺陷的小鼠模型的变性;endophilin 的小鼠线, 神经退行性损伤随着年龄的增长逐渐增加, 被用作例子。
Introduction
神经退行性疾病给病人、家庭和社会带来了沉重的负担, 随着预期寿命的增加, 世界人口继续老龄化, 这将变得更加令人担忧。神经退行性疾病最常见的症状之一是平衡和流动性问题。因此, 衰老哺乳动物 (如啮齿动物) 模型和/或模型显示神经退行性表型的运动行为的表征, 是证明特定动物模型在体内相关性的重要工具, 或治疗旨在改善疾病症状的治疗方法。几乎每一种治疗神经退行性疾病的方法最终都需要在动物模型中进行试验, 然后才开始对人类进行临床试验。因此, 重要的是要有可靠的, 可重复的行为测试, 可以用来始终如一地量化疾病相关的表型沿年龄的发展, 以确保候选药物, 这表明潜在的体外模型, 可以有效改善活体动物的表型。
啮齿类动物运动行为评估的一个方面是运动学步态分析, 它可以由录像 (也称为腹面平面的)1,2进行。这种建立的方法利用了连续记录的啮齿动物的底部行走在一个透明和机动的跑步机皮带1,2,3,4。对视频提要数据的分析创建了所有四肢体的 “数字爪印”, 它能动态、可靠地重述啮齿类动物的行走模式, 最初是由羽衣甘蓝等所描述的。2和 Amende等。3。
基于成像的步态分析的原理是测量与跑步机带接触的爪面积, 随着时间的推移, 每个单独的爪子。每种姿态都代表了爪面积 (在制动阶段) 的增加和爪面积 (推进阶段) 的减少。接下来是没有检测到信号的摆动相位。摇摆和姿态在一起形成一大步。除了步态动力学参数, 还可以从录制的视频中提取姿势参数。示范性参数及其定义列于表 1中, 包括立场宽度 (SW; 从前爪或后爪子到鼻尾轴的组合距离), 步幅长度 (SL; 同一爪两大步之间的平均距离), 或爪子放置角度 (爪子的角度到鼻子-尾巴轴)。姿势和步态动力学数据允许得出关于动物平衡的结论 (通过姿势参数及其在几个步骤中的变异性) 和协调 (通过步态动力学参数)。其他参数, 如共济失调系数 (由 [(最大) 计算的 SL 变异性。SL−min。sl)/平均 SL]), 后肢共享的姿势时间 (两个后肢都与皮带接触的时间), 或爪子拖拉 (从完全立场到爪的所有的爪子在皮带的总面积) 也可以提取, 并已报告在各种神经退行性 di 改变星瑞机型5、6、7、8 (见表 1)。
| 参数 | 单位 | 定义 |
| 摇摆时间 | 女士 | 爪不与皮带接触的时间长短 |
| 姿态时间 | 女士 | 爪与皮带接触的时间长短 |
| % 刹车 | % 的立场时间 | 脚爪在刹车阶段所占的姿势时间百分比 |
| % 推进 | % 的立场时间 | 在推进阶段爪的比例时间百分比 |
| 姿态宽度 | 厘米 | 前后爪与鼻尾轴的组合距离 |
| 步幅长度 | 厘米 | 同一爪两大步之间的平均距离 |
| 步幅频率 | 步幅/秒 | 每秒完成步长数 |
| 爪子放置角度 | 度 | 爪的角度关于动物的鼻尾轴 |
| 共济失调系数 | 天文单位 | 由 [(最大 sl-最小 sl]/平均 sl] 计算的 SL 变异性 |
| % 共享立场 | % 的立场 | 后肢共用姿势时间;两个后肢同时接触皮带的时间 |
| 爪拖 | mm2 | 从完全立场到爪子升降的皮带上的爪子的总面积 |
| 肢体装载 | cm2 | 最大 dA/dT;破断阶段爪面积最大变化率 |
| 步进角度可变性 | 度 | 后爪作为 SL 和 SW 函数的角度的标准偏差 |
表1。可通过腹面成像测试的关键步态参数的定义。
对神经退行性疾病的啮齿动物模型的运动行为进行评估, 取决于某一特定年龄模型的表型的严重性。一些疾病, 最突出的 PD, 表现出强烈的运动行为 (运动) 赤字, 无论是在病人和动物模型。pd 的四个关键症状之一是运动迟缓, 随着年龄的增长, 在 pd9早期已经出现严重的步态损伤。对 1-甲基4苯基-12、36-tetrahydropyridin (MPTP) 的急性 PD 模型进行研究, 已采用了 “新品步态分析10、11、12“。然而, 鉴于这种模式的急性性质, 这些研究并没有解决与年龄有关的运动缺陷的进展。最近的几项研究已经对衰老的小鼠进行了步态分析, 如13、14、15, 强调了了解疾病进展与进步年龄的相关性。.
除运动缺陷外, 神经退行性疾病的动物模型往往难以集中于检查任务, 显示显著的认知障碍, 特别是随着年龄的提高。这种表型可以影响运动行为测试的结果。即, 最广泛使用的测试, 以检查电机赤字, rotarod 测试16, 依赖于认知, 关注, 和压力17,18。虽然在机动跑步机上行走的意愿也取决于这些因素, 但记录的读出是运行的, 这是一个更标准化的特点, 而且远没有被改变的认知影响。压力和注意力的影响可能在特定的参数, 如摆动/立场时间的压力, 和 SL 的注意19,20, 但不是在整体运行能力。
运动学步态分析方法进一步提供了选择调整啮齿动物模型挑战的优势。可调角度和速度的跑步机允许步行速度从 0.1-99.9 厘米/秒, 使严重行走障碍的啮齿动物仍然能够以慢速运行 (~ 10 厘米/秒)。非受损动物可以以更快的运行速度 (30-40 厘米/秒) 来测量。观察测试过的动物是否能够以某种速度运行, 本身就能产生结果。此外, 啮齿类动物还可以在量角器的帮助下, 通过将跑步机倾斜到所需的角度, 或者附加一个加权的雪橇到老鼠或老鼠的后腿上, 来进行倾斜或下降。
除了对患者中变异的单个蛋白质的大量研究之外, 最近对有缺陷的吞过程与变性13、21、22之间的联系有了越来越多的认识, 23,24,25,26,27,28。小鼠模型与减少的水平 endophilin a (从今以后 endophilin), 一个关键的球员在网格蛋白介导的吞13,21,29,30,31,32,33,45和网格蛋白独立吞34, 被发现显示变性和年龄依赖性的损伤在运动活动13,21。三基因编码 endophilin 蛋白家族: endophilin 1, endophilin 2, endophilin 3。值得注意的是, 因 endophilin 蛋白的耗尽而导致的表型差异很大, 这取决于缺失 endophilin 基因13、21的数量。虽然在出生后几个小时内, 所有 endophilin 基因的三重敲出 (高) 都是致命的, 而没有 endophilin 1 和2的老鼠在出生后3周内无法生长和死亡, 那么三 endophilins 中的任何一个都没有显示出明显的表型供测试。情况21。其他 endophilin 突变基因型显示寿命缩短, 并发展13岁以上的运动障碍。例如, endophilin 1 高-2 ht-3 高老鼠显示步行改变和马达协调问题 (由运动步态分析和 rotarod 测试) 已经在3月的年龄, 而他们的窝, endophilin 1 高-2-3 高动物, 显示一个重要的仅在15月13岁时, 电机协调减少。由于这些模型中的表型的多样性很大, 因此有必要确定和应用一种能够结合动物的运动和认知能力以及年龄的各种挑战的测试。在这里, 我们详细的实验程序, 利用运动学步态分析, 以评估运动损伤的发生和进展的小鼠模型, 显示神经退行性变化 (即endophilin 突变体)。这包括测量不同年龄的步态参数和运动损伤的不同严重性。
Protocol
Representative Results
Discussion
研究运动协调是神经退行性疾病模型的一种有用的方法, 特别是对运动协调受到严重影响的 PD 等疾病的描述。在运动步态分析功能检测的帮助下, 我们可以确定在运动问题开始时动物步态的细微变化, 或者在弱变性的模型中, 因此相对温和的表型。鉴于各种神经退行性疾病模型中的表型广泛, 包括小步态异常和严重的运动损伤, 这种方法很适合根据动物的年龄和移动能力来评估步态参数。严重受损的…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们感谢在埃尼动物设施的动物看护者帮助育种, Nuno 博士雷蒙对手稿有用的评论。通过合作研究中心 SFB-889 (项目 A8) 和 SFB-1190 (项目 P02) 和艾美奖诺特青年调查员奖 (1702/1), 德国研究基金会 (DFG) 提供的赠款支持了贝得通。C.M.R. 得到了来自神经、生物物理学和分子生物科学 (GGNB) 的哥廷根研究生院的研究员的支持。
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 |
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