Application du système RatWalker pour l’analyse de la marche dans un modèle génétique de la maladie de Parkinson chez le rat
Summary
Nous décrivons ici le système RatWalker, construit en redessinant l’appareil MouseWalker pour s’adapter à l’augmentation de la taille et du poids des rats. Ce système utilise la réflexion interne totale frustrée (FTIR), la capture vidéo à grande vitesse et un logiciel d’analyse en libre accès pour suivre et quantifier les paramètres de marche.
Abstract
La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative progressive causée par la perte de neurones dopaminergiques (DA) dans la substance noire pars compacta. Les anomalies de la démarche, y compris la diminution du balancement des bras, la vitesse de marche plus lente et des pas plus courts sont fréquentes chez les patients atteints de MP et apparaissent tôt dans l’évolution de la maladie. Ainsi, la quantification des schémas moteurs dans les modèles animaux de MP sera importante pour la caractérisation phénotypique au cours de l’évolution de la maladie et lors du traitement thérapeutique. La plupart des cas de MP sont idiopathiques; cependant, l’identification de formes héréditaires de MP a révélé des mutations génétiques et des variantes, telles que des mutations de perte de fonction dans Pink1 et Parkin, deux protéines impliquées dans le contrôle de la qualité mitochondriale qui pourraient être exploitées pour créer des modèles animaux. Alors que les souris sont résistantes à la neurodégénérescence lors de la perte de Pink1 et Parkin (délétion simple et combinée), chez le rat, le déficit en Pink1 mais pas en Parkin entraîne une perte de neurones DA nigraux et une déficience motrice. Ici, nous rapportons l’utilité de l’imagerie IRTF pour découvrir les changements de démarche chez les jeunes rats mâles (âgés de 2 mois) qui marchent librement avec une perte combinée de Pink1 et Parkin avant le développement d’une anomalie motrice visuelle apparente globale à mesure que ces rats vieillissent (observée à 4-6 mois), caractérisée par un traînement des membres postérieurs comme précédemment rapporté chez les rats Pink1 knockout (KO).
Introduction
La MP, le trouble neurodégénératif du mouvement lié à l’âge le plus courant, est causée par la perte de neurones DA dans la substance noire pars compacta. Cette perte de neurones DA nigraux et les entrées DA dans le striatum conduisent aux altérations de la fonction motrice observées chez les patients atteints de 1,2. Les caractéristiques motrices déterminantes des patients atteints de MP, connues collectivement sous le nom de parkinsonisme, comprennent la rigidité, les tremblements au repos, la bradykinésie, l’instabilité posturale et la micrographie3. De plus, les troubles de la marche, qui sont fréquents chez les patients atteints de MP, apparaissent tôt dans l’évolution de la maladie 1,4,5. Bien que certains modes de vie soient suggérés pour aider à ralentir la progression de la MP, comme une alimentation saine et l’exercice régulier, il n’existe actuellement aucun remède contre la MP, seulement des médicaments pour gérer les symptômes. Cela laisse place à la nécessité d’approfondir les recherches dans l’espoir d’améliorer les traitements. Ainsi, la caractérisation du schéma de démarche dans les modèles animaux MP est un outil crucial pour caractériser la pertinence du modèle ainsi que la façon dont les traitements thérapeutiques visant à contrôler la MP préviennent ou améliorent les déficiences motrices.
Il existe différents modèles animaux de MP qui ont été utilisés pour tester des traitements thérapeutiques, mais chacun a ses limites. Par exemple, des modèles animaux traités avec la neurotoxine 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP) ont fourni une grande quantité d’informations sur les processus importants pour la perte de neurones DA nigraux et les adaptations striatales subséquentes, et ont souligné le rôle des mitochondries dans la pathogenèse de la MP; cependant, le contexte pathogénique du modèle MPTP est de nature toxique plutôt que neurodégénérative comme dans le6 humain. D’autres modèles inductibles chimiquement comprennent la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) et la roténone. Le 6-OHDA a été le premier agent utilisé pour induire la MP par accumulation sélective du médicament dans les neurones DA, ce qui finit par tuer les neurones et conduit à des symptômes semblables à ceux de la MP. Ce modèle a d’abord été utilisé pour le suivi de la déplétion en DA en examinant le comportement en réponse à l’amphétamine et à l’apomorphine7. Cette méthode d’induction de la MP s’est avérée utile pour le dépistage des agents pharmacologiques qui ont un impact sur l’AD et ses récepteurs8. Bien que le modèle 6-OHDA soit un excellent modèle pour suivre les déficits moteurs quantifiables, ce modèle ne montre pas comment la perte progressive de neurones et la formation de corps de Lewy affectent l’animal. L’autre méthode d’induction, la roténone, s’est avérée avoir une dégénérescence progressive des neurones nigrostriataux avec la perte de tyrosine hydroxylase et de transporteur DA, permettant un meilleur modèle pour suivre la perte de neurones au fil du temps9. Les rats traités à la roténone présentaient une bradykinésie, une instabilité posturale et une démarche instable10. Cependant, cette méthode s’est avérée très variable entre les différentes souches de rats, ce qui a suscité des doutes quant à savoir si la roténone est ou non un modèle fiable11,12,13. Bien qu’il ait été démontré que l’analyse de la marche est influencée par l’induction de la MP chez les rats, à ce jour, les modèles de rat de la MP génétiquement induite n’ont pas été facilement utilisés pour l’analyse de la marche en marchant librement sur une piste.
Une façon d’analyser la déficience motrice chez les rongeurs qui marchent librement est l’analyse cinématique de la démarche, qui peut être effectuée en utilisant l’imagerie FTIR. Cette méthode établie utilise un capteur tactile optique basé sur FTIR, qui enregistre et suit les empreintes des rongeurs lorsqu’ils descendent la piste14,15,16. Par rapport à d’autres méthodes, le FTIR ne dépend d’aucun marqueur sur le corps de l’animal qui pourrait interférer avec les empreintes de pattes. La génération des données vidéo produit des empreintes numériques des quatre membres qui peuvent être combinées pour créer un modèle de marche dynamique et reproductible pour divers modèles de rongeurs. Le principe de l’analyse de la démarche basée sur l’imagerie est de prendre chaque patte individuelle et de mesurer la zone de contact au fil du temps lorsque le rongeur descend la piste. Chaque position est représentée par une augmentation de la surface des pattes (dans la phase de freinage) et une diminution de la surface de la patte (dans la phase de propulsion). Ceci est procédé par la phase de balancement, c’est-à-dire lorsqu’aucun signal de patte n’est détecté. Après l’évaluation de la vidéo, plusieurs paramètres sont générés qui peuvent être utilisés pour comparer le modèle de type sauvage (WT) et le modèle. Quelques exemples de paramètres sont la longueur de marche (distance parcourue par la patte en un pas), la durée de la balançoire (durée pendant laquelle la patte n’est pas en contact avec la piste), la vitesse de balancement (longueur de pas en fonction de la durée de la balançoire) et le motif des pas (pas diagonaux, marches latérales ou pas de ceinture).
Pour démontrer l’utilité du FTIR pour découvrir les premiers changements de la démarche chez les rats, nous avons utilisé un modèle génétique de la MP chez le rat. Alors que la plupart des cas de MP sont idiopathiques; l’identification de formes héréditaires de MP a mis au jour des mutations génétiques et des variants, tels que des mutations de perte de fonction chez Pink1 et Parkin, deux protéines impliquées dans le contrôle de la qualité mitochondriale17, qui pourraient être exploitées pour créer des modèles animaux18. Malheureusement, les souris sont résistantes à la neurodégénérescence lors de la perte de ces protéines (simples et combinées)19,20,21. Chez le rat, le déficit en rose1 mais pas en parkin entraîne une perte de neurones DA nigraux et des déficiences motrices22, mais sans pénétration complète. Par conséquent, nous avons généré un modèle combiné de rat Pink1/Parkin double knockout (DKO), qui affiche le phénotype de traînage des membres postérieurs visuellement apparent signalé chez les rats mâles Pink1 KO22, mais maintenant à un taux plus élevé : 100% contre 30-50% des mâles entre 4-6 mois.
Bien que cette méthode fonctionne bien pour analyser les déficits moteurs chez les souris14, les spécifications du système d’imagerie FTIR pour tenir compte de la taille et du poids des rats n’étaient pas disponibles auparavant à des fins non commerciales. Nous expliquons ici comment construire le RatWalker, un système d’imagerie de la marche FTIR modifié inspiré du MouseWalker14, sauf adapté à la taille et au poids des rats. Ce système utilise un effet optique, FTIR, pour fournir une méthode permettant de visualiser et d’enregistrer ensuite les empreintes d’animaux à des fins d’analyse. Le contact du pied d’un animal avec le guide d’ondes optique (plate-forme) provoque une perturbation du trajet de la lumière, ce qui entraîne un effet de diffusion visible, qui est capturé à l’aide d’une vidéographie à haute vitesse de qualité domestique et d’un traitement à l’aide d’un logiciel libre. Cette étude démontre la puissance de l’imagerie IRTF dans l’étude des changements de démarche dans les modèles génétiques de MP chez le rat. Par exemple, alors que des changements moteurs visuellement apparents manifestes (c’est-à-dire le traînement des membres postérieurs) sont observés chez les rats DKO mâles à 4 mois au plus tôt, en utilisant le FTIR, nous sommes en mesure de découvrir des anomalies de la porte chez les rats DKO mâles à l’âge de 2 mois.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les troubles de la démarche, y compris la diminution du balancement des bras, la vitesse de marche plus lente et les pas plus courts, sont une caractéristique déterminante de la MP et surviennent tôt au cours de l’évolution de la maladie 1,5. Plusieurs méthodes ont été développées au fil des ans pour observer et enregistrer les pas pour l’analyse de la marche dans des modèles de chez les rongeurs, avec des techniques manuelles pour quantifier la po…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
KS et HF remercient la Fondation Michael J Fox pour la recherche sur la maladie de Parkinson pour son soutien à son travail sur la maladie de Parkinson.
Materials
| Aluminum | |||
| 1.5” Aluminum Angle (1/8” – 6063) | Dimensions: 8' Qty: 8 |
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| 1” Aluminum Square Tube (1/16” – 6063) | Dimensions: 8' Qty: 4 |
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| 32 Gauge Aluminum Sheet | Dimensions: 10' Qty: 1 |
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| 1” Aluminum Tube (1/8” – 6063) | Dimensions: 8' Qty: 1 |
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| Acrylic | |||
| 7/32” Clear Acrylic Sheet | Dimensions: 4'x8' Qty: 2 |
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| 1/8” White Acrylic Sheet 55% (2447) | Dimensions: 4'x8' Qty: 1 |
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| Mirror | |||
| 7/32” Glass Mirror | Dimensions: 60"x12" Qty: 1 |
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| LED | |||
| 5050 LED Tape Light (Green) | Dimensions: 16.4' Qty: 1 |
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| 5050 LED Tape Light (Red) | Dimensions: 16.4' Qty: 1 |
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| Camera | |||
| GoPro Hero 6 Black | Qty: 1 | ||
| Tripod | Dimensions: 57" Qty: 1 |
References
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