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我们提供一种方案,通过将牙兰膜植入与渗透泵相连的基底神经和小脑,生成药理学 DYT/PARK-ATP1A3 肌张肌小鼠模型。我们描述了通过应用运动挑战来诱导肌张力障碍的运动,以及通过行为评分系统表型的表征。
转基因小鼠模型面临局限性,尤其是在研究运动障碍时,大多数可用的转基因啮齿动物模型没有出现类似于人类疾病临床方面的运动表型。药理学小鼠模型允许更直接地研究病理力学及其对行为表型的影响。与大脑相连的渗透泵通过局部和慢性药物输送,为创建药理小鼠模型提供了可能性。对于快速发作肌张力障碍的遗传运动障碍-帕金森病,Na+/K +-ATPase的β3亚单位的功能丧失突变可以通过高度特异性的封锁+通过糖苷 ouabain 进行模拟。为了局部阻断基底神经和小脑中的+3亚单位,这两个大脑结构被认为严重参与快速发作肌张力障碍-帕金森病的发病机制,一个双核管被立体地植入到街状体中,另外一根小管被引入到小脑中。坎努拉斯通过乙烯基管连接到两个渗透泵,这些泵被皮下植入动物的背上,并允许长期和精确的乌巴因交付。快速发作肌张力障碍-帕金森症的药理小鼠模型具有重述无症状和症状突变载体的临床和病理特征的额外优势。就像快速发作肌张力障碍帕金森症的突变载体一样,乌巴因-高融合小鼠只有在额外暴露于压力后才发展成肌张力障碍样的运动。我们演示了轻度应力范式,并引入了两个经过修改的评分系统,用于评估一个运动表型。
连续的药物直接输送到大脑的好处是众多的。重复和频繁的注射,这是动物不必要的压力因素,可以避免和药物的内腹集中更恒定。当系统管理的药物不能轻易穿透血脑屏障时,这尤其有效。此外,通过渗透泵进行慢性药物输送,允许局部输送基材,否则会产生全系统的副作用。药物可以以有针对性的方式传递到所需的大脑结构,因此其结果可直接追踪。这可用于一系列应用,如治疗效果的研究以及病理机能的研究。最后一个应用程序用于本文中的项目,以创建一个药理小鼠模型的肌张力障碍。
对肌张力障碍综合征的分析和理解,代表第三最常见的运动障碍,已经严重受限的事实,遗传动物模型基本上不能重现疾病人类和病理生理学中发现的疾病表型。这个问题不仅限于肌张力障碍综合征,但事实上涉及许多转基因啮齿动物模型在运动障碍领域,1,2。转基因啮齿动物模型中缺乏表型的原因可能基于高效的补偿机制3。在肌张力障碍的情况下,这种疾病的特点是非自愿肌肉收缩导致扭曲运动和异常的姿势4。研究肌张力障碍症状的继发原因(即脑损伤),有助于确定这些运动异常表现所涉及的结构,如基底神经神经。遗传性肌张力障碍形式的脑成像研究表明,几乎所有负责运动控制和感觉运动整合的大脑区域的功能异常6,6,7。然而,啮齿动物模型仍然需要加深对分子和大规模网络水平上神经功能障碍的理解,以及开发治疗方案。这是药理小鼠模型提供的可能性,以更精确的方式复制疾病的临床和病理特征。
快速发作肌张力障碍-帕金森病(DYT/PARK-ATP1A3;RDP;DYT12)是肌张力障碍的遗传形式之一。它是由ATP1+3基因的功能丧失突变引起的,该基因编码为 Na +/K=-ATPase 8 的+3亚单位。此外,人们认识到,基因突变携带者可以无症状多年,在暴露于压力事件后急性发展持续性普遍性肌张力障碍和帕金森病。事实上,DYT/PARK-ATP1A3的切青是不完整的,压力事件作为触发范围从身体过度兴奋和极端温度到酒精和感染的过度消耗,9,10。为了研究DYT/PARK-ATP1A3并寻找潜在的治疗干预措施,已经尝试了无数次,以模仿啮齿动物模型中的应激疾病发展。然而,除了现有的一个遗传DYT/PARK-ATP1A3小鼠模型,其中暂时异常和抽搐样运动是由体温过低引起的,所有公布的基因小鼠模型DYT/PARK-ATP1A3都未能产生肌张力症状1,1,11,12。,12.Calderon等人先前曾证明,在野生型小鼠中,通过心脏糖苷 ouabain 将 +3 亚单位双边阻断 [3-亚单位],导致轻度步态紊乱 13。在温暖的环境中,额外的接触电脚冲击导致肌张力和心动的表型,从而证明,慢性和有针对性的灌注的乌巴因,然后压力成功地模仿DYT/PARK-ATP1A3表型。
然而,在两个小时的温暖环境中,动物在38-40°C的温暖环境中受到电脚冲击,会诱发动物的疼痛和焦虑,这代表混淆因素,特别是评估与肌张力障碍发展相关的儿茶酚胺系统的变化。因此,本文描述了一种具有高转化价值的不同类型的应激范式,这涉及到轻度到中度运动被描述为DYT/PARK-ATP1A3患者9中的触发器。此外,重复运动是众所周知的动波肌张力障碍14的触发因素。老鼠反复受到具有挑战性的电机任务,包括木杆的三个下降("杆测试")和三个运行在罗塔罗德仪器("罗塔罗性能测试")。动物放在50厘米长的木杆上用来强迫动物下山,Rotarod装置被用来使老鼠被迫活动,把它们放在旋转杆上。
由于缺乏预定义的测试和分数,小鼠肌张力障碍模型的运动表型的表型的表征尤其具有挑战性。然而,一种运动残疾评估的变体在很多年一再使用,以评估啮齿动物13、15、16,15类肌张肌张障碍运动的严重程度和分布情况。我们在此提出肌张力障碍分级表的修改版本,在四分钟内观察到的肌张力障碍样动物表型证明是有效的。作为评估肌张力障碍样运动的第二种方法,我们提出了一个新开发的评分系统,用于在尾部悬架测试期间评估异常运动。它允许评估前肢、后肢和躯干等肌张力障碍运动和姿势的频率和持续时间。
所有程序都按照适用的国际、国家和/或机构指南执行,以照顾和使用动物。德国维尔茨堡雷吉隆冯·翁特弗兰肯的地方当局批准了所有动物实验。
1. 渗透泵的吸注
注:此步骤必须至少在手术前 48 小时执行。ALZET 渗透泵需要预加注,以确保泵送速率在植入前达到稳定状态。
2. 管和渗透泵植入
3. 电机挑战
4. 评估肌张障碍运动评分系统
注:实验者应蒙蔽分析的组分配,以防止偏差。用于描述小鼠表型的行为测试有两个评分系统:肌张力障碍评分表评分异常,肌张力障碍样运动和使用尾部悬浮测试的行为评分。在暴露于轻度压力后30分钟的恢复时间后,评估肌张力障碍样的运动。
图4 已经修改了劳申贝格尔等人17。对于肌张力障碍分级表(A)和尾部悬浮测试(B)的数据分析,计算每个动物的每个时间点的总得分。每个时间点和每个组的均值应绘制在适当的图形上。应调查值的分布,并应用适当的统计检验来确定显著性。与足够数量的动物,一个运动表型可以检测与肌张力障碍分级表,以及评估异常运动在尾部悬浮测试。与乌巴因-注入、无压力小鼠以及对照小鼠相比,在乌巴因-注入、压力组的两项评估中,这种肌张力障碍样表型的显著提高。
图1:用于管和渗透泵植入的主要手术步骤。(A) 对于指示的坐标,需要双边钻孔,用于指定为基底神经带的双管和放置在小脑中线的单管。动物的每一侧都显示两个完全构造的渗透泵。(B) 图片显示了一个植入的,单管进入小脑,用牙科水泥固定。基底钢带的双管状应连接到分叉适配器,并在植入前预填充 ouabain。(C) 完成过程的图像。 请单击此处查看此图的较大版本。
图2:肌张力障碍样运动的评估,具有肌张力障碍评分表。在4分钟的视频中,根据身体分布和持续时间对肌张力障碍样的动作进行评分。前肢的非自愿过度扩张、后部的宽姿势或过度扩张以及基夫病被评定为肌张力障碍。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3:在尾部悬架测试期间对肌张力障碍样运动的评估。新开发的2分钟尾部悬架测试中异常运动的评分系统从0-8分对前肢、后肢和躯干中的运动进行评分。对于前肢,前肢的超扩张和交叉,以及对躯干的补品弯曲,限定为肌张力障碍样。对于后肢, 非自愿的超扩张以及中线延伸的缩回被评分为肌张力障碍。超过 80% 的记录时间被得分一分。 请单击此处查看此图的较大版本。
图4:肌张力障碍分级和尾部悬浮测试的代表性图表。(A) 该图描绘了 NaCl-perfused、有压力小鼠(点黑线)、乌巴因-注入小鼠(点橙线)和乌巴因-注入小鼠(深蓝线)的肌张力分级等级。对于每个时间点,将显示平均值 = 均值 (SEM) 的标准误差。(B) 该图显示了在 NaCl-perfused、有压力小鼠(点黑线)、乌巴因-注入小鼠(点橙线)和乌巴因-注入小鼠(深蓝色线)的 2 分钟尾部悬浮试验期间对异常运动的评估。使用双尾曼-惠特尼测试对肌张力障碍评分表和尾部悬浮测试评分进行了统计分析。p 值的邦费罗尼-霍尔姆校正 (+) 显示观测周期为 72 小时, 存在显著差异。深蓝色 * 表示乌巴因-注入小鼠、有压力小鼠和乌巴因-注入小鼠、黑色 * 表示 NaCl-注入小鼠、有压力小鼠和 ouabain 注入小鼠之间的显著差异,以及 NaCl-注入小鼠、有压力小鼠和乌巴因注入小鼠之间的显著差异。 请单击此处查看此图的较大版本。
此 DYT/PARK-ATP1A3 药理小鼠模型允许详细分析仅由基底神经和小脑中钠-钾离子泵的抑制引起的脑内结构和神经化学变化,以及与压力暴露相关的改变。在小鼠的情况下,最多可以植入两个渗透泵皮。本文介绍一种方法,通过实现除单个管外与分叉适配器相连的双管,详细描述慢性药物传递到多个大脑结构的方法。此方法可用于任何需要同时和长期注入多个大脑结构的应用。
我们提出了一种罕见的运动障碍的小鼠模型,患者在暴露于压力后出现永久性症状。这种假定的基因-环境相互作用仍然不被很好地理解,但可能是DYT/PARK-ATP1A3开发中的关键路径机制之一。过去曾发表过不同的方法,包括电脚冲击、抑制、寒冷或温暖的环境,以及接触各种气味11、12、13。11,12,13为了让小鼠接触具有转化值的轻度应激因子,我们本文描述了小鼠对具有挑战性的运动任务的重复性。在极点测试中,乌巴因被注入的动物揭示了前肢和后肢的非自愿超张。这些运动非常类似于在动物的4分钟录像和尾部悬浮试验中观察到的肌张力障碍样的动作。将轻度应激应用到具有挑战性的运动任务中,可能证明在显示运动症状或神经退化的其他小鼠模型中很有用,因为基因-环境相互作用对疾病进展的程度有很大影响。
普遍缺乏预定义的行为任务以及分级尺度来分类小鼠的异常运动和姿势。大多数可用的运动任务揭示了非特异性异常,如后肢夹紧,这是许多小鼠模型中众所周知的与神经退化18,19的运动障碍模型。然而,为了正确描述表型,有必要分析小鼠模型是否概括了疾病的显著特征。在这里,我们提出了修改版本的肌张力障碍分级表以前用于评估运动残疾在肌张力障碍小鼠模型15,16。15,此外,我们还开发了一个基于观察者的尾部悬浮测试评分系统,该系统与人类肌张力障碍的临床评分标准类似。与乌巴因-注入、无压力动物以及车辆注入动物相比,这两种评级尺度都显示,在乌巴因-注入小鼠、有压力小鼠中得分显著提高。任何基于观察者的评分系统的缺点是对评分员进行必要的培训,以确保一致的评分,减少观察者的变异性,以及如果评分员不完全对所分析的小组完全视而不见,可能产生偏差的危险。然而,基于观察者的评分系统仍然提供一种易于访问的方法来描述表型,并且可以适应所分析的小鼠模型,如本项目中对肌张力障碍运动的评估。为了确保不同评分员之间的一致评分,应提供培训视频。为了减少任何潜在的偏差,建议不同的评分员对相同的视频剪辑进行评分,并计算各个分数的平均值。这项工作中提到的两个评分系统都记录了动物中肌张力障碍运动的存在。评级尺度可以根据项目内的具体要求进行调整,正如Ip等人之前所做的那样,在小鼠肌张力障碍模型(DYT-TOR1A)20中,仅对肌张力障碍样运动进行后肢评分。20评分表可以辅之以其他先前公布的评分系统,例如评估啮齿动物中与卡尔德龙等人第13等人的运动残疾评分一样,其程度。
作者没有什么可透露的。
这项工作得到了联邦教育和研究部(BMBF DysTract到C.W.I.)和维尔茨堡大学临床研究中心(Z2-CSP3至L.R.)的支持。作者感谢路易莎·弗里什、基利·吕姆、维罗尼卡·森格和海克·门泽尔,感谢他们为动物护理提供技术支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.9% saline | Fresenius Kabi | PZN06178437 | |
Alzet osmotic pumps | Durect | 4317 | model 1002, flowrate 0.25 μL/h |
Anchor Screws | AgnTho's | MCS1x2 | 2 mm long with a thread of 1mm O.D. |
Bulldog Clamps | AgnTho's | 13-320-035 | straight, 3.5 cm |
Bupivacain 0.25% Jenapharm | mibe GmbH Arzneimittel | ||
Cannula and Minipump Holder | Stoelting Co. | 51636 | designed to hold 3.4 mm cannula heads |
Cannula Bifurcation | Plastics One | 21Y | custom made |
Cannula tubing | Plastics One | C312VT/PKG | vinyl, 0.69 mm x 1.14 mm |
Dumont #5SF forceps | Fine Science Tools | 11252-00 | fine forceps |
eye cream Bepanthen | Bayer Vital GmbH | ||
Gas Anesthesia Mask for Stereotaxic, Mouse | Stoelting Co. | 56109M | |
Hardened fine scissors | Fine Science Tools | 14090-09 | |
High Speed Rotary Micromotor Kit | Foredom | K.1070-2 | |
Isoflurane CP 1 mL/mL, 250 mL | cp-pharma | 1214 | prescription needed |
Isoflurane System Dräger Vapor 19.3 | Dr. Wilfried Müller GmbH | ||
Kallocryl A/C | Speiko | 1615 | dental cement, liquid |
Kallocryl CPGM rot | Speiko | 1692 | dental cement, red powder |
Mouse and neonates adaptor | Stoelting Co. | 51625 | adaptor for mice for a traditional U-frame |
needle holder | KLS Martin Group | 20-526-14 | |
Non-Rupture Ear Bars and Rubber Tips f/ Mouse Stereotaxic | Stoelting Co. | 51649 | |
Octenisept | Schülke | 118211 | |
Osmotic Pump Connector Cannula for Mice, double | Plastics One | 3280PD-3.0/SPC | 28 Gauge, length 4.0 mm, c/c distance 3.0 mm |
Osmotic Pump Connector Cannula for Mice, single | Plastics One | 3280PM/SPC | 28, Gauge, custom length 3.0 mm |
Ouabain octahydrate 250 mg | Sigma-Aldrich | 03125-250MG | CAUTION: toxic |
Precision balance | Kern & Sohn | PFB 6000-1 | |
Rectal Thermal Probe | Stoelting Co. | 50304 | |
Rimadyl 50 mg/mL, injectable | Zoetis | Carprofen, prescription needed | |
Rodent Warmer X1 with Mouse Heating Pad | Stoelting Co. | 53800M | |
RotaRod Advanced | TSE Systems | ||
screw driver set | AgnTho's | 30090-6 | |
Stainless Steel Burrs | AgnTho's | HM71009 | 0.9 mm Ø burr |
Stainless Steel Burrs | AgnTho's | HM71014 | 1.4 mm Ø burr |
StereoDrive | Neurostar | software | |
Stereotaxic instrument | Stoelting Co. | custom made by Neurostar | |
Stereotaxic robot | Neurostar | ||
suture: coated vicryl, polyglatin 910 | Ethicon | V797D | |
ThermoMixer C | Eppendorf AG | 5382000015 |
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