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Forniamo un protocollo per la valutazione del comportamento motorio tramite una batteria di test comportamentale nei ratti dopo una lesione da schiacciamento del nervo sciatico.
L'induzione di una lesione nervosa periferica è un metodo ampiamente utilizzato nelle neuroscienze per la valutazione dei meccanismi di riparazione e dolore tra gli altri. Inoltre, nel campo della ricerca sui disturbi del movimento, è stata impiegata una lesione da schiacciamento sciatico per innescare un fenotipo simile alla distonia nei modelli di roditori DYT-TOR1A geneticamente predisposti di distonia. Per ottenere risultati coerenti, riproducibili e comparabili dopo una lesione da schiacciamento del nervo sciatico, è essenziale un metodo standardizzato per indurre la schiacciamento nervoso, oltre a una caratterizzazione fenotipica standardizzata. Occorre prestare attenzione non solo allo specifico assortimento di test comportamentali, ma anche ai requisiti tecnici, alla corretta esecuzione e all'analisi consecutiva dei dati. Questo protocollo descrive in dettaglio come eseguire una lesione da schiacciamento del nervo sciatico e fornisce una batteria di prova comportamentale per la valutazione dei deficit motori nei ratti che include il test sul campo aperto, l'analisi dell'andatura CatWalk XT, il compito di camminata del fascio e il compito di camminare a gradini della scala.
I roditori sono eccellenti organismi modello per approfondire la comprensione delle malattie umane1,2 testando ipotesi su più livelli biologici. Un livello biologico fondamentale per la caratterizzazione dei modelli di roditori è il livello di fenotipo, misurato da valutazioni comportamentali. A seconda del modello animale e della domanda di ricerca scientifica, la selezione di una batteria di test comportamentale potente e affidabile è essenziale per coprire una vasta gamma di aspetti comportamentali come per i modelli animali del morbo di Parkinson e della distonia3,4,5,6.
Il nervo sciatico è il nervo più grande del corpo umano con fibre motorie e sensoriali. Le lesioni del nervo sciatico possono derivare facilmente da una varietà di eventi come incidenti stradali e interventichirurgici 7,8. Pertanto, le attività di ricerca che utilizzano modelli di roditori con lesioni nervose sciatiche, hanno un valore traslazionemente rilevante. Anche se l'aspetto traslatore della rigenerazione nervosa dal ratto all'uomo deveessere considerato criticamente 9, la lesione da schiacciamento del nervo sciatico (assonotmesi) nei modelli di roditori è un metodo comunemente usato per analizzare i processi di degenerazione e rigenerazione dei nerviperiferici 10,11. In caso di infortunio alla schiacciamento il nervo non è completamente trasetto. Danneggia l'assone, risultando in blocco di conduzione subito dopo lesioni da schiacciamento seguite da processi rigenerativi 4,12,13.
Inoltre, nella ricerca sulla distonia, la lesione unilaterale della schiacciamento del nervo sciatico è un metodo stabilito per innescare movimenti simili alla distonia (DLM) nei modelli di roditori distonia geneticamente predisposti, che non mostrano DLM di persé 4,14. Si presume che il trauma nervoso periferico disturbi l'integrazione sensorimotoria influenzando le fibre nervose sciatiche, che sono responsabili delle funzioni motorie esensoriali 15.
Qui forniamo una descrizione dettagliata per una lesione di schiacciamento standardizzata del nervo sciatico e una batteria di valutazioni del comportamento motorio composta dal test sul campo aperto (OFT), analisi dell'andatura CatWalk XT, compito di camminata del fascio e compito di camminata a gradini in ingenui ratti di tipo selvaggio (wt) (n = 8-9) e ratti wt cinque settimane dopo una lesione unilaterale da schiacciamento del nervo sciatico (n = 10). L'OFT fornisce informazioni sull'attività locomotoria generale, mentre un'analisi dettagliata dell'andatura è ottenuta dal sistema di analisi automatizzata dell'andatura CatWalk XT. Il compito di camminata del fascio viene utilizzato per valutare la coordinazione del motore valutando il tempo di attraversare la trave e il numero di errori di posizionamento del piede. Per l'analisi delle prestazioni dell'andatura, il compito di camminare con gradini a scala fornisce informazioni sul posizionamento del piede o della zampa ed errori su un apparato a gradini orizzontali con un motivo a gradini costante ma irregolare.
Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati approvati dalle autorità locali del Regierung von Unterfranken (Würzburg, Germania) ed eseguiti secondo le linee guida internazionali, nazionali e/o istituzionali applicabili per la cura e l'uso degli animali.
1. Lesione da schiacciamento del nervo sciatico
NOTA: Mantenere un ambiente sterile durante l'intera procedura chirurgica. Impostare il tavolo dell'intervento chirurgico con l'attrezzatura necessaria.
2. Prova sul campo aperto (OFT)
NOTA: L'attività locomotoria e l'attività comportamentale possono essere analizzate dall'OFT.
3. Analisi dell'andatura CatWalk XT
NOTA: Un'analisi dell'andatura tramite il sistema CatWalk XT può aiutare a valutare molti parametri diversi riguardanti le impronte, la posizione e l'andatura dei modelli animali. Una passerella di vetro è illuminata con luce verde e la luce dispersa dalle impronte degli animali viene catturata con una videocamera ad alta velocità, che si trova sotto la passerella. I segnali possono essere analizzati con il software CatWalk XT.
4. Compito di beam walking
NOTA: I deficit di andatura possono essere determinati dal compito di camminata del raggio. Il focus del compito di beam walking in questo specifico argomento di ricerca sarà l'analisi della coordinazione motoria, definita come la capacità di coordinare l'attivazione muscolare da più parti del corpo, e non la valutazione dell'equilibrio motorio, definita come la capacità di controllo posturale durante i movimenti del corpo.
5. Compito di camminata a gradini a scala
NOTA: Il compito di camminata a gradini della scala può valutare la funzione motoria, il posizionamento sia degli arti anteriori che degli arti posteriori e la coordinazione dell'interlimb.
I risultati rappresentativi dell'OFT di cinque minuti mostrano che la lesione da schiacciamento nervoso cinque settimane dopo l'intervento chirurgico non ha alcun effetto sull'attività locomotoria (Figura 1).
L'analisi dell'andatura con il sistema CatWalk XT (Figura 2) genera molti parametri diversi. I parametri selettivi sono stati analizzati statisticamente confrontando i ratti ingenui con ratti wt feriti dai nervi cinque settimane dopo la schiacciamento nervoso (Figura 2D). Potrebbero essere rilevate alterazioni significative per la velocità media di corsa, la lunghezza del passo e l'area di stampa della zampa posteriore ferita dal nervo (destra). Un'analisi più dettagliata della zampa posteriore ferita dal nervo è stata eseguita con il modulo "Misurazioni interattive dell'impronta". Nei ratti wt feriti dai nervi è stata osservata una significativa riduzione dei parametri di diffusione, diffusione intermedia delle dita dei piedi e lunghezza della stampa rispetto ai ratti ingenui. Inoltre, l'asse del corpo dell'angolo della zampa e il vettore di movimento dell'angolo della zampa differiscono significativamente quando si confrontano i ratti wt feriti dal nervo con i ratti ingenui wt (Figura 2E).
La figura 3 presenta i dati della coordinazione motoria ottenuti attraverso la valutazione del compito di camminata del fascio. I ratti wt feriti dai nervi hanno mostrato un tempo di latenza significativamente aumentato per attraversare il fascio rispetto ai ratti ingenui cinque settimane dopo l'infortunio (Figura 3B). Come ulteriore lettura del compito di camminare con il fascio, sono stati conteggiati e considerati come un errore per l'analisi statistica gli scivolamenti completi e i semiscivoloni dell'arto posteriore ferito dal nervo. La percentuale di errori per passo dell'arto posteriore (destro) ferito dal nervo è stata significativamente aumentata nei ratti wt feriti dai nervi rispetto ai ratti ingenui.
I dati rappresentativi del compito di camminare a pioli(figura 4) non mostrano alterazioni significative nel tempo di latenza per attraversare la passerella dell'apparato a pioli (Figura 4C) o nella percentuale di errori per passo dell'arto posteriore leso dal nervo (adestra) (figura 4D). L'analisi della percentuale di errore per passo dell'arto posteriore ferito dal nervo ha considerato solo il punteggio da 0 a 2 della scala di 7 categorie da Metz et al. La distribuzione di tutte le categorie di punteggio per passo dalla scala a 7 categorie dell'arto posteriore nevralgico e dell'arto posteriore non nervino (sinistro) è illustrata nella figura 4E.
Figura 1: Valutazione dell'attività locomotoria durante la prova in campo aperto. (A) Immagine dell'impostazione del test a campo aperto. Immagine selezionata sottratta da un video registrato durante il test a campo aperto che mostra un topo nell'arena a campo aperto senza (B) e con tracciamento (C). (D) La velocità durante una registrazione di cinque minuti di prova in campo aperto è stata studiata nei ratti ingenui e nei ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. I dati sono indicati come ± SEM. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Analisi dell'andatura con il sistema CatWalk XT. (A) Immagine dell'apparato CatWalk XT. (B) Esempi della vista di stampa che mostra le impronte delle zampe etichettate in modalità falso colore ed esempi della vista di temporizzazione che mostrano il diagramma dell'andatura basato sul tempo dei ratti ingenui e dei ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. (C) Esempi della classificazione delle dita dei dita dei dati che mostrano la diffusione delle dita dei piede (TS), la diffusione intermedia delle dita dei dita dei piede (ITS) e la lunghezza di stampa (PL), nonché esempi della vista dell'asse del corpo che mostra l'asse del corpo (linea bianca) e il vettore di movimento (linea rossa) dei ratti ingenui e dei ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. (D) Dati di parametri selezionati della classificazione "standard" che confrontano ratti ingenui e ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. (E) Dati di parametri selezionati dal "modulo Misurazioni interattive dell'impronta" confrontando ratti ingenui e ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. I dati sono mostrati come media ± SEM. L'analisi statistica è stata eseguita utilizzando il test t non accoppiato dei dati normalmente distribuiti, il test t non accoppiato con la correzione di Welch di dati normalmente distribuiti con varianza disuguale e il test Mann-Whitney U dei dati distribuiti non normali. Il valore P < 0,05 è stato definito come statisticamente significativo etichettato come *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Analisi dell'andatura con il compito di camminare con il fascio. (A) Disegni immagine e schematici della configurazione del compito di camminata del fascio. Il tempo di latenza per attraversare il fascio (B) e la percentuale di errori di scivolamento del piede per passo dell'arto posteriore nevralgico durante il compito di camminata del fascio (C) è stato analizzato nei ratti ingenui e nei ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. Immagine rappresentativa per la posizione dell'ora di inizio (D) e la posizione dell'ora di fine (E) dell'attività di camminata del fascio. Sequenza di immagini rappresentativa di un errore di slittamento completo (F) e di un errore di mezzo slittamento (G) del compito di camminata del fascio. I dati sono mostrati come ± sem. Il valore P < 0,05 è stato definito come statisticamente significativo etichettato come *p < 0,05, **p < 0,01. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Analisi dell'andatura mediante il compito di camminata a pioli. Immagine (A) e disegni schematici (B) della scala che cammina nell'impostazione del compito. Il tempo di latenza di attraversamento dell'apparato del gradino a scala (C) e la percentuale di errori di scivolamento del piede per gradino dell'arto posteriore nevralgico durante il compito di camminare a gradini (D) sono stati valutati nei ratti ingenui e nei ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. (E) La distribuzione percentuale della categoria di punteggio per passaggio in base alla scala delle 7 categorie da Metz et al. per l'arto posteriore sinistro e destro dei ratti ingenui wt e dei ratti wt cinque settimane dopo la lesione da schiacciamento nervoso. I dati sono mostrati come ± SEM. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Rappresentazione esemplare di ciascuna categoria secondo la scala delle 7 categorie di Metz et al. durante il compito di camminare a gradini scala. Sequenza di immagini rappresentativa dall'arto posteriore destro della categoria 0 - miss totale, categoria 1 - scivolo profondo, categoria 2 - leggero slittamento, categoria 3 - sostituzione, categoria 4 - correzione, durante il compito di camminata a gradini della scala. Immagini rappresentative per la categoria 5 - posizionamento parziale e categoria 6 - posizionamento corretto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questo protocollo di valutazione comportamentale fornisce una panoramica di vantaggi e svantaggi, nonché possibili letture della batteria di prova comportamentale selezionata in un modello di roditore dopo una lesione da schiacciamento del nervo sciatico.
Per ottenere un risultato comparativo della lesione da schiacciamento del nervo sciatico, è obbligatoria una tecnica di schiacciamento coerente. L'uso di un morsetto non seghettato (Ultra Fine Hemostat) al posto delle pinze può migliorare la consistenza della frantumazione. Utilizzare lo stesso morsetto e la stessa posizione di schiacciamento per garantire la stessa compressione nervosa. L'uso esclusivo del morsetto per la lesione da schiacciamento e la movimentazione del morsetto con cura migliora la consistenza. Inoltre, eseguire la procedura della lesione da schiacciamento con cura. Ulteriori danni al nervo durante l'intervento chirurgico come la trazione indesiderata del nervo possono portare a effetti collaterali indesiderati come l'automutilazione. Pertanto, si raccomanda un'attenta preparazione nervosa e la somministrazione di un antidolorifico per un minimo di due giorni.
La valutazione multifattoriale del comportamento motorio può caratterizzare il fenotipo dopo la lesione da schiacciamento nervoso nei ratti a vari livelli. Abbiamo utilizzato l'analisi dell'andatura OFT, CatWalk XT, il compito di beam walking e il compito di camminare con gradini a scala. Per questi esperimenti è essenziale una procedura sperimentale cieca e un'analisi dei dati per i gruppi sperimentali. Prima della valutazione del comportamento, gli animali sono stati acclimatati nella sala prove in condizioni di test per almeno 30 minuti. Tutti i test comportamentali applicati nel presente documento hanno il vantaggio che la privazione di cibo o acqua non è richiesta. Lo stesso gruppo di animali è stato utilizzato in tutti i test comportamentali descritti. Per ogni animale sono stati eseguiti al massimo due diversi test comportamentali al giorno. Se i test comportamentali vengono eseguiti a intervalli regolari, prestare attenzione a una procedura comparabile, come eseguire il test nello stesso ordine animale e allo stesso momento della giornata. Un altro aspetto importante per l'analisi comportamentale è il ciclo giorno-notte dei ratti. Si consideri un ciclo giorno-notte invertito per ottenere livelli di attività più naturali e più elevati durante il ciclo diurno (ciclo scuro). Questo deve essere considerato soprattutto per la misurazione del comportamento spontaneo, come l'OFT. In questo esperimento non è stato possibile attuare un ciclo invertito giorno-notte, ma è stata garantita un'adeguata acclimatazione alle condizioni di prova. Un'illuminazione perfetta è essenziale per i video ad alta risoluzione per il compito di camminare con il fascio e il compito di camminare con gradini a scala. Questa alta qualità video non può essere raggiunta quando si eseguono esperimenti al buio.
La valutazione dell'andatura richiede una prestazione di attività continua. Il primo aspetto importante di una continua prestazione di attività è convincere gli animali ad attraversare la configurazione. Per aumentare la motivazione, posizionare piccoli pellet alimentari (45 mg) alla fine della configurazione. Affinché gli animali conoscano i pellet alimentari, i pellet devono essere alimentati prima del test. Inoltre, una casella di obiettivo alla fine della configurazione può essere utile. La configurazione della Passerella include già una casella di porta, ma i ratti a volte esitano a entrare nella casella di porta. In alternativa, puoi aggiungere una piccola gabbia nella scatola degli obiettivi, ma la gabbia di casa dei ratti non si adatta alla scatola degli obiettivi. Lascia che il topo si assueti nella gabbia per alcuni minuti prima dell'acquisizione. Inoltre, un altro topo della stessa gabbia di casa può essere inserito nella scatola dei gol o nella gabbia all'interno della scatola porta. Assicurarsi che il secondo topo rimanga nella scatola e non blocchi l'ingresso alla scatola degli obiettivi. Inoltre, è anche possibile rimuovere la scatola degli obiettivi dal sistema CatWalk e posizionare la gabbia domestica del topo alla fine della passerella, che consente al topo di entrare nel proprio "territorio di casa" dopo ogni corsa. Per la configurazione del compito di camminata del fascio e del compito di camminata a gradini della scala, si consiglia di aggiungere una scatola porta o la gabbia di casa alla fine della configurazione. Per garantire la coerenza, la passerella, il compito di camminare con la trave e il compito di camminare con gradini a scala devono essere eseguiti almeno una volta alla settimana con da sei a dieci corse.
Sebbene non tutte le analisi producano differenze significative in questo studio, considera che l'inclusione di animali o gruppi di trattamento geneticamente modificati potrebbe produrre dati preziosi in grado di distinguere tra gruppi dagli stessi test comportamentali.
La lesione da schiacciamento nervoso non ha avuto alcun effetto sull'attività locomotoria del ratto, che è stata misurata in cinque minuti di OFT. L'analisi dell'andatura Catwalk XT è uno strumento più oggettivo e sensibile per analizzare il posizionamento di andature, zampe e dita dei dita dei dita dei dati. Dopo un intenso allenamento, i ratti imparano ad attraversare la passerella dell'apparato CatWalk XT fino alle impostazioni predefinite. La lesione nervosa non riduce la capacità dei ratti di attraversare la passerella. Il calcolo automatico di vari parametri presenta i dati in modo oggettivo. Ulteriori informazioni possono essere ottenute utilizzando il modulo "Misurazioni interattive dell'impronta" e, in effetti, queste analisi hanno prodotto differenze significative in vari parametri di diffusione delle dita dei dita dei dati, lunghezza di stampa e angolo della zampa rispetto all'asse del corpo confrontando i ratti con e senza lesioni nervose.
I ratti possono essere addestrati facilmente per il compito di camminare con il raggio. Le differenze nel tempo di latenza per attraversare la trave e nel numero di scivolamenti del piede per passo dell'arto posteriore nevralgico sono state rilevate confrontando ingenuamente con ratti feriti dalla schiacciamento. Uno svantaggio dell'analisi dei ratti feriti dai nervi con il compito di camminare con il fascio è la dimensione del fascio. Entro le prime due settimane dopo la lesione da schiacciamento del nervo sciatico, i ratti hanno bisogno di assistenza per attraversare la trave poiché il loro equilibrio è compromesso. Sebbene alcuni ratti possano essere in grado di attraversare la trave, il rischio di lesioni causate da una caduta è elevato. Gli animali schiacciati dai nervi dovrebbero quindi essere assistiti ad attraversare il raggio per le prime due settimane dopo la lesione da schiacciamento del nervo sciatico o più a lungo, se necessario. Tuttavia, è difficile confrontare le corse con e senza assistenza. Inoltre, il bilanciamento del motore è un parametro importante valutato dal compito di camminata del fascio. Abbiamo ritenuto che questo parametro non fosse rilevante per il nostro modello di ratto di schiacciamento nervoso. Pertanto, i punteggi descritti da Ohwatashi e altri e Johansson & Ohlsson non hanno potuto essere utilizzati e le corse con un traverso di travi incompleto sono state escluse perl'analisi dei dati 18,19.
La scala a 7 categorie di Metz et al. Analizzando gli errori più importanti, che includono le categorie da 0 a 2, non è stato possibile rilevare differenze di errori per passo nell'ostacolo quando si confrontano ratti wt feriti dai nervi con ratti wt ingenui. Inoltre, il tempo di latenza di attraversamento dell'apparato a pioli non differiva tra ratti wt feriti dai nervi e ratti ingenui. I modelli di deep learning potrebbero migliorare e accelerare l'analisi dei dati del compito di camminata a pioli attraverso un approccio automatizzato.
È importante menzionare che la lesione da schiacciamento nervoso e tutti i test comportamentali descritti possono facilmente essere tradotti nei topi, adattando le impostazioni e le dimensioni delle configurazioni. L'uso dei topi come organismo modello ha l'effetto benefico che esistono modelli transgenici per molte malattie umane.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato supportato dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca (BMBF DysTract to C.W.I.) e dal Centro interdisciplinare per la ricerca clinica (IZKF) dell'Università di Würzburg (da N-362 a C.W.I.; da Z2-CSP3 a L.R.). Inoltre, questo progetto ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea nell'ambito del COFUND-EJP RD COFUND-EJP N° 825575 (EurDyscover to J.V.) dell'Unione europea e dalla Fondazione VERUM. Inoltre C.W.I. è finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fondazione tedesca reseach) Project-ID 424778381-TRR 295, dalla Deutsche Stiftung Neurologie e dal ParkinsonFonds. L.R. è inoltre supportato dalla Dystonia Medical Reseach Foundation.
Gli autori ringraziano Keali Röhm, Veronika Senger, Heike Menzel e Louisa Frieß per la loro assistenza tecnica, nonché Helga Brünner per la cura degli animali.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetic acid, ≥99.8% | Sigma-Aldrich | 33209-1L | |
Appose ULC skin stapler 35W | Covidien | 8886803712 | |
Beam | self made | ||
Bepanthen eye cream | Bayer Vital GmbH | 81552983 | |
Box for OFT | self made | ||
Camcorder GC-PX100 | JVC | ||
Catwalk XT | Noldus | setup and software | |
Chamber for isofluran | GT-Labortechnik | custom made | |
Disposable scalpel No. 11 | Feather | 20.001.30.011 | |
Dräger Vapor 19.3 isoflurane system | Dr. Wilfried Müller GmbH | ||
Dumont #2 - laminectomy forceps | Fine Science Tools | 11223-20 | |
Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11251-30 | super-fine |
Dustless precision pellets 45 mg | Bio-Serv | F0021 | |
EthoVision XT | Noldus | setup and software | |
Forceps 160 mm | Hartenstein | PZ09 | |
Gas anesthesia mask, rat | Dr. Wilfried Müller GmbH | ||
Goal box for ladder rung walking task apparatus | self made | ||
Hair clipper Magnum 5000 | Wahl GmbH | ||
Hardened fine scissors | Fine Science Tools | 14090-11 | |
Heating table | MEDAX | 13801 | |
Isofluran CP 1ml/ml, 250 ml | cp-pharma | 1214 | prescription needed |
Kinovea | www.kinovea.org | ||
Ladder rung walking task apparatus | self made | ||
Needleholder | KLS Martin | 20-526-14-07 | |
Octeniderm | Schülke | 118211 | |
Rimadyl 50 mg/ml, injectable | Zoetis | Carprofen, prescription needed | |
Rubber band retractors | self made | ||
Spacer for beam | self made | ||
Spacer for ladder rung walking task apparatus | self made | ||
Suture Silkam 4/0 DS 19 | B. Braun | C0762202 | |
Ultra fine hemostats (non-serrated clamp) | Fine Science Tools | 13020-12 |
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