Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
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.
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.
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.
Tüm hayvan çalışmaları, Nebraska Üniversitesi Tıp Merkezi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır.
1. Yürüyüş aparatı
NOT: MouseWalker14'ten modellenen RatWalker, sıçanlar ve fareler arasındaki adım uzunluğu farkıyla orantılı boyutlarda tasarlanmıştır. Bir yan aydınlatma arka ışığı, geçit muhafazası, optik dalga kılavuzu geçidi, ayna ve kameradan oluşur (Şekil S1). Kademeli bir konumda yönlendirilmiş LED şeritler, ekstra malzemeyi barındırmak için yürüyüş yolunun her iki tarafında ve arka ışık dalga kılavuzlarında kullanılmıştır. Modifiye edilmiş yürüyüş aparatını oluşturmak için gereken malzemeler Tablo S1'de bulunabilir.
2. Ekipman Kurulumu
3. Hayvan Uyumu
NOT: İlk deneyden bir hafta önce, hayvanları modifiye edilmiş yürüyüş aparatından geçirin.
4. Yürüyüş Prosedürü
5. Video ön işleme
NOT: Yüksek hızlı kamera tarafından çekilen videolar, 120 fps'de mp4 formatında ve 1080p çözünürlükte işlenir. Analitik yazılımın yükünü aşağı yönde hafifletmek için, önce gereksiz çekimleri kırpın ve LosslessCut yazılımını (sürüm 3.23.7, https://github.com/mifi/lossless-cut) kullanarak her videodaki sesi çıkarın, ardından açık kaynaklı yazılım FFmpeg'i (sürüm 4.2, http://ffmpeg.org/) kullanarak mp4 video akışını bir png görüntü dizisine dönüştürün. Not: png yerine tiff gibi diğer Kayıpsız formatlar kullanılabilir.
6. Yürüyüş İşleme
NOT: Yürüyüş verileri, ücretsiz olarak kullanılabilen MouseWalker (http://biooptics.markalab.org/MouseWalker/)14 yazılımı kullanılarak işlenir ve ölçülür.
7. Veri Analizi
Sıçan Kolonisi Bakımı
Pink1 ve Parkin tek KO sıçanlarının üretimi ve karakterizasyonu daha önce22 olarak tanımlanmıştır. Pink1 ve Parkin tek KO sıçanları SAGE Labs'tan elde edildi (ve şimdi Envigo'dan temin edilebilir). DKO sıçanları, Pink1-/-/Parkin-/- sıçanları elde etmek için Pink1-/-- sıçanları Parkin-/- sıçanlarla geçerek Pink1-/-/Parkin+/- sıçanları el...
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...
Yazarlar rakip finansal çıkarlar olmadığını beyan ederler.
KS ve HF, Parkinson hastalığı konusundaki çalışmalarını destekledikleri için Michael J Fox Parkinson Araştırma Vakfı'na teşekkür eder.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır