Name: applying the ratwalker system for gait analysis in a genetic rat model of parkinson's disease
Uploaded: 2021-01-18T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Applying the RatWalker System for Gait Analysis in a Genetic Rat Model of Parkinson's Disease at JoVE.com

KS und HF danken der Michael J. Fox Foundation for Parkinson's Research für die Unterstützung ihrer Arbeit zur Parkinson-Krankheit.

Alle Tierversuche wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) des University of Nebraska Medical Center genehmigt.
1. Gangvorrichtung
HINWEIS: Der RatWalker basiert auf dem MouseWalker14 und wurde mit Abmessungen entwickelt, die proportional zum Unterschied in der Schrittlänge zwischen Ratten und Mäusen sind. Es besteht aus einer seitlichen Hintergrundbeleuchtung, einem Gehweggehäuse, einem Lichtwellenleiterlauf, einem Spi...

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Gangstörungen, einschließlich verminderter Armschwingung, langsamerer Gehgeschwindigkeit und kürzerer Schritte, sind ein bestimmendes Merkmal der Parkinson-Krankheit und treten früh im Krankheitsverlaufauf 1,5. Im Laufe der Jahre wurden mehrere Methoden entwickelt, um die Trittfrequenz für die Ganganalyse in Nagetiermodellen der Parkinson-Krankheit zu beobachten und aufzuzeichnen, wobei manuelle Techniken zur Quantifizierung der Trittposition zu automatisier...

Parkinson, die häufigste altersbedingte neurodegenerative Bewegungsstörung, wird durch den Verlust von DA-Neuronen in der Substantia nigra pars compacta verursacht. Dieser Verlust von nigralen DA-Neuronen und die DA-Einträge in das Striatum führen zu den beobachteten motorischen Funktionsbeeinträchtigungen, die bei Patienten mit PD 1,2 beobachtet wurden. Zu den charakteristischen motorischen Merkmalen von Patienten mit Parkinson, die zusammen als Parkinsonismus bezeichnet werden, gehören Rigidität, Ruhetremor, Bradykinesie, Haltungsinstabilität und Mikrographie3. Darüber hinaus treten Gangstörungen, die bei Parkinson-Patienten häufig sind, früh im Krankheitsverlaufauf 1,4,5. Während bestimmte Lebensstile vorgeschlagen werden, um das Fortschreiten der Parkinson-Krankheit zu verlangsamen, wie gesunde Ernährung und regelmäßige Bewegung, gibt es derzeit keine Heilung für Parkinson, nur Medikamente zur Behandlung der Symptome. Dies lässt Raum für die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen in der Hoffnung auf verbesserte Therapeutika. Daher ist die Charakterisierung des Gangmusters in Parkinson-Tiermodellen ein entscheidendes Werkzeug, um die Relevanz des Modells zu charakterisieren und zu bestimmen, wie therapeutische Behandlungen zur Kontrolle der Parkinson-Krankheit motorische Beeinträchtigungen verhindern oder verbessern.
Es gibt verschiedene PD-Tiermodelle, die verwendet wurden, um therapeutische Behandlungen zu testen, aber jedes hat seine Grenzen. Zum Beispiel haben Tiermodelle, die mit dem Neurotoxin 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP) behandelt wurden, eine große Fülle von Informationen über Prozesse geliefert, die für den nigralen DA-Neuronenverlust und nachfolgende striatale Anpassungen wichtig sind, und auf die Rolle der Mitochondrien bei der PD-Pathogenese hingewiesen. Der pathogenetische Hintergrund des MPTP-Modells ist jedoch eher toxischer Natur als ein neurodegenerativer Prozess wie bei der humanen PD6. Weitere chemisch induzierbare Modelle sind 6-Hydroxydopamin (6-OHDA) und Rotenon. 6-OHDA war der erste Wirkstoff, der verwendet wurde, um Parkinson durch selektive Akkumulation des Arzneimittels in den DA-Neuronen zu induzieren, was schließlich die Neuronen abtötet und zu Parkinson-ähnlichen Symptomen führt. Dieses Modell wurde zuerst für die Verfolgung der DA-Depletion verwendet, indem das Verhalten als Reaktion auf Amphetamin und Apomorphin7 untersucht wurde. Diese Methode der Parkinson-Induktion hat sich als nützlich für das Screening pharmakologischer Wirkstoffe erwiesen, die DA und seine Rezeptoren beeinflussen8. Während das 6-OHDA-Modell ein großartiges Modell ist, um quantifizierbare motorische Defizite zu verfolgen, zeigt dieses Modell nicht, wie sich der allmähliche Verlust von Neuronen und die Bildung von Lewy-Körpern auf das Tier auswirken. Es wurde gezeigt, dass die andere Induktionsmethode, Rotenon, eine fortschreitende Degeneration von nigrostriatalen Neuronen mit dem Verlust von Tyrosinhydroxylase und DA-Transporter aufweist, was ein besseres Modell zur Verfolgung des Verlusts von Neuronen im Laufe der Zeit ermöglicht9. Die mit Rotenon behandelten Ratten zeigten Bradykinesie, Haltungsinstabilität und unsicheren Gang10. Es wurde jedoch festgestellt, dass diese Methode zwischen verschiedenen Rattenstämmen sehr unterschiedlich ist, was die Frage aufgeworfen hat, ob Rotenon ein zuverlässiges PD-Modellist oder nicht 11,12,13. Während gezeigt wurde, dass die Ganganalyse durch die Induktion von Parkinson bei Ratten beeinflusst wird, wurden genetisch induzierte PD-Rattenmodelle bisher nicht ohne weiteres für die Ganganalyse verwendet, indem sie frei auf einer Landebahn liefen.
Eine Möglichkeit, motorische Beeinträchtigungen bei frei gehenden Nagetieren zu analysieren, ist die kinematische Ganganalyse, die mit Hilfe von FTIR-Bildgebung durchgeführt werden kann. Diese etablierte Methode verwendet einen optischen Berührungssensor auf Basis von FTIR, der die Fußabdrücke der Nagetiere aufzeichnet und verfolgt, während sie sich auf der Landebahn14,15,16 bewegen. Im Vergleich zu anderen Methoden hängt FTIR nicht von Markern am Körper des Tieres ab, die die Pfotenabdrücke stören könnten. Durch die Generierung der Videodaten werden digitale Pfotenabdrücke aller vier Gliedmaßen erzeugt, die zu einem dynamischen und reproduzierbaren Laufmuster für verschiedene Nagetiermodelle kombiniert werden können. Das Prinzip der bildgebenden Ganganalyse besteht darin, jede einzelne Pfote zu nehmen und die Kontaktfläche im Laufe der Zeit zu messen, während das Nagetier die Landebahn hinuntergeht. Jede Haltung wird durch eine Vergrößerung der Pfotenfläche (in der Bremsphase) und eine Abnahme der Pfotenfläche (in der Antriebsphase) dargestellt. Dem geht die Schwungphase voraus, in der kein Pfotensignal erkannt wird. Nach der Auswertung des Videos werden mehrere Parameter generiert, mit denen Wildtyp (WT) mit PD-Modell verglichen werden kann. Einige Beispiele für die Parameter sind die Schrittlänge (die Strecke, die die Pfote in einem Schritt zurücklegt), die Schwungdauer (die Zeit, in der die Pfote keinen Kontakt mit der Landebahn hat), die Schwunggeschwindigkeit (Schrittlänge als Funktion der Schwungdauer) und das Schrittmuster (diagonale Schritte, seitliche Schritte oder Gürtelschritte).
Um den Nutzen von FTIR zur Aufdeckung früher Veränderungen des Gangmusters bei Ratten zu demonstrieren, verwendeten wir ein genetisches Rattenmodell der Parkinson-Krankheit. Während die meisten Fälle von Parkinson idiopathisch sind; Die Identifizierung erblicher Formen von Parkinson deckte Genmutationen und -varianten auf, wie z.B. Funktionsverlust-Mutationen in Pink1 und Parkin, zwei Proteinen, die an der mitochondrialen Qualitätskontrollebeteiligt sind 17, die zur Erstellung von Tiermodellen genutzt werden könnten18. Leider sind Mäuse resistent gegen Neurodegeneration, wenn diese Proteine (einzeln und kombiniert) verloren gehen19,20,21. Bei Ratten führt ein Pink1-Mangel, nicht aber ein Parkin-Mangel, zu einem nigralen DA-Neuronenverlust und motorischen Beeinträchtigungen22, jedoch ohne vollständige Penetranz. Daher haben wir ein kombiniertes Pink1/Parkin-Doppel-Knockout-Rattenmodell (DKO) erstellt, das den offensichtlichen, visuell sichtbaren Phänotyp des Ziehens der Hinterbeine zeigt, der bei männlichen Pink1-KO-Ratten22 berichtet wurde, aber jetzt mit einer höheren Rate: 100% gegenüber 30-50% der Männchen zwischen 4-6 Monaten.
Während diese Methode gut für die Analyse von motorischen Defiziten bei Mäusengeeignet ist 14, waren FTIR-Bildgebungs-Gangsystemspezifikationen zur Berücksichtigung der Größe und des Gewichts von Ratten bisher nicht kommerziell verfügbar. Hier erklären wir, wie man den RatWalker baut, ein modifiziertes FTIR-Gangbildgebungssystem, das dem MouseWalker14 nachempfunden ist, außer dass es an die Größe und das Gewicht von Ratten angepasst ist. Dieses System nutzt einen optischen Effekt, FTIR, um eine Methode zur Visualisierung und anschließenden Aufzeichnung von Tierfußabdrücken für die Analyse bereitzustellen. Der Kontakt des Fußes eines Tieres mit dem Lichtwellenleiter (Plattform) führt zu einer Unterbrechung des Lichtwegs, was zu einem sichtbaren Streueffekt führt, der mit Hochgeschwindigkeits-Videografie und Verarbeitung mit Open-Source-Software erfasst wird. Diese Studie zeigt die Leistungsfähigkeit der FTIR-Bildgebung bei der Untersuchung von Gangveränderungen in genetischen Rattenmodellen der Parkinson-Krankheit. Während zum Beispiel bei männlichen DKO-Ratten frühestens nach 4 Monaten sichtbare visuell sichtbare motorische Veränderungen (z.B. Ziehen der Hinterbeine) beobachtet werden, können wir mit FTIR Gate-Anomalien bei männlichen DKO-Ratten im Alter von 2 Monaten aufdecken.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>Aluminum</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1.5&#8221; Aluminum Angle (1/8&#8221; - 6063)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 8&#39; 
			Qty: 8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#8221; Aluminum Square Tube (1/16&#8221; - 6063)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 8&#39; 
			Qty: 4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>32 Gauge Aluminum Sheet</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 10&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#8221; Aluminum Tube (1/8&#8221; - 6063)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 8&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylic</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7/32&#8221; Clear Acrylic Sheet</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 4&#39;x8&#39; 
			Qty: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/8&#8221; White Acrylic Sheet 55% (2447)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 4&#39;x8&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirror</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>7/32&#8221; Glass Mirror</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 60&#34;x12&#34; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5050 LED Tape Light (Green)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 16.4&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5050 LED Tape Light (Red)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 16.4&#39; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GoPro Hero 6 Black</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Qty: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tripod</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dimensions: 57&#34; 
			Qty: 1</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

applying the ratwalker system for gait analysis in a genetic rat model of parkinson's disease

Die Parkinson-Krankheit (PD) ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die durch den Verlust von dopaminergen (DA) Neuronen in der Substantia nigra pars compacta verursacht wird. Ganganomalien, einschließlich verminderter Armschwingung, langsamerer Gehgeschwindigkeit und kürzerer Schritte, sind bei Parkinson-Patienten häufig und treten früh im Krankheitsverlauf auf. Daher wird die Quantifizierung von motorischen Mustern in Tiermodellen der Parkinson-Krankheit für die phänotypische Charakterisierung während des Krankheitsverlaufs und bei der therapeutischen Behandlung wichtig sein. Die meisten Fälle von Parkinson sind idiopathisch; Die Identifizierung erblicher Formen der Parkinson-Krankheit deckte jedoch Genmutationen und -varianten auf, wie z. B. Funktionsverlust-Mutationen in Pink1 und Parkin, zwei Proteinen, die an der mitochondrialen Qualitätskontrolle beteiligt sind und zur Erstellung von Tiermodellen genutzt werden könnten. Während Mäuse bei Verlust von Pink1 und Parkin (einfache und kombinierte Deletion) resistent gegen Neurodegeneration sind, führt bei Ratten ein Pink1-Mangel, aber nicht ein Parkin-Mangel, zu einem nigralen DA-Neuronenverlust und einer motorischen Beeinträchtigung. Hier berichten wir über den Nutzen der FTIR-Bildgebung zur Aufdeckung von Gangveränderungen bei frei gehenden jungen (2 Monate alten) männlichen Ratten mit kombiniertem Verlust von Pink1 und Parkin vor der Entwicklung einer groben visuell sichtbaren motorischen Anomalie mit zunehmendem Alter dieser Ratten (beobachtet nach 4-6 Monaten), gekennzeichnet durch das Ziehen der Hinterbeine, wie zuvor bei Pink1 Knockout (KO) Ratten berichtet.

Erhaltung der Rattenkolonie Die Generierung und Charakterisierung von Pink1- und Parkin-Einzel-KO-Ratten wurde bereits22 beschrieben. Die einzelnen KO-Ratten Pink1 und Parkin wurden von SAGE Labs bezogen (und sind jetzt bei Envigo erhältlich). DKO-Ratten wurden durch Kreuzung von Pink1-/-Ratten mit Parkin-/- Ratten erzeugt, um Pink1+/-/Parkin+/- Ratten zu erhalten, die gekreuzt wurden, um Pink1-/-/Parkin-</...

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Applying the RatWalker System for Gait Analysis in a Genetic Rat Model of Parkinson's Disease

Hier beschreiben wir das RatWalker-System, das durch die Neugestaltung des MouseWalker-Geräts erstellt wurde, um der zunehmenden Größe und dem Gewicht von Ratten gerecht zu werden. Dieses System verwendet frustrierte Totalreflexion (FTIR), Hochgeschwindigkeits-Videoaufzeichnung und Open-Access-Analysesoftware, um Gangparameter zu verfolgen und zu quantifizieren.

Anwendung des RatWalker-Systems zur Ganganalyse in einem genetischen Rattenmodell der Parkinson-Krankheit

Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder caused by the loss of dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra pars ...

Diese Methode ermöglicht es, Unterschiede in den Gangparametern reproduzierbar zu quantifizieren. Die Gangparameter können bei frei gehenden Nagetieren beurteilt werden, und die Technik beruht nicht auf invasiven Schritten wie dem Eintauchen der Füße mit Tinte. Das Verfahren wird von Ben Lamberty demonstriert.Beginnen Sie, indem Sie vor Beginn jedes Laufs einen Heimkäfig am Ende des Gehwegs platzieren, um der Ratte als positives Signal zu dienen, den Gehweg zu durchqueren. Schalten Sie das Licht im Raum aus. Schalten Sie die Kamera ein und starten Sie die Aufnahme einige Sekunden, bevor die Ratte auf die Plattform gesetzt wird.Wenn das Gehege installiert ist, platzieren Sie die Ratte am Ende des Gehwegs, gegenüber dem Hauskäfig, und lassen Sie sie ungezwungen über den Gehweg laufen. Stoppen Sie die Aufnahme, sobald das Tier das Ende des Gehwegs erreicht hat. Reinigen Sie den Gehweg mit 70% Ethanol und einem nicht scheuernden Handtuch zwischen den Läufen und nachdem ein Tier uriniert oder defäkiert hat.Lassen Sie dann Ethanol verdampfen, bevor Sie ein anderes Tier einführen. Führen Sie die Ratten während jedes Beobachtungszeitraums insgesamt sieben Mal durch den Gehweg und nehmen Sie die ersten drei Durchläufe, die als bestanden für die Analyse bewertet werden. Bewerten Sie einen Lauf als bestanden, wenn das Tier vier oder mehr aufeinanderfolgende Schritte in Richtung des Heimatkäfigs macht, ohne dass es aufgrund von Fellpflege, Pausen oder fehlerhaften Bewegungen unterbrochen wird.Die Ganganalyse wurde an männlichen Wildtyp- und Parkin-DKO-Ratten im Alter von zwei Monaten durchgeführt, um festzustellen, ob die Verwendung der kinematischen Ganganalyse subtile motorische Beeinträchtigungen vor dem Auftreten von grobmotorischen Problemen aufdecken kann. Trotz des erhöhten Gewichts der DKO-Ratten blieb der Fußdruck, der auf die Lauffläche ausgeübt wurde, unverändert. Bei der Beurteilung mehrerer Gangparameter in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit wurde festgestellt, dass die Gehgeschwindigkeit und die Schrittlängen zwischen Wildtyp- und DKO-Ratten ähnlich waren.Die Variation zwischen Wildtyp- und DKO-Ratten zeigte sich in der Standphase und der Schwungdauer bei langsameren Gehgeschwindigkeiten. Der Anteil des Schrittzyklus, in dem sich das Bein in der Standphase befindet, war der Tastfaktor. In der Swing-Phase wurde mehr Zeit verbracht als in der Standphase, da der Duty-Faktor abnahm.Während die Schwunggeschwindigkeiten bei Wildtyp-Tieren mit zunehmender Geschwindigkeit zunahmen, war die Korrelation bei DKO-Ratten abgestumpft. Die FTIR-Ganganalyse wurde auch verwendet, um Diagramme von Standphasenspuren jedes Beines relativ zum Körper bei frei gehenden Ratten zu erstellen. Beim Vergleich der Pfotenpositionierung wurden signifikante Veränderungen von AEP und PEP beobachtet.Mehrere zusätzliche Parameter wurden bei den DKO-Ratten im Vergleich zum Wildtyp signifikant verändert. Die Schwunggeschwindigkeit sowohl der linken als auch der rechten Hinterbeine war bei DKO-Ratten erhöht, während die Schwingungsdauer der linken und rechten Hinterbeine verringert war. Wichtig für die erfolgreiche Implementierung dieses Protokolls ist die konsistente Einstellung der Ausrüstung, einschließlich der Kameraposition in Bezug auf RatWalker.Nach Durchführung dieses Protokolls stehen die Tiere für zusätzliche Verhaltens- oder experimentelle Endpunkte zur Verfügung. Zum Beispiel können Gangänderungen mit histologischen Veränderungen korreliert werden. Diese Technik kann verwendet werden, um den Gang in anderen Nicht-PD-Nagetiermodellen zu beurteilen, wie z. B. Angst- und Depressionsmodelle.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Visualization and Genetic Manipulation of Dendrites and Spines in the Mouse Cerebral Cortex and Hippocampus using In utero Electroporation

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Visualisierung und genetische Manipulation von Dendriten und Dornen in der Maus Hirnrinde und im Hippocampus mit<em&gt; In utero</em&gt; Die Elektroporation

In utero electroporation (IUE) has become a powerful technique to study the development of different regions of the embryonic nervous system 1-5. To date ...

Forschung

Neurowissenschaften

Immunohistochemical Analysis in the Rat Central Nervous System and Peripheral Lymph Node Tissue Sections

Immunhistochemische Analyse im Rat des Zentralnervensystems und peripheren Lymphknoten Gewebeschnitte

Immunohistochemistry (IHC) provides highly specific, reliable and attractive protein visualization. Correct performance and interpretation of an IHC-based ...

Methods to Characterize Spontaneous and Startle-induced Locomotion in a Rotenone-induced Parkinson's Disease Model of Drosophila

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Methoden zur Charakterisierung Spontan und Startle-induzierte Locomotion in einer Rotenon-induzierten Parkinson-Krankheit Modell der<em&gt; Drosophila</em

Parkinson&#8217;s disease is a neurodegenerative disorder that results from the degeneration of dopaminergic neurons in the central nervous system, ...

3D Kinematic Analysis for the Functional Evaluation in the Rat Model of Sciatic Nerve Crush Injury

3D Kinematische Analyse zur funktionellen Bewertung im Rattenmodell von Ischias-Nerven-Crush-Verletzungen

Compared to the Sciatic Functional Index (SFI), kinematic analysis is a more reliable and sensitive method for performing functional evaluations of ...

Semi-Quantitative Determination of Dopaminergic Neuron Density in the Substantia Nigra of Rodent Models using Automated Image Analysis

Semi-quantitative Bestimmung der dopaminergen Neuronendichte in der Substantia Nigra von Nagetiermodellen mittels automatisierter Bildanalyse

Estimation of the number of dopaminergic neurons in the substantia nigra is a key method in pre-clinical Parkinson's disease research. Currently, unbiased ...

A Rat Model of EcoHIV Brain Infection

Ein Rattenmodell der EcoHIV-Gehirninfektion

It has been well studied that the EcoHIV infected mouse model is of significant utility in investigating HIV associated neurological complications. ...

Motor Dual-Tasks for Gait Analysis and Evaluation in Post-Stroke Patients

Motorische Doppelaufgaben für die Ganganalyse und -bewertung bei Patienten nach einem Schlaganfall

Eighteen stroke patients were recruited for this study involving the evaluation of cognition and walking ability and multitask gait analysis. Multitask ...

The 6-hydroxydopamine Rat Model of Parkinson's Disease

Das 6-Hydroxydopamin-Rattenmodell der Parkinson-Krankheit

Motor symptoms of Parkinson's disease (PD)-bradykinesia, akinesia, and tremor at rest-are consequences of the neurodegeneration of dopaminergic neurons in ...

Induction and Assessment of Levodopa-induced Dyskinesias in a Rat Model of Parkinson's Disease

Induktion und Bewertung von Levodopa-induzierten Dyskinesien in einem Rattenmodell der Parkinson-Krankheit

Levodopa (L-DOPA) remains the gold-standard therapy used to treat Parkinson&#39;s disease (PD) motor symptoms. However, unwanted involuntary movements ...