Sagittale vlak kinematische ganganalyse in C57BL/6 muizen onderworpen aan MOG35-55 geïnduceerde experimentele Autoimmune encefalomyelitis
Summary
Kinematische ganganalyse in het sagittale vlak levert zeer nauwkeurige informatie over hoe verkeer wordt uitgevoerd. We beschrijven de toepassing van deze technieken te identificeren gait tekorten voor muizen onderworpen aan auto-immuun-gemedieerde demyelinisatie. Deze methoden kunnen ook worden gebruikt om te karakteriseren gait tekorten voor andere Muismodellen met verminderde motoriek.
Abstract
Kinematische ganganalyse in het sagittale vlak is vaak gebruikt voor het karakteriseren van motorische tekorten bij multiple sclerose (MS). We beschrijven de toepassing van deze technieken te identificeren gait tekorten in een muismodel van MS, bekend als experimentele autoimmune encefalomyelitis (EAE). Verlamming en motor tekorten in muizen onderworpen aan EAE meestal geschat aan de hand van een klinische scoren schaal. Deze schaal geeft echter alleen ordinale dat de gegevens weinig informatie over de precieze aard van de motorische tekorten verschaft. EAE ziekte ernst is ook beoordeeld door rotarod prestaties, waarmee een maatregel van algemene motorische coördinatie. Kinematische ganganalyse van de hind-limb in het sagittale vlak genereert daarentegen zeer nauwkeurige informatie over hoe beweging geschaad is. Voor het uitvoeren van deze procedure, zijn reflecterende markeringen geplaatst op een hind-limb gezamenlijke beweging detecteren terwijl een muis is lopen op een loopband. De software van de analyse van de beweging wordt gebruikt voor het meten van de beweging van de markers tijdens het wandelen. Kinematische gait parameters zijn vervolgens afgeleid van de resulterende gegevens. Laten we zien hoe deze gait parameters te kwantificeren verminderde bewegingen van de gewrichten van het heup-, knie- en enkel in EAE kunnen worden gebruikt. Deze technieken kunnen worden gebruikt om beter te begrijpen van de ziekte mechanismen en identificeren van potentiële behandelingen voor MS en andere neurodegeneratieve aandoeningen die afbreuk doen aan de mobiliteit.
Introduction
Gait is een serie van repetitieve bewegingen van de ledematen gebruikt om de motoriek. Gait bestaat uit stap cycli, die zijn verdeeld in twee fasen: de fase van de houding, die is wanneer de voet naar achteren op de grond beweegt voor het voortbewegen van het lichaam naar voren; en de fase van de schommel, waar de voet uit de grond en bewegende vooruit is. Gait storingen zijn waarmerk kenmerken van vele neurodegeneratieve aandoeningen, zoals dwarslaesie (SCI), multiple sclerose (MS), Amyotrofische laterale sclerose (ALS), de ziekte van Parkinson (PD) en lijn; preklinische knaagdier modellen van deze aandoeningen recapituleren vaak hun respectieve gait waardeverminderingen1. De fundamentele controlemechanismen van voortbewegen in muizen zijn intensief bestudeerde2,3. Daarnaast zijn er Muismodellen van vele menselijke neurologische aandoeningen4. Ganganalyse in muizen is dan ook een aantrekkelijke aanpak voor het meten van meerdere aspecten van motorische tekorten die anatomische correlaten hebben gekend. De studie van gait in muismodellen kan inzicht verwerven in de neuropathologische grondslagen van motorische tekorten in neurodegeneratieve aandoeningen, en de identificatie van potentiële behandelingen inschakelen.
Sommige technieken die zijn gebruikt voor het meten van gait in knaagdieren omvatten visuele inspectie (bijvoorbeeld, de Basso muis schaal5 en open veld test6) en analyseren van de gang van de ventrale vliegtuig7. Meer recentelijk, methoden om te meten sagittale vlak kinematica van stuk bewegingen hebben opgedaan populariteit omdat ze meer informatie over de uitvoering van de beweging bieden en bijgevolg gevoeliger voor subtiele veranderingen in gang8, zijn 9 , 10 , 11. kinematische technieken ontwikkeld om te bestuderen stuk beweging in het sagittale vlak tijdens het lopen op een loopband9,12 zijn uitvoerig bestudeerd in het kader van SCI ALS, traumatische corticale letsels, beroerte, en De ziekte van Huntington8,9,10,11,13,14,15,16. Deze technieken hebben daarentegen beperkt gebruik in de studie van motorische tekorten voor Muismodellen van multiple sclerose17gezien.
Experimentele autoimmune encefalomyelitis (EAE) is de meest gebruikte muismodel van MS18. De twee belangrijkste methoden van inducerende EAE is via actieve of passieve inoculatie. In actieve EAE, zijn muizen geïmmuniseerd met myeline antigenen, het veroorzaken van autoreactieve T cellen gemedieerde neuroinflammation en demyelinisatie in het ruggemerg en de kleine hersenen. Passieve EAE, aan de andere kant, is veroorzaakt door overdracht van autoreactieve T cellen van een muis met actieve EAE naar een naïeve muis19. Zoals elders beschreven, het verloop van de ziekte en de Neuropathologie worden beïnvloed door het centrale zenuwstelsel (CNS) antigeen en muis stam20,21,22,23,24 ,25. Controle muizen worden EAE experimenten geïnjecteerd met compleet Freund van adjuvans (CFA) zonder de myeline-antigeen. EAE wordt gekenmerkt door de oplopende verlamming die begint met staart zwakte en kan potentieel betrekking hebben op de voorpoten, wat resulteert in ataxie en verlamming20. We hebben onlangs gekenmerkt gait veranderingen in C57Bl/6 muizen onderworpen aan myeline Oligodendrocyt glycoproteïne 35-55 (MOG35-55)-geïnduceerde EAE. Deze studies hebben aangetoond ganganalyse te zijn superieur dan klassieke gedragsanalyse omdat afwijkingen van de normale enkel verkeer zijn sterk gecorreleerd met de mate van verlies van de witte stof in de lumbale ruggemerg van EAE muizen26. De sterkte van de correlatie tussen witte massa verlies en twee andere maatregelen op de traditionele gedrags (klinische scoren en rotarod) was daarentegen veel zwakkere26.
We beschrijven hier het gebruik van kinematische ganganalyse te detecteren verkeer tekorten in het sagittale vlak van EAE muizen lopen op een loopband. Vijf reflecterende markeringen werden geplaatst op een stuk te identificeren van verkeer van de heup-, knie- en enkel gewrichten in high-speed video-opnamen. De software van de analyse van de beweging werd gebruikt om kinematische gegevens over gezamenlijke excursies te extraheren. Het nut van deze technieken te kwantificeren verkeer tekorten voor het model35-55 MOG van EAE worden besproken. Deze technieken zijn ook van toepassing op de studie van gait tekorten in andere Muismodellen van neurodegeneratieve aandoeningen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bij muizen met EAE, twee veelgebruikte methoden voor het meten van motorische tekorten zijn klinische scoren en latentie vallen van een rotarod27,28. Deze technieken hebben verschillende beperkingen. Hoewel handig en gebruikte, wordt klinische scoren beperkt door de opbrengst alleen ordinaal niveau gegevens, wat betekent dat de omvang van de verschillen tussen klinische scores zijn niet bekend. Klinische scoren lijdt ook niet in staat om nauwkeurige informatie ov…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij willen erkennen Sid Chedrawe voor zijn technische bijstand met filmen. Dit werk werd gesteund door de financiering van het MS Society of Canada (EGID 2983).
Materials
| Camera | Nikon | Nikon D750 | Used to film the video |
| Reflective tape | B&L Engineering | MKR-Tape-2 | |
| Fine scissors | Fine Science Tools | 15023-10 | |
| Forceps | Fine Science Tools | 11252-20 | |
| Glue gun | Craftsmart | E231647 | |
| scalpel handle #4 | Roboz | R5-9884 | |
| Scalpel Blade No.10 | Feather | 2020-12 | |
| C57BL/6 mice | Charles River Laboratories | ||
| Anesthetic machine | EZ Anesthesia | EZ-AF9000 Auto Flow System | |
| Recirculating water heating blanket | Androit | HTP-1500 | |
| topical eye lubricant | Refresh | DIN00210889 | |
| Shaver | Oster | 78997-010 | |
| High speed camera | Fastec | Fastec IL3-100 | |
| High power light | Smith Victor Corporation | Model 700 SG (600 Watt quartz light, 120 Volts) | |
| Light Stand | Promaster | LS1 | |
| Treadmill | Custom built at the Zoological Institute, University of Cologne | ||
| Microsoft Excel 2016 | Microsoft | Version 2016 | |
| KinemaJ | Nicolas Stifani | This is a script generated for use with ImageJ | |
| KinemaR | Nicolas Stifani | This is a script generated for use with Rstudio | |
| Vicon Motus | Vicon Motus | Version 9.00 | |
| GraphPad Prism | GraphPad | Version 6.00 | |
Referencias
- Giladi, N., Horak, F. B., Hausdorff, J. M. Classification of gait disturbances: distinguishing between continuous and episodic changes. Mov Disord. 28 (11), 1469-1473 (2013).
- Kiehn, O. Decoding the organization of spinal circuits that control locomotion. Nat Rev Neurosci. 17 (4), 224-238 (2016).
- Akay, T., Tourtellotte, W. G., Arber, S., Jessell, T. M. Degradation of mouse locomotor pattern in the absence of proprioceptive sensory feedback. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (47), 16877-16882 (2014).
- Hafezparast, M., Ahmad-Annuar, A., Wood, N. W., Tabrizi, S. J., Fisher, E. M. Mouse models for neurological disease. Lancet Neurol. 1 (4), 215-224 (2002).
- Basso, D. M., et al. Basso Mouse Scale for locomotion detects differences in recovery after spinal cord injury in five common mouse strains. J Neurotrauma. 23 (5), 635-659 (2006).
- Tatem, K. S., et al. Behavioral and locomotor measurements using an open field activity monitoring system for skeletal muscle diseases. J Vis Exp. (91), e51785 (2014).
- Hetze, S., Romer, C., Teufelhart, C., Meisel, A., Engel, O. Gait analysis as a method for assessing neurological outcome in a mouse model of stroke. J Neurosci Methods. 206 (1), 7-14 (2012).
- Preisig, D. F., et al. High-speed video gait analysis reveals early and characteristic locomotor phenotypes in mouse models of neurodegenerative movement disorders. Behav Brain Res. 311, 340-353 (2016).
- Leblond, H., L’Esperance, M., Orsal, D., Rossignol, S. Treadmill locomotion in the intact and spinal mouse. J Neurosci. 23 (36), 11411-11419 (2003).
- Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Exp Neurol. 230 (2), 280-290 (2011).
- Zorner, B., et al. Profiling locomotor recovery: comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nat Methods. 7 (9), 701-708 (2010).
- Pearson, K. G., Acharya, H., Fouad, K. A new electrode configuration for recording electromyographic activity in behaving mice. J Neurosci Methods. 148 (1), 36-42 (2005).
- Balkaya, M., Krober, J. M., Rex, A., Endres, M. Assessing post-stroke behavior in mouse models of focal ischemia. J Cereb Blood Flow Metab. 33 (3), 330-338 (2013).
- Akay, T. Long-term measurement of muscle denervation and locomotor behavior in individual wild-type and ALS model mice. J Neurophysiol. 111 (3), 694-703 (2014).
- Taylor, T. N., Greene, J. G., Miller, G. W. Behavioral phenotyping of mouse models of Parkinson’s disease. Behav Brain Res. 211 (1), 1-10 (2010).
- Chen, K., et al. Differential Histopathological and Behavioral Outcomes Eight Weeks after Rat Spinal Cord Injury by Contusion, Dislocation, and Distraction Mechanisms. J Neurotrauma. 33 (18), 1667-1684 (2016).
- de Bruin, N. M., et al. Multiple rodent models and behavioral measures reveal unexpected responses to FTY720 and DMF in experimental autoimmune encephalomyelitis. Behav Brain Res. 300, 160-174 (2016).
- Steinman, L., Zamvil, S. S. How to successfully apply animal studies in experimental allergic encephalomyelitis to research on multiple sclerosis. Ann Neurol. 60 (1), 12-21 (2006).
- Emerson, M. R., Gallagher, R. J., Marquis, J. G., LeVine, S. M. Enhancing the ability of experimental autoimmune encephalomyelitis to serve as a more rigorous model of multiple sclerosis through refinement of the experimental design. Comp Med. 59 (2), 112-128 (2009).
- Bittner, S., Afzali, A. M., Wiendl, H., Meuth, S. G. Myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG35-55) induced experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in C57BL/6 mice. J Vis Exp. (86), (2014).
- Beeton, C., Garcia, A., Chandy, K. G. Induction and clinical scoring of chronic-relapsing experimental autoimmune encephalomyelitis. J Vis Exp. (5), e224 (2007).
- Barthelmes, J., et al. Induction of Experimental Autoimmune Encephalomyelitis in Mice and Evaluation of the Disease-dependent Distribution of Immune Cells in Various Tissues. J Vis Exp. (111), (2016).
- Shaw, M. K., Zhao, X. Q., Tse, H. Y. Overcoming unresponsiveness in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) resistant mouse strains by adoptive transfer and antigenic challenge. J Vis Exp. (62), e3778 (2012).
- Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Passive induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1952-1960 (2006).
- Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Active induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1810-1819 (2006).
- Fiander, M. D., Stifani, N., Nichols, M., Akay, T., Robertson, G. S. Kinematic gait parameters are highly sensitive measures of motor deficits and spinal cord injury in mice subjected to experimental autoimmune encephalomyelitis. Behav Brain Res. 317, 95-108 (2017).
- Jones, M. V., et al. Behavioral and pathological outcomes in MOG 35-55 experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neuroimmunol. 199 (1-2), 83-93 (2008).
- van den Berg, R., Laman, J. D., van Meurs, M., Hintzen, R. Q., Hoogenraad, C. C. Rotarod motor performance and advanced spinal cord lesion image analysis refine assessment of neurodegeneration in experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neurosci Methods. 262, 66-76 (2016).
- Sasaki, M., Lankford, K. L., Brown, R. J., Ruddle, N. H., Kocsis, J. D. Focal experimental autoimmune encephalomyelitis in the Lewis rat induced by immunization with myelin oligodendrocyte glycoprotein and intraspinal injection of vascular endothelial growth factor. Glia. 58 (13), 1523-1531 (2010).
- Merkler, D., Ernsting, T., Kerschensteiner, M., Bruck, W., Stadelmann, C. A new focal EAE model of cortical demyelination: multiple sclerosis-like lesions with rapid resolution of inflammation and extensive remyelination. Brain. 129 (Pt 8), 1972-1983 (2006).
- Franco-Pons, N., Torrente, M., Colomina, M. T., Vilella, E. Behavioral deficits in the cuprizone-induced murine model of demyelination/remyelination. Toxicol Lett. 169 (3), 205-213 (2007).
- Goldberg, N. R., Hampton, T., McCue, S., Kale, A., Meshul, C. K. Profiling changes in gait dynamics resulting from progressive 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-induced nigrostriatal lesioning. J Neurosci Res. 89 (10), 1698-1706 (2011).
