Análisis cinemático de la marcha de plano sagital en ratones C57BL/6 sometidos a MOG35-55 inducida por encefalomielitis Autoinmune Experimental
Summary
Análisis de la cinemática de la marcha en el plano sagital obtiene información muy precisa acerca de cómo se ejecuta el movimiento. Se describe la aplicación de estas técnicas para identificar los déficits de marcha para los ratones sometidos a desmielinización autoinmune mediada. Estos métodos pueden usarse para caracterizar los déficits de paso para otros modelos de ratón con locomoción deteriorada.
Abstract
Análisis de la cinemática de la marcha en el plano sagital se ha utilizado con frecuencia para caracterizar el déficit motor en esclerosis múltiple (EM). Se describe la aplicación de estas técnicas para identificar los déficits de la marcha en un modelo murino de MS, conocida como encefalomielitis autoinmune experimental (EAE). Déficit motor y parálisis en los ratones sometidos a EAE normalmente se evalúan mediante una escala de puntuación clínica. Sin embargo, esta escala da solamente los datos ordinales que proporciona poca información sobre la naturaleza precisa del déficit motor. Severidad de la enfermedad EAE también ha sido evaluado por rotarod rendimiento, que proporciona una medida de coordinación motora general. Por el contrario, el análisis cinemático de la marcha de las extremidades en el plano sagital genera información muy precisa acerca de cómo se deteriora el movimiento. Para realizar este procedimiento, se colocan marcadores reflectantes en un extremidades para detectar el movimiento articular mientras que un ratón es caminar en una caminadora. Software de análisis de movimiento se utiliza para medir el movimiento de los marcadores durante la marcha. Parámetros cinemáticos de la marcha luego se derivan de los datos resultantes. Mostramos cómo estos parámetros de marcha se pueden utilizar para cuantificar la alteración movimientos de las articulaciones cadera, rodilla y tobillo en EAE. Estas técnicas pueden utilizarse para mejor entender mecanismos de la enfermedad y para identificar potenciales tratamientos para la EM y otras enfermedades neurodegenerativas que afectan la movilidad.
Introduction
Andar es una serie de movimientos repetitivos de las extremidades que utilizan para alcanzar la locomoción. Marcha se compone de ciclos de paso, que se dividen en dos fases: la fase de apoyo, que es cuando el pie se mueve hacia atrás en el suelo para propulsar el cuerpo remite; y la fase de oscilación, donde el pie es de la tierra y movimiento remite. Disturbios de la marcha son seña de identidad de muchos trastornos neurodegenerativos, como la lesión de la médula espinal (SCI), esclerosis múltiple (EM), esclerosis lateral amiotrófica (ELA), enfermedad de Parkinson (EP) y accidente cerebrovascular; modelos preclínicos de roedores de estos trastornos a menudo recapitulan su marcha respectivas deficiencias1. Los mecanismos de control básico de la locomoción en ratones han sido intensamente estudiados2,3. Además, hay modelos de ratón de muchos trastornos neurológicos humanos4. Análisis de la marcha en ratones es un enfoque atractivo para medir múltiples aspectos del déficit motor que ha sabido correlatos anatómicos. El estudio de la marcha en modelos de ratón puede proporcionar penetraciones en las bases de neuropathological del déficit locomotor en trastornos neurodegenerativos y permitir la identificación de potenciales tratamientos.
Algunas técnicas que se han utilizado para medir el paso de roedores incluyen inspección visual (por ejemplo, el Basso ratón escala5 y prueba de campo abierto6) y análisis de la marcha de la ventral plano7. Más recientemente, métodos para medir el plano sagital cinemática de los movimientos del miembro posterior han ganado popularidad porque ofrecen más información sobre la ejecución del movimiento y por lo tanto son más sensibles a cambios sutiles en el paso8, 9 , 10 , 11. técnicas de cinemática para estudiar trasera movimiento en plano sagital mientras camina en una cinta de correr9,12 se han estudiado ampliamente en el contexto de SCI, ALS, lesiones traumáticas corticales, tiempos, y La enfermedad de Huntington8,9,10,11,13,14,15,16. Por el contrario, estas técnicas han visto uso limitado en el estudio del aparato locomotor déficit para los modelos de ratón de esclerosis múltiple17.
Encefalomielitis autoinmune experimental (EAE) es el modelo de ratón más comúnmente utilizado de MS18. Los dos principales métodos de inducir EAE es a través de la inoculación activa o pasiva. En EAE activo, ratones están inmunizados con antígenos de la mielina, que causa neuroinflamación mediada por células T autorreactivas y desmielinización en la médula espinal y cerebelo. EAE pasivo, por el contrario, es inducida por transferencia de células autorreactivas T de un ratón con EAE activa a un ingenuo ratón19. Como se describe en otra parte, el curso de la enfermedad y la neuropatología son influenciados por los antígenos del sistema nervioso central (SNC) y ratón cepa20,21,22,23,24 ,25. En experimentos EAE, control de ratones se inyectan con completa adyuvante de Freund (CFA) sin los antígenos de la mielina. EAE se caracteriza por parálisis que comienza con la debilidad de la cola y puede potencialmente implicar los miembros anteriores, ascendente dando por resultado parálisis y ataxia20. Hemos caracterizado recientemente cambios en la marcha en ratones C57Bl/6 sometidos a glicoproteína del oligodendrocyte del myelin (MOG35-55) 35-55-inducida por EAE. Estos estudios han demostrado ser superior que el análisis del comportamiento clásico porque las desviaciones del movimiento normal de tobillo están altamente correlacionadas con el grado de pérdida de materia blanca en la médula espinal lumbar de EAE ratones26análisis de la marcha. Por el contrario, la fuerza de la correlación entre la pérdida de materia blanca y dos otros comportamiento medidas tradicionales (puntuación clínica y rotarod) era mucho más débil26.
Aquí describimos el uso del análisis cinemático de la marcha para detectar déficit de movimiento en el plano sagital de los ratones EAE caminando en una cinta rodante. Cinco marcadores reflectantes se colocaron en una trasera para identificar el movimiento de la cadera, rodilla y articulaciones de tobillo en grabaciones de vídeo de alta velocidad. Software de análisis de movimiento se utiliza para extraer datos cinemáticos sobre excursiones conjuntas. Se discuten la utilidad de estas técnicas para cuantificar el déficit de movimiento para el modelo de35-55 MOG de EAE. Estas técnicas también son aplicables al estudio de los déficits de andar en otros modelos murinos de enfermedades neurodegenerativas.
Protocol
Representative Results
Discussion
En los ratones con EAE, los dos métodos más comunes de medición de déficit motor son puntuación clínica y latencia caigan un rotarod27,28. Estas técnicas tienen varias limitaciones. Aunque conveniente y ampliamente utilizado, puntuación clínica está limitada por la obtención de datos de nivel ordinales sólo, lo que significa que no se conoce la magnitud de las diferencias entre puntuaciones clínicas. Puntuación clínica también sufre de ser incapac…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría reconocer Sid Chedrawe para su asistencia técnica con película. Este trabajo fue apoyado por fondos de la MS Society de Canadá (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).
