Summary

Sagittalebene kinematische Ganganalyse bei C57BL/6 Mäusen unterworfen MOG35-55 induzierte experimentelle Autoimmune Enzephalomyelitis

Published: November 04, 2017
doi:

Summary

Kinematische Ganganalyse in der Sagittalebene liefert präzise Informationen über wie Bewegung ausgeführt wird. Wir beschreiben die Anwendung dieser Techniken, Gang Defizite für Mäuse ausgesetzt Autoimmun-vermittelter Demyelinisierung zu identifizieren. Diese Methoden können auch verwendet werden, Gang Defizite für andere Maus-Modellen mit eingeschränkter Fortbewegung zu charakterisieren.

Abstract

Kinematische Ganganalyse in der Sagittalebene wurde häufig verwendet, um motorische Defizite bei Multipler Sklerose (MS) zu charakterisieren. Wir beschreiben die Anwendung dieser Techniken, Gang Defizite in einem Mausmodell der MS, bekannt als experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) zu identifizieren. Lähmung und Motor Defizite bei Mäusen EAE ausgesetzt sind in der Regel anhand einer klinischen Bewertungen Skala. Dieser Größenordnung führt jedoch nur ordinale Daten wenig Informationen über die genaue Art der motorischen Defizite. EAE Krankheitschwierigkeit wurde auch durch Rotarod Leistung bewertet stellt ein Maß für die allgemeine motorische Koordination. Im Gegensatz dazu erzeugt kinematische Ganganalyse der hinteren Extremität in der Sagittalebene höchst präzise Informationen darüber, wie die Bewegung beeinträchtigt ist. Um dieses Verfahren ausführen zu können, sind reflektierende Markierungen auf Hind Gliedmaßen, Beweglichkeit der Gelenke zu erkennen, während eine Maus auf einem Laufband Fuß gelegt. Bewegungsanalyse Software wird verwendet, um die Bewegung der Marker während des Gehens zu messen. Kinematische Gangartparameter werden dann aus den daraus resultierenden Daten abgeleitet. Wir zeigen, wie diese Gangartparameter verwendet werden können, beeinträchtigte Bewegungen der Hüfte, Knie und Knöchel Gelenke in EAE zu quantifizieren. Diese Techniken können verwendet werden, zum besseren Verständnis der Krankheitsmechanismen und identifizieren mögliche Behandlungen für MS und anderen neurodegenerativen Erkrankungen, die Mobilität zu beeinträchtigen.

Introduction

Gang ist eine Reihe von sich wiederholenden Bewegungen der Gliedmaßen zur Fortbewegung zu erreichen. Gang besteht aus Schritt Zyklen, die in zwei Phasen unterteilt werden: die Standphase, was ist, wenn der Fuß auf dem Boden nach hinten bewegt, um treiben den Körper nach vorne; und die Schwungphase, wo der Fuß aus den Boden und bewegen nach vorne ist. Störungen des Gehens sind die typischen Merkmale der vielen neurodegenerativen Erkrankungen, wie z. B. Verletzungen des Rückenmarks (SCI), Multiple Sklerose (MS), Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Parkinson-Krankheit (PD) und Schlaganfall; präklinischen Nager-Modelle dieser Störungen rekapitulieren oft ihre jeweiligen Gangart Beeinträchtigungen1. Die grundlegende Kontrollmechanismen der Fortbewegung bei Mäusen wurden intensiv studiert2,3. Darüber hinaus gibt es Maus-Modellen von vielen menschlichen neurologische Störungen4. Ganganalyse bei Mäusen ist daher ein attraktiver Ansatz, mehrere Aspekte der motorischen Defizite zu messen, die anatomische Korrelate bekannt haben. Die Studie des Gehens in Mausmodellen kann Einblicke in die neuropathologische Grundlagen der motorischen Defizite bei neurodegenerativen Erkrankungen und ermöglicht die Identifizierung von möglichen Behandlungen.

Einige Techniken, die zur Messung der Gangart bei Nagetieren gehören Sichtprüfung (z.B., Basso Maus Maßstab5 und Freiland Test6) und Analyse der Gang von der ventralen Flugzeug-7. Methoden zur Sagittalebene Kinematik der Megalosauridae Bewegungen Messen haben vor kurzem Popularität gewonnen, weil sie mehr über die Ausführung der Bewegung Informationen und sind daher empfindlicher auf subtile Veränderungen in Gang8, 9 , 10 , 11. kinematische Techniken entwickelt, um die Megalosauridae Bewegung in der Sagittalebene studieren beim gehen auf einem Laufband-9,12 wurden im Rahmen des SCI, ALS, kortikale traumatische Verletzungen, Schlaganfall, ausgiebig untersucht und Chorea Huntington8,9,10,11,13,14,15,16. Im Gegensatz dazu haben diese Techniken eingeschränkte Nutzung in der Studie der motorischen Defizite für Maus-Modellen von Multipler Sklerose17gesehen.

Experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) ist die am häufigsten verwendeten Mausmodell der MS18. Die zwei wichtigsten Methoden des Verursachens EAE erfolgt über aktive oder passive Impfung. In aktive EAE sind Mäuse mit Myelin Antigene, verursachen autoreaktiven T-Zell-vermittelten Neuroinflammation und Demyelinisierung im Rückenmark und Kleinhirn immunisiert. Passive EAE, wird auf der anderen Seite durch Übertragung von autoreaktiven T-Zellen von einer Maus mit aktive EAE auf einen naiven Maus19induziert. Wie an anderer Stelle beschrieben, den Krankheitsverlauf und Neuropathologie sind beeinflusst durch das zentrale Nervensystem (ZNS) Antigen und Maus belasten20,21,22,23,24 ,25. Bei der EAE Experimente sind Kontrollmäusen komplette Freund des Adjuvans (CFA) ohne das Myelin-Antigen gespritzt. EAE zeichnet sich durch aufsteigende Lähmungen, die beginnt mit Schweif Schwäche und kann potentiell die Vorderbeine mit Ataxie und Lähmung20führt. Wir haben vor kurzem Gang Änderungen bei C57Bl/6 Mäusen unterworfen Myelin Oligodendrozyt Glykoprotein 35-55 (MOG35-55) gekennzeichnet-induzierte EAE. Diese Studien haben gezeigt, dass Ganganalyse als klassische Verhaltensanalyse überlegen sein, denn Abweichungen vom normalen Knöchel Bewegung mit dem Grad der weißen Substanz-Verlust in der Lendenwirbelsäule Rückenmark von EAE Mäusen26stark korreliert sind. Im Gegensatz dazu war die Stärke der Korrelation zwischen weißen Substanz-Verlust und zwei andere traditionelle Verhaltensmaßnahmen (klinische scoring und Rotarod) viel schwächeren26.

Wir beschreiben hier die Verwendung von kinematischen Ganganalyse, Bewegung Defizite in der Sagittalebene von EAE Mäusen gehen auf einem Laufband zu erkennen. Fünf reflektierende Markierungen wurden auf eine Megalosauridae Bewegung der Hüfte, Knie und Sprunggelenke in High-Speed-Videoaufnahmen identifizieren gesetzt. Bewegungsanalyse Software wurde verwendet, um kinematische Daten über gemeinsame Ausflüge zu extrahieren. Das Dienstprogramm dieser Techniken zu quantifizieren, Bewegung Defizite für das MOG-35-55 -Modell der EAE werden diskutiert. Diese Techniken sind auch für das Studium der Gangart Defizite in anderen Maus-Modellen von neurodegenerativen Erkrankungen.

Protocol

dieses Protokoll des Canadian Council on Animal Care Richtlinien entspricht und von der Dalhousie University Ausschuss an Labortieren genehmigt wurde. 1. konstruieren reflektierenden Markierungen: mit einem handgeführten Locher, die gewünschte Anzahl von kleinen Kreisen von reflektierenden Papier Stanzen. Jedes Tier benötigt 5 Marker für eine einzelne Aufnahme; zwei große und drei kleine Markierungen. Mit einer feinen Schere, einen geraden Schnitt erstreckt sich von …

Representative Results

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens für kinematische Ganganalyse verwendet. Erste, reflektierende Markierungen gemacht und auf eine Maus an 5 anatomischen Punkten platziert. Gang wird dann aufgezeichnet, während die Maus auf einem Laufband Fuß ist. Bewegungsanalyse Software wird verwendet, um kinematische Daten für spätere Analysen zu extrahieren. Abbildung 2A -C repräsentieren die Sch…

Discussion

Bei Mäusen mit EAE die zwei am häufigsten verwendeten Methoden zur Messung der motorischen Defizite sind klinische Bewertung und Latenz von einer Rotarod27,28fallen. Diese Techniken haben einige Einschränkungen. Obwohl praktisch und weit verbreitet, beschränkt klinische Bewertung durch nachgeben nur ordinale Daten, was bedeutet, dass das Ausmaß der Unterschiede zwischen klinischen Resultate sind nicht bekannt. Klinische Bewertung leidet auch nicht in der Lag…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir würden gerne Sid Chedrawe für seine technische Unterstützung bei Dreharbeiten zu bestätigen. Diese Arbeit wurde unterstützt durch die Finanzierung von der 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

References

  1. 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).
  2. Kiehn, O. Decoding the organization of spinal circuits that control locomotion. Nat Rev Neurosci. 17 (4), 224-238 (2016).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Leblond, H., L’Esperance, M., Orsal, D., Rossignol, S. Treadmill locomotion in the intact and spinal mouse. J Neurosci. 23 (36), 11411-11419 (2003).
  10. Ueno, M., Yamashita, T. Kinematic analyses reveal impaired locomotion following injury of the motor cortex in mice. Exp Neurol. 230 (2), 280-290 (2011).
  11. Zorner, B., et al. Profiling locomotor recovery: comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nat Methods. 7 (9), 701-708 (2010).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Beeton, C., Garcia, A., Chandy, K. G. Induction and clinical scoring of chronic-relapsing experimental autoimmune encephalomyelitis. J Vis Exp. (5), e224 (2007).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Passive induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1952-1960 (2006).
  25. Stromnes, I. M., Goverman, J. M. Active induction of experimental allergic encephalomyelitis. Nat Protoc. 1 (4), 1810-1819 (2006).
  26. 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).
  27. Jones, M. V., et al. Behavioral and pathological outcomes in MOG 35-55 experimental autoimmune encephalomyelitis. J Neuroimmunol. 199 (1-2), 83-93 (2008).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
check_url/kr/56032?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Fiander, M. D., Chedrawe, M. A., Lamport, A., Akay, T., Robertson, G. S. Sagittal Plane Kinematic Gait Analysis in C57BL/6 Mice Subjected to MOG35-55 Induced Experimental Autoimmune Encephalomyelitis. J. Vis. Exp. (129), e56032, doi:10.3791/56032 (2017).

View Video