Анализ походки возраст зависимых моторных дефектов у мышей с нейродегенеративные
Summary
В этом исследовании мы продемонстрировать использование кинематической походка анализа, основанного на брюшной плоскости imaging для мониторинга тонкие изменения в двигательной координации, а также прогрессирование нейродегенеративные с возрастом в моделях мыши (например, endophilin мутант мыши линии).
Abstract
Моторное поведение тесты обычно используются для определения функциональной значимости грызунов модель и для проверки недавно разработали процедуры в этих животных. В частности анализ походки позволяет улавливания болезни соответствующих фенотипов, которые наблюдаются у людей больных, особенно в нейродегенеративных заболеваний, которые влияют на моторных способностей как болезнь Паркинсона (PD), болезнь Альцгеймера (AD), боковой амиотрофический склероз (ALS) и др. В ранних исследованиях вдоль этой линии, измерение параметров походка был трудоемким и зависит от факторов, которые было трудно управления (например, запуск скорость, непрерывной работы). Разработка систем обработки изображений (VPI) брюшной плоскости сделал это возможным для выполнения анализа походки в крупных масштабах, что делает этот метод полезным инструментом для оценки моторного поведения в грызунов. Здесь мы представляем углубленное протокол о том, как использовать кинематическую походка анализа для изучения прогрессирования возраста зависимых моторного дефицита в моделях мыши нейродегенеративные; мыши линии с снижение уровня endophilin, в котором нейродегенеративных ущерб постепенно увеличивается с возрастом, используются в качестве примера.
Introduction
Нейродегенеративные заболевания значительным бременем для пациентов, семей и общества и станет еще большую озабоченность как ожидаемая продолжительность жизни увеличивается, и численность населения мира продолжает возраста. Одним из наиболее распространенных симптомов нейродегенеративных заболеваний являются проблемы баланса и мобильность. Таким образом, Характеристика моторного поведения в старения млекопитающих (например, грызун) модели или модели показаны нейродегенеративных фенотипов, представляет собой ценный инструмент для демонстрации в естественных условиях актуальность конкретных животных моделей, или терапевтических процедуры, которые призваны улучшить симптомы болезни. Почти каждый подход к лечению нейродегенеративных заболеваний требует в конечном счете, тестирование в животной модели до начала клинических испытаний на людях. Таким образом крайне важно иметь надежную, воспроизводимое поведение тесты, которые могут использоваться для последовательно подсчитать болезни соответствующих фенотипов вдоль Возраст прогрессии, с тем чтобы обеспечить, что кандидат препарат, который показал потенциал в vitro модели, можно эффективно улучшить фенотип в живых животных.
Одним из аспектов оценки моторного поведения в грызунов является кинематической походка анализа, которая может быть выполнена ВПИ (также называемый брюшной плоскости видеосъемка)1,2. Этот метод установленных капитализирует на непрерывной записи в нижней части грызунов, ходьба на вершине прозрачной и моторизованный третбан ремня1,2,3,4. Анализ видео канал данных создает «цифровой лапы печатает «все четыре конечности, которые динамически и надежно пилки пешеходных шаблон грызунов, как первоначально описано Кале et al. 2 и Альменде и др. 3.
Принцип анализа походки на основе изображений является измерить область лапы при контакте с беговой дорожке пояса со временем, для каждого индивидуального лапы. Каждая позиция представляет увеличение в районе Лапа (в стадии торможения) и снижением в районе Лапа (силовой этап). Это сопровождается фазой, в котором сигнал не обнаружен. Качели и позицию вместе образуют шаг. Помимо параметров динамики походка поза параметры также могут быть извлечены из записанных видео. Образцовые параметры и их определения, перечислены в таблице 1 и включать позиции ширина (SW; комбинированных расстояние от носовой или задними лапами до оси морду хвост), длина (SL; среднее расстояние между двумя успехов же лапы) шага или лапу размещение угол (угол лапы к оси морду хвост). Осанка и походка динамика данные позволяют делать выводы о животных баланс (поза параметры и их изменчивость за несколько шагов) и координации (по параметрам динамика походки). Другие параметры, такие как коэффициент атаксия (SL изменчивость определяется [(Макс. SL−min. SL) / означает SL]), Задние конечности разделяют позицию время (время, обе задние конечности находятся в контакте с пояса), или лапы перетаскивания (Общая площадь лапы на поясе от полной позицию на лапу старт) также могут быть извлечены и были зарегистрированы изменения в различных нейродегенеративных ди sease модели5,6,,78 (см. таблицу 1).
| Параметр | Единица | Определение |
| Время свинга | MS | продолжительность времени, которое лапы не соприкасается ремень |
| позицию время | MS | продолжительность времени, которое лапы соприкасается ремень |
| % тормоз | % времени позицию | процент времени позицию лапы находятся в стадии тормоз |
| продвинуть % | % времени позицию | процент времени позицию лапы находятся в фазе движения |
| позиции ширина | см | Комбинированные расстояние до оси морду хвост от передние или задние лапы |
| Длина шага | см | Среднее расстояние между двумя успехов же лапы |
| шага частоты | успехи/s | количество полный успехов в секунду |
| Лапа размещения угол | Град | угол наклона лапой по отношению к оси морду хвост животного |
| Коэффициент атаксии | а.е. | Изменчивость SL рассчитывается по [(max SL-min SL)/означает SL] |
| Общая позиция % | % позиции | Задние конечности разделяет позицию время; время, которое обе задние конечности находятся в контакте с пояса в то же время |
| Лапа перетаскивания | 2 мм | Общая площадь лапы на поясе от полной позицию на лапу старт |
| конечности загрузки | cm-2 | Макс dA/dT; максимальная скорость изменения района Лапа в фазе ломать |
| шаг угла изменчивость | Град | стандартное отклонение угла между задние лапки как функция SL и SW |
Таблица 1. Определение ключевых походка параметров, которые могут быть проверены брюшной плоскости изображения.
Оценке моторное поведение грызунов моделей для нейродегенеративных заболеваний может быть сложной в зависимости от тяжести фенотип конкретной модели данного возраста. Несколько заболеваний, наиболее заметно PD, шоу сильный мотор поведения (локомоции) дефицит, как пациентов, так и на животных моделях. Один из четырех ключевых симптомов в PD-bradykinesia, которая прогрессирует с возрастом и проявляется в тяжелые походки нарушениями уже в ранних стадиях PD9. Исследования острой модели PD, грызуны, относились с 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP), уже использовали VPI походка анализа10,,1112. Однако учитывая острый характер этой модели, эти исследования не учитывают возрастные прогрессирование моторного дефицита. Несколько недавних исследований провели анализ походки в возрасте мышей с нейродегенеративные изменения, например13,14,15, подчеркивая важность понимания прогрессирования заболевания с возрастом .
В дополнение к моторного дефицита Животные модели нейродегенеративных заболеваний часто испытывают трудности с упором на изучение задач и показать известные когнитивные расстройства, в частности с возрастом. Такой фенотип может влиять на результат испытаний моторного поведения. А именно один из наиболее широко используемых тестов для изучения моторного дефицита, тест rotarod16, опирается на познание, внимание и стресс17,18. В то время как готовность идти на моторизованных беговой дорожке также зависит от этих факторов, записанные считывание выполняется, который является компонентом более стандартизированной и гораздо меньше влиянием изменены познания. Последствия стресса и внимание могут быть видны в конкретные параметры, как время качели/позицию для снятия стресса и SL для внимания19,20, но не в общем при спуске.
Кинематическая походка анализа подход далее предлагает преимущество параметры для настройки задачи для грызунов моделей. Беговая дорожка с регулируемым углом наклона и скорость позволяет ходить со скоростью от 0.1 – 99,9 см/сек, так что грызунов с тяжелой пешеходных нарушениями по-прежнему сможет работать с медленной скоростью (~ 10 см/сек). Non нарушениями животных могут быть измерены на бежать быстрее скорости (30 – 40 см/сек). Наблюдение или не протестированных животные способны работать на определенной скорости обеспечивает результат сама по себе. Кроме того грызун может оспариваться дополнительно для запуска вверх наклонной или вниз снижение, наклоняя беговой дорожки желаемый угол с помощью гониометра, или путем присоединения взвешенной салазок для мыши или крысы задних конечностей.
Помимо многочисленных исследований одного белков, которые мутировали в больных является недавнее повышение осведомленности о связи между дефектных эндоцитоза процесс и нейродегенеративные13,21,22, 23,24,25,26,27,28. Мышь модели с сокращением уровней endophilin-a (отныне endophilin), ключевым игроком в обоих Клатрин опосредованный эндоцитоз13,21,,2930,31 , 32 , 33 , 45 и эндоцитоз Клатрин независимые34, были найдены Показать нейродегенеративные и зависит от возраста нарушениями в двигательной активности13,21. Три гены кодировать семейство белков endophilin: endophilin 1, endophilin 2 и endophilin 3. В частности, фенотип, вследствие истощения endophilin белков варьируется в зависимости от числа пропавших без вести endophilin гены13,21. В то время как двухместный нокаут (KO) всех генов endophilin смертельной всего несколько часов после рождения и мышей без обеих endophilin 1 и 2 не процветать и умирают в течение 3 недель после рождения, один KO для любого из трех endophilins показывает без очевидных фенотип для испытания условия21. Другие endophilin мутант генотипов показывают снижение продолжительности жизни и развивать моторные нарушения с увеличением возраста13. Например, endophilin 1KO-2HT-3KO мышей отображения ходьбы от изменения и двигательной координации проблемы (как проверены анализа кинематики походки и rotarod) уже на 3 месяцев, во время их однопометники endophilin 1KO-2WT-3KO животных, отображать значительный снижение двигательной координации, только в 15 месяцев возраста13. Из-за огромного разнообразия фенотипы в этих моделях это необходимо для выявления и применения теста, которые можно интегрировать различные проблемы, соответствующий двигатель животного и способности познания, а также возраст. Здесь мы подробно экспериментальных процедур, которые капитализировать кинематической походка анализа для оценки возникновения и прогрессирования моторных дефектов в мышиной модели, которая показывает нейродегенеративные изменения (то есть, endophilin мутантов). Это включает в себя измерения параметров походки на различных возрастов и различных важностей локомоции нарушениями.
Protocol
Representative Results
Discussion
Изучая двигательной координации является полезным подходом в характеристике модели нейродегенеративных заболеваний, особенно для таких болезней как PD, в котором серьезно пострадали двигательной координации. С помощью кинематической походка анализа функционального анализа мы можем…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Животное caretakers ENI животных фонда для помощи с разведения и доктор Nuno Раймундо за полезные замечания по рукописи. И.м. поддерживается грантов от немецкого фонда научных исследований (DFG) через совместный исследовательский центр SFB-889 (проект A8) и SFB-1190 (проект P02) и Эмми Нётер молодой следователь (1702/1). КДПГ поддерживается стипендий от Гёттинген высшая школа нейронаук, биофизики и молекулярных биологических наук (GGNB).
Materials
| DigiGait | Mouse Specifics, Inc., Framingham, Massachusetts, USA | DigiGait Imager and Analysis Software are included with the hardware | |
| non-transparent blanket or dark cloth | cover the test chamber to reduce the animal's feeling of exposure/stress | ||
| balance | e.g. Satorius | balance with 0.1 g accuracy and a maximum load of at least 100 g | |
| red finger paint | e.g. Kreul or Staedtler | for increasing the contrast between paws and animal’s body | |
| small paint brush | soft brush to apply finger paint to the animal paws | ||
| diluted detergent | for cleaning | ||
| disinfectant, e.g. Meliseptol or 70% ethanol | e.g. B.Braun | for desinfection |
References
- Clarke, K. A., Still, l. J. Gait analysis in the mouse. Physiology and Behavior. 66, 723-729 (1999).
- Kale, A., Amende, I., Meyer, G. P., Crabbe, J. C., Hampton, T. G. Ethanol’s effects on gait dynamics in mice investigated by ventral plane videography. Alcohol Clin Exp Res. 28 (2), 1839-1848 (2004).
- Amende, I., Kale, A., McCue, S., Glazier, S., Morgan, J. P., Hampton, T. Gait dynamics in mouse models of Parkinson’s disease and Huntington’s disease. J Neuroeng Rehabil. 25, 2-20 (2005).
- Herbin, M., Hackert, R., Gasc, J. P., Renous, S. Gait parameters of treadmill versus overground locomotion in mouse. Behavioural Brain Res. 181 (2), 173-179 (2007).
- Powell, E., Anch, A. M., Dyche, J., Bloom, C., Richtert, R. R. The splay angle: A new measure for assessing neuromuscular dysfunction in rats. Physiol Behav. 67 (5), 819-821 (1999).
- Blin, O., Ferrandez, A. M., Serratrice, G. Quantitative analysis of gait in Parkinson patients: increased variability of stride length. J Neurol Sci. 98 (1), 91-97 (1990).
- Švehlík, M. D., et al. Gait Analysis in Patients With Parkinson’s Disease Off Dopaminergic Therapy. Arch Phys Med Rehabil. 90 (11), 1880-1886 (2009).
- Roome, R. B., Vanderluit, J. L. Paw-dragging: a novel, sensitive analysis of the mouse cylinder test. J Vis Exp. (98), e52701 (2015).
- Roiz Rde, M., Cacho, E. W., Pazinatto, M. M., Reis, J. G., Cliquet, A., Barasnevicius-Quagliato, E. M. Gait analysis comparing Parkinson’s disease with healthy elderly subjects. Arg Neuropsiquiatr. 68 (1), 81-86 (2010).
- Wang, X. H., et al. Quantitative assessment of gait and neurochemical correlation in a classical murine model of Parkinson’s disease. BMC Neurosci. 13, 142 (2012).
- Lao, C. L., Kuo, Y. H., Hsieh, Y. T., Chen, J. C. Intranasal and subcutaneous administration of dopamine D3 receptor agonists functionally restores nigrostriatal dopamine in MPTP-treated mice. Neurotox Res. 24 (4), 523-531 (2013).
- Zhao, Q., Cai, D., Bai, Y. Selegiline rescues gait deficits and the loss of dopaminergic neurons in a subacute MPTP mouse model of Parkinson’s disease. Int J Mol Med. 32 (4), 883-891 (2013).
- Murdoch, J. D., et al. Endophilin-A deficiency induces the FoxO3a-Fbxo32 network in the brain and causes dysregulation of autophagy and the ubiquitin-proteasome system. Cell Rep. 17 (4), 1071-1086 (2016).
- Dai, M., et al. Progression of Behavioral and CNS Deficits in a Viable Murine Model of Chronic Neuronopathic Gaucher Disease. PLoS One. 11 (9), e0162367 (2016).
- Szalardy, L., et al. Lack of age-related clinical progression in PGC-1α-deficient mice – implications for mitochondrial encephalopathies. Behav Brain Res. , 272-281 (2016).
- Rustay, N. R., Wahlsten, D., Crabbe, J. C. Influence of task parameters on rotarod performance and sensitivity to ethanol in mice. Behavioural Brain Research. 141 (2), 237-249 (2003).
- Majdak, P., et al. A new mouse model of ADHD for medication development. Sci Rep. 6, 39472 (2016).
- Ishige, A., Sasaki, H., Tabira, T. Chronic stress impairs rotarod performance in rats: implications for depressive state. Behavior. (1-2), 79-84 (2002).
- Fukui, D., Kawakami, M., Matsumoto, T., Naiki, M. Stress enhances gait disturbance induced by lumbar disc degeneration in rat. European Spine Journal. 27 (1), 205-213 (2017).
- Stuart, S., Galna, B., Delicato, L. S., Lord, S., Rochester, L. Direct and indirect effects of attention and visual function on gait impairment in Parkinson’s disease: influence of task and turning. Eur J Neuroscience. 46 (1), 1703-1716 (2017).
- Milosevic, I., et al. Recruitment of endophilin to clathrin coated pit necks is required for efficient vesicle uncoating after fission. Neuron. 72 (4), 587-601 (2011).
- Shi, M., et al. Identification of glutathione S-transferase pi as a protein involved in Parkinson disease progression. Am. J. Pathol. 175 (1), 54-65 (2009).
- Arranz, A. M., et al. LRRK2 functions in synaptic vesicle endocytosis through a kinase-dependent mechanism. J. Cell Sci. 128, 541-552 (2015).
- Quadri, M., et al. Mutation in the SYNJ1 gene associated with autosomal recessive, early-onset Parkinsonism. Hum. Mutat. 34 (9), 1208-1215 (2013).
- Krebs, C. E., et al. The Sac1 domain of SYNJ1 identified mutated in a family with early-onset progressive Parkinsonism with generalized seizures. Hum. Mutat. 34 (9), 1200-1207 (2013).
- Edvardson, S., et al. A deleterious mutation in DNAJC6 encoding the neuronal-specific clathrin-uncoating co-chaperone auxilin, is associated with juvenile parkinsonism. PLoS ONE. 7 (5), e36458 (2012).
- Cao, M., Milosevic, I., Giovedi, S., De Camilli, P. Upregulation of parkin in endophilin mutant mice. J neurosci. 34 (49), 16544-16549 (2014).
- Cao, M., et al. Parkinson sac domain mutation in synaptojanin 1 impairs clathrin uncoating at synapses and triggers dystrophic changes in dopaminergic axons. Neuron. 93 (4), 882-896 (2017).
- Farsad, K., Ringstad, N., Takei, K., Floyd, S. R., Rose, K., De Camilli, P. Generation of high curvature membranes mediated by direct endophilin bilayer interactions. J. Cell Biol. 155, 193-200 (2001).
- Ringstad, N., Nemoto, Y., De Camilli, P. The SH3p4/Sh3p8/SH3p13 protein family: binding partners for synaptojanin and dynamin via a Grb2-like Src homology 3 domain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94 (16), 8569-8574 (1997).
- Ringstad, N., et al. Endophilin/SH3p4 is required for the transition from early to late stages in clathrin-mediated synaptic vesicle endocytosis. Neuron. 24 (1), 143-154 (1999).
- Ringstad, N., Nemoto, Y., De Camilli, P. J. Differential expression of endophilin 1 and 2 dimers at central nervous system synapses. Biol. Chem. 276 (44), 40424-40430 (2001).
- Verstreken, P., et al. Endophilin mutations block clathrin-mediated endocytosis but not neurotransmitter release. Cell. 109 (1), 101-112 (2002).
- Boucrot, E., et al. Endophilin marks and controls a clathrin-independent endocytic pathway. Nature. 517, 460-465 (2015).
- Takezawa, N., Mizuno, T., Seo, K., Kondo, M., Nakagawa, M. Gait disturbances related to dysfunction of the cerebral cortex and basal ganglia. Brain Nerve. 62 (11), 1193-1202 (2010).
- Wahlsten, D. . Mouse Behavioral Testing: How to Use Mice in Behavioral Neuroscience. , (2010).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. D. Treadmill Gait Analysis Does Not Detect Motor Deficits in Animal Models of Parkinson’s Disease or Amyotrophic Lateral Sclerosis. J Mot Behav. 40 (6), 568-577 (2008).
- Hampton, T. G., Amende, I. Treadmill gait analysis characterizes gait alterations in Parkinson’s disease and amyotrophic lateral sclerosis mouse models. J Mot Behav. 42 (1), 1-4 (2010).
- Glajch, K. E., Fleming, S. M., Surmeier, D. J., Osten, P. Sensorimotor assessment of the unilateral 6-hydroxydopamine mouse model of Parkinson’s disease. Behav Brain Res. 230 (2), 309-316 (2012).
- Takayanagi, N., et al. Pelvic axis-based gait analysis for ataxic mice. J Neurosci Methods. 219 (1), 162-168 (2013).
- Zhou, M., et al. Gait analysis in three different 6-hydroxydopamine rat models of Parkinson’s disease. Neurosci Lett. 584, 184-189 (2015).
- Geldenhuys, W. J., Guseman, T. L., Pienaar, I. S., Dluzen, D. E., Young, J. W. A novel biomechanical analysis of gait changes in the MPTP mouse model of Parkinson’s disease. PeerJ. 3, e1175 (2015).
- Baldwin, H. A., Koivula, P. P., Necarsulmer, J. C. Step Sequence is a Critical Gait Parameter of Unilateral 6-OHDA Parkinson’s Rat Models. Cell Transplant. 26 (4), 659-667 (2017).
- Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. Motor coordination and balance in rodents. Curr Protoc Neurosci. , (2001).
- Milosevic, I. Revisiting the Role of Clathrin-Mediated Endocytosis in Synaptic Vesicle Recycling. Front Cell Neurosci. , (2018).
