Voordelige Gait-analyse voor Gedragsfenotypen van Muismodellen van neuromusculaire ziekte
Summary
Footprint Analysis is een voordelig alternatief voor gedigitaliseerde gang analyseprogramma’s voor onderzoekers die bewegings afwijkingen bij muizen kwantificeren. Door zijn snelheid, eenvoud en longitudinale potentiaal is het ideaal voor het gedragsfenotypen van Muismodellen.
Abstract
Meting van de dier motoriek is een gemeenschappelijk gedrags instrument dat wordt gebruikt om het fenotype van een bepaalde ziekte, letsel of drug model te beschrijven. De goedkope methode van gang-analyse die hier wordt gedemonstreerd is een eenvoudige maar effectieve meting van afwijkingen in de gang in de Murine-modellen. Voetafdrukken worden geanalyseerd door het schilderen van de voeten van een muis met niet-giftige afwasbaar verf en waardoor het onderwerp te lopen door een tunnel op een vel papier. Het ontwerp van de test tunnel maakt gebruik van natuurlijk muisgedrag en hun affiniteit voor kleine donkere plaatsen. De paslengte, de breedte van de stap en de toe-spreiding van elke muis worden eenvoudig gemeten met een liniaal en een potlood. Dit is een gevestigde en betrouwbare methode en genereert verschillende metrische gegevens die analoog zijn aan digitale systemen. Deze aanpak is gevoelig genoeg om veranderingen in stap vroeg in fenotype-presentatie te detecteren, en vanwege de niet-invasieve benadering, maakt het testen van groepen over levensduur of fenotypische presentatie mogelijk.
Introduction
Motoriek vereist complexe neurologische en musculoskeletale coördinatie, en tekorten in een enkel aspect van motorische trajecten kunnen waarneembare gang-afwijkingen1,2produceren. Gait-analyse is een essentieel hulpmiddel voor onderzoekers die Muismodellen testen, omdat het meetbare gedragsgegevens biedt over hoe een bepaalde ziekte, letsel of medicijn de beweging van een dier beïnvloedt3. Echter, gedigitaliseerde gang analyse vereist de aankoop van een loopband, een camera, en bijbehorende software, die buitensporig duur voor onderzoekers kan zijn. Gait-analyse wordt vaak gebruikt met tussenpozen om longitudinale veranderingen in de motorische functie bij te houden, vandaar dat het moeilijk kan zijn om de uitgaven te rechtvaardigen als deze sporadisch worden gebruikt4. Hoewel gedigitaliseerde analyses mogelijk gedetailleerdere gang-statistieken bieden dan eenvoudige footprint-analyse, zijn deze complexere maatregelen niet altijd noodzakelijk of relevant voor de karakterisering van een gedragsfenotype5.
Hier presenteren we een voordelige handmatige footprint-analysemethode als een snel en gevoelig alternatief voor gedigitaliseerde gang analyseprogramma’s6,7. De handmatige footprint analyse is aangetoond dat er significante verschillen in de loop van de ziekte in een veelheid van muriene ziekten modellen4,7,8,9,10,11 ,12,13,14,15,16,17, en in ten minste één geval, deze goedkope methode geïdentificeerd veranderingen in gang die werden niet gedetecteerd door een gemeenschappelijk gedigitaliseerd gang-analyseprogramma12. De totale kosten van materialen zijn nominaal, en het kan gemakkelijk worden aangepast aan andere knaagdier onderzoekmodellen.
Hoewel er veel verschillende gang statistieken zijn waaruit gegevens kunnen worden getekend, richt de methode die we beschrijven op drie specifieke statistieken: staplengte, stap-breedte (alias “spoorbreedte”) en teen spreiding. Het is belangrijk op te merken dat de te beoordelen parameters op basis van model-per-model moeten worden bepaald. Deze methode van gang-analyse is niet ontworpen om cognitieve functie te meten, en het wordt niet aanbevolen voor studies die complexe biomechanische metingen van gang16vereisen.
We presenteren gedragsgegevens uit een cohort van pre-en post-symptomatische muizen modellering X-linked spinale en bulbar musculaire atrofie (SBMA), een neuromusculaire aandoening gekenmerkt door motorische neuron degeneratie en spieratrofie. Deze muizen ontwikkelen progressieve tekorten in gang die samenvallen met het begin van andere ziektespecifieke fenotypes. Dit toont de geldigheid en specificiteit van deze methode aan en bevestigt dat zij op betrouwbare wijze kan discrimineren tussen getroffen en niet-aangetaste dieren.
De experimentele muizen in deze studie waren 2,5 (pre-symptomatische) en 9 maanden oude (post-symptomatische) BAC fxAR121 transgene muizen op een C57BL/6 achtergrond (nexpt= 12). Dit model is gegenereerd in ons lab en is volledig gekarakteriseerd als een krachtig muismodel van SBMA9. Niet-transgene littermates werden gebruikt als besturingselementen (nCTRL= 8). SBMA is een seks-beperkte ziekte die zich volledig manifesteert bij mannetjes, dus mannelijke muizen werden uitsluitend voor deze studie gebruikt. Tijdens de planningsfase, moeten onderzoekers rekening houden met de nationale instituten van gezondheid overwegingen van geslacht als een biologische variabele om te bepalen van de grootte van de groep en de samenstelling18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met behulp van de hierboven beschreven lage-kostenanalyse methode voor gang tonen we een succesvolle identificatie van verschillende parameters van gang dysfunctie op post-symptomatische leeftijden in het BAC fxAR121 muismodel van SBMA. Dalingen in de lengte van de stap zijn consistent met eerdere SBMA-onderzoeken naar muizen modellen en humane patiënten9. We laten ook voor de eerste keer zien dat er significante verschillen zijn in de neus van achterledematen die zich verspreiden in symptomatisc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen A.M. bedanken voor de identificatie van dieren. Dit werk werd gesteund door subsidies van de Amerikaanse National Institutes of Health (R01 7 RF1 AG057264 A.R.L.S. en C.J.C. en R01 NS100023 aan A. R. L. S) en de spierdystrofie Association (basisonderzoek subsidie aan A.R.L.S., ontwikkeling subsidie aan C.J.C.).
Materials
| Caliper | n/a | n/a | must have markings down to 0.1 mm |
| Craft Glue | E6000 | n/a | |
| Footprint Paint (Tempera Paint) | Artmind | n/a | must be non-toxic |
| Round Barrel Paintbrushes | Symply Simmons | n/a | 0.5 cm diameter |
| Ruler | n/a | n/a | must have markings down to millimeters |
| Scoring Paper (Watercolor Pads) | Canson | n/a | cut to size |
| Tunnel and Goal Chamber | Interstate Plastics | n/a | cut to size |
References
- Clarke, K. A., Still, J. Development and consistency of gait in the mouse. Physiology & Behavior. 73 (1-2), 159-164 (2001).
- Mendes, C. S., et al. Quantification of gait parameters in freely walking rodents. BMC Biology. 13, 50 (2015).
- Carter, R. J., Morton, J., Dunnett, S. B. Motor coordination and balance in rodents. Current Protocols in Neuroscience. , (2001).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Exercise induces behavioral recovery and attenuates neurochemical deficits in rodent models of Parkinson’s disease. Neuroscience. 119 (3), 899-911 (2003).
- Pallier, P. N., Drew, C. J., Morton, A. J. The detection and measurement of locomotor deficits in a transgenic mouse model of Huntington’s disease are task- and protocol-dependent: influence of non-motor factors on locomotor function. Brain Research Bulletin. 78 (6), 347-355 (2009).
- Sugimoto, H., Kawakami, K. Low-cost Protocol of Footprint Analysis and Hanging Box Test for Mice Applied the Chronic Restraint Stress. Journal of Visualized Experiments. (143), (2019).
- Carter, R. J., et al. Characterization of progressive motor deficits in mice transgenic for the human Huntington’s disease mutation. Journal of Neuroscience. 19 (8), 3248-3257 (1999).
- Barlow, C., et al. Atm-deficient mice: a paradigm of ataxia telangiectasia. Cell. 86 (1), 159-171 (1996).
- Cortes, C. J., et al. Muscle expression of mutant androgen receptor accounts for systemic and motor neuron disease phenotypes in spinal and bulbar muscular atrophy. Neuron. 82 (2), 295-307 (2014).
- D’Hooge, R., et al. Neuromotor alterations and cerebellar deficits in aged arylsulfatase A-deficient transgenic mice. Neuroscience Letters. 273 (2), 93-96 (1999).
- Fernagut, P. O., Diguet, E., Labattu, B., Tison, F. A simple method to measure stride length as an index of nigrostriatal dysfunction in mice. Journal of Neuroscience Methods. 113 (2), 123-130 (2002).
- Guillot, T. S., Asress, S. A., Richardson, J. R., Glass, J. D., Miller, G. W. Treadmill gait analysis does not detect motor deficits in animal models of Parkinson’s disease or amyotrophic lateral sclerosis. Journal of Motor Behavior. 40 (6), 568-577 (2008).
- Harper, S. Q., et al. RNA interference improves motor and neuropathological abnormalities in a Huntington’s disease mouse model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (16), 5820-5825 (2005).
- Lin, C. H., et al. Neurological abnormalities in a knock-in mouse model of Huntington’s disease. Human Molecular Genetics. 10 (2), 137-144 (2001).
- Sopher, B. L., et al. Androgen receptor YAC transgenic mice recapitulate SBMA motor neuronopathy and implicate VEGF164 in the motor neuron degeneration. Neuron. 41 (5), 687-699 (2004).
- Tillerson, J. L., Caudle, W. M., Reveron, M. E., Miller, G. W. Detection of behavioral impairments correlated to neurochemical deficits in mice treated with moderate doses of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine. Experimental Neurology. 178 (1), 80-90 (2002).
- Wheeler, V. C., et al. Early phenotypes that presage late-onset neurodegenerative disease allow testing of modifiers in Hdh CAG knock-in mice. Human Molecular Genetics. 11 (6), 633-640 (2002).
- Clayton, J. A., Collins, F. S. Policy: NIH to balance sex in cell and animal studies. Nature. 509 (7500), 282-283 (2014).
- Maricelli, J. W., Lu, Q. L., Lin, D. C., Rodgers, B. D. Trendelenburg-Like Gait, Instability and Altered Step Patterns in a Mouse Model for Limb Girdle Muscular Dystrophy 2i. PLoS One. 11 (9), e0161984 (2016).
- Castelhano-Carlos, M. J., Sousa, N., Ohl, F., Baumans, V. Identification methods in newborn C57BL/6 mice: a developmental and behavioural evaluation. Lab Animals. 44 (2), 88-103 (2010).
- Lakes, E. H., Allen, K. D. Gait analysis methods for rodent models of arthritic disorders: reviews and recommendations. Osteoarthritis Cartilage. 24 (11), 1837-1849 (2016).
