Low-Cost Gait Analyse für Verhaltens-Phänotypisierung von Maus-Modellen von neuromuskulären Erkrankungen
Summary
Die Footprint-Analyse ist eine kostengünstige Alternative zu digitalisierten Ganganalyseprogrammen für Forscher, die Bewegungsanomalien bei Mäusen quantifizieren. Aufgrund seiner Geschwindigkeit, Einfachheit und Längspotenzial, Es ist ideal für Verhaltens-Phänotypisierung von Mausmodellen.
Abstract
Die Messung der Tierischen Fortbewegung ist ein gängiges Verhaltenswerkzeug, das verwendet wird, um den Phänotyp einer bestimmten Krankheit, Verletzung oder eines Drogenmodells zu beschreiben. Die hier gezeigte kostengünstige Methode der Ganganalyse ist ein einfaches, aber effektives Maß für Ganganomalien in murinen Modellen. Fußabdrücke werden analysiert, indem man die Füße einer Maus mit ungiftiger waschbarer Farbe bemalt und dem Subjekt ermöglicht, auf einem Blatt Papier durch einen Tunnel zu gehen. Das Design des Testtunnels nutzt das natürliche Mausverhalten und deren Affinität zu kleinen dunklen Stellen. Die Schrittlänge, Schrittbreite und Zehenausbreitung jeder Maus wird leicht mit einem Lineal und einem Bleistift gemessen. Dies ist eine etablierte und zuverlässige Methode, und es erzeugt mehrere Metriken, die analog zu digitalen Systemen sind. Dieser Ansatz ist sensibel genug, um Schrittänderungen frühzeitig in der Phänotyp-Präsentation zu erkennen, und aufgrund seines nicht-invasiven Ansatzes ermöglicht er das Testen von Gruppen über die Lebensdauer oder phänotypische Darstellung hinweg.
Introduction
Fortbewegung erfordert komplexe neurologische und Muskel-Skelett-Koordination, und Defizite in einem einzigen Aspekt der motorischen Wege können beobachtbare Ganganomalien produzieren1,2. Die Gait-Analyse ist ein wichtiges Werkzeug für Forscher, die Mausmodelle testen, da sie quantifizierbare Verhaltensdaten darüber liefert, wie sich eine bestimmte Krankheit, Verletzung oder ein Medikament auf die Bewegung eines Tieres auswirkt3. Die digitalisierte Ganganalyse erfordert jedoch den Kauf eines Laufbandes, einer Kamera und der dazugehörigen Software, was für Forscher unerschwinglich teuer sein kann. Die Gait-Analyse wird häufig verwendet, um Längsänderungen in der Motorfunktion zu verfolgen, daher kann es schwierig sein, die Ausgaben zu rechtfertigen, wenn sporadisch4verwendet wird. Obwohl digitalisierte Analysen detailliertere Gangmetriken liefern können als einfache Footprint-Analysen, sind diese komplexeren Kennzahlen nicht immer notwendig oder relevant für die Charakterisierung eines Verhaltensphänotyps5.
Hier stellen wir eine kostengünstige manuelle Footprint-Analysemethode als schnelle und sensible Alternative zu digitalisierten Ganganalyseprogrammen6,7vor. Die manuelle Fußabdruckanalyse hat gezeigt, dass signifikante Gangunterschiede in einer Vielzahl von Modellen für murine Erkrankungen4,7,8,9,10,11 ,12,13,14,15,16,17, und in mindestens einem Fall identifizierte diese low-cost-Methode wurden von einem gemeinsamen digitalisierten Ganganalyseprogramm12nicht erkannt. Die Gesamtkosten der Materialien sind nominell und können leicht an andere Nagetier-Forschungsmodelle angepasst werden.
Obwohl es viele verschiedene Gangmetriken gibt, aus denen Daten entnommen werden können, konzentriert sich die beschriebene Methode auf drei spezifische Metriken: Schrittlänge, Schrittbreite (auch “Spurbreite” genannt) und Zehenstreuung. Es ist wichtig zu beachten, dass die zu bewertenden Parameter modellweise festgelegt werden sollten. Diese Methode der Ganganalyse ist nicht entwickelt, um kognitive Funktion zu messen, und es wird nicht für Studien empfohlen, die komplexe biomechanische Messungen von Gang16erfordern.
Wir präsentieren Verhaltensdaten aus einer Kohorte von prä- und postsymptomatischen Mäusen, die X-verknüpfte Spinal- und Bulbar-Muskelatrophie (SBMA) modellieren, eine neuromuskuläre Erkrankung, die durch motorische Neuronendegeneration und Muskelatrophie gekennzeichnet ist. Diese Mäuse entwickeln progressive Defizite im Gang, die mit dem Auftreten anderer krankheitsspezifischer Phänotypen zusammenfallen. Dies zeigt die Gültigkeit und Spezifität dieser Methode und bestätigt, dass sie zuverlässig zwischen betroffenen und nicht betroffenen Tieren unterscheiden kann.
Die experimentellen Mäuse in dieser Studie waren 2,5 (vorsymptomatisch) und 9 Monate alte (postsymptomatische) BAC fxAR121 transgene Mäuse auf einem C57BL/6-Hintergrund (nexpt=12). Dieses Modell wurde in unserem Labor generiert und wurde vollständig als leistungsstarkes Mausmodell von SBMA9charakterisiert. Als Kontrollelemente wurden nicht-transgene Littermate verwendet (nStrg=8). SBMA ist eine geschlechtsbegrenzte Krankheit, die sich vollständig nur bei Männern manifestiert, so dass männliche Mäuse ausschließlich für diese Studie verwendet wurden. Während der Planungsphase müssen die Forscher die Überlegungen der National Institutes of Health zum Geschlecht als biologische Variable berücksichtigen, um Gruppengrößen und Zusammensetzung18zu bestimmen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mit der oben beschriebenen Low-Cost-Ganganalysemethode zeigen wir eine erfolgreiche Identifizierung mehrerer Parameter der Gangfunktionsstörung im postsymptomatischen Alter im BAC fxAR121 Mausmodell von SBMA. Die Verringerung der Schrittlänge stimmt mit früheren SBMA-Studien von Mausmodellen und menschlichen Patienten überein9. Wir zeigen auch zum ersten Mal, dass es signifikante Unterschiede in der Zehenausbreitung hinter den Gliedmaßen bei symptomatischen SBMA-Mäusen im Vergleich zu nicht-…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken A.M. für die Unterstützung bei der Tieridentifikation. Diese Arbeit wurde durch Stipendien der US National Institutes of Health (R01 7 RF1 AG057264 an A.R.L.S. und C.J.C. und R01 NS100023 an A.R.L.S. und die Muscular Dystrophy Association (Basic Research Grant to A.R.L.S., Development Grant to C.J.C.) unterstützt.
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).
