A análise automatizada da marcha é uma ferramenta viável para avaliar a recuperação funcional em modelos de roedores de lesão nervosa periférica e lesão de contusão medular. Embora exija apenas uma configuração para avaliar a função locomotor em vários modelos experimentais, o ajuste meticuloso e macio e o treinamento dos animais é altamente importante.
Lesões periféricas e centrais do nervo são estudadas principalmente em roedores, especialmente ratos, dado o fato de que esses modelos animais são econômicos e muitos dados comparativos foram publicados na literatura. Isso inclui uma infinidade de métodos de avaliação para estudar a recuperação funcional após lesões nervosas e reparos. Além da avaliação da regeneração nervosa por meio de histologia, eletrofisiologia e outras técnicas de avaliação in vivo e in vitro, a recuperação funcional é o critério mais importante para determinar o grau de regeneração neural. A análise automatizada da marcha permite o registro de uma grande quantidade de parâmetros relacionados à marcha, como a Área de Impressão do Pata e a Velocidade de Balanço da Pata, bem como medidas de coordenação entre membros. Além disso, o método fornece dados digitais das patas dos ratos após danos neuronais e durante a regeneração nervosa, adicionando ao nosso entendimento de como lesões nervosas periféricas e centrais afetam seu comportamento locomotor. Além do modelo de lesão do nervo ciático predominantemente utilizado, outros modelos de lesão nervosa periférica, como o nervo femoral, podem ser estudados por meio deste método. Além das lesões do sistema nervoso periférico, podem ser avaliadas lesões do sistema nervoso central, por exemplo, contusão medular. A avaliação de dados válida e reprodutível depende fortemente do ajuste meticuloso das configurações de software e hard antes da aquisição de dados. Além disso, o treinamento adequado dos animais experimentais é de importância crucial. Este trabalho tem como objetivo ilustrar o uso da análise de marcha automatizada computadorizada para avaliar a recuperação funcional em diferentes modelos animais de lesão nervosa periférica, bem como lesão de contusão medular. Também enfatiza as limitações do método, por exemplo, a avaliação da regeneração nervosa em ratos com neurotmese do nervo ciático devido à recuperação funcional limitada. Portanto, este protocolo é pensado para ajudar pesquisadores interessados em lesões nervosas periféricas e centrais a avaliar a recuperação funcional em modelos de roedores.
Lesões do sistema nervoso periférico e central são frequentemente estudadas em roedores, resultando em uma grande quantidade de dados comparativos sobre o curso de lesão nervosa, reparação ou neuroproteção para neutralizar novas lesões secundárias e regeneração1,2,3. O resultado de estratégias experimentais de tratamento em modelos de roedores pode ser avaliado por uma variedade de técnicas como histologia, imunohistoquímica, eletrofisiologia e técnicas de imagem, como microtomografia de raios-X (μCT), mas o critério mais importante para determinar o sucesso de um tratamento é , como em pacientes humanos , o grau de recuperação funcional4,5. Os primeiros estudos que investigam o desempenho locomotor em roedores datam dos anos 19406,7,8. Ratos e camundongos foram sujeitos a uma grande quantidade de estudos que investigam seu comportamento locomotor nas décadasseguintes 9,10,11. Atualmente, existem uma ampla gama de técnicas de avaliação para modelos de roedores de lesões periféricas e centrais nervosas, que vão desde a análise de pista de caminhada com tinta e papel12,13,14 sobre a tornozeleira e a cinemática de marcha15,16,17 até métodos aprimorados de aprendizado de máquina, que permitem a estimativa de complexo de marcha, membro e trajetória articulatória18,19.
A Análise Automatizada de Marcha (AGA) computadorizada é usada para avaliar a função locomotor após lesões nervosas periféricas e centrais e potencial tratamento experimental de tais lesões. O dispositivo consiste principalmente de uma passarela de vidro e uma fonte de luz que ilumina as impressões da pata do roedor em correlação com a pressão excedida por eles. Esses dados são então informatizados para calcular uma ampla gama de parâmetros estáticos e dinâmicos. Segundo Deumens, esses parâmetros podem ser subdivididos nas categorias de parâmetros gerais, parâmetros relacionados à dor, bem como parâmetros relacionados à coordenação da marcha20 (Tabela 1). A viabilidade da AGA para detectar alterações no comportamento da marcha tem sido comprovada em vários modelos animais de lesão nervosa periférica (PNI)21, como o nervo ciático20,nervo femoral22e nervo mediano23,24. Também é usado rotineiramente para avaliar a função locomotor em ratos com lesões nervosas centrais, por exemplo, lesão de curso25 ou contusão medular26. Os avanços do método residem na grande quantidade de dados comparáveis e na sua possibilidade de registrar uma infinidade de parâmetros relacionados à marcha27. Este artigo tem como objetivo fornecer aos pesquisadores interessados em modelos animais de PNI e lesão medular (SCI) uma diretriz detalhada e prática para avaliar a função locomotor nesses modelos.
Categoria | Parâmetro | Descrição | |
Parâmetros gerais da marcha | Área de impressão (unidade de distância) | Área da impressão da pata | |
Comprimento de impressão (unidade de distância) | Comprimento da impressão da pata | ||
Base de Suporte (BoS) (unidade de distância) | Distância entre as duas patas traseiras ou dianteiras | ||
Comprimento do passo (unidade de distância) | Distância entre duas colocações consecutivas de uma pata | ||
Parâmetros relacionados à dor da marcha | Tempo de swing (s) | Duração da fase de balanço | |
Tempo de espera (s) | Duração da fase de postura | ||
Intensidade média da impressão da pata (unidade arbitrária) | Significa iIntensity da impressão da pata durante a fase de postura | ||
Parâmetros relacionados à coordenação da marcha | Padrões normais de sequência de passos (NSSP) | Sequências específicas de colocações de patas durante um ciclo de passos | |
Dispersões de fase (%) | Diferenças temporais entre os ciclos de passo de duas patas específicas | ||
Índice de Regularidade (RI) (%) | Quantificação da coordenação interlimb dividindo a quantidade de NSSP impecável vezes 4 pelo número total de colocação da pata durante um ciclo de passo |
Tabela 1: Parâmetros de marcha avaliados com a análise de marcha automatizada. As categorias em que os parâmetros são classificados são escolhidas de acordo com Deumens et al.20.
A avaliação da recuperação funcional em modelos animais de PNI e SCI continua sendo desafiadora devido à grande variedade de métodos de avaliação, cada um com vantagens e desvantagens individuais. Apenas poucas abordagens foram testadas e validadas em múltiplos modelos de lesões nervosas periféricas e centrais, embora novas técnicas promissoras que combinem rastreamento de movimento e aprendizado de máquina podem potencialmente impulsionar a pesquisa neurobehavioral para o próximo nível de testes funcionais. Estamos convencidos de que métodos de ponta amplamente aplicáveis a uma grande variedade de modelos de animais e lesões surgirão em breve. À luz dessas considerações, uma das vantagens da AGA é a possibilidade de avaliar a recuperação funcional em múltiplos modelos de lesão nervosa usando apenas um dispositivo. Desde o início dos anos 2000, essa abordagem tem sido utilizada em modelos experimentais de PNI, como o ciático37, peroneal38, e o modelo de lesão do nervo femoral22, bem como após a avulsão raiz tanto doplexo lombar 39 quanto do plexo braquial40. Várias lesões nervosas centrais, incluindo lesão por contusão medular, também foram estudadas com o método41,42. Com este artigo, apresentamos um protocolo detalhado sobre como induzir três lesões nervosas comumente estudadas, bem como como avaliar a recuperação funcional posteriormente. Em nossa opinião, uma diretriz prática para pesquisadores interessados na área de lesão nervosa experimental, reparo e regeneração sobre como fazer o uso ideal das características vantajosas do método seria de grande ajuda.
Vários autores abordaram o potencial da AGA para avaliar a recuperação funcional em roedores, destacando a vantagem do método de avaliar simultaneamente parâmetros de marcha relacionados à reinervação motora e sensorial27,28. Além disso, a comparação dos dados de uma pata experimental, por exemplo, reconstruiu a lesão nervosa a uma pata não operada, como foi mostrado em ambos os modelos apresentados, permite a inclusão de um controle positivo intra-animal. Inversamente, uma pata operada sem reconstrução cirúrgica ou tratamento adicional poderia servir como um controle negativo intra-animal. Também foi demonstrado que é possível combinar AGA com abordagens de aprendizado de máquina43. Apesar das vantagens do método, também possui diversas limitações e desvantagens, como os esforços de treinamento demorados, que são obrigatórios para acostumar o animal ao procedimento de aquisição28,44. Outra limitação da AGA é o tamanho máximo dos animais elegíveis para testes devido às dimensões limitadas do aparelho. Portanto, o uso da AGA está atualmente limitado a animais do tamanho de roedores e furões45. Além disso, abordagens de avaliação neuroabameteral recentemente emergentes no campo do rastreamento de movimento capazes de aprender de máquina podem superar a AGA tanto na integralidade quanto nas possíveis aplicações18,19,46. Mais notável, mas de acordo com outros métodos de avaliação, parece que a recuperação funcional avaliada pela AGA é fortemente limitada — se mesmo ocorrendo — em modelos de neurotmese do nervo ciático47,48. Por outro lado, a AGA permite uma avaliação abrangente do curso de recuperação funcional após a neurotmese do nervo femoral, como mostrado por nossos dados. Com este trabalho, demonstramos que a Área de Impressão do Pata é um parâmetro de marcha representativo avaliado via AGA, o que é exemplar para o curso de recuperação funcional nos dois modelos de lesão nervosa periférica supracitados apresentados por nós. Enquanto o anúncio de recuperação funcional integrum era observável após a reparação do autoenxerto do nervo femoral, os parâmetros de AGA ainda foram significativamente alterados da linha de base no final do período de observação após a reparação do autoenxerto do nervo ciático. Vale ressaltar neste contexto que as contraturas de membros são um fenômeno comum em ratos com lesão do nervo ciático e é necessário cautela para não confundir esses sinais de desequilíbrio muscular e paralisia com a recuperação funcional em andamento32. Isso, por um lado, sublinha a incapacidade do método AGA de detectar recuperação funcional significativa após a lesão neurotmese neste modelo. Por outro lado, levanta a questão se é viável avaliar o modelo de lesão do nervo ciático do rato, que ainda é o modelo de reparação nervosa experimental mais utilizado, por meio da análise da marcha em geral, caso a lesão nervosa seja mais grave do que a axonotmesis48. Detalhes de solução de problemas são fornecidos no Arquivo Complementar 1.
Também fornecemos dados exemplares sobre o uso do método para avaliar a função locomotor em ratos com Lesão medular, o que é possível sem quaisquer alterações necessárias do procedimento de configuração ou aquisição de hardware. O mesmo princípio se aplica a outros modelos de roedores de lesão nervosa central (CNI)26,49,50 e lesão por avulsão raiz. Em contraste com as PNIs isoladas, as lesões da medula espinhal são muito mais complexas em suas consequências fisiodicosiológicas, pois uma infinidade de estruturas altamente importantes são danificadas, envolvendo vias efervescentes como os tratos corticospinal e rubrospinal e caminhos diferentes, como as colunas dorsais e os tratos fusotalâmicos35. O desafio de avaliar adequadamente essas mudanças patológicas se reflete no armamento abrangente de testes comportamentais, como a pontuação Basso, Beattie e Bresnahan (BBB)36. A base de apoio do parâmetro de marcha foi relatada para aumentar após lesões nervosas centrais, provavelmente para explicar uma marcha instável resultante. A Base de Suporte foi significativamente alterada da linha de base de WPO10 para WPO14 em nosso modelo, apoiando nossa presunção de que este parâmetro permite a avaliação do curso de recuperação funcional pela AGA após lesão de contusão na medula espinhal torácica.
Estamos convencidos de que a AGA é uma ferramenta viável para avaliar a recuperação funcional em roedores com lesões do sistema nervoso. No entanto, aconselhamos refletir as mudanças observadas da marcha cuidadosamente e minuciosamente em cada configuração experimental respectiva. Alterações nos parâmetros de marcha, por exemplo, um aumento na Área de Impressão após um decréscimo pós-operatório imediato ou uma diminuição no Tempo de Oscilação procedendo uma elevação pós-operatória imediata deste parâmetro, ao longo do período de observação não se relacionam inevitavelmente com a recuperação funcional. Em vez disso, essas mudanças também podem estar relacionadas a uma possível adaptação funcional para manter uma marcha discreta, uma vez que os ratos são uma espécie de presa e tentam evitar mostrar dor ou incapacidade para potenciais predadores51. Recomenda-se, portanto, a utilização da análise de marcha automatizada como ferramenta complementar para relacionar alterações da marcha a outras medidas de desfecho de lesão nervosa periférica e regeneração21. Como mencionado anteriormente, também acreditamos que deve ser cuidadosamente refletido se roedores com neurotmese do nervo ciático devem ser investigados por meio da AGA, pois nosso achado indica fortemente que a recuperação funcional é severamente limitada neste caso.
Como mostrado em nosso trabalho, o principal ativo da AGA é a possibilidade de estudar a reinervação motora e sensorial em uma infinidade de modelos PNI experimentais, bem como a CNI, exigindo apenas uma configuração. Portanto, o método é, em nossa opinião, uma ferramenta altamente valiosa para testes neuroviolíno abrangentes. Um dos ativos da AGA, que é a possibilidade de estudar a reinnervação motora e sensorial em vários modelos animais de PNI e CNI, exigindo apenas uma configuração, é, em nossa opinião, a principal vantagem do método em comparação com outros métodos de avaliação para estudar a recuperação funcional, como a análise de pista de caminhada52, von Frey testando53, ou cinemática marcha16. O potencial de avaliar simultaneamente mudanças de marcha que se correlacionam com resultados de investigações eletrofisiológicas do músculo reinnervado22 ou métodos de avaliação para função sensorial54 é promissor em relação às aplicações futuras do método. Por isso, recomendamos o uso da AGA para investigar a recuperação funcional em modelos de roedores de PNI de membro dianteiro, como o nervo ulnar, radial ou mediano, ou modelos experimentais de transferência de nervo55,que ainda não foram estudados com este método.
Fornecemos um protocolo detalhado sobre como usar a análise automatizada da marcha para estudar a recuperação funcional em três modelos de roedores de lesão nervosa. Embora o método exija uma cuidadosa consideração de vários aspectos-chave, como treinamento adequado e calibração meticulosa de software e força, é uma ferramenta complementar viável e valiosa para avaliar a regeneração nervosa em modelos de roedores de lesão nervosa central e periférica.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer a Karin Brenner por sua cuidado apaixonada com os animais. Os autores também gostariam de agradecer Claudia Keibl, James Ferguson, Gabriele Leinfellner e Susanne Drechsler por sua ajuda durante as cirurgias experimentais.
0.9% Saline | B. Braun Austria | 3570410 | Vehicle for drug delivery |
1 ml syringe | B. Braun Austria | 9161708V | Injecting device |
10 ml syringe | B. Braun Austria | 4606728 V | Injecting device |
1-Propanol, 2-Propanol, Hexetidin | Gebro Pharma | N/A | Alcoholic skin disinfection |
23-gauge (G) canula | B. Braun Austria | 4657667 | Canula for s.c. injection |
26-gauge (G) canula | B. Braun Austria | 4657683 | Canula for s.c. injection |
5 ml syringe | B. Braun Austria | 4606710 V | Injecting device |
Buprenorphine hydrochloride | Sigma | B9275 | Analgetic agent |
Burrs for Micro Drill | F.S.T | 19007-29 | Drilling of a hole inside the lamina |
Caprofen | Zoetis Austria | N/A | Analgetic agent |
Catwalk Automated gait analysis system | Noldus | N/A | Automatic analysis software of animal gait |
Cauterizer Kit | F.S.T | 18010-00 | Cauterization of vessels during surgery |
Enrofloxacin | Bayer Austria | N/A | Antibiotic |
Ethilon (10-0) | ETHICON | 2810G | Suture material for neurrorhaphy |
Ethilon (11-0) | ETHICON | EH7465G | Suture material for neurrorhaphy |
Eye ointment | Fresenius Kabi Austria | 4302436 | Eye protection during anesthesia |
Friedman-Pearson Rongeurs | F.S.T | 16221-14 | Surgical instrument |
Gabapentin | Wedgewood Pharmacy | N/A | Analgetic agent |
Goldstein retractor | F.S.T | 17003-03 | Retraction of tissues during surgery |
Hair trimmer | Aescular | N/A | Hair trimmer for shaving of the operation site prior to surgery |
Heating Pad for rodents | ALA Scientific Instruments | N/A | Regulation of body temperature |
Impactor | Precision Systems and Instrumentation | N/A | Induction of spinal cord contusion |
Lewis rat () | Janvier | N/A | Experimental animal |
Magnetic Fixator Retraction System | F.S.T | 18200-50 | Retraction of tissues during surgery |
Metzenbaum Baby Scissors | F.S.T | 14019-13 | Surgical instrument |
Micro Drill | Word Precision Instruments | 503599 | Instrument for bone drilling |
Micro Needle holder | F.S.T | 12076-12 | Surgical instrument |
Micro-scissors (curved) | F.S.T | 15023-10 | Surgical instrument |
Micro-scissors (straight) | F.S.T | 15007-08 | Surgical instrument |
Mirror Finish Forceps | F.S.T | 11251-23 | Surgical instrument |
Needle holder | F.S.T | 12002-12 | Surgical instrument |
Operating microscope | Leica | M651 MSD | Magnification of the operative site |
Povidone Iod | B. Braun Melsungen | N/A | Non-alcoholic skin disinfectant |
Pulse Oximeter | STARR Life Sciences | N/A | Surveillance of heart rate and oxygen saturation |
Rodent thermometer | BIOSEB | BIO-TK8851 | Surveillance of body temperature |
Scalpel blade | F.S.T | 10010-00 (#10) | Surgical instrument to make an incision |
Scalpel handle | F.S.T | 10003-12 (#3) | Surgical instrument to make an incision |
Sevoflurane Inhalation Vapour, Liquid (100%) | Baxter | HDG9117A | Anesthetic |
Spatula & Probe | F.S.T | 10090-13 | Surgical instrument |
Sprague Dawley rat () | Janvier | N/A | Experimental animal |
Sterila gauze 5x5cm | EVAC MEDICAL | E010.03.00215 | Sterile gauze compress |
Tissue Forceps | F.S.T | 11021-12 | Surgical instrument |
Vicryl (4-0) | ETHICON | V3040H | Suture material for subcutaneous sutures |
Vicryl (5-0) | ETHICON | V303H | Suture material for subcutaneous sutures |
Vicryl cutting needle (4-0) | ETHICON | V392ZH | Suture material for skin sutures |
Vicryl cutting needle (5-0) | ETHICON | V391H | Suture material for skin sutures |