应用 RatWalker 系统对帕金森病遗传性大鼠模型进行步态分析
2021年1月18日
本文介绍了RatWalker系统，该系统通过重新设计MouseWalker装置，以适应大鼠更大的体型和体重。该系统采用全内反射失配（FTIR）技术、高速视频采集以及开源分析软件，用于追踪并量化步态参数。
该方法能够可重复地量化步态参数的差异。可在自由行走的啮齿类动物中评估步态参数，且该技术不依赖于蘸取墨水等侵入性步骤。本次操作演示由 Ben Lamberty 完成。
每次运行开始前，先将一个鼠笼放置在跑道末端，作为大鼠穿越跑道的正向提示。关闭房间灯光。在将大鼠放置于平台前数秒，打开摄像机并开始录像。
安装好防护罩后，将大鼠放置在步道的一端（远离其笼盒的一侧），让其以无强迫的方式自行走过步道。当动物到达步道末端时，停止记录。每次试验间隔以及动物排尿或排便后，使用70%乙醇和非研磨性毛巾清洁步道。
然后，待乙醇挥发后，再引入下一只动物。在每次观察期间，让大鼠在走道上总共行走七次，选取其中前三次符合通过标准的行走进行分析。若动物在朝向笼舍方向行进过程中连续完成四步或以上，且未因理毛、停顿或偏离动作而中断，则判定该次行走为通过。
在两个月大时，对雄性野生型和Parkin DKO大鼠进行步态分析，以确定运动学步态分析是否能够在明显运动障碍出现之前发现细微的运动功能损害。尽管DKO大鼠体重增加，但其足部施加于行走表面的压力保持不变。在评估多种步态参数随行走速度变化的情况后发现，野生型与DKO大鼠的行走速度和步长相似。
在较慢的行走速度下，野生型与DKO大鼠在支撑相和摆动持续时间上的差异变得明显。腿部处于支撑相的步态周期所占比例称为步态 duty factor。随着duty factor的降低，摆动相所占时间多于支撑相。
此外，虽然在野生型动物中，摆动速度随速度增加而提高，但在 DKO 大鼠中这种相关性减弱。FTIR 步态分析还用于绘制自由行走大鼠每条腿相对于身体的站立相轨迹图。通过比较足垫位置，观察到 AEP 和 PEP 的显著变化。
与野生型大鼠相比，DKO 大鼠的多个其他参数也发生了显著变化。DKO 大鼠左右后肢的摆动速度均增加，而左右后肢的摆动持续时间均缩短。设备的一致性设置（包括摄像机相对于 RatWalker 的位置）对于本方案的成功实施至关重要。
完成本方案后，动物可用于任何其他必要的行为学或实验终点检测。例如，步态变化可与组织学改变进行相关性分析。该技术也可用于评估其他非帕金森病（PD）啮齿类动物模型的步态，如焦虑和抑郁模型。
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概述
本研究介绍了RatWalker系统，该系统旨在利用全内反射衰逝波（FTIR）和高速视频捕捉技术，对自由行走的大鼠步态进行分析。该系统能够精确量化步态参数，有助于深入了解运动功能障碍，特别是在基因修饰的Parkin DKO大鼠中的表现。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为分析
- 步态评估
背景
- 啮齿类动物的步态分析通常依赖于侵入性方法。
- 先前的研究表明，需要改进非侵入性技术以评估运动功能。
- RatWalker 是对 MouseWalker 系统的改进，可适用于体型较大的啮齿类动物。
- 该系统有助于在明显症状出现之前识别细微的运动功能缺陷。
研究目的
- 开发一种用于大鼠步态分析的非侵入性方法。
- 研究野生型与Parkin DKO大鼠之间的步态差异。
- 建立一种可靠的方案，用于在多次试验中追踪步态参数。
使用的方法
- 采用 RatWalker 系统分析自由行走大鼠的步态。
- 研究使用的生物模型为两个月龄的雄性野生型大鼠和 Parkin DKO 大鼠。
- 本研究未提及任何多组学工作流程。
- 大鼠在跑道上共行走七次，评分依据连续步态进行。
- 使用 FTIR 和视频分析对步态参数进行量化。
主要结果
- 步态分析显示，在较慢速度下，DKO 大鼠的站立相和摆动持续时间存在显著差异。
- 尽管行走速度相似，DKO 大鼠与野生型大鼠相比表现出不同的时序性步态参数。
- 在 DKO 大鼠中观察到足部定位和摆动速度的重要变化。
- 该研究强调了设备一致性对于获得可靠结果的重要性。
结论
- RatWalker 系统可实现无创步态分析，有望在多种啮齿类动物模型中得到更广泛应用。
- 该研究结果有助于深入理解疾病遗传模型中的运动功能障碍。
- 其应用前景涵盖对多种神经系统疾病相关步态异常的探究。
常见问题
行业重要性概述
在遗传模型中早期检测到细微的运动功能障碍，有助于神经退行性疾病项目中的靶点验证和机制风险降低。RatWalker 系统可实现无创、定量的步态分析，能够在明显运动缺陷出现之前识别表型变化，从而提高临床前筛选的预测可信度。该方法通过提供帕金森病模型中功能衰退的可转化生物标志物，有助于优先筛选潜在治疗候选药物。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过量化帕金森病遗传大鼠模型中的步态参数，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：通过对自由行走啮齿类动物的运动功能进行可重复评估，支持生物学风险降低。
- 预测价值：促进早期表型特征分析，为靶点可信度评估和项目组合筛选决策提供依据。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：生成定量的高分辨率步态数据，包括站立相、摆动持续时间及足垫位置，可用于比较分析。
- 操作价值：提供标准化且可扩展的读数，适用于检测方法开发和化合物筛选研究。
- 可重复性：需要保持设备设置和评分标准的一致性，以确保不同实验和实验室间数据的可靠性。
转化与临床前研究
- 转化连续性：将步态改变与组织学终点相关联，以弥合行为学与神经病理学发现之间的差距。
- 疾病相关系统：在遗传性帕金森病显性症状出现之前，模拟早期运动功能障碍。
- 机制性风险降低：在Parkin/Pink1缺陷模型中识别反映潜在神经病理的基于步态的生物标志物。
流程与工作流整合
RatWalker 系统适用于从靶点验证到先导化合物发现，再到临床前药效测试的研究连续过程，能够在不同研究阶段对运动表型进行迭代评估。
- 发现生物学：通过测量遗传模型中的步态缺陷，验证靶点结合和通路调节，支持假设检验。
- 筛选：提供即用型定量检测输出，用于评估治疗手段对啮齿类动物模型运动功能的影响。
- 分析：提供步态动力学参数，如支撑相时长占比、摆动速度和步态对称性，实现不同基因型之间的客观比较。
- 转化研究：能够将步态变化与神经退行性标志物相关联，支持生物标志物的匹配及对病理生理机制的深入理解。
- 企业级复用：作为一种可扩展的非侵入性平台，适用于帕金森病以外的多种神经系统疾病模型。
运营与企业影响
- 科学价值：通过检测反映临床前驱症状的早期运动功能障碍，提高预测可信度。
- 操作价值：通过标准化的行走路径穿越、评分阈值和环境控制，增强实验可重复性。
- 战略价值：减少对临床前研发中晚期表型读数的依赖，从而优化“推进/终止”决策。
- 项目组合影响：通过识别具有构建效度的模型用于药物筛选，实现基于风险评估的推进策略。
实施注意事项
- 需要具备行为神经科学和基于视频的运动分析的专业知识，以进行正确的实验设置和结果解读。
- 依赖于一致的摄像机定位、光照条件以及步道的清洁程度，以尽量减少变异。
- 需要各研究团队就跑动评分标准（例如连续四步）达成一致，以确保数据的可比性。
- 在将该系统应用于其他啮齿类动物模型或品系时，必须考虑物种特异性的运动模式。
- 仅限于评估步态的时间和空间参数；若无辅助方法，无法捕捉复杂的运动序列或精细的肢体运动学。
