Application du système RatWalker pour l’analyse de la marche dans un modèle génétique de la maladie de Parkinson chez le rat
18 janvier 2021
Nous décrivons ici le système RatWalker, construit en redessinant l’appareil MouseWalker pour s’adapter à l’augmentation de la taille et du poids des rats. Ce système utilise la réflexion interne totale frustrée (FTIR), la capture vidéo à grande vitesse et un logiciel d’analyse en libre accès pour suivre et quantifier les paramètres de marche.
Cette méthode permet de quantifier de manière reproductible les différences de paramètres de marche. Les paramètres de la démarche peuvent être évalués chez les rongeurs qui marchent librement, et la technique ne repose pas sur des étapes invasives telles que tremper les pieds avec de l’encre. La démonstration de la procédure sera Ben Lamberty.
Commencez par placer une cage à la fin de la passerelle avant le début de chaque course, pour servir de signal positif au rat pour traverser la passerelle. Éteignez les lumières de la pièce. Allumez la caméra et commencez à enregistrer plusieurs secondes avant que le rat ne soit placé sur la plate-forme.
Une fois l’enceinte installée, placez le rat au bout de la passerelle, en face de la cage de la maison, et laissez-le traverser la passerelle de manière non forcée. Arrêtez l’enregistrement une fois que l’animal atteint le terminus de la passerelle. Nettoyez la passerelle avec de l’éthanol à 70 % et une serviette non abrasive entre les courses et après qu’un animal urine ou défèque.
Ensuite, laissez l’éthanol s’évaporer avant d’introduire un autre animal. Faites passer les rats à travers la passerelle un total de sept fois au cours de chaque période d’observation, en prenant les trois premiers passages qui marquent comme passage pour analyse. Marquez une course comme passant si l’animal fait quatre pas consécutifs ou plus en direction de la cage familiale sans interruption en raison du toilettage, de la pause ou des mouvements errants.
Une analyse de la démarche a été effectuée sur des rats mâles de type sauvage et Parkin DKO à l’âge de deux mois afin de déterminer si l’utilisation de l’analyse cinématique de la marche pouvait révéler des déficiences motrices subtiles avant l’apparition de problèmes de motricité globale. Malgré l’augmentation du poids des rats DKO, la pression du pied appliquée à la surface de marche n’a pas changé. Après évaluation de plusieurs paramètres de démarche en fonction de la vitesse de marche, la vitesse de marche et la longueur des pas se sont avérées similaires entre les rats de type sauvage et les rats DKO.
La variation entre les rats de type sauvage et les rats DKO est devenue apparente dans la phase de posture et la durée de balancement à des vitesses de marche plus lentes. La fraction du cycle de pas où la jambe est dans la phase de posture était le facteur de service. Plus de temps a été consacré à la phase de basculement qu’à la phase de position, car le facteur de service a diminué.
De plus, alors que les vitesses de balancement augmentaient avec l’augmentation de la vitesse chez les animaux de type sauvage, la corrélation était émoussée chez les rats DKO. L’analyse de la démarche FTIR a également été utilisée pour créer des tracés de traces de phase de position de chaque patte par rapport au corps chez des rats marchant librement. En comparant le positionnement de la patte, des changements significatifs dans l’AEP et la PPE ont été observés.
Plusieurs paramètres supplémentaires ont été significativement modifiés chez les rats DKO par rapport aux rats de type sauvage. La vitesse de balancement des membres postérieurs gauche et droit a été augmentée chez les rats DKO, tandis que la durée de balancement des membres postérieurs gauche et droit a été réduite. Une configuration cohérente de l’équipement, y compris la position de la caméra par rapport à RatWalker, est importante pour la mise en œuvre réussie de ce protocole.
Après avoir exécuté ce protocole, les animaux sont disponibles pour tout comportement supplémentaire ou critère expérimental nécessaire. Par exemple, les changements de démarche peuvent être corrélés avec des altérations histologiques. Cette technique peut être utilisée pour évaluer la démarche dans d’autres modèles de rongeurs non atteints de la MP, tels que les modèles d’anxiété et de dépression.
Consultez la transcription complète et accédez à des milliers de vidéos scientifiques
Aperçu
Cette étude présente le système RatWalker, conçu pour analyser la démarche de rats se déplaçant librement à l'aide de la réflexion totale interne frustrée (FTIR) et de l'acquisition vidéo à grande vitesse. Il permet une quantification précise des paramètres de la démarche, offrant ainsi des informations sur les troubles moteurs, notamment chez les rats génétiquement modifiés Parkin DKO.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Analyse comportementale
- Évaluation de la démarche
Contexte
- L'analyse de la démarche chez les rongeurs repose généralement sur des méthodes invasives.
- Des études antérieures ont mis en évidence la nécessité de techniques non invasives améliorées pour évaluer la fonction motrice.
- Le RatWalker est une adaptation du système MouseWalker permettant d'accueillir des rongeurs de plus grande taille.
- Ce système peut aider à détecter des déficits moteurs subtils avant l'apparition de symptômes évidents.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode non invasive pour l'analyse de la démarche chez les rats.
- Étudier les différences de démarche entre les rats de type sauvage et les rats Parkin DKO.
- Mettre en place un protocole fiable pour le suivi des paramètres de la démarche au cours de plusieurs essais.
Méthodes utilisées
- Le système RatWalker a été utilisé pour analyser la démarche de rats se déplaçant librement.
- Des rats mâles de type sauvage et des rats Parkin DKO âgés de deux mois ont servi de modèles biologiques.
- Aucun workflow multiomique n'a été mentionné dans l'étude.
- Les rats ont traversé la piste un total de sept fois, l'évaluation étant basée sur des pas consécutifs.
- Les paramètres de la démarche ont été quantifiés à l'aide de l'analyse FTIR et de l'analyse vidéo.
Résultats principaux
- L'analyse de la démarche a révélé des différences significatives de la phase d'appui et de la durée de la phase aérienne chez les rats DKO à des vitesses plus lentes.
- Malgré des vitesses de marche similaires, les rats DKO présentaient des paramètres temporels de la démarche modifiés par rapport aux rats de type sauvage.
- Des changements importants dans le positionnement des pattes et les vitesses de la phase aérienne ont été observés chez les rats DKO.
- L'étude souligne l'importance de la cohérence du matériel pour obtenir des résultats fiables.
Conclusions
- Le système RatWalker permet une analyse de la démarche non invasive, avec un potentiel d'applications plus larges dans divers modèles de rongeurs.
- Les résultats contribuent à la compréhension des troubles moteurs dans les modèles génétiques de maladies.
- Les implications s'étendent à l'étude des perturbations de la démarche liées à différentes affections neurologiques.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
La détection précoce de troubles moteurs subtils dans les modèles génétiques soutient la validation des cibles et la réduction des risques mécanistiques dans les programmes de maladies neurodégénératives. Le système RatWalker permet une analyse quantitative de la démarche non invasive, capable d'identifier des modifications phénotypiques avant l'apparition de déficits moteurs évidents, améliorant ainsi la fiabilité prédictive du criblage préclinique. Cette approche facilite la priorisation de candidats thérapeutiques en fournissant des biomarqueurs transposables du déclin fonctionnel dans les modèles de la maladie de Parkinson.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation d'hypothèses thérapeutiques en quantifiant les paramètres de la démarche chez des modèles génétiques de rats de la maladie de Parkinson.
- Valeur opérationnelle : Soutient la détection précoce des risques biologiques grâce à une évaluation reproductible de la fonction motrice chez des rongeurs en déplacement libre.
- Valeur prédictive : Facilite la caractérisation phénotypique précoce afin d'éclairer les décisions relatives à la confiance dans la cible et au tri du portefeuille.
Développement de tests et de criblages
- Valeur scientifique : Génère des données quantitatives et haute résolution sur la démarche, incluant la phase d'appui, la durée de la phase aérienne et le positionnement des coussinets, pour une analyse comparative.
- Valeur opérationnelle : Fournit des mesures standardisées et évolutives adaptées au développement de tests et aux campagnes de criblage de composés.
- Reproductibilité : Nécessite une configuration constante du matériel et des critères d'évaluation pour garantir des données fiables entre les essais et les laboratoires.
Recherche translationnelle et préclinique
- Continuité translationnelle : Corrèle les altérations de la démarche avec des critères histologiques afin de relier les observations comportementales et neuropathologiques.
- Système pertinent pour la maladie : Modélise une dysfonction motrice précoce dans la maladie de Parkinson d'origine génétique, avant l'apparition de symptômes manifestes.
- Réduction des risques mécanistiques : Identifie des biomarqueurs fondés sur la démarche qui reflètent la neuropathologie sous-jacente dans les modèles déficients pour Parkin/Pink1.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Le système RatWalker s'inscrit dans le continuum de découverte allant de la validation de cibles jusqu'à l'identification de composés candidats et aux tests d'efficacité préclinique, permettant une évaluation itérative des phénotypes moteurs au cours des différentes phases de l'étude.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses en mesurant les déficits de la démarche chez des modèles génétiques afin de valider l'engagement de la cible et la modulation de la voie biologique.
- Tri : Fournit des résultats quantitatifs prêts à l'analyse pour évaluer les effets thérapeutiques sur la fonction motrice chez des modèles rongeurs.
- Analyse : Fournit des paramètres cinématiques tels que le facteur de phase, la vitesse de balancement et la symétrie des pas pour une comparaison objective entre génotypes.
- Recherche translationnelle : Permet de corréler les modifications de la démarche avec des marqueurs de neurodégénérescence afin de soutenir l'alignement des biomarqueurs et d'approfondir la compréhension de la physiopathologie.
- Réutilisation en entreprise : Constitue une plateforme évolutible et non invasive applicable à plusieurs modèles de maladies neurologiques au-delà de la maladie de Parkinson.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive en détectant des troubles moteurs précoces qui reflètent des symptômes cliniques prodromiques.
- Valeur opérationnelle : Améliore la reproductibilité grâce à une traversée standardisée du parcours, à des seuils de notation définis et à des contrôles environnementaux.
- Valeur stratégique : Affine les décisions d'aller/arrêt en réduisant la dépendance aux lectures phénotypiques tardives lors du développement préclinique.
- Impact sur le portefeuille : Permet une progression ajustée au risque en identifiant des modèles présentant une validité de construction pour le criblage thérapeutique.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en neurosciences comportementales et en analyse du mouvement basée sur la vidéo pour une mise en place et une interprétation correctes.
- Dépend d'une position constante de la caméra, de conditions d'éclairage stables et d'une propreté rigoureuse de la piste afin de minimiser les variations.
- Exige un accord entre les équipes sur les critères d'évaluation des courses (par exemple, quatre pas consécutifs) pour garantir la comparabilité des données.
- Doit tenir compte des schémas de locomotion propres à chaque espèce lors de l'adaptation du système à d'autres modèles ou souches de rongeurs.
- Se limite à l'évaluation des paramètres temporels et spatiaux de la démarche ; ne permet pas de capturer des séquences locomotrices complexes ou la cinématique fine des membres sans méthodes supplémentaires.
