파킨슨병의 유전적 쥐 모델에서 보행 분석을 위한 RatWalker 시스템 적용
2021년 1월 18일
여기에서는 쥐의 증가된 크기와 무게를 수용하기 위해 MouseWalker 장치를 재설계하여 구축된 RatWalker 시스템에 대해 설명합니다. 이 시스템은 좌절된 전체 내부 반사(FTIR), 고속 비디오 캡처 및 오픈 액세스 분석 소프트웨어를 사용하여 보행 매개변수를 추적하고 정량화합니다.
이 방법을 사용하면 보행 매개 변수의 차이를 재현 가능하게 정량화 할 수 있습니다. 보행 매개 변수는 자유롭게 걷는 설치류에서 평가할 수 있으며이 기술은 발을 잉크로 담그는 것과 같은 침습적 단계에 의존하지 않습니다. 절차를 시연하는 것은 벤 램버티 (Ben Lamberty)가 될 것입니다.
각 달리기가 시작되기 전에 산책로 끝에 홈 케이지를 배치하여 쥐가 산책로를 가로 지르는 긍정적 인 신호 역할을하는 것으로 시작하십시오. 실내 조명을 끕니다. 쥐가 플랫폼에 놓이기 몇 초 전에 카메라의 전원을 켜고 녹화를 시작하십시오.
인클로저를 설치 한 상태에서 쥐를 집 케이지 맞은 편 통로 끝에 놓고 강제로 통로를 가로 질러 걸을 수 있도록합니다. 동물이 통로의 종점에 도달하면 기록을 중지하십시오. 달리기 사이와 동물이 소변을 보거나 배변 한 후에는 70 % 에탄올과 비 마모성 수건을 사용하여 통로를 청소하십시오.
그런 다음 다른 동물을 도입하기 전에 에탄올이 증발하도록하십시오. 각 관찰 기간 동안 총 7 번 산책로를 통해 쥐를 달리고, 처음 3 번의 실행은 분석을 위해 통과 한 것으로 간주합니다. 동물이 그루밍, 일시 중지 또는 잘못된 움직임으로 인한 중단 없이 집 케이지 방향으로 4개 이상 연속 걸음을 내딛는 경우 달리기를 통과로 점수매기십시오.
보행 분석은 2 개월령의 수컷 야생형 및 Parkin DKO 쥐에 대해 수행되어 운동 학적 보행 분석을 사용하면 총 운동 문제가 나타나기 전에 미묘한 운동 장애를 발견 할 수 있는지 확인했습니다. DKO 쥐의 체중 증가에도 불구하고, 보행 표면에 가해지는 발 압력은 변경되지 않았다. 보행 속도의 함수로서 여러 보행 매개 변수를 평가 한 결과, 보행 속도와 걸음 길이는 야생형과 DKO 쥐간에 유사한 것으로 나타났습니다.
야생형과 DKO 쥐 사이의 변화는 느린 보행 속도에서 자세 단계와 스윙 지속 시간에서 분명해졌습니다. 다리가 자세 단계에 있는 스텝 사이클의 비율은 듀티 팩터였습니다. 듀티 팩터가 감소함에 따라 스탠스 단계보다 스윙 단계에서 더 많은 시간이 소요되었습니다.
또한, 야생형 동물에서는 속도가 증가함에 따라 스윙 속도가 증가했지만 DKO 쥐에서는 상관 관계가 둔화되었습니다. FTIR 보행 분석은 또한 자유롭게 걷는 쥐의 신체에 대한 각 다리의 자세 위상 추적 플롯을 만드는 데 사용되었습니다. 발 위치를 비교했을 때 AEP와 PEP의 상당한 변화가 관찰되었습니다.
몇몇 추가적인 파라미터는 야생형과 비교하여 DKO 래트에서 유의하게 변화되었다. DKO 쥐에서 왼쪽 및 오른쪽 뒷다리의 스윙 속도가 증가한 반면 왼쪽 및 오른쪽 뒷다리의 스윙 지속 시간은 감소했습니다. RatWalker와 관련된 카메라 위치를 포함한 일관된 장비 설정은 이 프로토콜의 성공적인 구현에 중요합니다.
이 프로토콜을 수행한 후, 동물은 필요한 임의의 추가 행동 또는 실험 종점에 사용할 수 있다. 예를 들어, 보행 변화는 조직 학적 변화와 상관 될 수 있습니다. 이 기술은 불안 및 우울증 모델과 같은 다른 비 PD 설치류 모델에서 보행을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.
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개요
본 연구는 좌절 전반사(FTIR)와 고속 비디오 캡처를 이용하여 자유롭게 보행하는 쥐의 보행을 분석하도록 설계된 RatWalker 시스템을 제시합니다. 이 시스템은 보행 매개변수의 정밀한 정량화를 가능하게 하여, 특히 유전자 변형 Parkin DKO 쥐의 운동 장애에 대한 통찰을 제공합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 행동 분석
- 보행 평가
배경
- 설치류의 보행 분석은 일반적으로 침습적 방법에 의존합니다.
- 이전 연구들은 운동 기능을 평가하기 위한 개선된 비침습적 기술의 필요성을 보여주었습니다.
- RatWalker는 더 큰 설치류를 수용하기 위해 MouseWalker 시스템을 수정하여 제작되었습니다.
- 이 시스템은 명백한 증상이 나타나기 전의 미세한 운동 결손을 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
연구 목적
- 쥐의 보행 분석을 위한 비침습적 방법을 개발하는 것입니다.
- 야생형 쥐와 Parkin DKO 쥐의 보행 차이를 조사하는 것입니다.
- 여러 차례의 시험에 걸쳐 보행 매개변수를 추적하기 위한 신뢰할 수 있는 프로토콜을 수립하는 것입니다.
사용된 방법
- 자유롭게 보행하는 쥐의 보행 분석을 위해 RatWalker 시스템이 사용되었습니다.
- 생물학적 모델로는 2개월령의 야생형 및 Parkin DKO 수컷 쥐가 사용되었습니다.
- 본 연구에서 멀티오믹스 워크플로우는 언급되지 않았습니다.
- 쥐는 보행로를 총 7회 가로질러 걸었으며, 연속적인 발걸음을 기준으로 점수를 산출하였습니다.
- 보행 파라미터는 FTIR 및 비디오 분석을 통해 정량화되었습니다.
주요 결과
- 보행 분석 결과, 저속 주행 시 DKO 쥐의 입각기(stance phase)와 유각기(swing duration)에서 유의미한 차이가 나타났다.
- 보행 속도는 비슷했음에도 불구하고, DKO 쥐는 야생형(wild-type) 쥐와 비교하여 변화된 시간적 보행 매개변수를 보였다.
- DKO 쥐에서 발의 위치 및 유각 속도의 중요한 변화가 관찰되었다.
- 본 연구는 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해 장비 일관성이 중요하다는 점을 강조한다.
결론
- RatWalker 시스템은 비침습적 보행 분석을 가능하게 하며, 다양한 설치류 모델에서 더 폭넓게 응용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
- 본 연구 결과는 질환의 유전적 모델에서 나타나는 운동 기능 장애에 대한 이해에 기여합니다.
- 이러한 함의는 다양한 신경학적 상태와 관련된 보행 장애 연구로 확장될 수 있습니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
유전 모델에서 미세한 운동 장애를 조기에 발견하는 것은 신경퇴행성 질환 프로그램의 타겟 검증과 기전적 위험 감소(de-risking)를 뒷받침합니다. RatWalker 시스템은 비침습적이고 정량적인 보행 분석을 가능하게 하여, 뚜렷한 운동 결손이 나타나기 전의 표현형 변화를 식별함으로써 전임상 스크리닝의 예측 신뢰도를 높여줍니다. 이러한 접근 방식은 파킨슨병 모델에서 기능적 저하에 대한 전이 가능한 바이오마커를 제공함으로써 치료 후보 물질의 우선순위 선정에 도움을 줍니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 과학적 가치: 파킨슨병 유전적 쥐 모델에서 보행 파라미터를 정량화함으로써 치료 가설의 검증을 가능하게 합니다.
- 운영적 가치: 자유롭게 보행하는 설치류의 운동 기능을 재현 가능하게 평가하여 생물학적 리스크 감소를 지원합니다.
- 예측적 가치: 조기 표현형 특성 분석을 용이하게 하여 타겟 신뢰도 및 포트폴리오 분류 결정에 필요한 정보를 제공합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 과학적 가치: 비교 분석을 위해 입각기, 유각기 지속 시간 및 발의 위치를 포함한 정량적 고해상도 보행 데이터를 생성합니다.
- 운영적 가치: 분석법 개발 및 화합물 스크리닝 캠페인에 적합한 표준화되고 확장 가능한 판독 값을 제공합니다.
- 재현성: 여러 실험 및 연구실 간에 신뢰할 수 있는 데이터를 확보하기 위해 일관된 장비 설정과 채점 기준이 필요합니다.
중개 및 전임상 연구
- 중개적 연속성: 보행 변화를 조직학적 종료점과 상관 분석하여 행동학적 소견과 신경병리학적 소견 사이의 가교를 형성합니다.
- 질환 관련 시스템: 명백한 증상이 나타나기 전, 유전성 파킨슨병의 초기 단계 운동 기능 장애를 모델링합니다.
- 기전적 리스크 완화: Parkin/Pink1 결핍 모델에서 기저 신경병리학을 반영하는 보행 기반 바이오마커를 식별합니다.
파이프라인 및 워크플로 통합
RatWalker 시스템은 표적 검증부터 리드 화합물 발굴, 전임상 효능 시험에 이르는 신약 개발 연속 과정에 적용 가능하며, 연구 단계 전반에 걸쳐 운동 표현형을 반복적으로 평가할 수 있게 합니다.
- 발견 생물학(Discovery Biology): 유전자 모델에서 보행 결손을 측정하여 표적 결합 및 경로 조절을 검증함으로써 가설 테스트를 지원합니다.
- 스크리닝(Screening): 설치류 모델에서 운동 기능에 미치는 치료 효과를 평가하기 위한 분석 준비가 된 정량적 결과물을 제공합니다.
- 분석(Analytics): 유전자형 간의 객관적 비교를 위해 듀티 팩터(duty factor), 스윙 속도, 보폭 대칭성과 같은 운동학적 파라미터를 제공합니다.
- 중개 연구(Translational Research): 보행 변화와 신경 퇴행 마커의 상관관계를 분석하여 바이오마커 정렬 및 병태생리학적 통찰력을 지원합니다.
- 기업적 재사용(Enterprise Reuse): 파킨슨병 외에도 여러 신경계 질환 모델에 적용 가능한 확장 가능한 비침습적 플랫폼을 나타냅니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 임상적 전조 증상을 반영하는 초기 운동 장애를 감지함으로써 예측 신뢰도를 높입니다.
- 운영적 가치: 표준화된 보행 경로 횡단, 점수 산정 임계값 및 환경 제어를 통해 재현성을 향상시킵니다.
- 전략적 가치: 전임상 개발 단계에서 후기 표현형 판독에 대한 의존도를 낮춤으로써 go/no-go 결정 능력을 개선합니다.
- 포트폴리오 영향: 치료제 스크리닝을 위한 구성 타당성이 있는 모델을 식별하여 리스크가 조정된 추진을 가능하게 합니다.
구현 고려 사항
- 적절한 설정 및 해석을 위해 행동 신경과학 및 비디오 기반 동작 분석에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- 변동성을 최소화하기 위해 일관된 카메라 위치, 조명 조건 및 보행로 위생 상태에 따라 결과가 달라질 수 있습니다.
- 데이터 비교 가능성을 확보하기 위해 런 점수 산정 기준(예: 4회 연속 보행)에 대한 팀 간의 합의가 필요합니다.
- 시스템을 다른 설치류 모델이나 계통에 적용할 때는 종 특이적 이동 패턴을 고려해야 합니다.
- 시간적 및 공간적 보행 매개변수 평가로 제한되며, 보조 방법 없이는 복잡한 운동 시퀀스나 미세한 사지 운동학을 포착할 수 없습니다.
