帕金森病小鼠catwalk行为学研究

2020年1月

CHINESEJOURNALOFCOMPARATIVEMEDICINE

中国比较医学杂志

Vol.30　No.1

January,2020

ZhangZL,LiuSH,YaoJH,etal.BehaviorofCatWalkinmicewithParkinson’sdisease[J].ChinJCompMed,2020,30(1):7doi:10.3969/j.issn.1671-7856.2020.01.002-11.

张子龙,刘思含,姚继红,等.帕金森病小鼠CatWalk行为学研究[J].中国比较医学杂志,2020,30(1):7-11.

帕金森病小鼠CatWalk行为学研究

张子龙#,刘思含#,姚继红,周俊俊∗

(大连医科大学药学院,辽宁大连　116044)

　　【摘要】　目的　通过CatWalk步态分析系统,对帕金森小鼠模型的步态变化进行分析评估。方法　用MPTP

诱导建立帕金森小鼠模型,在建立模型成功后,利用CatWalk步态分析仪进行相关步态参数的测定,并对测定结果进行统计分析。结果　与空白对照组相比,模型组小鼠脚步模式混乱;小鼠通过某特定距离的时间(runduration)、speed)、单位时间脚步数(cadence)、摆动速度(swingspeed)、步幅(stridelength)显著降低。结论　CatWalk可以作

【关键词】　帕金森病;CatWalk;步态;小鼠

【中图分类号】R-33　　【文献标识码】A　　【文章编号】1671-7856(2020)01-0007-05

最大速率变化(maximumvariation)、支撑相时间(stance)、脚步周期(stepcycle)显著增加;而平均速度(average

为评估帕金森小鼠模型行为学变化的一种更直观、精确、有效的新方法。

BehaviorofCatWalkinmicewithParkinson’sdisease

(SchoolofPharmacy,DalianMedicalUniversity,Dalian116044,China)

　　【Abstract】　

Objective　ToanalyzeandevaluatethegaitchangesofParkinson’sdiseaseinmiceusingthe

ZHANGZilong#,LIUSihan#,YAOJihong,ZHOUJunjun∗

relevantgaitparameters,andtheresultwerestatisticallyanalyzed.Results　Comparedwiththecontrolgroup,thepaceof

injectionofMPTP.Afterthemodelhadbeensuccessfullyestablished,theCatWalkgaitanalyzerwasusedtomeasurethe

CatWalkgaitanalysissystem.Methods　AParkinson’sdiseasemousemodelwasestablishedbytheintraperitoneal

evaluateParkinson’smousemodels.

reducedinthemodelgroup.Conclusions　CatWalkcanbeusedasanintuitive,precise,andeffectivenewmethodto

【Keywords】　Parkinson’sdisease;CatWalk;gait;mouse

significantlyintheMPTPgroup.However,theaveragespeed,cadence,swingspeed,andstridelengthweresignificantly

themiceinthemodelgroupwasdisordered.Therunduration,maximumvariation,stance,andstepcyclewereincreased

　　帕金森病(Parkinson’sDisease,PD)是继阿尔茨海默病后第二常见的中枢神经系统退行性疾病,是由中脑黑质纹状体区域的多巴胺能神经元变性导致的多巴胺(Dopamin,DA)神经递质缺失

现[2],节律性行走时会受到短步长和低速度的阻碍,这些都与多巴胺水平的降低密切相关[3]。常

PD患者的步态变异性和姿势不稳定性显著呈

引起的一种普遍性运动障碍[1]。随着PD的进展,

[基金项目]国家自然科学基金(81801377);大连医科大学第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛立项项目(183)。[作者简介]张子龙(1997—),男,大连医科大学2015级临床药学专业在读本科生。E-mail:505588170@qq.com

刘思含(1997—),女,大连医科大学2015级临床药学专业在读本科生。E-mail:1159668039@qq.com　

#

共同第一作者

[通信作者]周俊俊(1982—),女,博士,副教授,研究方向:神经退行性疾病动物模型。E-mail:zhoujun_2005@163.com

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中国比较医学杂志2020年1月第30卷第1期　ChinJCompMed,January2020,Vol.30,No.1

见的帕金森病症状包括静置性震颤,运动迟缓、僵

硬,失去姿势反射等[4],其中步态紊乱是帕金森病

1.3　实验方法

最常见的运动问题之一。患有PD的患者通常表现出弯腰姿势和步态改变、步幅长度和总体速度以及节奏变快导致跌倒的可能性增大[5]。渐进性步态障碍与姿势不稳定最终往往剥夺了患者的运动能力和日常生活能力[6]。

减少、双肢支撑增加、在摆动阶段足部间隙减小,

1.3.1　MPTP诱导小鼠PD模型建立

空白对照组、MPTP模型组。动物适应性喂养7d空白组给予相应体积的生理盐水。

PD造模方法:将雄性C57BL/6小鼠随机分为:

后,每只腹腔注射给予MPTP30mg/kg,连续5d。1.3.2　动物一般情况监测实验期间,每天观察动物一般情况:包括进食、

近年来,为了弥补药物诱导的行为学测试方法存在的种种缺陷,满足日益增长的基础研究需求,PD诸多非药物诱导的行为学测试方法相继被应用于

成为研究模型的测试与评价[7]PD严重程度的重要方法。其中步态分析方法已然[8]分析方法包括:评估步行速度、摆动和站立时间的

。常用的步态跑步机运动测试[9]测试和;评此外估运,还有旷场测试动;起评估前肢使用不对称性的气瓶始状态的前肢运动不能测试[10-11][12-13]游泳测试[16]和筑巢测试[17]等。然而、旋转测试[14-15],这些测试只、

能单一测量步态的动态或静态变化,可观察到的变化通常较弱。而且这些测试的指标大多应用于单侧损伤的动物,因此不足以证明双侧受伤动物模型的功能缺陷。而CatWalk计算机辅助步态分析系统提供了一种评估步态功能的自动方法,它可以同时

测量大量的动态和静态步态参数[18]出对于啮齿动物研究特别有价值的肢间协调的空,并且可以检测间指标与时间指标。本研究中我们应用CatWalk步态分析仪来验证和评估MPTP诱导的双侧病变PD小鼠模型的步态变异性。1　材料和方法1.1　实验动物

体重622~8~25周龄雄性g,由大连医科大学C57BL/6J小鼠SPF,20实验动物中心只,SPF级,

提供[生产许可证:SCXK(辽)2013-0003;使用许可证:SYXK(辽)2013-0006]。动物实验经大连医科大学伦理委员会同意,并在实验动物饲养和使用中严格遵守“减少、替代和优化”3R原则给予人道60%,12关怀。饲养条件:温度21℃~23℃,相对湿度30%~

1.2　主要试剂与仪器

h照明/黑暗交替的环境。态分析仪MPTP,:CatWalk购自美国XT,Noldus,sigma公司荷兰;CatWalk。

小动物步

1.体重等变化3.3　步态分析实验。

本实验用来评价小鼠的自然运动行为及运动

协调Noldus,性。采用小动物步态分析仪(CatWalk自由穿过设定长度的检测通道荷兰)检测,实验前训练,3利用内光源脚印折d。检测时使小鼠XT,射技术对摄像头拍摄视频中的足印进行高效的计算机处理,在自然行走情况下评估小鼠运动情况。此过程全部在暗室环境内完成,每只小鼠至少接受三次检测。

1.4　统计学方法

使用SPSS17.0软件(SPSSInc.,Chicago,USA)分析数据。所有数据均表示为平均数±标准差(x􀭰±s)。两组间比较采用t检验。P<0.05被认为具有统计学意义。2　结果

2.1　CatWalk采集小鼠步态图形变化

为了评价MPTP诱导PD模型损伤后小鼠运动协调性变化,我们应用CatWalk系统检测了小鼠步态变化,捕获大量代表性动态视频和图片(图1)。从图中我们可以看出,空白对照组小鼠脚步以交替型为主,且步幅大小均一、步数稳定;MPTP模型组小鼠脚步模式混乱、步态紊乱异常、步幅大小不一,三点支撑的增加明显。2.2　CatWalk步态参数测定结果

经分析发现:模型组与空白对照组相比,通过某特定距离的时间(maximumvariation)、(run支撑相时间duration)、(stance)、最大速率变化期(stepcycle)显著增加,平均速度(averagespeed)、脚步周speed)、单位时间脚步数(cadence)、摆动速度(swing上述8项指标变化差异均有统计学意义步幅(stridelength)显著降低(图(P2、<0.图05)。3)。中国比较医学杂志2020年1月第30卷第1期　ChinJCompMed,January2020,Vol.30,No.1

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注:A:小鼠于跑道进行测试;B:小鼠脚印的放大显示;C:空白组小鼠的步态模式以及步幅;D:模型组小鼠的步态模式及步幅。Control:空白对照组;PD:模型组。

图1　小鼠步态变化对比结果

Note:A:Miceweretestedonarunway;B:enlargeddisplayofmousefootprints;C:gaitpatternandstrideofmiceinthecontrolgroup;D:gaitpatternandstrideofmiceinthemodelgroup.Control:controlgroup;PD:modelgroup.

Figure1　Comparisonofgaitchangesinmice

注:A:通过某特定距离的时间(duration);B:最大速率变化(maximumvariation);C:平均速度(averagespeed);Control:空白对照组;PD:模型组。

∗

D:单位时间脚步数(cadence);与空白对照组相比,∗P<0.05,∗P<0.01(结果表示为x􀭰±s,n=10)。

图2　PD小鼠定量性速度相关指标变化

∗stepsperstep(cadence).Comparedwiththecontrolgroup,∗P<0.05,∗P<0.01(resultsexpressedasx􀭰±s,n=

Note:A:Timethroughacertaindistance(duration);B:Maximumvariation;C:Averagespeed;D:Numberof10).Control:controlgroup;PD:modelgroup.

Figure2　Changesinquantitativespeed-relatedindicatorsofPDmice

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注:A:摆动速度(swingspeed);B:步幅(stridelength);C:支撑相时间(stance);D:脚步周期(stepcycle)。与空

∗

白对照组相比,∗P<0.05,∗P<0.01(结果表示为x􀭰±s,n=10)。Control:空白对照组;PD:模型组。LF:左

前;LH:左后;RF:右前;RH:右后。

图3　PD小鼠定量性爪印指标变化

∗Note:A:Swingspeed;B:Stridelength;C:Stance;D:Stepcycle.Comparedwiththecontrolgroup,∗P<0.05,∗

P<0.01(resultsexpressedasx􀭰±s,n=10).Control:controlgroup;PD:modelgroup.LF:LeftFront;LH:LeftHind;RF:RightFront;RH:RightHind.

Figure3　ChangesinquantitativepawprintindicatorsofPDmice

3　讨论

为了对MPTP诱导的PD小鼠进行更为直观且无创的行为学评估,在本实验过程中引入了白对照组相比,MPTP诱导的模型组小鼠运动迟缓、运动协调能力显著下降,表现为通过某特定距离的时间(runduration)、最大速率变化(maximumvariation)、支撑相时间(stance)、脚步周期(stepcycle)显著增加,平均速度(averagespeed)、单位时间脚步数(cadence)、摆动速度(swingspeed)、步幅(stridelength)显著降低。以上结果表明,CatWalk态平衡障碍和肢内协调缺陷。

行动迟缓是PD的主要行为学标志之一,摆动速度、步幅、脚步周期等都是与移动性分析相关的动物步态分析技术能够敏锐地捕捉到PD小鼠的步CatWalk动物步态分析技术。实验结果显示,和空

参数。PD小鼠模型的步幅和摆动速度明显降低,可能是由于MPTP作用诱导小鼠肌肉僵硬和运动功致[19],小鼠脚步周期的增大主要是由于爪和玻璃板能减退所导致的结果,这与PD患者的症状基本一

OHDA大鼠模型的步态评估结果相吻合[20]。而PD

之间的接触较长,该参数的变化也同样与双侧6-

模型小鼠在单位时间脚步数明显减少,则是由于小鼠步幅的减少并不能抵消步行周期的增大所致。同时,MPTP诱导损伤后,还表现出摆动速度降低和Catwalk步态分析参数可反映PD小鼠出现步态紊支撑相时间的延长。这些指标变化进一步说明了

乱和步态平衡障碍。

在本项研究中,CatWalk提供了对MPTP模型小鼠在运动方面实时、精密且全面的分析,揭示了他常用PD模型检测方法,如自主活动仪、滚筒法MPTP诱导的PD小鼠模型的步态变化。相比于其

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等,CatWalk的使用更为便捷、检测数据更为可靠、对小鼠的训练更为简单、且不会对模型小鼠造成任何损伤。更重要的一点在于CatWalk系统可以同时、全面地测量步态的动态和静态相关参数,并且参数与PD行为学变化有较强的对应关系。在以研究实验中,CatWalk检测系统以其独特优势,应用将会越来越广。

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〔收稿日期〕2019-08-28