SiNAPSA, petek, 19. april 2024

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Sistematični pregled razvoja in uporabe tehnologije spremljanja laboratorijskih glodalcev v domači kletki

Maša Čater

Pri biomedicinskih raziskavah so laboratorijski glodalci pogosto podvrženi testom zunaj domačih kletk za merjenje različnih parametrov. Vendar pa ti kratki testi, izvedeni zunaj domače kletke, ne zajamejo kompleksnosti vedenja v celoti in trpijo zaradi nizke ponovljivosti. Poleg tega lahko ločevanje od družbenih skupin in razlike v laboratorijskih okoljih vplivajo na dobro počutje živali ter kakovost podatkov. Za naslovitev teh pomanjkljivosti raziskovalci zagovarjajo spremljanje živali v domači kletki (angl. home-cage monitoring, HCM), kjer se živali opazuje v njim znanem okolju. Domače kletke morajo izpolnjevati posebna merila, določena s predpisi, ki zagotavljajo prostor, socialne stike in obogatitev okolja. HCM omogoča spremljanje različnih parametrov, vključno z vedenjem, fiziologijo in zunanjim videzom (Slika 1). Za HCM se uporabljajo ročne in avtomatizirane tehnike, kot so sistemi kamer in radiofrekvenčna identifikacija (RFID). Prednosti HCM vključujejo izboljšano kakovost podatkov in dobro počutje živali, saj živali v domačem okolju ostanejo nemotene. Tehnologija se je z leti razvijala in pobude, kot sta projekt TEATIME 1 in projekt Translacijski digitalni biomarkerji 2, so namenjene spodbujanju in napredku sistemov HCM. Z namenom, da bi bolje razumeli zgodovinski razvoj tehnik in aplikacij HCM, smo pripravili sistematični pregledni članek 3, nedavno objavljen pri BMC Biology, pri čemer smo preučili razvoj avtomatizacije za spremljanje vedenjskih, fizioloških in zunanjih parametrov, povezanih z izgledom živali. Cilj je povečati uporabo in razvoj sistemov HCM v biomedicinskih raziskavah.

Slika 1
Slika 1: Miš, nastanjena v sistemu HCM (Anna Kiryk, COST TEATIME [^1]).


V sistematičnem preglednem članku 3 smo zajeli 521 referenc iz baz PubMed in Web of Science do februarja 2021, na podlagi katerih smo opazili naraščajoč trend uporabe HCM za testiranje laboratorijski miši in podgan med letoma 1974 in 2020. Zlasti se je povečalo število študij, ki so vključevale živali obeh spolov, raziskovanje specifičnih modelov bolezni, uvedbo novih tehnik HCM in izboljšano avtomatizacijo, ki omogoča spremljanje kompleksnejših parametrov. Opazen je razvoj kontinuiranega spremljanja z daljšim trajanjem bivanja, zlasti v pogojih skupinske nastanitve.

Kaj je domača kletka?

Opredelitev termina spremljanja laboratorijskih glodalcev v domači kletki je bila ključna za naš sistematični pregled. Ključni kriterij za vključitev člankov v analizo je bil omemba domače kletke, ki živalim omogoča stalno nastanitev v njihovi znani družbeni strukturi brez sprememb pri spremljanju, v izogib vplivanju na podatke in ogrožanju dobrega počutja živali. Podrobnejšo definicijo si lahko ogledate na spletni strani projekta TEATIME 3.

Naraščujoč trend uporabe HCM-tehnologij

Število publikacij, ki spremljajo miši in/ali podgane v njihovih domačih kletkah, se je med letoma 1974 in 2020 povečalo, pri čemer je opažen večji skok v uporabi HCM okoli leta 2005 kar sovpada z uvedbo instrumentalnih testnih kletk, podobnih domači kletki, in poznejšim razvojem domačih kletk s senzorji kapacitivnosti, RFID in/ali video sledenjem. Sistematični pregled je pokazal premik od pretežno prilagojenih sistemov do leta 1990 k večji uporabi komercialnih sistemov od leta 2000, kar kaže na večjo dostopnost in sprejetje HCM-tehnologij. Medtem ko so komercialno dostopni sistemi HCM postali priljubljeni, potreba po stalnem razvoju ostaja in kliče po potencialnih prednostih preglednih, odprtokodnih sistemov, usklajenih z načeli odprte znanosti. Povečan odstotek publikacij HCM skozi čas v primerjavi s splošno letno stopnjo rasti objav v znanosti o življenju še dodatno poudarja vse večji pomen HCM v raziskavah.

Modeli bolezni v analiziranih referencah so bili kategorizirani na podlagi mednarodne klasifikacije ICD-11 (angl. 11th edition of the International Classification of Diseases) (Tabela 1). Najbolj raziskani modeli so vključevali duševne, vedenjske ali nevro-razvojne motnje, bolezni živčnega sistema in endokrine, prehranske ali presnovne bolezni.

Tabela 1
Tabela 1: Modeli bolezni, uporabljeni v zajetem pregledu literature [^3].


V študijah še vedno prednjačita uporaba moškega spola in individualna nastanitev živali

Naše ugotovitve so pokazale pomembno pristranskost študij, saj jih večina še vedno uporablja le moški spol, kar je skladno z vzorci, opaženimi na različnih področjih biomedicinskih raziskav. Zadnja leta se kaže naraščajoč trend študij, ki vključujejo oba spola, kar poudarja vse večjo ozaveščenost o pomenu testiranja moškega in ženskega spola v osnovnih raziskovalnih študijah za celovitejše raziskovanje bolezni s spremenljivo razširjenostjo glede na spol. Naš pregled je pokazal, da so kljub naravnim socialnim strukturam miši in podgan v HCM-študijah prevladovale individualne nastanitve (57 %), pri čemer so bili mišji samci pogosto ločeni zaradi težav z agresijo. Vendar pa se je v zadnjih desetletjih nekoliko zmanjšalo število individualnih nastanitev, na kar bi lahko vplival tehnološki napredek, kot so sistemi za spremljanje domače kletke, ki omogočajo skupinsko nastanitev. Medtem ko skupinska nastanitev nudi koristi za pridobivanje individualnih podatkov in zadovoljevanje potreb živali, zahteva skrbno upoštevanje družbene strukture in okoljskih razmer v laboratorijskih okoljih.

Časovno obdobje spremljanja živali se daljša

V večini analiziranih študij so bili laboratorijski glodalci nameščeni v domačih sistemih za spremljanje kletk za obdobja od 2 dni do 3 mesecev, pri čemer smo pri nekaterih študijah zabeležili pomanjkljivo poročanje o času habituacije na sistem HCM. Pomanjkanje poročanih časov habituacije poudarja pomen skrbne razlage, saj lahko na spremembe vedenjskih in fizioloških parametrov vpliva ne le novo okolje, temveč tudi tehnike rokovanja med menjavo kletk. Sprejetje tehnik HCM, zlasti tistih, ki vključujejo neprekinjen nadzor 24 ur na dan in 7 dni v tednu, je od leta 2000 doživelo vzporedni trend z naraščajočo avtomatizacijo. Ta premik ne ponuja le prednosti zajemanja stabilnih posameznih variacij skozi čas, temveč zagotavlja tudi celovito razumevanje cirkadianih ritmov, kar omogoča izboljšano fenotipizacijo, oceno intervencije in dobro počutje živali. Čeprav avtomatizirani sistemi dopolnjujejo vizualne ročne preglede za dobro počutje živali, pa ne bi smeli nadomestiti pregledov kletk, ki jih izvaja osebje za nego živali, da bi se zmanjšalo tveganje tehničnih napak in morebitnega vpliva eksperimentalnih pristopov na podatke.

Pestrost nabora vedenjskih parametrov, ki jih je možno spremljati

Z leti je področje tehnik spremljanja v sistemih HCM napredovalo, pri čemer je ročno vrednotenje vztrajalo kot prevladujoča metoda v različnih obdobjih. Med leti 1974–1980, 1981–1990 in 1991–2000 so prevladovale ročne meritve (71 %, 57 %, 59 %), v obdobju 2001–2010 in 2011–2020 pa so avtomatske meritve postale pogostejše (52 %, 68 %). Vedenjski parametri so bili pogosto ocenjeni z ročnim vrednotenjem in spremljanjem izbranih delov telesa laboratorijske živali; druge tehnike, kot so sledenje na podlagi foto žarkov in RFID, pa so bile uporabljene za analizo lokomotorne aktivnosti, hranjenja, socialnega vedenja ter učenja in spomina. Telemetrija je zabeležila večino fizioloških parametrov, razen telesne teže in ravni hormonov, pri čemer so bile koncentracije hormonov izmerjene z različnimi metodami, kot sta mikrodializa in avtomatizirano vzorčenje krvi. Za analizo nevronske aktivnosti je bila pogosto v uporabi telemetrija, medtem ko je bilo dihanje večinoma ročno ocenjeno. Parametri zunanjega videza so bili običajno ovrednoteni ročno.

Vedenjski, fiziološki parametri in parametri, povezani z videzom, raziskani med letoma 1974 in 2020, so najpogosteje vključevali analizo lokomotorne aktivnosti, hranjenje, socialno vedenje, nenormalno vedenje, izraze obraza, telesno držo ter učenje in spomin. Predvsem pa so se v preteklih letih pojavili novi parametri, kot so tek na kolesu, negovanje, vokalizacija, spanje, prostorske preference, gnezdenje in druga vedenja, povezana z modeliranjem človeških motenj. Med fiziološkimi parametri sta bila srčni utrip in / ali elektrokardiografija dosledno priljubljena v vseh obdobjih, pri čemer je analiza telesne temperature postala pomembna v 1980-ih in se sčasoma povečala, kar je postalo drugi najpogosteje raziskani fiziološki parameter v 2000-ih in 2010-ih. Krvni tlak, dihanje, nevronska aktivnost, telesna teža, elektromiografija in koncentracije hormonov so bili uvedeni na različnih točkah med letoma 1983 in 2017, pri čemer so bili z leti opaženi premiki v priljubljenosti, kot je krvni tlak tretji najbolj priljubljen fiziološki parameter v obdobju 2001–2010, nevronska aktivnost pa je v obdobju 2011–2020 presegla krvni tlak.

Prehod na neinvazivne metode, kot sta sledenje na podlagi žarkov in sledenje vizualnim predmetom, odraža vse večji poudarek na dobrem počutju živali, vse večje sprejemanje več tehnik v študijah HCM pa kaže na vse večjo zmožnost zbiranja različnih parametrov in celovitejšega preučevanja modelov bolezni. V prihodnje se pričakuje, da bo vključitev strojnega učenja dodatno izboljšala obdelavo podatkov, kar bi lahko omogočilo samodejno spremljanje zunanjih parametrov, povezanih z videzom, in prispevalo k napredku tehnologij HCM.

Zaključek

Naš sistematični pregled poudarja pomemben razvoj tehnologij HCM pri miših in podganah, kar kaže povečana uporaba, ki jo omogočajo uporabniku prijaznejši, razširljivi in celovitejši instrumenti. Uporabnost 24-urnih posnetkov in napredek v avtomatizaciji omogočata širjenje uporabe HCM tudi za testiranje drugih živalskih vrst. Medtem ko po meri izdelani sistemi ostajajo, se je razpoložljivost komercialnih rešitev povečala, saj več kot 50% nedavnih študij HCM uporablja komercialne izdelke. Čeprav so ročna opazovanja še vedno ključnega pomena, naš pregledni članek poudarja pojav alternativnih visoko zmogljivih tehnik v HCM sistemih. Prihodnost obljublja kontinuirno neinvazivno spremljanje glodalcev za nevroznanstvene in druge študije, vendar je reševanje izzivov upravljanja podatkov in finančnih vidikov bistveno za široko sprejetje. Kljub oviram pa hiter razvoj metod snemanja in analize kaže na premik raziskovalne paradigme v smeri večjega zanašanja na pristope, ki temeljijo na spremljanju živali v domači kletki.

    ___
  1. www.cost-teatime.org 

  2. www.na3rsc.org/tdb/ 

  3. Kahnau, P., Mieske, P., Wilzopolski, J. et al. A systematic review of the development and application of home cage monitoring in laboratory mice and rats. BMC Biol 21, 256 (2023). 

Asist. dr. Maša Čater
Biotehniška fakulteta
Univerza v Ljubljani

Sprejeto: 11.12.2023
Objavljeno:03.01.2024