Automatisierte Käfigüberwachungssysteme

Die automatisierte Überwachung von Käfigen ist eine weitere Möglichkeit, den Umgang mit Labortieren zu verbessern. Nicht-invasive, tierfreundliche und stressfreie Überwachungsmethoden tragen einerseits zur Verbesserung des Tierwohles bei und wirken sich andererseits auch positiv auf die Forschung aus. So können standardisierte und einheitliche Daten gewonnen werden, die die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gewährleisten. Mit AHCM-Systemen kann eine breite Palette von Parametern wie Bewegung, soziale Interaktion, Futter- und Wasseraufnahme, Körpertemperatur und Lernverhalten automatisch gemessen und ausgewertet werden, ohne dass der Experimentator das Tier in irgendeiner Weise berühren oder manipulieren muss. Derzeit werden sie hauptsächlich in präklinischen pharmazeutischen und Verhaltensstudien eingesetzt. Ein weiterer Vorteil neben der Standardisierbarkeit und der tierfreundlichen Handhabung des AHCM im Vergleich zu gängigen Standardtests in der Verhaltensforschung, wie dem Open Field Test oder dem Elavated Plus Maze, ist eine kontinuierliche Beobachtung über einen längeren Zeitraum, bei der auch kleinste Veränderungen im Verhaltensmuster der Versuchstiere erfasst werden.¹

Auf dem Markt gibt es viele verschiedene AHCM-Systeme. Der folgende Abschnitt gibt einen kurzen Überblick über die gängigsten AHCM-Typen.²

Ein OWS wird zur Untersuchung des Gedächtnisses, der Flexibilität und des Lernverhaltens von Nagetieren eingesetzt. Durch drei Öffnungen, durch die Futter in fester (Pelllets) oder flüssiger Form angeboten werden kann, wird die Aktivität eines einzelnen Tieres mit Hilfe von Infrarotstrahlen gemessen. Das Versuchstier wird durch Licht oder Geräusche an die gewünschte Operant Wall geführt. Eine Belohnung erfolgt nur, wenn das Tier die gewünschte Öffnung aufsucht. Chora Feeder von AM Microsystems wäre ein Beispiel für ein kommerzielles OWS.³

Das IntelliCage-System wird zur Untersuchung von Lernverhalten und Gedächtnis eingesetzt. Ein solcher Käfig hat vier computergesteuerte Operant Conditioning Corners (OCC). Bis zu 16 Tiere passen in ein IntelliCage-System. Jedes Nagetier ist durch einen persönlichen RFID-Transponder über Antennen in jedem OCC identifizierbar. Ein OCC kann jeweils nur von einer Maus betreten werden. Im Inneren des OCC befinden sich zwei Wände für die operante Konditionierung, die im 90-Grad-Winkel zueinander angeordnet sind. Jede dieser Wände verfügt über drei LED-Leuchten und eine Öffnung, die computergesteuert geöffnet oder geschlossen werden kann und den Zugang zu einer Wasserflasche ermöglicht. Diese Öffnung wird mit Infrarotlicht überwacht. In jedes OCC können auch Luftstöße abgegeben werden, um das Trinkverhalten zu beeinflussen.⁴

Computergestützte visuelle Systeme bestehen aus einer Infrarotkamera und einer daran gekoppelten adaptiven Software. Dieses System kann sowohl bei Licht als auch bei Dunkelheit eingesetzt werden. Mit ihrer Hilfe können Verhaltensweisen wie Fressen, Bewegung und Pflege sowie Abweichungen davon beobachtet werden.⁵

AMS werden zur Erfassung der Bewegungsaktivität eingesetzt. Es gibt Sensoren, deren Messelektroden unter der Käfigoberfläche angebracht sind, und Systeme, die auf der Basis von Infrarotstrahlen arbeiten, die als Sensoren in einem Rad zur Bewegungsmessung fungieren. Um die Aktivität mehrerer Tiere messen und voneinander unterscheiden zu können, gibt es das Actual-HCA (Home Cage Analyser) System von Actual Analytics, bei dem die Tiere mit einem Transponder markiert werden.⁶

• Actual-HCA (Home Cage Analyzer) von Actual Analytics
• Chora Feeder von AM Microsystems und dem Instituto Italiano di Tecnologia
• Colony Rack from PhenoSys
• DVC (Digital Ventilated Cage) von Tecniplast
• IntelliCage von TSE Systems
• PhenoTyper von Noldus Information Technology
• UID Mouse Matrix home cage monitoring von Animalab

Actual-HCA (Home Cage Analyzer) - Actual Analytics

Mit Actual-HCA können Bewegungsaktivität, Verhalten und Körpertemperatur von Labornager rund um die Uhr aufüberwacht werden. Da alle Tiere im Käfig mit einem RFID-Transponder gekennzeichnet sind, ist eine Gruppenhaltung möglich. Infrarotlicht ermöglicht Videoaufnahmen am Tag und in der Nacht. Der Actual-HCA kann in jedes bestehende Käfigsystem integriert werden. Anwendungsbeispiele wären Studien zur Phänotypisierung, sozialen Interaktion, zirkadianen Rhythmen und verschiedenen Medikamenten. Alles Weitere finden Sie auf der Webseite.

Referenzen

Baran SW, Bratcher N, Dennis J, Gaburro S, Karlsson EM, Maguire S, Makidon P, Noldus LPJJ, Potier Y, Rosati G, Ruiter M, Schaevitz L, Sweeney P, LaFollette MR. Emerging Role of Translational Digital Biomarkers Within Home Cage Monitoring Technologies in Preclinical Drug Discovery and Development. Front Behav Neurosci. 2022 Feb 14;15:758274. doi: 10.3389/fnbeh.2021.758274. PMID: 35242017; PMCID: PMC8885444.

Wotton JM, Peterson E, Flenniken AM, Bains RS, Veeraragavan S, Bower LR, Bubier JA, Parisien M, Bezginov A, Haselimashhadi H, Mason J, Moore MA, Stewart ME, Clary DA, Delbarre DJ, Anderson LC, D'Souza A, Goodwin LO, Harrison ME, Huang Z, Mckay M, Qu D, Santos L, Srinivasan S, Urban R, Vukobradovic I, Ward CS, Willett AM, Braun RE, Brown SDM, Dickinson ME, Heaney JD, Kumar V, Lloyd KCK, Mallon AM, McKerlie C, Murray SA, Nutter LMJ, Parkinson H, Seavitt JR, Wells S, Samaco RC, Chesler EJ, Smedley D, Diatchenko L, Baumbauer KM, Young EE, Bonin RP, Mandillo S, White JK; International Mouse Phenotyping Consortium. Identifying genetic determinants of inflammatory pain in mice using a large-scale gene-targeted screen. Pain. 2022 Jun 1;163(6):1139-1157. doi: 10.1097/j.pain.0000000000002481. Epub 2021 Sep 13. PMID: 35552317; PMCID: PMC9100450.

Wilcox AG, Bains RS, Williams D, Joynson E, Vizor L, Oliver PL, Maywood ES, Hastings MH, Banks G, Nolan PM. Zfhx3-mediated genetic ablation of the SCN abolishes light entrainable circadian activity while sparing food anticipatory activity. iScience. 2021 Sep 16;24(10):103142. doi: 10.1016/j.isci.2021.103142. PMID: 34632336; PMCID: PMC8487057.

Chora Feeder - AM Microsystems und Instituto Italiano di Tecnologia

Bei Chora Feeder um ein Operant Wall System (OWS). Dieses System wird durch eine Phenopy-Software und eine andere auf Python basierende Software gesteuert. Chora Feeder wird in Studien zum Verhalten und Lernverhalten eingesetzt. Die Stimuli, die in Form von Licht, Ton und Belohnung eingesetzt werden können, sind frei wählbar. Besuchen Sie die Webseite für weitere Informationen über Chora Feeder.

Referenzen

Balzani E, Falappa M, Balci F et al. An approach to monitoring home-cage behavior in mice that facilitates data sharing. Nat Protoc 13, 1331–1347 (2018). https://doi.org/10.1038/nprot.2018.031

Colony Rack - PhenoSys

Das Colony Rack System bietet die Möglichkeit, eine große Anzahl von Mäusen gleichzeitig zu beobachten. Es besteht aus 8, 18 oder 70 Käfigen, die alle miteinander verbunden sind. Die Tiere werden über Transponder voneinander unterschieden. Mit Hilfe des Colony-Racks können Bewegungsmuster und soziale Interaktionen rund um die Uhr aufgezeichnet werden. Das System eignet sich sehr gut für den Einsatz in der Neurowissenschaft. Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite.

Referenzen

Kempermann G, Lopes JB, Zocher S, Schilling S, Ehret F, Garthe A, Karasinsky A, Brandmaier AM, Lindenberger U, Winter Y, Overall RW. The individuality paradigm: Automated longitudinal activity tracking of large cohorts of genetically identical mice in an enriched environment. Neurobiol Dis. 2022 Dec;175:105916. doi: 10.1016/j.nbd.2022.105916. Epub 2022 Nov 4. PMID: 36336243.

Zocher S, Schilling S, Grzyb AN, Adusumilli VS, Bogado Lopes J, Günther S, Overall RW, Winter Y, Kempermann G. Early-life environmental enrichment generates persistent individualized behavior in mice. Sci Adv. 2020 Aug 26;6(35):eabb1478. doi: 10.1126/sciadv.abb1478. PMID: 32923634; PMCID: PMC7449688.

DVC - Tecniplast

Der Digital Ventilated Cage (DVC) von Tecniplast umfasst die Gestelle, Sensorplatten, RFID IVC-Haubenhalter, RFID-Leseeinheiten und Software. Er bietet die folgenden sieben bereits integrierten Funktionen: Überwachung der Eingangsbedingungen, Wasser- und Futterüberwachung, eine Sensorplatte zur Messung der Tieraktivität, Leakageerkennung bei Undichtigkeiten im Tränkesystem, einen DVC-Planer zur Planung der täglichen Arbeitsabläufe, Käfigidentifikation und eine automatische Inventuroption. Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite.

Referenzen

Shenk J, Lohkamp KJ, Wiesmann M, Kiliaan AJ. Automated Analysis of Stroke Mouse Trajectory Data With Traja. Front Neurosci. 2020 May 25;14:518. doi: 10.3389/fnins.2020.00518. PMID: 32523509; PMCID: PMC7262161.

Golini E, Rigamonti M, Iannello F, De Rosa C, Scavizzi F, Raspa M, Mandillo S. A Non-invasive Digital Biomarker for the Detection of Rest Disturbances in the SOD1G93A Mouse Model of ALS. Front Neurosci. 2020 Sep 1;14:896. doi: 10.3389/fnins.2020.00896. PMID: 32982678; PMCID: PMC7490341.

Intellicage - TSE Systems

Im Intellicage-System können die kognitiven Fähigkeiten und das Verhalten von bis zu 16 Mäusen oder 8 Ratten beobachtet werden. Es kann sich jeweils nur ein Tier in einem OCC befinden. Alle Nager sind durch Transponder eindeutig identifizierbar. Der Intellicage ermöglicht eine stressfreie Forschung ohne menschliche Manipulation und bietet zudem ein artgerechtes soziales Umfeld. Er kann mit anderen TSE-Produkten kombiniert werden. Krankheitsmodelle für Alzheimer, Schizophrenie, Autismus, Angststörungen, Depression und Suchtverhalten eignen sich gut für den Einsatz des Intellicage. Weitere Informationen über den Intellicage von TSE Systems finden Sie auf der Webseite.

Referenzen

Sun L, Verkaik-Schakel RN, Biber K, Plösch T, Serchov T. Antidepressant treatment is associated with epigenetic alterations of Homer1 promoter in a mouse model of chronic depression. J Affect Disord. 2021 Jan 15;279:501-509. doi: 10.1016/j.jad.2020.10.040. Epub 2020 Oct 26. PMID: 33128940.

Kiryk A, Janusz A, Zglinicki B, Turkes E, Knapska E, Konopka W, Lipp HP, Kaczmarek L. IntelliCage as a tool for measuring mouse behavior - 20 years perspective. Behav Brain Res. 2020 Jun 18;388:112620. doi: 10.1016/j.bbr.2020.112620. Epub 2020 Apr 14. PMID: 32302617.

Mehr A, Hick M, Ludewig S, Müller M, Herrmann U, von Engelhardt J, Wolfer DP, Korte M, Müller UC. Lack of APP and APLP2 in GABAergic Forebrain Neurons Impairs Synaptic Plasticity and Cognition. Cereb Cortex. 2020 Jun 1;30(7):4044-4063. doi: 10.1093/cercor/bhaa025. PMID: 32219307.

PhenoTyper - Noldus

Der PhenoTyper ist ein anpassungsfähiger Käfig für die Beobachtung von Labornagern. Jeder PhenoTyper ist mit einem Aufsatz ausgestattet, der LED-Leuchten, eine Infrarotkamera und optionale Reize und Sensoren enthält. Durch das individuelle Design eignet sich der PhenoTyper für „einfache“ Beobachtungen, aber auch für die Konditionierung. Sogar die Wände sind austauschbar und man kann zwischen transparenten oder halb verdunkelten Wänden wählen. Der Käfig selbst ist ebenfalls in verschiedenen Formaten erhältlich. Weitere Informationen über den PhenoTyper finden Sie auf der Webseite.

Referenzen

Rhine MA, Parrott JM, Schultz MN, Kazdoba TM, Crawley JN. Hypothesis-driven investigations of diverse pharmacological targets in two mouse models of autism. Autism Res. 2019 Mar;12(3):401-421. doi: 10.1002/aur.2066. Epub 2019 Jan 17. PMID: 30653853; PMCID: PMC6402976.

Urb M, Niinep K, Matsalu T, Kipper K, Herodes K, Zharkovsky A, Timmusk T, Anier K, Kalda A. The role of DNA methyltransferase activity in cocaine treatment and withdrawal in the nucleus accumbens of mice. Addict Biol. 2020 Jan;25(1):e12720. doi: 10.1111/adb.12720. Epub 2019 Feb 7. PMID: 30730091.

UID Mouse Matrix home cage monitoring - Animalab

Das UID Mouse Matrix home cage monitoring ermöglicht die automatisierte Langzeitaufzeichnung der Biomarker Bewegungsaktivität und Körpertemperatur von in Gruppen untergebrachten Mäusen unter allen Lichtbedingungen. Die vom System generierten Daten sind leicht zugänglich, können aber auch direkt in Excel zur weiteren Analyse übertragen werden. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die Website.

Quellen:

1)Richardson.The power of automated behavioural homecage technologies in characterizing disease progression in laboratory mice: A review.Applied Animal Behaviour Science Vol.163, 19-27 (2015).https://doi.org/10.1016/j.applanim.2014.11.018.

Jhuang H, Garrote E, Mutch J, Yu X, Khilnani V, Poggio T, et al. Automated home-cage behavioural phenotyping of mice. Nat Commun 1, 68 (2010). https://doi.org/10.1038/ncomms1064

Grieco F, Bernstein BJ, Biemans B, Bikovski L, Burnett CJ, Cushman JD, van Dam EA, Fry SA, Richmond-Hacham B, Homberg JR, Kas MJH, Kessels HW, Koopmans B, Krashes MJ, Krishnan V, Logan S, Loos M, McCann KE, Parduzi Q, Pick CG, Prevot TD, Riedel G, Robinson L, Sadighi M, Smit AB, Sonntag W, Roelofs RF, Tegelenbosch RAJ, Noldus LPJJ. Measuring Behavior in the Home Cage: Study Design, Applications, Challenges, and Perspectives. Front Behav Neurosci. (2021 Sep 24).15:735387. doi: 10.3389/fnbeh.2021.735387

2)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

3)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

Balzani E, Falappa M, Balci F, Tucci V. An approach to monitoring home-cage behavior in mice that facilitates data sharing. Nat. Protoc. 13, 1331–1347 (2018). doi: 10.1038/nprot.2018.031

4)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

5)Singh S, Bermudez-Contreras E, Nazari M, Sutherland R J, Mohajerani M H. Low-cost solution for rodent home-cage behaviour monitoring. PLoS One 14 (2019). doi: 10.1371/journal.pone.0220751

6)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

Pernold K, Iannello F, Low B E, Rigamonti M, Rosati G, Scavizzi F. Towards large scale automated cage monitoring - Diurnal rhythm and impact of interventions on in-cage activity of C57BL/6J mice recorded 24/7 with a non-disrupting capacitive-based technique. PLoS One 14:e0211063 (2019) doi: 10.1371/journal.pone.0211063

Brown L A, Hasan S, Foster R G, Peirson S N. COMPASS: continuous Open Mouse Phenotyping of Activity and Sleep Status. Wellcome Open Res.(2016). doi: 10.12688/wellcomeopenres.9892.1

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