Evaluation of automated home-cage wheel running and impedance-based activity monitoring as a method for robust severity assessment in gastrointestinal mouse models
According to the EU Directive 2010/63, severity assessment is required, which determine the severity of the procedures that animals are exposed to. In the last decades, a large number of methods have been developed to recognize the state ofhealth and the well-being of the animals as quickly, easily and objectively as possible. Especially automated home-cage monitoring systems became more and more important. However, evaluation of these methods and parameters concerning their robustness and transferability into other animal models is recommended. In this regard, this thesis aimed to investigate the robustness and generalizability of home-cage based activity monitoring in gastrointestinal mouse models as a method for optimized severity assessment. For this purpose, in addition to the mandatory clinical examination of the animals as a basis, activity monitoring using the home-cage based and non-invasive methods voluntary wheel running and impedance-based measurement were applied to determine the severity of the procedures. In the first study, voluntary wheel running was performed to detect changes in motivated activity due to surgical cancer induction and repeated intraperitoneal injections as part of treatment for pancreatic cancer in C57BL/6J male mice. For cell injection, 20 mice underwent a laparotomy under general anesthesia. Mice were given 4 days of recovery. Subsequently, mice were treated with either therapeutic substances (metformin and galloflavin) or vehicle substances. Throughout the experiments, clinical parameters, body weight and voluntary wheel running performance were recorded. Analyzing of voluntary wheel running revealed reduced activity and altered activity patterns of the animals due to experimental procedures. In comparison to body weight measurement or clinical scoring, voluntary wheel running exhibited higher sensitivity for indicating impaired well-being. Furthermore, a classification into different severity levels was possible. The surgical intervention for cell injection was classified as mild to moderate and the repeated intraperitoneal injections for chemotherapy as moderate. In the second study, changes in activity of female C57BL/6J mice due to experimentally induced acute colitis and handling procedures were examined using an impedance-based system. Over a period of 5 days, 30 mice received different dosages of Dextran Sulfate Sodium (0%, 1.5%, and 2.5%) via the drinking water. Throughout the experiments, clinical scores, body weights, fecal occult blood, nest building and activity were monitored, the latter using an impedance-based system. Additionally, activity was monitored in 20 mice (tunnel or tail handled) in routine husbandry to analyze the impact of handling procedures. Impedance-based measurement showed reduced activity and altered activity patterns. However, decreased activity in mice with low dosage of DSS (1.5%) could not be recorded despite presence of inflammation as determined by histology. By analyzing activity data using a regression model, a distinction between burdened and unburdened animals was possible. Overall, voluntary wheel running as well as impedance- based measurement were able to detect the effects of the experimental interventions. Furthermore, a classification into different severity levels was possible. Both studies demonstrate that automated home-cage monitoring is very useful and valuable to determine the severity of experimental procedures that animals experience and confirmed the generalizability and robustness in gastrointestinal mouse models.
Gemäß der EU-Richtlinie 2010/63 ist eine Bewertung des Belastungsgrades erforderlich, die den Schweregrad der Verfahren bestimmt, denen die Tiere ausgesetzt sind. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von Methoden entwickelt, um den Gesundheitszustand und das Wohlbefinden der Tiere möglichst schnell, einfach und objektiv zu erkennen. Vor allem automatisierte Heimkäfigüberwachungssysteme gewannen dabei immer mehr an Bedeutung. Für eine breite Anwendung in der Wissenschaft ist eine Evaluierung dieser Methoden und Parameter hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit, Robustheit und Übertragbarkeit auf verschiedene Tiermodelle notwendig. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Robustheit und Generalisierbarkeit der automatisierten und Heimkäfig-basierten Aktivitätsmessung in gastrointestinalen Mausmodellen als Methode zur optimierten Belastungsgradbewertung zu untersuchen. Zur Bestimmung des Belastungsgrades der Eingriffe, wurden neben der obligatorischen klinischen Untersuchung der Tiere, Aktivitätsmessungen durchgeführt, wobei die Heimkäfig-basierten und nicht- invasiven Methoden freiwillige Laufradnutzung und Impedanz-Messung verwendet wurden. In der ersten Studie wurden mittels freiwilliger Laufradnutzung Veränderungen der motivierten Aktivität infolge der chirurgischen Krebsinduktion und wiederholter intraperitonealer Injektionen als Teil der Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs bei männlichen C57BL/6J-Mäusen untersucht. Für die Zellinjektion wurden 20 Mäuse unter Vollnarkose einer Laparotomie unterzogen. Nach einer 4-tägigen Erholungsphase, wurden die Mäuse entweder mit Therapiesubstanzen (Metformin und Galloflavin) oder mit Vehikel-Substanzen behandelt. Während des gesamten Versuchs wurden die Mäuse täglich klinisch bewertet, gewogen, sowie ihre freiwillige Laufradnutzung gemessen. Die freiwillige Laufradnutzung zeigte eine reduzierte Aktivität und veränderte Aktivitätsmuster aufgrund der experimentellen Verfahren. Im Gegensatz zu Bewertungsparametern wie dem Körpergewicht oder dem klinischen Scoring zeigte die freiwillige Laufradnutzung eine höhere Sensitivität für die Anzeige des beeinträchtigten Wohlbefindens. Außerdem war eine Einteilung in verschiedene Belastungsgrade möglich. Der chirurgische Eingriff zur Zellinjektion wurde als leicht bis mittelschwer und die wiederholten intraperitonealen Injektionen zur Chemotherapie als mittelschwer eingestuft. In der zweiten Studie wurden die Aktivitätsveränderungen von weiblichen C57BL/6JMäusen aufgrund einer experimentell induzierten akuten Kolitis und Handling-Maßnahmen mit einem Impedanz-basierten System untersucht. Über einen Zeitraum von 5 Tagen erhielten 30 Mäuse verschiedene Dosierungen von Dextran Natriumsulfat (0%, 1,5% und 2,5%) über das Trinkwasser. Während der gesamten Versuchsdauer wurden täglich klinische Beurteilungen, Körpergewichts-Messungen, Tests auf okkultes Blut im Stuhl, Nestbaubeurteilungen sowie die Überwachung der Aktivität mittels eines Impedanz- basiertem System durchgeführt. Zusätzlich wurde die Aktivität von 20 Mäusen (mit Tunnel- oder Schwanzhandling) in Routinehaltung überwacht, um die Auswirkungen des Handlings zu analysieren. Die Impedanz-basierte Messung ergab eine verringerte Aktivität und veränderte Aktivitätsmuster aufgrund der Versuchsverfahren. Eine verringerte Aktivität bei Mäusen mit geringerer DSS Dosierung (1,5%) konnte jedoch nicht festgestellt werden. Durch die Analyse der Aktivitätsdaten mittels eines Regressionsmodells war eine Unterscheidung zwischen belasteten und nicht belasteten Tieren möglich. Insgesamt konnten sowohl die freiwillige Laufradnutzung als auch die Impedanzbasierte Messung die Auswirkungen der experimentellen Eingriffe nachweisen. Außerdem war eine Einteilung in verschiedene Belastungsgrade möglich. Beide Studien zeigten, dass die automatisierte Heimkäfigüberwachung sehr nützlich und wertvoll ist, um Belastungsgrade der experimentellen Eingriffe, denen die Tiere ausgesetzt sind, zu bestimmen. Weiterhin, bestätigten sie die Generalisierbarkeit und Robustheit automatisierter Aktivitätsmessungen in gastrointestinalen Mausmodellen.
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