Digital Ventilated Cages (DVC®) as a tool for the study of Machado-Joseph Disease

DVC® (Digital Ventilated Cage), a home-cage rack monitoring system is capable of continuously detecting spontaneous animal activity occurring in their home cage 24/7. This monitoring allows a non-intrusive study, providing a better welfare and a potential improvement in experimental reproducibility. In this study, we evaluated the influence of physical exercise as a therapeutic strategy to improve motor dysfunction in a mouse model of Machado–Joseph Disease (MJD), the CMVMJD135. MJD is the most common autosomal dominant ataxia worldwide, a neurodegenerative disorder caused by a CAG repeat expansion within the Ataxin-3 gene, causing mostly motor symptoms. The clinical variability of the disease phenotype as well as the age of onset depend on the length of the expanded repeat. The CMVMJD135 resembles the human disorder both at the behavioral and pathological levels. In this study, the mice were divided into 4 groups (Wild-Type (WT); Transgenic (TG); Wild-Type with Running Wheel (WTRW); Transgenic with Running Wheel (TGRW)), with a distribution of 2 animals per cage. The DVC® automatically collected data on spontaneous activity in the cage and voluntary physical exercise on the Running wheel (RW). Additionally, other motorrelated tests were performed, which are usually the standard for characterizing the disease establishment and progression in MJD mouse models, to understand the influence of spontaneous activity within the cage and the performance in the RW by each group. The analysis of the overall animals’ activity during the night period showed that TG mice had significant less activity when compared to their WT-littermates. Additionally, TG mice with access to RW where more active than TG mice without RW. As for the exercise practiced on the RW, the WT group showed much higher values compared to TG. Regarding the additional behavior tests, the overall results showed a tendency for the TG mice with access to the Running Wheel to present a better performance when compared to TG without RW. Overall, these results suggest that the DVC® system is able to detect the phenotype of the MJD mice without the experimenter interference and the presence of running wheels in the cages seem to improve their motor phenotype. These promising results point to further and more extensive characterization of physical exercise in this mouse model. Furthermore, this automated system may be of great importance to other models of disease, being a complementary tool to animal behavior testing.

DVC® (Digital Ventilated Cage), é um sistema de monitorização automático de gaiolas, capaz de detetar continuamente a atividade espontânea de animais que ocorre na gaiola 24 horas por dia, 7 dias por semana. Esta monitorização permite um estudo não intrusivo, proporcionando um melhor bem-estar e uma potencial melhoria na reprodutibilidade experimental. Neste estudo, avaliamos a influência do exercício físico como estratégia terapêutica para melhorar a disfunção motora em murganhos, um modelo de animal da doença de Machado-Joseph (DMJ), o CMVMJD135. A DMJ é a ataxia autossómica dominante mais comum em todo o mundo, sendo uma doença neurodegenerativa causada por uma expansão da repetição do tripleto CAG dentro do gene da Ataxina-3, conduzindo ao aparecimento de diversos sintomas, maioritariamente afetando a coordenação motora. A variabilidade clínica do fenótipo da doença, bem como a idade de início, dependem do tamanho da repetição expandida do tripleto de CAG. O murganho CMVMJD135 mimetiza a doença humana tanto a nível comportamental como patológico. Neste estudo, os animais foram divididos em 4 grupos (Estirpe-Selvagem (WT); Transgénicos (TG); WT com roda (WTRW); Transgénicos com roda (TGRW)), com uma distribuição de 2 animais por gaiola. O DVC® recolheu automaticamente dados sobre atividade espontânea na gaiola e exercícios físicos voluntários na Roda. Além disso, foram realizados outros testes relacionados com a coordenação motora, que estão padronizados e estabelecidos no laboratório para caracterizar o início e progressão da doença em murganhos DMJ, permitindo assim avaliar a influência da atividade espontânea dentro da gaiola e o desempenho na Roda de cada grupo. A análise da atividade geral dos animais durante o período noturno mostrou que os murganhos TG tiveram uma atividade significativamente menor quando comparados aos seus companheiros de ninhada WT. Adicionalmente, os murganhos TG com acesso a roda foram mais ativos do que os murganhos TG sem Roda. Quanto ao exercício praticado na Roda, o grupo WT apresentou valores muito superiores aos TG. Em relação aos testes de comportamento adicionais, os resultados gerais mostraram uma tendência geral de os murganhos TG com acesso à Roda apresentarem um melhor desempenho quando comparados aos murganhos TG sem acesso à Roda. No geral, estes resultados sugerem que o sistema DVC® é capaz de detetar o fenótipo dos murganhos DMJ sem a interferência do experimentador e a presença de Rodas nas gaiolas parece melhorar o seu fenótipo motor. Estes resultados promissores apontam para uma caracterização adicional e mais extensa do exercício físico neste modelo de doença. Adicionalmente, este sistema automatizado pode ser de grande importância para outros modelos de doenças neurodegenerativas, sendo uma ferramenta complementar aos testes de comportamento animal comumente utilizados por laboratórios de todo o mundo.

The work presented in this thesis was performed in the Life and Health Sciences Research Institute (ICVS), Minho University, and University of Beira Interior. Financial support was provided by grants from the Tecniplast S.p.A.and Ultragene Lda; by National funds, through the Foundation for Science and Technology (FCT) - project UIDB/50026/2020 and UIDP/50026/2020; and by the projects NORTE-01-0145- FEDER-000013 and NORTE-01-0145-FEDER-000023, supported by Norte Portugal Regional Operational Programme (NORTE 2020), under the PORTUGAL 2020 Partnership Agreement, through the European Regional Development Fund (ERDF).