Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/10363
Title: Kinematic gait analysis in the recovery of thoracic spinal cord injured rats and peripheral nerve regeneration in sheep
Authors: Diogo, Camila Cardoso
Advisor: Varejão, Artur Severo Proença
Maurício, Ana Colette Pereira de Castro Osório
Keywords: spinal cord injury
peripheral nerve injury
Issue Date: 22-Oct-2020
Abstract: Spinal cord injury (SCI) continues to be a condition that affects thousands of people per year, with incidence of 40 to 80 new cases per million population. According to World Health Organization (WHO), there is a high chance of death related with this disorder which is directly associated with country income status, availability of quality clinical care and rehabilitation service. In nondeveloped countries, the mortality could reach indices between 1.4% to 20%. For requiring an elevated cost to attend health care, social and physical support, this situation demonstrates the necessity of more researches not only in the treatment subject, but also to understand the physiopathology of functional recovery. Another important condition involving nervous system is peripheral nerve injury. The most common cause of this disorder in people is related with motor vehicle accidents, usually resulting in stretch-related injuries. Currently, there is a prevalence of 2.8% of peripheral nerve injury in people that suffered traumatic injury. Generally, these patients do not recovery the normal function of the nerve or develop neuropathic pain. Despite rats being used most frequently, sheep have been gaining popularity as an animal model for studies in nerve disease. This is mainly due to the similarity in both the size, and the rate of regeneration, of their nerves to the nerves of humans. There are several methods that can be used to evaluate locomotion after neurological damage. Kinematic assessment consists of any method that quantifies the movement of the whole body, or body parts relative to either each other, or an external frame of reference. These techniques have allowed neuroscientists to obtain accurate information, such as discrete gait deficit not possible to observe with rating scales methods, and to understand better the functional recovery after a spinal lesion. In this thesis, we aim to describe a new kinematic parameter, which was used to provide information about the dynamics of the gait cycle during treadmill locomotion, in normal and thoracic spinal cord injured rats. This thesis also describes the hindlimb kinematics of sheep studied on a treadmill and during obstacle avoidance. Two-dimensional (2D) and threedimensional (3D) approaches in treadmill and during obstacle avoidance were used on healthy sheep, to standardise sheep as an animal model for future studies on peripheral nerve injury and repair. In order to acquire the dynamic distance between two hindlimb feet, we used eight adult female rats, who were trained two weeks before surgery, to walk on a treadmill at a speed of 40 cm/s. The surgery involved performing a laminectomy on the rats before creating a thoracic vertebrae 9 contusion. Using a three-dimensional (3D) system, kinematic data was collected before spinal injury (week 0) and 3 weeks postoperatively. Dynamic feet distance (DFD) was quantified by measuring the perpendicular distance between the left and right foot throughout the gait, by tracking markers secured over the fifth metatarsal joints. To evaluate the sheep model, we video recorded hindlimb step cycles during treadmill and obstacle avoidance, using both 2D and 3D systems to study hindlimb kinematic parameters. Healthy, female sheep were used. Two weeks before data collection, sheep were trained daily to walk on a treadmill. A similar protocol was carried out to obtain kinematic data for obstacle avoidance, however sheep were trained to walk overground and to step over a rectangular obstacle. The results showed that injured rats walked on a treadmill with a significantly wider distance between their feet during the entire gait cycle. Additionally, increased DFD value was found at initial contact (IC) than found at toe-off (TO) after spinal cord contusion. Despite this, normal and injured rats showed a similar pattern in the fifth metatarsal head joints distance excursion. Moreover, this thesis showed that during both treadmill locomotion and obstacle clearance the most apparent changes in the sheep gait cycle were at the ankle and metatarsophalangeal joints. The hip and knee joints were much less affected. Additionally, in both walk methods, we could find significant differences between values of the 2D and 3D joint angular motion. We concluded that DFD is wider in spinal cord injured rats than in healthy rats. This parameter is easy to measure, and the treadmill protocol is easy to use, and so this experimental model could be used to support future investigation to human health. Furthermore, we also concluded that this sheep model could be helpful in the future to improve the understanding of pathologic gait conditions, as well as the biomechanical changes associated with experimental neurological situations.
O traumatismo medular agudo continua a ser uma condição clínica a afetar milhares de pessoas por ano, com incidência entre 40 e 80 novos casos clínicos por milhão de habitantes. De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), é uma causa de morte frequente, que pode estar diretamente associada ao rendimento do país, à disponibilidade de um atendimento clínico de qualidade e de serviços de reabilitação. Nos países não desenvolvidos, a mortalidade pode atingir índices entre 1,4% e 20%. Por exigir um custo elevado no que diz respeito à assistência médica, apoio social e físico, esta situação demonstra a necessidade de mais investigação não apenas em relação a novas terapias, mas também para entender a fisiopatologia da recuperação funcional para a aplicação de protocolos de reabilitação adequados. Outra condição importante que envolve o sistema nervoso é a lesão do nervo periférico. A causa mais comum deste distúrbio em indivíduos está relacionada com acidentes motorizados, geralmente resultando com lesões de distensão do nervo. Atualmente, há uma prevalência de 2,8% de lesão do nervo periférico em pessoas que sofreram algum tipo de lesão traumática. Geralmente, estes pacientes não recuperam a função normal do nervo ou desenvolvem dor neuropática. Apesar de os ratos serem o modelo animal experimental usado com mais frequência, as ovelhas vêm ganhando popularidade no âmbito dos estudos préclínicos de doenças neurológicas. Isso deve-se principalmente à semelhança no tamanho do nervo assim como com a taxa de regeneração, quando comparados com o homem. Existem vários métodos para avaliar a locomoção após lesão neurológica. A avaliação cinemática consiste em qualquer método que quantifique o movimento de todo o corpo ou partes do corpo em relação um ao outro e/ou a um sistema de referência externo. Estas técnicas permitem obter informações precisas, como por exemplo déficits discretos da marcha que não são possíveis de ser verificadas com escalas de classificação, e entender melhor a recuperação da função locomotora após a lesão. Na presente tese, objetivou-se descrever um novo parâmetro cinemático capaz de fornecer informações sobre a dinâmica do ciclo da marcha de ratos saudáveis e com lesão da medula espinhal torácica durante a locomoção num tapete rolante. Também propôs-se comparar a cinemática dos membros pélvicos de ovelhas saudáveis usando sistemas bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) durante a locomoção em tapete rolante e em piso plano com um obstáculo, a fim de padronizar a ovelha como modelo animal para estudos futuros após lesão e reparação de nervos periféricos. Para obter a distância entre os dois pés durante o movimento destes, foram utilizadas oito ratos adultos de sexo feminino, treinados durante duas semanas antes da cirurgia, para andar em tapete rolante a uma velocidade de 40 cm / s. Utilizou-se um sistema tridimensional (3D), no qual os dados cinemáticos foram recolhidos e analisados antes da lesão medular (semana 0) e 3 semanas após a lesão. Esses ratos foram submetidos a uma laminectomia seguida de contusão em T9. A distância dinâmica dos pés (DFD) foi quantificada através da medição da distância perpendicular entre o pé esquerdo e o direito, obtidas através das localizações 3D dos marcadores fixados na quinta articulação da cabeça do metatarso durante todo o ciclo da marcha. Para avaliar o modelo ovelha, os membros pélvicos de ovelhas saudáveis foram filmados durante o andamento a passo, em tapete rolante e no solo com um obstáculo a ser ultrapassado, utilizando para isso um sistema 2D e 3D para estudar os parâmetros cinemáticos dos membros pélvicos. Esses procedimentos foram realizados em tempos distintos. Assim, duas semanas antes da coleta dos dados, as ovelhas foram treinadas diariamente para caminhar no tapete rolante. Um protocolo semelhante foi realizado para obter dados cinemáticos durante o desvio do obstáculo. Adicionalmente, as ovelhas foram treinadas para andar no solo e passar por cima de um obstáculo retangular. Os resultados revelaram que a distância dos pés foi significativamente maior em ratos lesionados que caminharam no tapete rolante ao longo de todo o ciclo da marcha. O valor de DFD no contato inicial com o chão (IC) também foi maior quando comparado ao valor no momento em que deixa de ter contato com o solo (TO) após a contusão da medula espinhal. Apesar disso, ratos normais e lesionados apresentaram um padrão semelhante referente a distância entre os quintos metatarsos durante todo o percurso da passada. Além disso, esta tese demonstrou que, tanto durante locomoção em tapete rolante quanto no desvio de obstáculo, as alterações mais aparentes no ciclo da marcha dos ovinos foram nas articulações do tornozelo e metatarso-falangeana, enquanto as articulações da anca e do joelho foram muito menos afetadas. Além disso, nos dois diferentes métodos de marcha, observou-se diferenças significativas entre os sistemas 2D e 3D nos valores dos ângulos das articulações. Pode-se concluir que o valor de DFD é superior em ratos com lesão da medula espinhal. Esse parâmetro é fácil de medir e o protocolo do tapete rolante é fácil de aplicar, o que fornece um grande suporte em futuras investigações à saúde humana. Além disso, também concluímos que o presente modelo ovelha pode ser útil para futuros trabalhos de investigação, utilizando-os como padrão para se comparar com ovelhas lesionadas, a fim de melhorar a compreensão das condições patológicas da marcha, bem como das alterações biomecânicas associadas a situações neurológicas experimentais.
Description: PhD Thesis in Veterinary Science
URI: http://hdl.handle.net/10348/10363
Document Type: Doctoral Thesis
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TD - Teses de Doutoramento

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