心血管イメージング (30/45 MHZ) の高周波超音波を用いた胎児マウス
Summary
高周波超音波胎児マウスの解像度の画像が上がったし、心臓発生と構造欠陥の正確な非侵襲的評価を提供することができます。本プロトコルを実行するリアルタイムの胎児マウス エコー生体内で設計されています。
Abstract
先天性心疾患 (CHDs) は、子供の罹患率と早期死亡の最も一般的な原因です。出生前診断 CHDs の分子機構の解明は、新しい予防と治療戦略を発明にとって重要です。変異マウスのモデルは、新しいメカニズムおよび CHDs に心臓の開発とその潜在的な変質をドライブ環境ストレス修飾子を発見するための強力なツールです。これらの推定貢献者の因果関係を確立する努力がされている非生存動物実験組織学的・分子学限られた主要な生理学的および血行動態的パラメーターを監視するには、しばしば欠席。ライブ イメージング技術 CHDs の病因を確立する重要なツールとなっています。特に、超音波画像診断は外科的に胎児をさらすことがなく出生前使用できる商工会議所心臓の血行動態と構造面の環境ストレスの影響を監視しながら自分のベースラインの生理機能を維持することができます開発。ここで、我々 は心血管システム胎児マウス E18.5子宮内のベースラインに、出生前の低酸素暴露に応答を調べる高周波超音波 (30/45) システムを使用します。我々 は心臓チャンバー サイズ、形態、心機能、胎児の心拍数と臍動脈流インデックス、および全身の慢性的な低酸素症子宮内で実にさらされている胎児マウスで彼らの変化を測定するシステムの可能性を実証します。時間。
Introduction
心臓の先天異常が早期の心臓の開発中に発生する異種の構造上の欠陥です。運用手順の現在の技術の進歩は、CHDs1,2児の生存率の大幅な改善につながっています。しかし、生活の質はしばしば長期入院やニーズに侵害された二次手術手順1,2,3,4,5を上演します。出生前診断 CHDs の分子機構の解明は、新たな予防戦略を遂行し、生涯の成果6,7を改善する早期介入を計画するために重要です。
CHDs 病態では、複数の遺伝子と環境要因が関与しているが診断、治療、改善するために満たされていない必要性と予防戦略1,8,9 のまま因果関係を確立します。 ,,1011,12。さらに、子宮内でのストレス要因とエピジェネティックな修飾子の役割を調べて将来調査11,12の新しい会場を開きます。最後の十年は確かに次世代シーケンス技術単一ヌクレオチド多型 (SNP) マイクロ アレイ、全エキソーム配列、ゲノム広いメチル化研究など遺伝の勉強に利用の急速な進歩を目撃しています。CHDs1,8,9,10,11を新規変異とされていない遺伝的変異を識別するために道を舗装を含む複雑な人間の病気の原因します。適切な動物モデルにおける病原性のテスト。
別の病気モデル システム間でマウスは13,の心臓初期14,15,16時でも解明する CHDs のメカニズムを調査するだけでなく、好みの動物モデル心臓チャンバー成熟と出生前および周産期のストレス要因の胎生後期に機能への影響。したがって、生体内で表現型特徴づけを行う変異マウス胎児心臓の開発の初期段階および後期段階ではこれらの遺伝的変異と心臓の開発の環境要因の役割を理解することが重要とマウスにおける商工会議所特定の成熟プロセスの潜在的な将来の影響。
早期発見と開発の間に心臓障害の正確な診断は、介入計画17,18にとって重要です。セーフ、シンプル、ポータブルで反復可能であること、胎児超音波画像クリニックで心臓の評価のための技術標準となっている確かに。超音波ドプラを用いた胎児循環評価が広く使用されて臨床心臓欠陥の検出のためだけでなくも血管異常、胎盤機能不全や子宮内胎児発育制限を検出し、評価するには胎児の福利子宮内低酸素血症、母体の病気、薬物毒性17,18などの侮辱への応答。人間の欠陥と疾患の評価に値に並行して、超音波検査胎児マウスの実験設定19,20,21,22、増加ユーティリティを得ています 23。特に、胎児心臓超音波 (心エコー) は、心臓の開発の連続した生体内で可視化できます。多くの実験的研究は、トランスジェニック マウス胎児の胎児心血管を観察するのに超音波イメージング技術を使用しています。ドップラー超音波は、生理学的課題や病気の条件10,19の下で胎児循環のフロー パターンや、病態生理学的パラメーターを明らかにする特に役立っています。人間と動物の両方で胎児への異常な血液の流れや酸素供給に起因することができます子宮内胎児環境破壊および胎盤軸、胎盤異常を含む母体低酸素症に影響を与えるさまざまな条件妊娠糖尿病と薬学的誘導血管狭窄15,22.したがって、胎児マウスのドップラー超音波を実行するための標準化された方法の確立途方もなく権限を与える CHDs の将来の研究中に心血管回路のキーの血行動態指標と監視フロー パターンを促進することで遺伝的マウスモデル.の心臓の開発のさまざまな段階
高周波超音波は、マウス モデルおよびひと疾患18で心臓血管系の発達的および生理学的パラメーターを測定するための強力なツールとして浮上しています。この技術は、ここ数年でさらに洗練されてきた。我々 と他の研究者は、胎児マウス中心15,19,20,21,22 の超高周波超音波研究のためこのシステムの有効性を実証しています。 ,23。色ドップラー フロー マッピング、リニアアレイ探触子高周波 (30 ~ 50 MHz) のフレーム レートで二次元でダイナミックな画像を生成するシステムが備わります。これらの利点は、低周波超音波診断装置と高周波超音波21,22, 前の世代に比べて循環、胎児の詳細な評価のため必要な感度と分解能を提供します。システムは、実験の設定で心構造、商工会議所の関数、および胎児マウスのフロー指標の包括的な評価を含みます。ここで、我々 は高周波装置を使用して心肺循環と萌芽期日 E18.5体内で胎児胎盤循環の迅速な評価を実行する方法を概説します。約 60 μ m の軸解像度および 150 μ m の空間分解能を提供する 30/45 MHz の探触子を選びました。ただし、次のような方法論的アプローチによって以前の発達段階を分析する高周波数探触子 (40/50 MHz) を選択できます。選択した M モードでは、高時間分解能のレベル (1,000 フレーム/秒) での運動の組織の描出が可能します。最後に、我々 は胎児心臓血管の血行動態と機能およびベースラインでマウス出生前の低酸素ストレス応答の詳細な包括的な表現型特性の高い超音波の可能性を実証します。
Protocol
Representative Results
Discussion
心血管系奇形や疾患は、遺伝的要因と環境要素19に影響されて大幅に。我々 は以前、胎児胎盤循環流と胎児心機能92 番目の妊娠中に開始、母体のカロリー制限の大きな影響を実証しました。
出生前の低酸素は、途方もなく胎盤の生理学、循環系に影響を与えるかもしれない胎児の発育中にもう一つ一般的なストレス要因です。出生前?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
テクニカル サポートと Vevo 2100 超音波生体顕微鏡 (UBM) システムへのオープン アクセスを提供するため ucla 医学部動物生理学コアに感謝いたします。この研究に支えられた今日と明日こども基金は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校-子供のディスカバリー研究所 NIH/小児保健研究センター (5K12HD034610/K12) と m. 当麻にデイヴィッド ・ ゲフィン医学学校の研究イノベーション賞を受賞。
Materials
| Vevo 2100 | VisualSonics, Toronto, Ontario, Canada | N/A | High Freequency Ultrasound Biomicroscopy. The set up is available in animal physiology core facility, division of molecular medicine, UCLA. USA |
| inbred mice (c57/BL6) | Charles River Laboratories | N/A | Inbread wild type mouse strain |
References
- Touma, M., Reemtsen, B., Halnon, N., Alejos, J., Finn, J. P., Nelson, S. F., Wang, Y. A Path to Implement Precision Child Health Cardiovascular Medicine. Front Cardiovasc Med. 4, 36 (2017).
- Triedman, J. K., Newburger, J. W. Trends in Congenital Heart Disease. The Next Decade. Circulation. 133, 2716-2733 (2016).
- Gilboa, S. M., et al. Congenital Heart Defects in the United States Estimating the Magnitude of the Affected Population in 2010. Circulation. 134, 101-109 (2016).
- Pruetz, J. D., et al. Outcomes of critical congenital heart disease requiring emergent neonatal cardiac intervention. Prenat Diagn. 34, 1127-1132 (2014).
- Peterson, C., et al. Mortality among Infants with Critical Congenital Heart Disease: How Important Is Timely Detection?. Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 97 (10), 664-672 (2013).
- Atz, A. M., et al. Prenatal Diagnosis and Risk Factors for Preoperative Death in Neonates with Single Right Ventricle and Systemic Outflow Obstruction: Screening Data from the Pediatric Heart Network Single Ventricle Reconstruction Trial. J Thorac Cardiovasc Surg. 140 (6), 1245-1250 (2010).
- Lalani, S. R., Belmont, J. W. Genetic Basis of Congenital Cardiovascular Malformations. Eur J Med Genet. 57 (8), 402-413 (2014).
- Hanchard, N. A., Swaminathan, S., Bucasas, K., Furthner, D., Fernbach, S., Azamian, M. S., et al. A genome-wide association study of congenital cardiovascular left-sided lesions shows association with a locus on chromosome 20. Hum Mol. 11, 2331-2341 (2016).
- Arsenijevic, V., Davis-Dusenbery, B. N. Reproducible, Scalable Fusion Gene Detection from RNA-Seq. Methods Mol Biol. 1381, 223-237 (2016).
- LaHaye, S., Corsmeier, D., Basu, M., Bowman, J. L., Fitzgerald-Butt, S., Zender, G., et al. Utilization of Whole Exome Sequencing to Identify Causative Mutations in Familial Congenital Heart Disease. Circ Cardiovasc Genet. 9 (4), 320-329 (2016).
- Zaidi, S., Choi, M., Wakimoto, H., Ma, L., Jiang, J., Overton, J. D., et al. De novo mutations in histone modifying genes in congenital heart disease. Nature. 498 (7453), 220-223 (2016).
- Leirgul, E., Brodwall, K., Greve, G., Vollset, S. E., Holmstrom, H., Tell, G. S., et al. Maternal Diabetes, Birth Weight, and Neonatal Risk of Congenital Heart Defects in Norway, 1994-2009. Obstet Gynecol. 128 (5), 1116-1125 (2016).
- Garry, D. J., Olson, E. N. A Common Progenitor at the Heart of Development. Cell. 127 (6), 1101-1104 (2006).
- Postma, A. V., Bezzina, C. R., Christoffels, V. M. Genetics of congenital heart disease: the contribution of the noncoding regulatory genome. J Hum Genet. 61, 13-19 (2016).
- Ganguly, A., Touma, M., Thamotharan, S., De Vivo, D. C., Devaskar, S. U. Maternal Calorie Restriction Causing Uteroplacental Insufficiency Differentially Affects Mammalian Placental Glucose and Leucine Transport Molecular Mechanisms. Endocrinology. Oct. 157 (10), 4041-4054 (2016).
- Lluri, G., Huang, V., Touma, M., Liu, X., Harmon, A. W., Nakano, A. Hematopoietic progenitors are required for proper development of coronary vasculature. J Mol Cell Cardiol. 86, 199-207 (2015).
- Bishop, K. C., Kuller, J. A., Boyd, B. K., Rhee, E. H., Miller, S., Barker, P. Ultrasound Examination of the Fetal Heart. Obstet Gynecol Surv. 72 (1), 54-61 (2017).
- He, H., Gan, J., Qi, H. Assessing extensive cardiac echography examination for detecting foetal congenital heart defects during early and late gestation: a systematic review and meta-analysis. Acta Cardiol. 71 (6), 699-708 (2016).
- Hobbs, C. A., Cleves, M. A., Karim, M. A., Zhao, W., MacLeod, S. L. Maternal Folate-Related Gene Environment Interactions and Congenital Heart Defects. Obstet Gynecol. 116 (2 Pt 1), 316-322 (2016).
- Gabbay-Benziv, R., et al. A step-wise approach for analysis of the mouse embryonic heart using 17.6 Tesla MRI. Magn Reson Imaging. 35, 46-53 (2017).
- Kim, G. H. Murine fetal echocardiography. J Vis Exp. (72), e4416 (2013).
- Zhou, Y. Q., Cahill, L. S., Wong, M. D., Seed, M., Macgowan, C. K., Sled, J. G. Assessment of flow distribution in the mouse fetal circulation at late gestation by high-frequency Doppler ultrasound. Physiol Genomics. 46 (16), 602-614 (2014).
- Greco, A., Coda, A. R., Albanese, S., Ragucci, M., Liuzzi, R., Auletta, L., Gargiulo, S., Lamagna, F., Salvatore, M., Mancini, M. High-Frequency Ultrasound for the Study of Early Mouse Embryonic Cardiovascular System. Reprod Sci. 22 (12), 1649-1655 (2015).
- Deneke, T., Lawo, T., von Dryander, S., Grewe, P. H., Germing, A., Gorr, E., Hubben, P., Mugge, A., Shin, D. I., Lemke, B. Non-invasive determination of the optimized atrioventricular delay in patients with implanted biventricular pacing devices. Indian Pacing Electrophysiol J. 10 (2), 73-85 (2010).
- Kono, M., Kisanuki, A., Ueya, N., Kubota, K., Kuwahara, E., Takasaki, K., Yuasa, T., Mizukami, N., Miyata, M., Tei, C. Left ventricular global systolic dysfunction has a significant role in the development of diastolic heart failure in patients with systemic hypertension. Hypertens Res. 33 (11), 1167-1173 (2010).
