Imagem cardiovascular fetal de camundongo usando um sistema de ultrassom de alta frequência (30/45MHZ)
Summary
Imagem de ultra-som de alta frequência do mouse fetal melhorou a resolução de imagem e pode fornecer precisa caracterização não-invasivo do desenvolvimento cardíaco e defeitos estruturais. O protocolo descrito neste documento é projetado para executar em tempo real de ratos fetal ecocardiografia na vivo.
Abstract
Defeitos cardíacos congênitos (CHDs) são a causa mais comum da infância morbi -mortalidade precoce. A detecção pré-natal dos mecanismos moleculares subjacentes do CHDs é crucial para inventar novas estratégias preventivas e terapêuticas. Modelos de rato mutante são ferramentas poderosas para descobrir novos mecanismos e modificadores de estresse ambiental que impulsionam o desenvolvimento cardíaco e sua potencial alteração no CHDs. No entanto, os esforços para estabelecer a causalidade destes putativos contribuintes foram limitado a estudos histológicos e moleculares em experiências com animais não-sobrevivência, no qual monitoramento de parâmetros fisiológicos e hemodinâmicos chaves é frequentemente ausente. Tecnologia de imagem ao vivo tornou-se uma ferramenta essencial para estabelecer a etiologia do CHDs. Em particular, ultra-sonografia pode ser usada de pré-Natal sem expor cirurgicamente os fetos, permitindo a manutenção de sua fisiologia de base enquanto monitora o impacto do estresse ambiental sobre os aspectos estruturais e hemodinâmicos da câmara cardíaca desenvolvimento. Aqui, usamos o sistema de ultra-som de alta frequência (30/45) para examinar o sistema cardiovascular em ratos fetais no E18.5 no utero na linha de base e em resposta à exposição de hipóxia pré-natal. Podemos demonstrar a viabilidade do sistema para medir o tamanho da câmara cardíaca, morfologia, função ventricular, ritmo cardíaco fetal e índices de fluxo da artéria umbilical e suas alterações em fetais camundongos expostos a hipóxia crônica sistêmica no utero no real está na hora.
Introduction
Malformações congênitas do coração são heterogêneos defeitos estruturais que ocorrem durante o desenvolvimento cardíaco precoce. Os avanços técnicos atuais dos procedimentos operacionais levaram a melhorias significativas nas taxas de sobrevivência de crianças com CHDs1,2. No entanto, qualidade de vida é muitas vezes comprometida secundária à hospitalização prolongada e necessidades dos encenado reparo cirúrgico procedimentos1,2,3,4,5. A detecção pré-natal dos mecanismos moleculares subjacentes do CHDs é crucial para planificar intervenções precoces, de realizar novas estratégias de prevenção e para melhorar os resultados ao longo da vida6,7.
Embora vários fatores genéticos e ambientais têm sido implicados na patogênese do CHDs, que institui o nexo de causalidade continua a ser uma necessidade insatisfeita para melhorar o diagnóstico, terapêuticos e estratégias preventivas1,8,9 ,10,11,12. Além disso, examinar o papel de fatores de estresse no utero e modificadores epigenéticas abre novos espaços para futuras investigações11,12. Na última década testemunhou realmente rápidos avanços no sequenciamento tecnologia de última geração incluindo microarray de nucleotídeo único (SNP) de polimorfismo, toda exome sequenciamento e estudos de metilação de todo o genoma, sua utilização no estudo da genética causas de doenças humanas complexas, incluindo CHDs1,8,9,10,11 pavimentando o caminho para identificar novas mutações e variantes genéticas que ainda não foram testado para sua patogenicidade em modelos animais apropriados.
Entre os sistemas de modelo de doença diferente, o rato é o modelo animal de escolha, não apenas para investigar os mecanismos do CHDs durante cedo cardiogenesis13,14,15,16, mas também para elucidar seu impacto na maturação de câmara cardíaca e função em final de gestação nos fatores de estresse pré-natal e perinatal. Portanto, realizando na vivo fenotípica caracterização de um coração de rato mutante de fetal, durante os estágios iniciais e finais de desenvolvimento, é crucial para compreender o papel destas variações genéticas e fatores ambientais no desenvolvimento cardíaco, e o futuro potencial impacto sobre os processos de maturação específico de câmara em camundongos.
Deteção adiantada e diagnóstico preciso de defeitos cardíacos durante o desenvolvimento é fundamental para intervencionista planejamento17,18. Sendo seguro, simples, portáteis e repetível, ecografia fetal tornou-se efectivamente a norma técnica para avaliação cardíaca na clínica de imagem. Avaliação de circulação fetal usando ultra-som Doppler foi amplamente utilizada na prática clínica não só para a detecção de defeitos cardíacos, mas também para detectar anormalidades vasculares, insuficiência da placenta e restrição de crescimento intra-uterino e avaliar o fetal bem-estar em resposta a insultos no utero incluindo hipoxemia, doença materna e toxicidade de drogas17,18. Em paralelo ao seu valor na avaliação de doenças e defeitos humanos, avaliação de ultrassom dos ratos fetais tem ganhado crescente utilidade em configurações experimentais19,20,21,22, 23. Em particular, ultrassom do coração fetal (ecocardiografia) permite visualização sequencial na vivo do coração em desenvolvimento. Muitos estudos experimentais utilizaram tecnologia de geração de imagens de ultra-som para observar o desenvolvimento cardiovascular fetal em ratos transgénicos fetais. Ultrassom Doppler tem sido particularmente útil para elucidar os parâmetros fisiopatológicos, como os padrões de fluxo na circulação fetal sob desafios fisiológicos ou doença condições10,19. Em seres humanos e animais, vascularização anormal da fluxo ou oxigênio para o feto pode resultar de diversas condições que podem perturbar o ambiente do feto no útero e afetam o eixo fetoplacental, incluindo anormalidades da placenta, hipóxia materna, diabetes gestacional e constrição vascular farmaceuticamente induzido15,22. Portanto, estabelecer métodos padronizados para a realização de ultra-som Doppler fetal ratos irá tremendamente capacitar futuros estudos do CHDs, facilitando o monitoramento de padrões de fluxo e principais índices hemodinâmicos dos circuitos cardiovasculares durante diferentes estágios de desenvolvimento cardíaco em modelos genéticos de rato.
Ultra-som de alta frequência tem emergido como uma poderosa ferramenta para medir os parâmetros fisiológicos e do desenvolvimento do sistema cardiovascular em modelos do rato e doenças humanas18. Esta tecnologia tem sido aperfeiçoada nos últimos anos. Nós e outros pesquisadores têm demonstrado a viabilidade desse sistema para a realização de estudos de ultra-som ultra alta frequência sobre o rato fetal coração15,19,20,21,22 ,23. O sistema é equipado com mapeamento de fluxo Doppler cor e Transdutores de matriz linear que geram imagens bidimensionais, dinâmicas em taxas de quadro de alta frequência (30 a 50 MHz). Estas vantagens, em comparação com sistemas de ultra-som de baixa frequência e a geração anterior de alta frequência ultra-som21,22, fornecem a necessária sensibilidade e resolução para avaliação aprofundada de fetal circulatória sistema, incluindo a caracterização abrangente das estruturas do coração, função de câmara e índices de fluxo dos ratos fetais em configurações experimentais. Neste documento, descrevem métodos para executar uma avaliação rápida da circulação cardiopulmonar e circulação feto-placentária no dia embrionário E18.5 na vivo por meio de um sistema de alta frequência. Optamos por um transdutor de 30/45 MHz que proporciona uma resolução axial de cerca de 60 µm e uma resolução lateral de 150 µm. No entanto, um transdutor de frequência mais elevado (40/50 MHz) pode ser escolhido para analisar os estádios de desenvolvimento mais cedo, seguindo uma abordagem metodológica semelhante. O M-modo selecionado permite a visualização de tecidos em movimento em níveis de alta resolução temporal (1.000 quadros/s). Finalmente, podemos demonstrar a viabilidade de ultra-som de alta para detalhada Caracterização fenotípica abrangente do estado hemodinâmico cardiovascular fetal e função em ratos na linha de base e em resposta ao estresse da hipoxia pré-natal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Doenças e malformações cardiovasculares são substancialmente influenciadas por fatores genéticos e ambientais elementos19. Nós demonstramos anteriormente um impacto significativo de restrição calórica materna, iniciada durante o segundo trimestre, no feto-placentária fluxo circulatório e a função cardíaca fetal9.
Hipoxia pré-natal é outro factor comum de stress durante o desenvolvimento fetal que pode afetar enormemente a fisiolog…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos o núcleo de fisiologia animal, divisão de medicina molecular na UCLA para fornecer suporte técnico e acesso aberto ao sistema Vevo 2100 ultra-som biomicroscopia (UBM). Este estudo foi suportado pelo centro de pesquisa de saúde NIH/filho (5K12HD034610/K12), a UCLA-crianças Discovery Institute e hoje e amanhã da criança e o prêmio David Geffen escola de medicina pesquisa inovação para M. Touma.
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).
