Foetale muis cardiovasculaire Imaging met behulp van een systeem van hoge-frequentie echografie (30 / 45MHZ)
Summary
Hoge-frequentie echografie beeldvorming van de foetale muis kan imaging resolutie is verbeterd en nauwkeurige niet-invasieve karakterisering van cardiale ontwikkeling en structurele gebreken. Het protocol hierin geschetst is ontworpen om uit te voeren real-time foetale muizen echocardiografie in vivo.
Abstract
Aangeboren hartafwijkingen (CHDs) zijn de meest voorkomende oorzaak van morbiditeit van de kindertijd en vroege mortaliteit. Prenatale opsporing van de moleculaire mechanismen van CHDs is van cruciaal belang voor het uitvinden van nieuwe preventieve en therapeutische strategieën. Mutant Muismodellen zijn krachtige instrumenten om nieuwe mechanismen en milieudruk modifiers dat station cardiale ontwikkeling en hun mogelijke wijziging in CHDs te ontdekken. Inspanningen om de causaliteit van deze vermeende leverden geweest is beperkt tot histologische en moleculaire studies in non-survival dierproeven, die toezicht op de essentiële fysiologische en hemodynamische parameters echter vaak afwezig is. Levende imaging technologie is een essentieel instrument om de etiologie van CHDs geworden. In het bijzonder, echografie beeldvorming kan geïnduceerd worden gebruikt zonder operatief bloot de foetussen, waardoor het behoud van hun fysiologie basislijn terwijl de gevolgen van de milieudruk over de hemodynamische en structurele aspecten van cardiale kamer ontwikkeling. Hierin, wij gebruiken het systeem van hoge-frequentie echografie (30/45) te onderzoeken van het cardiovasculaire systeem bij foetale muizen bij E18.5 in utero op de basislijn en in reactie op blootstelling van de prenatale hypoxie. We aantonen de haalbaarheid van het systeem voor het meten van de cardiale kamer grootte, morfologie, ventriculaire functie, foetale hartslag, en navelstreng slagader stroom indexen en hun wijzigingen in de foetale muizen blootgesteld aan systemische chronische hypoxie in utero in echte tijd.
Introduction
Aangeboren afwijkingen van het hart zijn heterogene structurele gebreken die zich tijdens de vroege ontwikkeling van de cardiale voordoen. Vooruitgang van de huidige operationele procedures die hebben geleid tot aanzienlijke verbeteringen in de overlevingscijfers van zuigelingen met CHDs1,2. Kwaliteit van leven is echter vaak gecompromitteerde secondary met langdurige hospitalisatie en behoeften voor reparatie van chirurgische procedures1,2,3,4,5geënsceneerd. Prenatale opsporing van de moleculaire mechanismen van CHDs is van cruciaal belang om het plan van de vroege interventies, voor het verrichten van nieuwe preventiestrategieën, en ter verbetering van de levenslange resultaten6,7.
Hoewel meerdere genetische en ecologische factoren zijn betrokken bij CHDs pathogenese, blijft tot oprichting van de causaliteit een unmet behoefte om diagnostische, therapeutische en preventieve strategieën1,8,9 ,10,11,12. Bovendien opent onderzoekt de rol van in utero stressfactoren en epigenetische modifiers nieuwe locaties voor toekomstige onderzoeken11,12. De afgelopen tien jaar is inderdaad getuige geweest van snelle vooruitgang in de technologie volgende generatie sequencing met inbegrip van één nucleotide polymorphism (SNP) microarray, hele exome sequencing en methylation van genoom-brede studies, hun gebruik in het bestuderen van de genetische modificatie oorzaken van complexe ziekten bij de mens, met inbegrip van CHDs1,8,9,10,11 is de weg effent naar het identificeren van nieuwe mutaties en genetische varianten die nog niet hebben getest voor hun pathogeniteit geschikt diermodellen.
Onder de andere ziekte modelsystemen is muis de diermodel van keuze, niet alleen voor het onderzoek naar mechanismen van CHDs tijdens de vroege cardiogenesis13,14,15,16, maar ook om te verhelderen hun effect op cardiale kamer rijping en functie op late zwangerschap in prenatale en perinatale stressfactoren. Vandaar, het uitvoeren van in vivo fenotypische karakterisering van een mutant foetale muis hart, tijdens zowel de vroege en de late stadia van ontwikkeling, is cruciaal om te begrijpen van de rol van deze genetische variaties en milieufactoren op cardiale ontwikkeling, en de mogelijke toekomstige gevolgen voor kamer specifieke rijping processen in muizen.
Vroegtijdige opsporing en accurate diagnose van cardiale afwijkingen tijdens ontwikkeling is essentieel voor Interventionele planning17,18. Wordt veilig, eenvoudig, draagbare en herhaalbare, foetale echografie is inderdaad uitgegroeid tot de standaard imaging techniek voor cardiale evaluatie in de kliniek. Beoordeling van de foetale circulatie met behulp van Doppler echografie wijd gebruikt in de klinische praktijk niet alleen voor de detectie van cardiale afwijkingen, maar ook om vasculaire afwijkingen, placenta insufficiëntie en uteriene groei beperking te detecteren en te evalueren het foetale welzijn in reactie op in utero beledigingen hypoxemia, maternale ziekte, alsmede drug toxiciteit17,18. Parallel aan de waarde bij de evaluatie van de menselijke gebreken en ziekten, heeft echografie beoordeling van foetale muizen opgedaan toenemende utility in experimental instellingen19,20,21,22, 23. In het bijzonder, kunt foetale hart echografie (echocardiografie) sequentiële in vivo visualisatie van het ontwikkelende hart. Vele experimentele studies hebben echografie-imaging technologie gebruikt om het observeren van foetale cardiovasculaire ontwikkeling in transgene foetale muizen. Doppler echografie is vooral handig voor het ophelderen van de pathofysiologische parameters, zoals de stromingspatronen in de foetale circulatie onder fysiologische uitdagingen of10,19van de voorwaarden van de ziekte. Bij zowel mensen als dieren, kan abnormale stroom of zuurstof bloedtoevoer naar de foetus voortvloeien uit verschillende omstandigheden die kunnen verstoren milieu van de foetus in utero en beïnvloeden de fetoplacental as, met inbegrip van de afwijkingen van de placenta, maternale hypoxie, Zwangerschapsdiabetes en farmaceutisch geïnduceerde vasculaire vernauwing15,22. Daarom, tot vaststelling van gestandaardiseerde methoden voor het uitvoeren van Doppler ultrasone klanken op foetale muizen zal enorm de emancipatie van toekomstige studies van CHDs doordat de stromingspatronen toezicht en belangrijke hemodynamische indexcijfers van de cardiovasculaire circuits tijdens verschillende stadia van ontwikkeling van de cardiale in genetische Muismodellen.
Hoge frequentie echografie heeft ontpopt als een krachtig instrument voor het meten van de ontwikkelings- en fysiologische parameters van het cardiovasculaire systeem in muismodellen en ziekten bij de mens18. Deze technologie is verder verfijnd geweest in de afgelopen jaren. Wij en andere onderzoekers hebben aangetoond de haalbaarheid van dit systeem voor de uitvoering van ultra-hoge frequentie echografie studies naar de foetale muis hart15,19,20,21,22 ,23. Het systeem is uitgerust met Doppler kleur flow mapping en lineaire matrix omvormers die het genereren van tweedimensionale, dynamische beelden met hoge frequentie (30 tot 50 MHz) framesnelheden. Deze voordelen, in vergelijking met lage frequentie echografie systemen en de vorige generatie van hoge frequentie echografie21,22, voorzien in de nodige gevoeligheid en resolutie grondige evaluatie van de foetale bloedsomloop systeem, met inbegrip van uitgebreide karakterisering van hart structuren, kamer functie en stroom indexcijfers van de foetale muizen in experimentele instellingen. Hierin duidelijk naar voren komt methoden voor het uitvoeren van snelle beoordeling van cardiopulmonale omloop en feto-placenta embryonale dag E18.5 in vivo verkeer met behulp van een hoogfrequent systeem. We kozen voor een 30/45 MHz transducer waarmee een axiale resolutie van ongeveer 60 µm en een laterale resolutie van 150 µm. Echter, een hogere frequentie omvormer (40/50 MHz) kan worden gekozen voor het analyseren van eerder ontwikkelingsstadia door een vergelijkbare methodologische aanpak te volgen. De geselecteerde M-modus kunnen de visualisatie van weefsels in beweging op hoge temporele resolutie niveaus (1.000 frames/s). Tot slot, we de haalbaarheid van hoge echografie voor gedetailleerde uitgebreide fenotypische karakterisering van foetale cardiovasculaire hemodynamische status en functie in muizen op basislijn en in reactie op stress prenatale hypoxie aantonen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cardiovasculaire misvormingen en ziekten worden sterk beïnvloed door genetische factoren en milieuelementen19. Wij hebben eerder aangetoond een significant effect van maternale calorie beperking, dat is geïnitieerd tijdens het tweede trimester, op feto-placenta bloedsomloop stroom en foetale hartfunctie9.
Prenatale hypoxie is een andere gemeenschappelijke factor van de stress tijdens de foetale ontwikkeling die enorm de feto-placenta fysiologie…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de Dierenfysiologie kern, Afdeling Moleculaire Geneeskunde aan de UCLA voor het verstrekken van technische ondersteuning en open toegang tot het Vevo 2100 echografie biomicroscopy (UBM) systeem. Deze studie werd ondersteund door het hulpprogramma voor het onderzoek van de NIH/kind-gezondheidscentrum (5K12HD034610/K12), de UCLA-Children’s Discovery Institute en vandaag en morgen Children’s Fund, en David Geffen School of Medicine Research Innovation award naar 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).
