Анализ перемещения миокардной механической деформации (DIAMOND) показывает сегментную гетерогенность сердечной функции у эмбриональных зебрафиш
Summary
Целью данного протокола является детальный новый метод оценки сегментальной сердечной функции у эмбриональных зебры как в физиологических, так и в патологических условиях.
Abstract
Зебрафиш все чаще используется в качестве образцового организма для кардиомиопатий и регенерации. Современные методы оценки сердечной функции не могут надежно обнаружить сегментающую механику и не всегда осуществимы у зебры. Здесь мы представляем полуавтоматический метод количественной оценки четырехмерной (4D) сегментальной сердечной функции: анализ смещения механической деформации миокарда (DIAMOND). Трансгенные эмбриональные зебры были изображены в vivo с помощью световой лист флуоресценции микроскопии системы с 4D синхронизации движения сердца. Приобретенные 3D цифровые сердца были реконструированы в конце систолы и конца диастолы, и желудочек был вручную сегментирован в двоичные наборы данных. Затем сердце было переориентировано и изотропно переопределилось вдоль истинной короткой оси, и желудочек был равномерно разделен на восемь частей (I-VIII) вдоль короткой оси. Из-за различных самолетов и матриц в конце систолы и конца диастолы, матрицы преобразования была применена для регистрации изображения для восстановления первоначальной пространственной связи между resampled систолических и диастолических матриц изображений. После регистрации изображений вектор смещения каждого сегмента от конечной систолы к конечной диастоле был рассчитан на основе смещения массовых центроидов в трех измерениях (3D). DIAMOND показывает, что базальные сегменты миокарда, прилегающие к атриовентрикулярному каналу, подвергаются самой высокой механической деформации и наиболее восприимчивы к сердечной травме, вызванной доксорубицином. В целом, DIAMOND предоставляет новые идеи в сегментальной сердечной механики в эмбрионах зебры за пределами традиционной фракции выброса (EF) в физиологических и патологических условиях.
Introduction
Химиотерапия индуцированной сердечной токсичности и последующей сердечной недостаточности являются одной из основных причин прекращения химиотерапии1. Поэтому сердечная функциональная оценка играет решающую роль в выявлении токсичности сердца и, что более важно, в прогнозировании ранней сердечной травмы после химиотерапии2. Тем не менее, современные подходы к сердечной функциональной оценке сталкиваются с ограничениями. Такие методы, как левая фракция выброса желудочков (LVEF) обеспечивают только глобальную и часто задержку сердечной механики после травмы3,4. Ткань Доплера изображения обеспечивает сегментную информацию деформации миокарда, но страдает от значительной intraobserver и interobserver изменчивость, отчасти из-за ультразвукового луча угол зависимость5. Двухмерное (2D) слежение за пятнышком использует B-режим эхокардиографии, который теоретически устраняет зависимость от угла, но его точность ограничена движением вне плоскости6. Поэтому не хватает строгого подхода к количественной оценке сегментальной сердечной функции как в научных исследованиях, так и в клинических условиях.
В этом контексте мы разработали 4D метод количественной оценки для анализа сегментальной сердечной функции, который мы назвали анализом смещения миокарда механической деформации (DIAMOND), чтобы определить переносчики смещения миокардных масс центроидов в 3D пространстве. Мы применили DIAMOND для оценки in vivo сердечной функции и доксорубицина индуцированной сердечной токсичности с зебрафишами(Danio rerio) в качестве модели животных, выбранных из-за их регенерации миокарда и высоко консервированных генов развития7. Мы также сравнили сегментарное смещение DIAMOND с определением глобальной фракции выброса (EF) и 2D-напряжением после лечения доксорубицином. Интегрируя смещение DIAMOND с 4D световой лист флуоресцентной микроскопии (LSFM) приобретенные визуализации эмбриональных сердец зебры, DIAMOND показывает, что базальные сегменты миокарда, прилегающих к атриовентрикулярного канала проходят самую высокую механическую деформацию и являются наиболее восприимчивыми к острой доксорубицин сердечной травмы8.
Protocol
Representative Results
Discussion
Строгая стратегия для количественной оценки сегментальной функции миокарда имеет решающее значение для оценки сердечной механики за пределами традиционных EF, как известно, нечувствительным и задержкой индикатор травмы миокарда1,4,12. …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Нынешняя работа финансировалась американской ассоциацией сердца гранты 16SDG30910007 и 18CDA34110338, а также Национальные институты здравоохранения грантов HL083015, HL111437, HL118650, и HL129727.
Materials
| Amira6 | FEI | Image analyzing software | |
| DAPT | Millipore Sigma | D5942-5MG | |
| Doxorubicin hydrochloride | Millipore Sigma | D1515-10MG | |
| Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate | Millipore Sigma | E10521-10G | Tricaine |
| MATLAB | MathWorks | Programming environment | |
| MATLAB Image Processing Toolbox | MathWorks | Image processing toolbox |
References
- Ewer, M. S., Ewer, S. M. Cardiotoxicity of anticancer treatments. Nature Reviews Cardiology. 12 (9), 547-558 (2015).
- Thavendiranathan, P., Wintersperger Bernd, J., Scott, F. D., Thomas D, M. H. Cardiac MRI in the Assessment of Cardiac Injury and Toxicity From Cancer Chemotherapy. Circulation: Cardiovascular Imaging. 6 (6), 1080-1091 (2013).
- Mickoleit, M., et al. High-resolution reconstruction of the beating zebrafish heart. Nature Methods. 11 (9), 919-922 (2014).
- Thavendiranathan, P., et al. Use of Myocardial Strain Imaging by Echocardiography for the Early Detection of Cardiotoxicity in Patients During and After Cancer Chemotherapy. A Systematic Review. 63 (25), 2751-2768 (2014).
- Collier, P., Phelan, D., Klein, A. A Test in Context: Myocardial Strain Measured by Speckle-Tracking Echocardiography. Journal of the American College of Cardiology. 69 (8), 1043-1056 (2017).
- Hanekom, L., Cho, G. Y., Leano, R., Jeffriess, L., Marwick, T. H. Comparison of two-dimensional speckle and tissue Doppler strain measurement during dobutamine stress echocardiography: an angiographic correlation. European Heart Journal. 28 (14), 1765-1772 (2007).
- Poss, K. D., Wilson, L. G., Keating, M. T. Heart regeneration in zebrafish. Science. 298 (5601), 2188-2190 (2002).
- Chen, J., et al. Displacement analysis of myocardial mechanical deformation (DIAMOND) reveals segmental susceptibility to doxorubicin-induced injury and regeneration. JCI Insight. 4 (8), e125362 (2019).
- Messerschmidt, V., et al. Light-sheet Fluorescence Microscopy to Capture 4-Dimensional Images of the Effects of Modulating Shear Stress on the Developing Zebrafish Heart. Journal of Visualized Experiments. (138), e57763 (2018).
- Rosen, J. N., Sweeney, M. F., Mably, J. D. Microinjection of Zebrafish Embryos to Analyze Gene Function. Journal of Visualized Experiments. (25), e1115 (2009).
- Lee, J., et al. 4-Dimensional light-sheet microscopy to elucidate shear stress modulation of cardiac trabeculation. The Journal of Clinical Investigation. 126 (5), 1679-1690 (2016).
- Lenneman, C. G., Sawyer, D. B. Cardio-Oncology: An Update on Cardiotoxicity of Cancer-Related Treatment. Circulation Research. 118 (6), 1008-1020 (2016).
- Geyer, H., et al. Assessment of Myocardial Mechanics Using Speckle Tracking Echocardiography: Fundamentals and Clinical Applications. Journal of the American Society of Echocardiography. 23 (4), 351-369 (2010).
- Castro, P. L., Greenberg, N. L., Drinko, J., Garcia, M. J., Thomas, J. D. Potential pitfalls of strain rate imaging: angle dependency. Biomedical Sciences Instrumentation. 36, 197-202 (2000).
- Seo, Y., Ishizu, T., Aonuma, K. Current Status of 3Dimensional Speckle Tracking Echocardiography: A Review from Our Experiences. Journal of Cardiovascular Ultrasound. 22 (2), 49-57 (2014).
- Amzulescu, M. S., et al. Improvements of Myocardial Deformation Assessment by Three-Dimensional Speckle-Tracking versus Two-Dimensional Speckle-Tracking Revealed by Cardiac Magnetic Resonance Tagging. Journal of the American Society of Echocardiography. 31 (9), 1021-1033 (2018).
- Wolterink, J. M., Leiner, T., Viergever, M. A., Išgum, I., Zuluaga, M. A., et al. . Reconstruction, Segmentation, and Analysis of Medical Images. , 95-102 (2016).
- Avendi, M. R., Kheradvar, A., Jafarkhani, H. A combined deep-learning and deformable-model approach to fully automatic segmentation of the left ventricle in cardiac MRI. Medical Image Analysis. 30, 108-119 (2016).
- Packard, R. R. S., et al. Automated Segmentation of Light-Sheet Fluorescent Imaging to Characterize Experimental Doxorubicin-Induced Cardiac Injury and Repair. Scientific Reports. 7 (1), 8603 (2017).
- Jay Kuo, C. C., Chen, Y. On data-driven Saak transform. Journal of Visual Communication and Image Representation. 50, 237-246 (2018).
- Natarajan, N., et al. Complement Receptor C5aR1 Plays an Evolutionarily Conserved Role in Successful Cardiac Regeneration. Circulation. 137 (20), 2152-2165 (2018).
- Zhukov, L., Barr, A. H. . IEEE Visualization VIS 2003. , 597-602 (2003).
- Nielles-Vallespin, S., et al. In vivo diffusion tensor MRI of the human heart: Reproducibility of breath-hold and navigator-based approaches. Magnetic Resonance in Medicine. 70 (2), 454-465 (2013).
