Displacement Analysis of Myocardial Mechanical Deformation (DIAMOND) Reveals Segmental Heterogeneity of Cardiac Function in Embryonic Zebrafish
Summary
Ziel dieses Protokolls ist es, eine neuartige Methode zur Beurteilung der segmentalen Herzfunktion bei embryonalen Zebrafischen unter physiologischen und pathologischen Bedingungen zu beschreiben.
Abstract
Zebrafische werden zunehmend als Modellorganismus für Kardiomyopathien und Regeneration genutzt. Aktuelle Methoden zur Beurteilung der Herzfunktion erkennen die Segmentmechanik nicht zuverlässig und sind bei Zebrafischen nicht ohne weiteres durchführbar. Hier stellen wir eine halbautomatische Open-Source-Methode zur quantitativen Bewertung der vierdimensionalen (4D) segmentalen Herzfunktion vor: Verschiebungsanalyse der mechanischen Verformung myokardisch (DIAMOND). Transgene embryonale Zebrafische wurden in vivo mit einem Lichtbogenfluoreszenzmikroskopiesystem mit 4D-Herzbewegungssynchronisation abgebildet. Erworbene digitale 3D-Herzen wurden an End-Systole und End-Diastole rekonstruiert, und der Ventrikel wurde manuell in binäre Datensätze segmentiert. Dann wurde das Herz neu ausgerichtet und isotrop entlang der wahren kurzen Achse neu gesampelt, und der Ventrikel wurde gleichmäßig in acht Abschnitte (I–VIII) entlang der kurzen Achse unterteilt. Aufgrund der unterschiedlichen Resampling-Ebenen und Matrizen an End-Systole und End-Diastole wurde eine Transformationsmatrix für die Bildregistrierung angewendet, um die ursprüngliche räumliche Beziehung zwischen den resampled systolischen und diastolischen Bildmatrizen wiederherzustellen. Nach der Bildregistrierung wurde der Verschiebungsvektor jedes Segments von End-Systole zu End-Diastole basierend auf der Verschiebung von Massenzentroiden in drei Dimensionen (3D) berechnet. DIAMOND zeigt, dass basale Myokardsegmente neben dem atrioventrikulären Kanal die höchste mechanische Verformung erfahren und am anfälligsten für Doxorubicin-induzierte Herzverletzungen sind. Insgesamt liefert DIAMOND neue Einblicke in die segmentale Herzmechanik bei Zebrafischembryonen jenseits der traditionellen Auswurffraktion (EF) unter physiologischen und pathologischen Bedingungen.
Introduction
Chemotherapie-induzierte Herztoxizität und daraus resultierende Herzinsuffizienz sind einer der Hauptgründe für den Abbruch der Chemotherapie1. Daher spielt die kardiale funktionelle Beurteilung eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung der Kardialtoxizität und, was noch wichtiger ist, bei der Vorhersage einer frühen Herzverletzung nach Chemotherapie2. Aktuelle Ansätze zur kardialen funktionellen Beurteilung stoßen jedoch auf Einschränkungen. Methoden wie die linksventrikuläre Auswurffraktion (LVEF) bieten nur globale und oft verzögerte Herzmechanik nach Verletzung3,4. Die Gewebe-Doppler-Bildgebung liefert segmentale Myokardverformungsinformationen, leidet jedoch unter einer signifikanten Intraobserver- und Interobserver-Variabilität, teilweise aufgrund der Ultraschallabstrahlwinkelabhängigkeit5. Das zweidimensionale (2D) Speckle-Tracking nutzt den B-Modus der Echokardiographie, der theoretisch die Winkelabhängigkeit eliminiert, aber seine Genauigkeit wird durch die Bewegung a-of-plane6begrenzt. Daher fehlt ein strenger Ansatz zur Quantifizierung der segmentalen Herzfunktion sowohl in der Forschung als auch in der klinischen Umgebung.
In diesem Zusammenhang entwickelten wir eine 4D-Quantifizierungsmethode zur Analyse der segmentalen Herzfunktion, die wir die Verschiebungsanalyse der myokardischen mechanischen Verformung (DIAMOND) nannten, um die Verschiebungsvektoren von Myokard-Massenzentroiden im 3D-Raum zu bestimmen. Wir haben DIAMOND für die in vivo Bewertung der Herzfunktion und Doxorubicin-induzierte Kartotoxizität mit Zebrafischen (Danio rerio) als Tiermodell eingesetzt, das aufgrund ihres regenerierenden Myokards und der hochkonservierten Entwicklungsgene ausgewählt wurde7. Wir verglichen die segmentale DIAMOND-Verschiebung weiter mit der Bestimmung der globalen Auswurffraktion (EF) und der 2D-Dehnung nach Doxorubicin-Behandlung. Durch die Integration der DIAMOND-Verschiebung mit der 4D-Lichtbogen-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM), die die Wiedergabe embryonaler Zebrafischherzen erworben hat, zeigt DIAMOND, dass die basalen Myokardsegmente neben dem atrioventrikulären Kanal die höchste mechanische Verformung erfahren und am anfälligsten für akute Doxorubicin-Herzverletzungen8sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eine strenge Strategie zur Quantifizierung der segmentalen Myokardfunktion ist entscheidend, um die Herzmechanik über die traditionelle EF hinaus zu bewerten, bekannt als ein unsensibler und verzögerter Indikator für Myokardverletzungen1,4,12. Daher hat es ein wachsendes Interesse an Markern früher Myokardveränderungen gegeben, und ein wachsender Körper der Literatur unterstützt myokardische Verformungsparameter als Früh…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die aktuelle Arbeit wurde von den Zuschüssen der American Heart Association 16SDG30910007 und 18CDA34110338 und von den National Institutes of Health Grants HL083015, HL111437, HL118650 und HL129727 finanziert.
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 |
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