Förskjutning analys av hjärtinfarkt mekanisk deformation (DIAMOND) avslöjar segmental heterogenitet av hjärtfunktion i embryonalzebrafisk

Summary

Målet med detta protokoll är att detalj en ny metod för bedömning av segmental hjärt funktion i embryonala zebrafisk under både fysiologiska och patologiska förhållanden.

Abstract

Zebrafish används alltmer som en modell organism för kardiomyopatier och förnyelse. Nuvarande metoder som utvärderar hjärtfunktion misslyckas med att tillförlitligt upptäcka segmental mekanik och är inte lätt genomförbart i zebrafisk. Här presenterar vi en halvautomatiserad, öppen källkod metod för kvantitativ bedömning av fyrdimensionell (4D) segmentell hjärt funktion: förskjutning analys av hjärtinfarkt mekanisk deformation (DIAMOND). Transgena embryonala zebrafiskar avbildades in vivo med hjälp av ett fluorescensmikroskopi med 4D-hjärtrörelsesynkronisering. Förvärvade 3D digitala hjärtan rekonstruerades vid end-systole och end-diastole, och ventrikeln var manuellt segmenterad i binära dataset. Sedan var hjärtat omorienteras och isotropically omsamplas längs den sanna korta axeln, och ventrikeln var jämnt uppdelad i åtta delar (I-VIII) längs den korta axeln. På grund av de olika omsamplingsplan och matriser i slutet-systole och end-diastole, en omvandling matris tillämpades för bildregistrering för att återställa den ursprungliga rumsliga förhållandet mellan de omsamplade systoli skaoch diastolic bild matriser. Efter bildregistrering beräknades förskjutningsvektorn för varje segment från ändstolstal till änddiastole baserat på förskjutningen av masscentrooider i tre dimensioner (3D). DIAMOND visar att basala hjärtinfarkt segment intill atrioventricular kanalen genomgår den högsta mekaniska deformation och är de mest mottagliga för doxorubicin-inducerad hjärtskada. Totalt ger DIAMOND nya insikter i segmental hjärtmekanik i zebrafisk embryon utöver traditionella utmatning fraktion (EF) under både fysiologiska och patologiska förhållanden.

Introduction

Kemoterapi-inducerad hjärt toxicitet och efterföljande hjärtsvikt är en av de främsta orsakerna till kemoterapi utsättande¹. Därför spelar hjärtfunktionell bedömning en avgörande roll i identifieringen av hjärttoxicitet och, ännu viktigare, i förutsägelsen av tidig hjärtskada efter kemoterapi². Nuvarande metoder för hjärtfunktionell bedömning stöter dock på begränsningar. Metoder såsom vänster ventrikulärt utkast fraktion (LVEF) ger endast globala och ofta fördröjd hjärtmekanik efter skada^3,4. Vävnad Doppler imaging ger segmentell hjärtinfarkt deformation information men lider av betydande intraobserver och interobserver variabilitet, delvis på grund av ultraljud strålvinkel beroende⁵. Tvådimensionell (2D) speckle spårning använder B-läge ekokardiografi, som teoretiskt eliminerar vinkelberoendet, men dess noggrannhet begränsas av out-of-plane rörelse⁶. Därför saknas en rigorös metod för kvantifiering av segmental cardiac-funktion i både forskning och kliniska inställningar.

I detta sammanhang utvecklade vi en 4D kvantifieringsmetod för analys av segmentell hjärtfunktion som vi namngav förskjutningsanalys av hjärtinfarkt mekanisk deformation (DIAMOND), för att bestämma förskjutningsvektorerna för hjärtinfarkt masscentrooider i 3D-utrymme. Vi applicerade DIAMOND för in vivo bedömning av hjärtfunktion och doxorubicin-inducerad hjärt toxicitet med zebrafisk(Danio rerio)som djurmodell, väljs på grund av deras regenererande hjärtmuskeln och mycket bevarade utvecklingsgener⁷. Vi jämförde vidare segmental DIAMOND förskjutning med global utkast fraktion (EF) beslutsamhet och 2D stam efter doxorubicin behandling. Genom att integrera DIAMOND förskjutning med 4D ljusplåt fluorescerande mikroskopi (LSFM) förvärvat rendering av embryonala zebrafisk hjärtan, DIAMOND visar att de basala hjärtinfarkt segment intill atrioventricular kanalen genomgår den högsta mekaniska deformation och är de mest mottagliga för akut doxorubicin hjärtskada⁸.

   

Protocol

Alla metoder som beskrivs här har godkänts av UCLA Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC), och experiment utfördes i enlighet med protokoll som godkänts av UCLA Office of Animal Research. 1. Avel Tg(cmlc2:mCherry) zebrafisk och insamling av embryon Följ de intags-, avels- och embryoinsamlingsförfaranden som beskrivs i tidigare etablerade djurhållnings- och häckningsmetoder. För mer information, se Messerschmidt et al.9. <li…

Representative Results

Den process genom vilken DIAMOND utvecklades för att bedöma 3D segmental hjärt funktion presenteras i figur 1. Efter LSFM bildförvärv och återuppbyggnad i 3D av embryonala zebrafisk hjärta(figur 1A),den verkliga kort axel plan fastställdes som planet vinkelrätt mot vertikala och horisontella långa axlar, som båda bestäms i en multiplane viewer(Figur 1B). Hjärtat var sedan resampled län…

Discussion

En rigorös strategi för kvantifiering av segmental hjärtinfarkt funktion är avgörande för att bedöma hjärtmekanik utöver traditionella EF, känd för att vara en okänslig och fördröjd indikator på hjärtinfarkt^{skada 1,4,12}. Därför har det funnits ett växande intresse för markörer för tidiga hjärtinfarktförändringar, och en växande mängd litteratur stöder hjärtinfarkt deformation parametrar som en tidig …

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