Forskyvning Analyse av Myocardial Mekanisk Deformasjon (DIAMOND) Avslører Segmental heterogenitet av hjertefunksjon i embryonisk sebrafisk
Summary
Målet med denne protokollen er å detaljere en ny metode for vurdering av segmental hjertefunksjon i embryonale sebrafisk under både fysiologiske og patologiske forhold.
Abstract
Sebrafisk blir i økende grad brukt som modellorganisme for kardiomyopatier og regenerering. Nåværende metoder som evaluerer hjertefunksjonen, klarer ikke å på en pålitelig måte oppdage segmental mekanikk og er ikke lett gjennomførbare i sebrafisk. Her presenterer vi en halvautomatisert, åpen kildekode-metode for kvantitativ vurdering av firedimensjonal (4D) segmental hjertefunksjon: forskyvningsanalyse av myokardmekanisk deformasjon (DIAMOND). Transgene embryonale sebrafisk ble avbildet in vivo ved hjelp av et lysark fluorescens mikroskopisystem med 4D hjertebevegelsesynkronisering. Kjøpte 3D digitale hjerter ble rekonstruert ved ende-systole og end-diastole, og ventrikkelen ble manuelt segmentert i binære datasett. Deretter ble hjertet reorientert og isotropisk resamplet langs den sanne korte aksen, og ventrikkelen ble jevnt delt inn i åtte porsjoner (I-VIII) langs den korte aksen. På grunn av de forskjellige omsamplingsflyene og matrisene ved endesystole og end-diastole, ble det søkt om bilderegistrering for å gjenopprette det opprinnelige romlige forholdet mellom de omsamplede systolisk og diastoliske bildematrisene. Etter bilderegistrering ble forskyvningsvektoren av hvert segment fra endesystole til end-diastole beregnet basert på forskyvning av massecentroider i tre dimensjoner (3D). DIAMOND viser at basal myokardsegmenter ved siden av attriventrikulær kanal gjennomgår den høyeste mekaniske deformasjonen og er mest utsatt for doksorubicin-indusert hjerteskade. Samlet sett gir DIAMOND ny innsikt i segmental hjertemekanikk i sebrafiskembryoer utover tradisjonell ejeksjonsfraksjon (EF) under både fysiologiske og patologiske forhold.
Introduction
Kjemoterapi-indusert hjertetoksisitet og påfølgende hjertesvikt er en av hovedårsakene til kjemoterapiseponering1. Derfor spiller hjertefunksjonell vurdering en avgjørende rolle i identifiseringen av hjertetoksisitet og, enda viktigere, i prediksjon av tidlig hjerteskade etter kjemoterapi2. Imidlertid møter dagens tilnærminger for hjertefunksjonell vurdering begrensninger. Metoder som venstre ventrikulær utstøting fraksjon (LVEF) gir bare global og ofte forsinket hjertemekanikk etter skade3,4. Tissue Doppler imaging gir segmental myokard deformasjonsinformasjon, men lider av betydelig intraobserver og interobserver variabilitet, delvis på grunn av ultralyd strålevinkelavhengighet5. Todimensjonal (2D) speckle sporing benytter B-modus for ekkokardiografi, som teoretisk eliminerer vinkelavhengigheten, men nøyaktigheten er begrenset av ut-av-plan bevegelse6. Derfor mangler en streng tilnærming for kvantifiserende segmental hjertefunksjon i både forskning og kliniske innstillinger.
I denne sammenheng utviklet vi en 4D kvantifiseringsmetode for analyse av segmental hjertefunksjon som vi kalte forskyvningsanalyse av myokardmekanisk deformasjon (DIAMOND), for å bestemme forskyvningsvektorene av myokardmassecentroider i 3D-rommet. Vi søkte DIAMOND for in vivo vurdering av hjertefunksjon og doksorubicin-indusert hjertetoksisitet med sebrafisk (Danio rerio) som dyremodell, valgt på grunn av deres regenererende myokardium og høyt bevarte utviklingsgener7. Vi sammenlignet videre segmental DIAMOND-forskyvning med global ejeksjonsfraksjon (EF) bestemmelse og 2D-belastning etter behandling med doksorubicin. Ved å integrere DIAMOND-forskyvning med 4D lysark fluorescerende mikroskopi (LSFM) ervervet gjengivelse av embryonale sebrafisk hjerter, diamond viser at basal myokard segmenter ved siden av atrioventrikulær kanalen gjennomgå den høyeste mekaniske deformasjon og er mest utsatt for akutt dorubxoicin hjerteskade8.
Protocol
Representative Results
Discussion
En streng strategi for kvantifisering av segmental hjerteinfarkt funksjon er avgjørende for å vurdere hjertemekanikk utover tradisjonell EF, kjent for å være en ufølsom og forsinket indikator på hjerteinfarkt skade1,4,12. Derfor har det vært en økende interesse for markører for tidlige myokardendringer, og en voksende mengde litteratur støtter myokarddeformasjonsparametere som en tidlig indikator for å forutsi ventrik…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Det nåværende arbeidet ble finansiert av American Heart Association tilskudd 16SDG30910007 og 18CDA34110338, og av National Institutes of Health tilskudd HL083015, HL111437, HL118650, og 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 |
Referências
- 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).
