Высокочастотная ультразвуковая эхокардиография для оценки сердечной функции зебры
Summary
Мы описываем протокол для оценки морфологии сердца и функции у взрослых зебры с помощью высокочастотной эхокардиографии. Метод позволяет визуализировать сердце и последующую количественную оценку функциональных параметров, таких как частота сердечных приступов (HR), выход сердца (CO), изменение дробной области (FAC), фракция выброса (EF), а также скорость притока крови и оттока.
Abstract
Зебрафиш(Danio rerio) стал очень популярным модельным организмом в сердечно-сосудистых исследованиях, включая сердечные заболевания человека, во многом благодаря своей эмбриональной прозрачности, генетической уступчивости и удобствам для быстрых, высокопроизводительных исследований. Однако потеря прозрачности ограничивает анализ функций сердца на взрослой стадии, что усложняет моделирование возрастных заболеваний сердца. Для преодоления таких ограничений, высокочастотная ультразвуковая эхокардиография у зебры становится жизнеспособным вариантом. Здесь мы представляем подробный протокол для оценки сердечной функции у взрослых зебры с помощью неинвазивной эхокардиографии с помощью высокочастотного ультразвука. Метод позволяет визуализировать и анализировать измерение сердца зебры и количественно ежемерскую оценку важных функциональных параметров, включая частоту сердечных приступов, объем инсульта, выход сердца и выброс фракции. В этом методе, рыбы под обезглавлены и хранятся под водой и могут быть восстановлены после процедуры. Хотя высокочастотный ультразвук является дорогостоящей технологией, одиниковую платформу визуализации можно использовать для различных видов (например, мурина и зебры) путем адаптации различных преобразователей. Эхокардиография зебры является надежным методом сердечного фенотипирования, полезным для проверки и характеристики моделей заболеваний, особенно позднего начала заболеваний; экраны наркотиков; и исследования сердечно-сотруднических травм, восстановления и регенеративной способности.
Introduction
Зебрафиш(Danio rerio) является устоявшейся позвоночной моделью для изучения процессов развития и заболеваний человека1. Зебрафиш обладают высоким генетическим сходством с человеком (70%), генетической усваиваемостью, высокой плодовитостью и оптической прозрачностью во время эмбрионального развития, что позволяет прямо проводить визуальный анализ органов и тканей, в том числе сердца. Несмотря на наличие только одного предсердия и одного желудочка, сердце зебры(рисунок 1) физиологически похоже на четырехкамерные сердца млекопитающих. Важно отметить, что частота сердечных приступов зебры, морфология электрокардиограммы и потенциальная форма действия напоминают формы людей больше, чем виды мурин2. Эти особенности сделали зебрафиш отличной моделью для сердечно-сосудистых исследований и обеспечили основные идеи в сердечное развитие3,4, регенерация5, и патологические условия1,,3,4, в том числе атеросклероз, кардиомиопатии, аритмии, врожденные пороки сердца, и амилоидный свет сердечной токсичности1,43,6. Оценка сердечной функции стала возможной на эмбриональной стадии (1-дневное послеоплодное) путем прямого видеоанализа с использованием высокоскоростной видеомикроскопии7,,8. Тем не менее, зебрафиш теряют прозрачность за эмбриональной стадии, ограничивая функциональные оценки нормальных зрелых сердец и поздних сердечных заболеваний. Чтобы преодолеть это ограничение, эхокардиография была успешно использована в качестве высокого разрешения, в режиме реального времени, неинвазивные альтернативы изображений для оценки функции сердца зебры взрослых9,10,11,12,13,14,15.
У зебры сердце расположено венцомально в грудной полости сразу же застежки с предсердием, расположенным в дорсе к желудочку. Атриум собирает венозную кровь из синусовой веносики и передает ее в желудочек, где он далее перекачивается в артериоз пулезного(рисунок 1). Здесь мы описываем физиологический, подводный протокол для оценки сердечной функции у взрослых зебры с помощью неинвазивной эхокардиографии с помощью линейного ультразвукового зонда с центральной частотой 50 МГц для Визуализации B-режима с разрешением 30 мкм. Так как ультразвуковые волны могут легко путешествовать через воду, сохраняя близость между рыбой и сканирующий зонд под водой обеспечивает достаточную контактную поверхность для обнаружения сердца без необходимости для ультразвукового геля и в целом менее напряженным для рыбы. Хотя альтернативные системы эхокардиографии зебры были зарегистрированы несколькими авторами9,12,13, здесь мы представляем общие и наиболее часто используемые установки, которая применяется к высокочастотной ультразвука у животных.
Метод позволяет с высоким разрешением изображения сердца взрослого зебры, отслеживание сердечных структур, а также количественное измерение пиковых скоростей от измерений кровотока доплеров. Мы показываем надежную виво-количественную оценку важных систолических и диастолических параметров, таких как фракция выброса (EF), изменение дробной области (FAC), скорость притока и оттока желудочков, частота сердечных приступов (HR) и сердечный выброс (CO). Мы вносим свой вклад в создание надежного диапазона нормальных здоровых взрослых зебры сердечных функциональных и размерных параметров, чтобы позволить более точное обследование патологических состояний. В целом, мы предоставляем надежный метод для оценки сердечной функции у зебры, которая оказалась чрезвычайно полезной в создании и проверке моделей болезни сердца зебры6,16, травмы сердца и восстановления10,13, и регенерации11,12, и может быть дополнительно использован для оценки потенциальных препаратов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы описываем систематический метод эхокардиографической визуализации и оценки сердечной функции у взрослых зебры. Эхокардиография является единственным доступным неинвазивным и наиболее надежным методом для живой взрослой рыбы сердечной визуализации и функционального анализа, и о…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Фреда Робертса за техническую поддержку и пересмотр рукописи.
Materials
| Double sided tape | |||
| Fish net | |||
| Glass container – 100 inch high | |||
| High frequency transducer | Fujifilm/VisualSonics | MX700 | Band width 29-71 MHz, Centre transmit 50 MHz, Axial resolution 30 µm |
| Plastic teaspoon | |||
| Scalpel or scissors | |||
| Small fish tanks | |||
| Sponge (kitchen sponge) | |||
| Transfer pipets (graduated 3 mL) | Samco Scientific | 212 | |
| Tricaine (MS-222) | Sigma-Aldrich | A5040 | |
| Vevo 3100 Imaging system and imaging station | Fujifilm/VisualSonics | ||
| Vevo LAB sofware v 1.7.1 | Fujifilm/VisualSonics |
References
- Santoriello, C., Zon, L. I. Hooked! Modeling human disease in zebrafish. Journal of Clinical Investigation. 122 (7), 2337-2343 (2012).
- Verkerk, A. O., Remme, C. A. Zebrafish: a novel research tool for cardiac (patho)electrophysiology and ion channel disorders. Frontiers in Physiology. 3, 255 (2012).
- Bakkers, J. Zebrafish as a model to study cardiac development and human cardiac disease. Cardiovascular research. 91 (2), 279-288 (2011).
- Poon, K. L., Brand, T. The zebrafish model system in cardiovascular research: A tiny fish with mighty prospects. Global Cardiology Science and Practise. 2013 (1), 9-28 (2013).
- Jopling, C., et al. Zebrafish heart regeneration occurs by cardiomyocyte dedifferentiation and proliferation. Nature. 464 (7288), 606-609 (2010).
- Mishra, S., et al. Zebrafish model of amyloid light chain cardiotoxicity: regeneration versus degeneration. American Journal of Physiology Heart Circulatory Physiology. 316 (5), H1158-H1166 (2019).
- Shin, J. T., Pomerantsev, E. V., Mably, J. D., MacRae, C. A. High-resolution cardiovascular function confirms functional orthology of myocardial contractility pathways in zebrafish. Physiologycal Genomics. 42 (2), 300-309 (2010).
- Mishra, S., et al. Human amyloidogenic light chain proteins result in cardiac dysfunction, cell death, and early mortality in zebrafish. American Journal of Physiology Heart Circulatory Physiology. 305 (1), H95-H103 (2013).
- Ernens, I., Lumley, A. I., Devaux, Y., Wagner, D. R. Use of Coronary Ultrasound Imaging to Evaluate Ventricular Function in Adult Zebrafish. Zebrafish. 13 (6), 477-480 (2016).
- González-Rosa, J. M., et al. Use of Echocardiography Reveals Reestablishment of Ventricular Pumping Efficiency and Partial Ventricular Wall Motion Recovery upon Ventricular Cryoinjury in the Zebrafish. PLoS One. 9 (12), (2014).
- Huang, C. C., Su, T. H., Shih, C. C. High-resolution tissue Doppler imaging of the zebrafish heart during its regeneration. Zebrafish. 12 (1), 48-57 (2015).
- Kang, B. J., et al. High-frequency dual mode pulsed wave Doppler imaging for monitoring the functional regeneration of adult zebrafish hearts. Journal of the Royal Society Interface. 12 (103), (2015).
- Lee, J., et al. Hemodynamics and ventricular function in a zebrafish model of injury and repair. Zebrafish. 11 (5), 447-454 (2014).
- Sun, L., Lien, C. L., Xu, X., Shung, K. K. In Vivo Cardiac Imaging of Adult Zebrafish Using High Frequency Ultrasound (45-75 MHz). Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (1), 31-39 (2008).
- Wang, L. W., Kesteven, S. H., Huttner, I. G., Feneley, M. P., Fatkin, D. High-Frequency Echocardiography- Transformative Clinical and Research Applications in Humans, Mice, and Zebrafish. Circulation Journal. 82 (3), 620-628 (2018).
- Wang, L. W., et al. Standardized echocardiographic assessment of cardiac function in normal adult zebrafish and heart disease models. Disease Models & Mechanisms. 10 (1), 63 (2017).
- Lee, L., et al. Functional Assessment of Cardiac Responses of Adult Zebrafish (Danio rerio) to Acute and Chronic Temperature Change Using High-Resolution Echocardiography. PLOS ONE. 11 (1), e0145163 (2016).
- Genge, C. E., et al., Nilius, B., et al. . Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology. 171, 99-136 (2016).
