使用标准显微镜和视频分析对斑马鱼胚胎进行功能性心脏成像：在环境和生物医学研究中的应用
2025年10月10日
该协议描述了一种低成本的光学显微镜方法，用于评估斑马鱼胚胎的心脏形态和功能，无需先进的成像系统即可对发育性心脏毒性进行可重复的评估。
高分辨率显微镜、荧光报告仪和数字图像分析等技术，能够详细评估斑马鱼胚胎心脏功能。保持一致的影像条件和减少胚胎运动仍是准确心脏功能测量的主要挑战。首先，请以无压缩格式录制斑马鱼胚胎96小时后的视频，以便准确分析心脏运动动态。
依次点击“文件”，打开，然后在ImageJ中选择AVI文件导入视频。使用分析，然后点击设置刻度，输入已知场径，并启用全局选项，将刻度应用于所有测量值。使用ROI工具在收缩末期和舒张末期标记长短心室轴。
然后用椭圆近似公式确定心室表面积。使用椭球体体积公式估算舒张末期和收缩末期的心室容积。现在计算分数面积变化和分数缩短。
然后确定搏出量（SV）和射血分数（EF）。如需自动分析，启动Z胚胎分析软件，点击“文件”，然后打开视频，导入所需视频。点击“检测心跳”按钮，让软件根据视频帧间亮度波动自动定位感兴趣区域。让软件分析检测到的关注区域内亮度变化以估算心率，然后计算心输出量。
图表显示了斑马鱼胚胎在受精后96小时舒张末期和收缩末期测量的心室腔室面积和体积。舒张末期和收缩末期的数量差异反映了早期心脏发育期间正常的收缩功能，支持该方法的适用性。在健康的斑马鱼胚胎中，平均射程量为0.213纳升。
心输出量为每分钟27.8纳升。射血分数为41.99%，平均心率为每分钟130次。在健康的斑马鱼胚胎中，平均面积分数变化为61.2%，分数缩短为44.5%。镉暴露胚胎表现出异常心脏形态，伴有心室肿大和心包水肿。
在镉暴露的胚胎中，搏出量显著高于对照组。心输出量增加，心率降低。该方案解决了缺乏标准化且可重复的流程量化斑马鱼胚胎心脏功能的方法。
该方案采用标准显微镜和开源分析，使得无需专业设备即可进行高质量心脏评估。研究结果提供了可靠的方案，提高了研究间的可比性，并使心脏表型的评估更加精准。
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概述
该协议描述了一种低成本的光学显微镜方法，用于评估斑马鱼胚胎的心脏形态和功能，实现了对发育性心脏毒性的可重复评估，无需先进的成像系统。该方法允许使用标准显微镜和开源软件对心脏功能进行详细分析。
关键研究组成部分
科学领域
- 心脏形态
- 胚胎发育
- 毒理学
背景
- 高分辨率显微镜和数字图像分析对于评估胚胎心脏功能至关重要。
- 保持一致的成像条件对于准确测量至关重要。
- 挑战包括在成像过程中最小化胚胎运动。
- 缺乏标准化的方法来量化斑马鱼的心脏功能。
研究目的
- 提供一个可重复的协议，用于评估斑马鱼胚胎的心脏功能。
- 实现对发育性心脏毒性的评估。
- 提高研究之间的可比性。
使用的方法
- 在受精后96小时记录斑马鱼胚胎的视频。
- 使用ImageJ进行视频分析和心脏参数测量。
- 计算心室表面积、体积、中值体积和射血分数。
- 使用Z-Embryo Analyzer软件进行心脏输出的自动分析。
主要结果
- 健康胚胎的平均中值体积为0.213纳升。
- 心脏输出测量为每分钟27.8纳升。
- 射血分数为41.99%，心率为每分钟130次。
- 镉暴露导致心脏形态异常和功能改变。
结论
- 该协议为斑马鱼胚胎的心脏评估提供了一种可靠的方法。
- 标准显微镜和开源分析使该方法易于使用。
- 研究结果支持该方法在评估心脏表型方面的适用性。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative cardiac imaging in zebrafish embryos enables early-stage detection of developmental cardiotoxicity, supporting predictive de-risking in cardiovascular drug discovery. Standardized video analysis workflows provide reproducible, high-throughput functional readouts, facilitating robust target validation and mechanistic interrogation. This approach enhances portfolio triage by enabling scalable, resource-efficient assessment of cardiac liabilities in preclinical models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of cardiac targets in a genetically tractable vertebrate model.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying cardiac performance under genetic or compound perturbation.
- Facilitates predictive confidence in target selection through quantitative, reproducible cardiac metrics.
Screening & Assay Development
- Prepares validated zebrafish cardiac assays for compound screening and toxicology workflows.
- Standardizes measurement of ventricular dimensions, stroke volume, and cardiac output for assay reproducibility.
- Enables high-throughput, quantitative evaluation of cardiac phenotypes using accessible instrumentation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns early functional cardiac endpoints with translational biomarker strategies in cardiovascular research.
- Provides continuity from discovery through preclinical validation by enabling in vivo cardiac assessment.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by revealing early cardiotoxicity signals.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis-driven cardiac function testing, assay standardization, and quantitative analytics in zebrafish embryos.
- Discovery Biology: Supports null hypothesis testing and pathway clarification for cardiac targets.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative cardiac readouts for compound evaluation.
- Analytics: Provides statistical outputs such as stroke volume, ejection fraction, and cardiac output for condition comparison.
- Translational Research: Bridges early discovery findings with preclinical cardiac safety assessment.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, standardized workflow adaptable across cardiovascular research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cardiac target validation.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible, and scalable cardiac function assessment using widely available tools.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by revealing early cardiac liabilities.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of cardiovascular assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in zebrafish handling, microscopy, and image analysis.
- Needs standard light microscopy and open-source software such as ImageJ and Zembryo Analyzer.
- Demands cross-team standardization of imaging and analysis protocols for reproducibility.
- Adaptable to various genetic or compound perturbations in zebrafish embryos.
- Limited to early developmental stages and may require optimization for specific cardiac endpoints.
