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Der Zebrafisch (Danio rerio) hat sich aufgrund seiner genetischen Homologie mit dem Menschen, der äußeren Befruchtung, der optischen Transparenz der Embryonen und seiner schnellen Entwicklung zu einem prominenten Modellorganismus für Wirbeltiere in der Herz-Kreislauf-Forschung entwickelt 1,2. Diese Eigenschaften, kombiniert mit Kosteneffizienz und Skalierbarkeit, machen den Zebrafisch besonders geeignet für die Untersuchung der frühen kardialen Morphogenese, angeborener Herzfehler und entwicklungsbedingter Kardiotoxizität3. Ihre Relevanz wird durch die hohe Konservierung von Genen und Signalwegen, die die Herzentwicklung bei Wirbeltierarten regulieren, weiter untermauert4. Insbesondere haben Zebrafischmodelle wesentlich zum Verständnis der genetischen und physiologischen Grundlagen der Herzbildung, des Umbaus und der Funktion des Herzens sowohl unter normalen als auch unter pathologischen Bedingungen beigetragen 5,6.
Strukturell besteht das Herz des Zebrafisches aus einem einzigen Vorhof und einem einzigen Ventrikel, die linear miteinander verbunden sind und denen die für das Vierkammerherz von Säugetieren typische Septation fehlt. Trotzdem rekapituliert das Zebrafischherz Schlüsselaspekte der menschlichen Herzphysiologie, einschließlich des Vorhandenseins von endokardialen und myokardialen Schichten, eines kardialen Reizleitungssystems, rhythmischer kontraktiler Aktivität und der Regulation durch neurohormonelle Faktoren 7,8. Wichtig ist, dass das Herz des Zebrafisches wichtige morphogenetische Ereignisse aufweist, einschließlich der Rechtsschlaufe des Herzschlauchs und der anschließenden Ausdehnung und Abgrenzung der Herzkammern, die denen in der menschlichen Embryonalentwicklung ähneln9. Darüber hinaus behält das Zebrafischherz viele der elektrophysiologischen und hämodynamischen Eigenschaften bei, die bei höheren Wirbeltieren beobachtet werden, einschließlich der Ausbreitung des Aktionspotentials, der Kontraktilitätsmodulation und der Dynamik des Kalziumkreislaufs7.
Angesichts dieser Ähnlichkeiten hat sich der Zebrafisch zu einem zentralen Modell in der Toxikologie entwickelt, insbesondere für die Bewertung, wie sich chemische Expositionen auf die Entwicklung und Funktion des Herzens auswirken10. Eine der größten Einschränkungen in diesem Bereich bleibt jedoch die Abhängigkeit von technisch anspruchsvollen bildgebenden Verfahren. Herkömmliche hochauflösende Methoden wie die konfokale oder Lichtblattmikroskopie oder transgene Linien, die fluoreszierende Herzmarker exprimieren, sind zwar leistungsfähig, aber kostspielig und erfordern eine erhebliche technische Infrastruktur11. Diese Einschränkungen schränken die breitere Implementierung der Zebrafisch-basierten kardialen Phänotypisierung ein, insbesondere in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen oder für Anwendungen, die ein Hochdurchsatz-Screening erfordern12.
Es besteht daher ein wachsender Bedarf an methodischen Ansätzen, die eine zuverlässige Beurteilung der Herzfunktion mit weit verbreiteten Instrumenten ermöglichen. In der vorhandenen Literatur finden sich Beispiele für solche vereinfachten Methoden, einschließlich Hellfeld- oder Lichtmikroskopie-basierter Bildgebung in Kombination mit manuellen oder halbautomatischen Messungen13,14. Diese Techniken sind jedoch nicht immer standardisiert und variieren oft zwischen den Forschungsgruppen in Bezug auf Protokoll, Timing und Bildanalyseparameter. Diese Variabilität behindert die Reproduzierbarkeit und schränkt den Vergleichswert zwischen den Studien ein, insbesondere in Bereichen wie der Embryotoxikologie, Pharmakologie oder Ökotoxikologie, in denen quantitative kardiovaskuläre Endpunkte zunehmend als Indikatoren für die Entwicklungssicherheit herangezogen werden15.
In diesem Zusammenhang bieten Zebrafische ein wertvolles Modell für das Screening der Entwicklungskardiotoxizität in vivo. Zulassungsbehörden und wissenschaftliche Konsortien haben zunehmend die Bedeutung von Zebrafischen in diesem Bereich erkannt, insbesondere angesichts ihrer Fähigkeit, subtile Veränderungen der Herzfunktion zu erkennen, die strukturellen Missbildungen oder Letalität vorausgehen können14. Der transparente Embryo ermöglicht eine direkte Visualisierung des schlagenden Herzens und ermöglicht so eine zeitaufgelöste Live-Beurteilung der Herzleistung, ohne dass invasive Eingriffe erforderlich sind. Darüber hinaus erleichtert die Einfachheit der kardialen Anatomie des Zebrafisches die Quantifizierung der atrialen und ventrikulären Dynamik, einschließlich der Kammerabmessungen und Schlaganfallparameter, unter Verwendung grundlegender bildgebender Verfahren15.
Das übergeordnete Ziel der in diesem Artikel beschriebenen Methode ist es, einen zugänglichen, reproduzierbaren Ansatz für die morphofunktionelle Beurteilung der embryonalen Herzleistung von Zebrafischen mittels Standardlichtmikroskopie bereitzustellen. Durch die Fokussierung auf einfache Videoerfassung und Post-hoc-Bildanalyse zielt die Technik darauf ab, die methodische Lücke zwischen hochauflösender Bildgebung und qualitativer Beobachtungsbewertung zu schließen. Dieses Protokoll ist an verschiedene Laborumgebungen und Ressourcenniveaus anpassbar und eignet sich insbesondere für toxikologische, pharmakologische oder genetische Studien, die sich auf die Bewertung der Herzfunktion konzentrieren.
Zusätzlich zu seinen praktischen Vorteilen leistet das Protokoll einen Beitrag zum Feld, indem es einen konsolidierten, schrittweisen Arbeitsablauf bietet, der häufig verwendete Techniken in einer einzigen, reproduzierbaren Pipeline kombiniert. In der Literatur gibt es zwar ähnliche Ansätze, aber nur wenige bieten ein solches Maß an Integration mit visueller Dokumentation, was eine breitere Akzeptanz und Standardisierung unterstützen kann.