El análisis de desplazamiento de la deformación mecánica miocárdica (DIAMOND) revela la heterogeneidad segmentaria de la función cardíaca en el pez cebra embrionario
February 6th, 2020
El objetivo de este protocolo es detallar un método novedoso para la evaluación de la función cardíaca segmentaria en peces cebra embrionarios tanto en condiciones fisiológicas como patológicas.
El diamante es el primer método de código abierto para la evaluación cuantitativa de la función cardíaca segmentaria cuadérica en embriones de pez cebra. Nuestro método tiene una resolución de micrómetros que puede cuantificar la mecánica cardíaca local en el espacio 3D. Ningún otro enfoque actual lo permite.
El diamante desentraña nuevos patrones de lesiones en la toxicidad cardíaca inducida por doxorubicina. Por lo tanto, creemos que nuestro método podría utilizarse como plataforma para el cribado in vivo de alto rendimiento para la toxicidad cardíaca inducida por quimioterapia. Actualmente estamos trabajando para adaptar Diamond al corazón de los mamíferos.
Sin embargo, se necesita un trabajo adicional para tener en cuenta la orientación de la fibra muscular cardíaca de los mamíferos y el movimiento rotacional y torcido. Al intentar este método, es muy importante que el usuario tenga una visualización clara de la estructura anatómica del corazón del pez cebra para identificar correctamente los ejes horizontal y vertical y segmentar el ventrículo. Para reconstruir el corazón sistólico y diastólico 3D, comience abriendo la carpeta creada por el algoritmo posterior a la sincronización y, a continuación, abra la carpeta de salida.
Busque la primera fase sistólica y diastólica y registre el número de fotograma. A continuación, abra la salida por carpeta de estado y busque las carpetas que tienen los mismos números que los números de fotograma grabados. Convierta las imágenes de la carpeta en archivos 3D TIF y asígneles el nombre diastole.
tif y systole.tif. Para realizar la segmentación del ventrículo, abra el software de análisis de imágenes haciendo clic en archivo y abra los datos. A continuación, cargue la diástole.
tif y sistólo. tif e introduzca el tamaño de vóxel de acuerdo con la configuración de la imagen. Haga clic en el panel de segmentación y segmente manualmente la parte del ventrículo del corazón con la herramienta de umbral integrada.
A continuación, retire el canal auriculoventricular y el tracto de salida en el ventrículo segmentado porque esto afectará el análisis de desplazamiento. Una vez completada la segmentación, haga clic en el panel del proyecto y haga clic con el botón derecho en el archivo diastole.labels. tif y systole.labels.
pestañas de tif en la consola y haga clic en exportar datos para guardar los datos como archivos 3D TIF. Abra prepimage_1. m en el entorno de programación, asegúrese de que la carpeta de InPath en la línea cinco contiene los archivos TIF originales y segmentados, y cambie el sector en vivo cuatro al número de sectores de los archivos TIF 3D.
Después de ejecutar el código, se generarán cinco nuevos archivos 3D TIF y dos nuevas carpetas. Importe los cinco archivos 3D TIF en el software de análisis de imágenes. Vaya al panel multiplanar y elija diastole_200.
como los datos principales. Alinee el eje X con el eje largo vertical del ventrículo y el eje z con el eje largo horizontal del ventrículo. A continuación, elija tres puntos aleatorios del plano YZ oblicuo de una manera en sentido contrario a las agujas del reloj y registre sus coordenadas de posición 3D.
Repita este proceso para systole_200.tif. Haga clic en el panel del proyecto y cree un objeto de sector para diastole_200. tif haciendo clic derecho en diastole_200.
tif y la búsqueda del objeto slice. Haga clic con el botón izquierdo del 200 al óm, compruebe el plano de conjunto en las opciones del panel de propiedades, elija tres puntos en la definición de plano e introduzca las coordenadas registradas anteriormente. Haga clic con el botón derecho diastole_200.
tif, busque remuestrear la imagen transformada y cree el objeto. En el panel de propiedades, elija slice como referencia y haga clic en apply que debe generar un objeto denominado diastole_200.transformed. A continuación, haga clic con el botón derecho diastole_200.
transformar, buscar la remuestreo y crear el objeto. Elija el tamaño de vóxel como modo y cámbielo a x es igual a uno, y es igual a uno, y z es igual a uno en el panel de propiedades. Haga clic en Aplicar y guarde el diastole_200 generado.
remuestreado como un archivo 3D TIF. Repita este proceso para dialabel. tif, prueba.
tif, systole_200. tif, syslabel. tif, y prueba.
tif de acuerdo con las instrucciones del manuscrito. Importe los seis archivos remuestreados a ImageJ y seleccione el segmento de systole_200. remuestreado en el que el canal auriculoventricular se visualiza claramente asegurándose de registrar el número de la rebanada.
Utilice la función de rotación de transformación de imagen para colocar verticalmente el canal auriculoventricular. Aplique la misma rotación a todos los archivos y, a continuación, cierre todas las ventanas y guarde los cambios. A continuación, mueva systole_200.
remuestreado, syslabel. remuestreado y test2. remuestreado en la carpeta resample_sys.
Muévete diastole_200. remuestreado, dialabel. remuestreado y pruebe.
remuestreado en la carpeta resample_dia. Abra divider_2_8_pieces. m y cambie InPath en la línea cinco al directorio de imágenes.
Cambie el medio variable en la línea 22 al número de rebanada donde se visualiza claramente el canal auriculoventricular. Repita este proceso para diastole_200. remuestreado en las líneas 394 y 411.
Ejecute el código. Cuando se le solicite, haga clic una vez en el centro del ventrículo y en el centro del canal auriculoventricular. Para registrar matrices de imágenes sistólicas y diastólicas, abra register_3.
m y cambie InPath en la línea cuatro a la ruta de la carpeta de imágenes. A continuación, abra displacement_4. m y cambie InPath a la ruta de la carpeta de imágenes.
Ejecute el programa para generar un vector8. txt con una matriz de ocho por cuatro. Cada fila de la matriz contiene las magnitudes del componente x, el componente y, el componente z y la magnitud de suma del vector de desplazamiento de un segmento específico del ventrículo.
Estos valores se pueden transferir a una hoja de cálculo. Este protocolo se utilizó para descubrir la heterogeneidad segmental de la función cardíaca y la susceptibilidad a la lesión miocárdica inducida por doxorubicina en peces cebra. Después de un tratamiento de doxorubicina de 24 horas de tres a cuatro después de la fertilización, se comparó el desplazamiento de los segmentos ventriculares entre los grupos de control y tratados.
En condiciones de control, los segmentos basales uno y seis se someten a los desplazamientos más grandes y son los más susceptibles a lesiones cardíacas inducidas por doxorubicina. A seis dpf, la norma media L2 de los vectores de desplazamiento segmentario en los peces de control osciló entre el 3,9 y el 8% después de la normalización. Los segmentos basales uno y seis recuperados Desplazamiento de diamante para controlar los niveles que sugieren regeneración segmental.
Mientras tanto, se observó un empeoramiento en la cepa basal 2D de 53 negativo a 38% negativo inmediatamente después del tratamiento con doxorubicina seguido de un retorno a los niveles de control 48 horas más tarde corroborando los resultados del desplazamiento del diamante. También se observó una disminución paralela y recuperación de la fracción de eyección global o EF en respuesta al tratamiento. El diamante se aplicó entonces durante el tratamiento con doxorubicina y la modulación de la vía de muesca utilizando el inhibidor de muesca DAPT y los efectores aguas abajo NICD y NRG1 mRNA.
La microinyección de ARNm rescató la disminución en el desplazamiento del diamante y la EF después de una lesión aguda inducida por quimioterapia. Además, la inhibición de la vía de muesca después de la quimioterapia impidió la recuperación del desplazamiento de diamantes de los segmentos basales y EF 48 horas después del tratamiento, pero la inhibición fue rescatada por los efectores aguas abajo de la muesca. Se sabe que la fracción de eyección tradicional es un indicador insensible y retardado de lesión miocárdica.
El diamante permite a los investigadores cuantificar la función cardíaca focal y ayudar a la heterogeneidad en lesiones miocárdicas en embriones de pez cebra.
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Visión general
Este protocolo detalla un método novedoso de código abierto llamado Diamond para evaluar la función cardíaca segmentaria en embriones de pez cebra. Proporciona un análisis cuantitativo de alta resolución de la mecánica cardíaca local en el espacio 3D, permitiendo la identificación de patrones de lesión en la toxicidad cardíaca.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Evaluación de la función cardíaca
- Modelos de embriones de pez cebra
- Análisis de condiciones patológicas
Antecedentes
- Los métodos actuales carecen de la capacidad para evaluar la mecánica cardíaca local en 3D.
- La toxicidad cardíaca inducida por doxorrubicina es una preocupación importante en la quimioterapia.
- La detección masiva in vivo es esencial para evaluar la toxicidad cardíaca.
- Adaptar los métodos para corazones de mamíferos es un objetivo futuro.
Propósito del estudio
- Introducir un nuevo método para evaluar la función cardíaca en embriones de pez cebra.
- Permitir la cuantificación de la mecánica cardíaca con resolución de micrómetros.
- Proporcionar una plataforma para la detección de la toxicidad cardíaca inducida por quimioterapia.
Métodos utilizados
- Desarrollo de método de código abierto
- Evaluación cuantitativa de la función cardíaca
- Análisis espacial 3D de la mecánica cardíaca
- Técnicas de detección in vivo
Principales resultados
- Diamond permite una resolución sin precedentes en la evaluación de la función cardíaca.
- Identificó nuevos patrones de lesión relacionados con la toxicidad de la doxorrubicina.
- Demostró el potencial para aplicaciones de detección masiva.
- Se están realizando adaptaciones futuras para corazones de mamíferos.
Conclusiones
- Diamond representa un avance significativo en la evaluación de la función cardíaca.
- Tiene potenciales aplicaciones en la detección de toxicidad de medicamentos.
- Se necesita más investigación para adaptar el método para otras especies.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Current cardiac function assays lack the resolution to detect segmental heterogeneity in early-stage models, limiting mechanistic insight into compound-induced cardiotoxicity. DIAMOND enables quantitative, 3D segmental deformation analysis in embryonic zebrafish, providing early predictive value for myocardial injury pathways. This supports target validation and lead identification by revealing spatially resolved functional changes before global metrics like ejection fraction show impairment.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by mapping segmental mechanical deformation patterns in vivo.
- Operational Value: Reveals basal ventricular segments as early biomarkers of doxorubicin-induced injury, clarifying pathway-specific susceptibility.
- Scientific Value: Supports mechanistic de-risking by linking Notch pathway modulation to segmental functional recovery.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative displacement vectors per ventricular segment, enabling high-content phenotypic screening for cardiotoxic compounds.
- Operational Value: Provides micrometer-resolution 3D readouts that are reproducible across biological replicates and treatment conditions.
- Scientific Value: Detects injury patterns missed by traditional ejection fraction, increasing assay sensitivity for early toxicity signals.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates disease-relevant system utility by modeling doxorubicin-induced cardiotoxicity and recovery in zebrafish embryos.
- Operational Value: Enables longitudinal tracking of segmental regeneration and functional recovery post-injury.
- Scientific Value: Facilitates preclinical model validation by correlating molecular interventions (e.g., NICD, NRG1) with functional rescue at the tissue level.
Pipeline & Workflow Integration
DIAMOND fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment by delivering spatially resolved functional readouts that inform mechanism-based compound triage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by quantifying how genetic or pharmacological perturbations alter segmental cardiac mechanics.
- Screening: Delivers assay-ready, standardized outputs (displacement magnitudes per segment) for evaluating compound libraries in vivo.
- Analytics: Generates multidimensional displacement data (x, y, z components and magnitude) enabling statistical comparison of cardiac function across conditions.
- Translational Research: Connects molecular pathway modulation (Notch) to functional recovery in a vertebrate model, supporting translational biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Represents an adaptable, open-source platform for cardiotoxicity screening that can be standardized across discovery teams.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by uncovering spatially heterogeneous myocardial responses.
- Operational Value: Enhances reproducibility through semiautomated image processing and standardized ventricular segmentation into eight segments.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by identifying cardiotoxic liabilities earlier in the discovery pipeline.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on segmental functional impairment rather than delayed global endpoints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in light-sheet fluorescence microscopy and 3D image analysis software.
- Dependent on isotropic resampling and image registration workflows for accurate displacement quantification.
- Necessitates clear anatomical visualization to define axes and segment the ventricle correctly.
- Involves manual segmentation steps that may require training for consistent ventricular boundary definition.
- Limited by current adaptation to zebrafish; mammalian application requires accounting for fiber orientation and rotational motion.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:13
Reconstruction of the 3D Systolic and Diastolic Heart and Segmentation of the Ventricle
2:41
Creation of Rectangular Parallelepipeds for Image Registration and Resampling of Systolic and Diastolic 3D Hearts Along the Short Axis Plane
5:01
Division of the Resampled Heart
6:20
Registration of Systolic and Diastolic Image Matrices and Output of Displacement Vectors
7:01
Results: Segmental Heterogeneity in Cardiac Function and Susceptibility to Chemotherapy-induced Injury
8:45
Conclusion
