Ce protocole utilise l’imagerie par feuille de lumière pour étudier la fonction contractile cardiaque chez les larves de poisson-zèbre et mieux comprendre la mécanique cardiaque grâce au suivi cellulaire et à l’analyse interactive.
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Article de méthode
Ce protocole utilise l’imagerie par feuille de lumière pour étudier la fonction contractile cardiaque chez les larves de poisson-zèbre et mieux comprendre la mécanique cardiaque grâce au suivi cellulaire et à l’analyse interactive.
Le poisson-zèbre est un organisme modèle intrigant connu pour sa remarquable capacité de régénération cardiaque. L’étude de la contraction du cœur in vivo est essentielle pour mieux comprendre les changements structurels et fonctionnels en réponse aux blessures. Cependant, l’obtention d’images en 4 dimensions (4D, 3D spatiale + 1D temporelle) à haute résolution et à grande vitesse du cœur du poisson-zèbre pour évaluer l’architecture et la contractilité cardiaques reste difficile. Dans ce contexte, un microscope à feuillet de lumière (LSM) interne et une analyse informatique personnalisée sont utilisés pour surmonter ces limitations techniques. Cette stratégie, impliquant la construction de systèmes LSM, la synchronisation rétrospective, le suivi de cellules uniques et l’analyse dirigée par l’utilisateur, permet d’étudier la microstructure et la fonction contractile dans l’ensemble du cœur à la résolution d’une seule cellule chez les larves transgéniques de poisson-zèbre Tg(myl7 :nucGFP). De plus, nous sommes en mesure d’incorporer davantage la micro-injection de composés à petites molécules pour induire des lésions cardiaques de manière précise et contrôlée. Dans l’ensemble, ce cadre permet de suivre les changements physiologiques et physiopathologiques, ainsi que la mécanique régionale au niveau de la cellule unique au cours de la morphogenèse et de la régénération cardiaques.
Le poisson-zèbre (Danio rerio) est un organisme modèle largement utilisé pour étudier le développement, la physiologie et la réparation cardiaques en raison de sa transparence optique, de sa traçabilité génétique et de sa capacité de régénération 1,2,3,4. Lors d’un infarctus du myocarde, alors que les changements structurels et fonctionnels ont un impact sur l’éjection cardiaque et l’hémodynamique, les limitations techniques continuent d’entraver la capacité d’étudier le processus dynamique pendant la régénération cardiaque avec une résolution spatio-temporelle élevée. Par exemple, les méthodes d’imagerie conventionnelles, telles que la microscopie confocale, ont des limites en termes de profondeur d’imagerie, de résolution temporelle ou de phototoxicité pour capturer les changements dynamiques et évaluer la fonction contractile cardiaque au cours de cycles cardiaques multiples5.
La microscopie à feuillet de lumière représente une méthode d’imagerie de pointe qui résout avec succès ces problèmes en balayant rapidement le laser sur le ventricule et l’oreillette du cœur, obtenant des images détaillées avec une résolution spatio-temporelle améliorée et des effets photo-blanchissants et phototoxiques négligeables 6,7,8,9,10,11.
Ce protocole introduit une stratégie d’imagerie complète qui comprend la construction du système LSM, la reconstruction d’images 4D, le suivi cellulaire 3D et l’analyse interactive pour capturer et analyser la dynamique des cardiomyocytes dans l’ensemble du cœur pendant plusieurs cycles cardiaques12. Le système d’imagerie personnalisé et la méthodologie de calcul permettent de suivre la microstructure myocardique et la fonction contractile au niveau de la cellule unique chez les larves transgéniques de poisson-zèbre Tg(myl7 :nucGFP). De plus, des composés à petites molécules ont été administrés aux embryons par microinjection pour évaluer les lésions cardiaques induites par les médicaments et la régénération ultérieure. Cette stratégie holistique fournit un point d’entrée pour étudier in vivo les propriétés structurelles, fonctionnelles et mécaniques du myocarde au niveau de la cellule unique au cours du développement et de la régénération cardiaques.
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L’approbation de cette étude a été accordée par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de l’Université du Texas à Dallas, sous le numéro de protocole #20-07. Des larves de poisson-zèbre transgénique Tg(myl7 :nucGFP) 12 ont été utilisées pour la présente étude. L’ensemble de l’acquisition des données et du post-traitement des images a été réalisé à l’aide de logiciels ou de plateformes open source disposant de licences de recherche ou d’enseignement. Les ressources sont disponibles auprès des auteurs sur demande raisonnable.
1. Élevage de poissons-zèbres et micro-injection d’embryons
Durée : 2 jours
2. Préparation et montage des embryons/larves de poisson-zèbre
Délai : 7 jours
3. Installation et configuration du système d’imagerie à feuille de lumière
Durée : 3-14 jours
4. Préparation de l’imagerie du poisson-zèbre et collecte de données
Durée : 1 jour
5. Reconstruction d’images 4D avec calcul parallèle
Durée : 1 jour
NOTE : L’algorithme de reconstruction 4D développé par notre groupe et les données d’échantillon sont accessibles au public21. Cette méthode permet de reconstruire l’image du cœur 4D à partir des séquences d’images collectées dans les étapes précédentes (Tableau 1).
6. 3D segmentation et suivi des cellules
Durée : 1 jour
7. Analyse de la contractilité cardiaque en mode réalité virtuelle
Durée : 1 jour
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Le protocole actuel se compose de trois étapes principales : la préparation et la micro-injection de poisson-zèbre, l’imagerie par feuille de lumière et la reconstruction d’images 4D, ainsi que le suivi cellulaire et l’interaction VR. Les poissons-zèbres adultes ont été autorisés à s’accoupler, les œufs fécondés ont été collectés et ont effectué des micro-injections au besoin pour les expériences proposées (Figure 1). Cette étape fournit un point d’entrée pour explorer les applications du po...
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L’intégration du modèle du poisson-zèbre aux méthodes d’ingénierie présente un immense potentiel pour l’exploration in vivo de l’infarctus du myocarde, des arythmies et des malformations cardiaques congénitales. Tirant parti de sa transparence optique, de sa capacité de régénération et de ses similitudes génétiques et physiologiques avec les humains, les embryons et les larves de poisson-zèbre sont devenus largement utilisés dans la recherche 1,2,4<...
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Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Nous exprimons notre gratitude au Dr Caroline Burns de l’hôpital pour enfants de Boston pour avoir généreusement partagé le poisson-zèbre transgénique. Nous remercions Mme Elizabeth Ibanez pour son aide dans l’élevage du poisson-zèbre à UT Dallas. Nous apprécions également tous les commentaires constructifs fournis par les membres de l’incubateur D à UT Dallas. Ce travail a été soutenu par le programme NIH R00HL148493 (Y.D.), R01HL162635 (Y.D.) et UT Dallas STARS (Y.D.).
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| RESOURCE | SOURCE/Reference | IDENTIFIER | |
| Animal models | |||
| Tg(myl7 :nucGFP) poisson zèbre transgénique | Burns Lab à l’hôpital pour enfants de Boston | ZDB-TGCONSTRCT-070117-49 | |
| Logiciel et | |||
| MATLAB | The MathWorks Inc. | R2023a | |
| LabVIEW | National Instruments Corporation | 2017 SP1 | |
| HCImage Live | Hamamatsu Photonics | 4.6.1.2 | |
| Python | The Python Software Foundation | 3.9.0 | |
| Fiji-ImageJ | Schneider et al.18 | 1.54f | |
| 3DeeCellTracker | Chentao Wen et al.15 | v0.5.2 | |
| Unity | Software Inc. | 2020.3.2f1 | |
| Amira | Thermo Fisher Scientific | 2021.2 | |
| Trancheuse 3D | Andriy Fedorov et al.17 | 5.2.1 | |
| ITK SNAP | Paul A Yushkevich et al.16 | 4 | |
| Light-sheet system | |||
| Lentille cylindrique | Thorlabs | ACY254-050-A | |
| Objectif d’éclairage 4X Objectif de | Nikon | MRH00045 | |
| 20X Olympus | 1-U2M585 | ||
| Appareil photo sCMOS | Hamamatsu | C13440-20CU | |
| Platine XYZ motorisée | Thorlabs | PT3/M-Z8 | |
| Platine d’inclinaison à deux axes | Thorlabs | GN2/M | |
| Moteur pas à pas de rotation | Pololu | 1474 | |
| Perles fluorescentes | Spherotech | FP-0556-2 | |
| 473nm DPSS Laser | Laserglow | R471003GX | |
| 532nm DPSS laser | Laserglow | R531003FX | |
| Microinjecteur et pompe à vide | |||
| Microinjecteur | WPI | PV850 | |
| Pompe à vide | Welch | 2522B-01 | |
| Pipettes en verre pré-tirées | WPI | TIP10LT | |
| Pointe capillaire pour le chargement de gel | Bio-Rad | 2239912 | |
| Matériel de réalité virtuelle | |||
| VR casque | Meta | Quest 2 | |
| 30mg/L PTU solution | |||
| PTU | Sigma-Aldrich | P7629 | |
| 1X E3 solution de travail | - | - | |
| 1 % d’agarose | - | - | |
| Agarose à bas point de fusion | Thermo Fisher | 16520050 | |
| Eau déminéralisée | - | - | |
| 10g/L Solution mère de tricaïne | |||
| Tricaïne | Syndel | SYNC-M-GR-US02 | |
| Eau désionisée | - | - | |
| Bicarbonate de sodium | Sigma-Aldrich | S6014 | |
| 150mg/L Solution de travail de tricaïne | |||
| 10g/L Solution mère de tricaïne | - | - | |
| Désionisée eau | - | - | |
| 60X E3 solution mère | |||
| Sodium Chloride | Lab Animal Resource Center (LARC), Université du Texas à Dallas | NaCl | |
| Chlorure | potassium-KCL | ||
| Chlorure de calcium dihydraté-CaCL | sub>2 x 2H2O | ||
| Sulfate de magnésium heptahydraté-MgSO | sub>4 x 7H2O | ||
| RO Eau | - | - | |
| 1X E3 solution de travail | |||
| 60X E3 solution mère | Centre de ressources animales de laboratoire (LARC), Université du Texas à Dallas | - | |
| Eau osmosée | - | - | |
| 1 % de bleu de méthylène (facultatif) ; | - | C16H18ClN3S |
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