Name: Imagerie 4D de la contraction cardiaque du poisson-zèbre (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-01-05T14:55:00.000+00:00
Duration: 7 min 7 s
Description: Découvrez l'imagerie 4D par feuille de lumière pour analyser la contraction cardiaque chez les larves de poisson-zèbre. Cette méthode offre une résolution cellulaire unique pour étudier le développement et les maladies cardiaques.

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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.).

Analyse de la contraction cardiaque du poisson-zèbre avec interaction en réalité virtuelle

<ol><li>Power, R. M., Huisken, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+guide+to+light-sheet+fluorescence+microscopy+for+multiscale+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">A guide to light-sheet fluorescence microscopy for multiscale imaging.</a> Nat. Methods. 14 (4), 360-373 (2017).</li>
<li>Liu, J., Stainier, D. Y. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zebrafish+in+the+study+of+early+cardiac+development%5BTitle%5D)+AND+%22Circ.+Res%22%5BJournal%5D)">Zebrafish in the study of early cardiac development.</a> Circ. Res. 110 (6), 870(2012).</li>
<li>Ding, Y., Bu, H., Xu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+inherited+cardiomyopathies+in+adult+zebrafish+for+precision+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Modeling inherited cardiomyopathies in adult zebrafish for precision medicine.</a> Front. Physiol. 11, 599244(2020).</li>
<li>Giardoglou, P., Beis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+zebrafish+disease+models+and+matters+of+the+heart%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedicines%22%5BJournal%5D)">On zebrafish disease models and matters of the heart.</a> Biomedicines. 7 (1), 15(2019).</li>
<li>Zhang, X., Alexander, R. V., Yuan, J., Ding, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computational+analysis+of+cardiac+contractile+function%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Cardiol.+Rep%22%5BJournal%5D)">Computational analysis of cardiac contractile function.</a> Curr. Cardiol. Rep. 24 (12), 1983-1994 (2022).</li>
<li>Weber, M., Huisken, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+imaging+of+cardiac+development+and+function+in+zebrafish+using+light+sheet+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Swiss+Med.+Wkly%22%5BJournal%5D)">In vivo imaging of cardiac development and function in zebrafish using light sheet microscopy.</a> Swiss Med. Wkly. 145 (51), w14227(2015).</li>
<li>Vedula, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+method+to+quantify+mechanobiologic+forces+during+zebrafish+cardiac+development+using+4-D+light+sheet+imaging+and+computational+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22PLOS+Comput.+Biol%22%5BJournal%5D)">A method to quantify mechanobiologic forces during zebrafish cardiac development using 4-D light sheet imaging and computational modeling.</a> PLOS Comput. Biol. 13 (10), e1005828(2017).</li>
<li>Yalcin, H. C., Amindari, A., Butcher, J. T., Althani, A., Yacoub, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heart+function+and+hemodynamic+analysis+for+zebrafish+embryos%5BTitle%5D)+AND+%22Dev.+Dyn%22%5BJournal%5D)">Heart function and hemodynamic analysis for zebrafish embryos.</a> Dev. Dyn. 246 (11), 868-880 (2017).</li>
<li>Baek, K. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+microscopy+to+elucidate+cardiovascular+injury+and+regeneration%3A+4D+light-sheet+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Biophys.+Mol.+Biol%22%5BJournal%5D)">Advanced microscopy to elucidate cardiovascular injury and regeneration: 4D light-sheet imaging.</a> Prog. Biophys. Mol. Biol. 138, 105-115 (2018).</li>
<li>Salman, H. E., Yalcin, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+blood+flow+assessment+in+Zebrafish+via+experimental+digital+particle+image+velocimetry+and+computational+fluid+dynamics+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Micron%22%5BJournal%5D)">Advanced blood flow assessment in Zebrafish via experimental digital particle image velocimetry and computational fluid dynamics modeling.</a> Micron. 130, 102801(2020).</li>
<li>Sodimu, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light+sheet+imaging+and+interactive+analysis+of+the+cardiac+structure+in+neonatal+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biophotonics%22%5BJournal%5D)">Light sheet imaging and interactive analysis of the cardiac structure in neonatal mice.</a> J. Biophotonics. 16 (5), e202200278(2023).</li>
<li>Zhang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D+light-sheet+imaging+and+interactive+analysis+of+cardiac+contractility+in+zebrafish+larvae%5BTitle%5D)+AND+%22APL+Bioeng%22%5BJournal%5D)">4D light-sheet imaging and interactive analysis of cardiac contractility in zebrafish larvae.</a> APL Bioeng. 7 (2), 026112(2023).</li>
<li>Westerfield, M. The Zebrafish Book. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWesterfield%2C+M+%22Eugene%22">Eugene</a>. , University of Oregon Press. (2000).</li>
<li>Rosen, J. N., Sweeney, M. F., Mably, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microinjection+of+zebrafish+embryos+to+analyze+gene+function%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Microinjection of zebrafish embryos to analyze gene function.</a> J Vis Exp. 25, e1115(2009).</li>
<li>Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stages+of+embryonic+development+of+the+zebrafish%5BTitle%5D)+AND+%22Dev+Dyn%22%5BJournal%5D)">Stages of embryonic development of the zebrafish.</a> Dev Dyn. 203 (3), 253-310 (1995).</li>
<li>Girkin, J. M., Carvalho, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+light-sheet+microscopy+revolution%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt%22%5BJournal%5D)">The light-sheet microscopy revolution.</a> J. Opt. 20 (5), 053002(2018).</li>
<li>Gualda, E. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((OpenSpinMicroscopy%3A+an+open-source+integrated+microscopy+platform%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">OpenSpinMicroscopy: an open-source integrated microscopy platform.</a> Nat. Methods. 10 (7), 599-600 (2013).</li>
<li>Messerschmidt, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-sheet+fluorescence+microscopy+to+capture+4-dimensional+images+of+the+effects+of+modulating+shear+stress+on+the+developing+zebrafish+heart%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Light-sheet fluorescence microscopy to capture 4-dimensional images of the effects of modulating shear stress on the developing zebrafish heart.</a> J Vis Exp. 138, e57763(2018).</li>
<li>Kaufmann, A., Mickoleit, M., Weber, M., Huisken, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multilayer+mounting+enables+long-term+imaging+of+zebrafish+development+in+a+light+sheet+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Development%22%5BJournal%5D)">Multilayer mounting enables long-term imaging of zebrafish development in a light sheet microscope.</a> Development. 139 (17), 3242-3247 (2012).</li>
<li>Lee, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4-Dimensional+light-sheet+microscopy+to+elucidate+shear+stress+modulation+of+cardiac+trabeculation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Clin+Invest%22%5BJournal%5D)">4-Dimensional light-sheet microscopy to elucidate shear stress modulation of cardiac trabeculation.</a> J Clin Invest. 126 (5), 1679-1690 (2016).</li>
<li>Zhang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D+light-sheet+imaging+and+interactive+analysis+of+cardiac+contractility+in+Zebrafish+larvae%5BTitle%5D)+AND+%22Zenodo%22%5BJournal%5D)">4D light-sheet imaging and interactive analysis of cardiac contractility in Zebrafish larvae.</a> Zenodo. , (2023).</li>
<li>Wen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3deecelltracker%2C+a+deep+learning-based+pipeline+for+segmenting+and+tracking+cells+in+3d+time+lapse+images%5BTitle%5D)+AND+%22Elife%22%5BJournal%5D)">3deecelltracker, a deep learning-based pipeline for segmenting and tracking cells in 3d time lapse images.</a> Elife. 10, e59187(2021).</li>
<li>Yushkevich, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((User-guided+3D+active+contour+segmentation+of+anatomical+structures%3A+significantly+improved+efficiency+and+reliability%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability.</a> Neuroimage. 31 (3), 1116-1128 (2006).</li>
<li>Fedorov, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Slicer+as+an+image+computing+platform+for+the+quantitative+imaging+network%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Imaging%22%5BJournal%5D)">3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network.</a> Magn. Reson. Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).</li>
<li>Naderi, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+learning-based+framework+for+cardiac+function+assessment+in+embryonic+zebrafish+from+heart+beating+videos%5BTitle%5D)+AND+%22Comput.+Biol.+Med%22%5BJournal%5D)">Deep learning-based framework for cardiac function assessment in embryonic zebrafish from heart beating videos.</a> Comput. Biol. Med. 135, 104565(2021).</li>
<li>Mickoleit, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+reconstruction+of+the+beating+zebrafish+heart%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Methods%22%5BJournal%5D)">High-resolution reconstruction of the beating zebrafish heart.</a> Nat. Methods. 11 (9), 919-922 (2014).</li>
<li>Lee, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4-Dimensional+light-sheet+microscopy+to+elucidate+shear+stress+modulation+of+cardiac+trabeculation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Clin.+Invest%22%5BJournal%5D)">4-Dimensional light-sheet microscopy to elucidate shear stress modulation of cardiac trabeculation.</a> J. Clin. Invest. 126 (5), 1679-1690 (2016).</li>
<li>Ding, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiscale+light-sheet+for+rapid+imaging+of+cardiopulmonary+system%5BTitle%5D)+AND+%22JCI+Insight%22%5BJournal%5D)">Multiscale light-sheet for rapid imaging of cardiopulmonary system.</a> JCI Insight. 3 (16), e121396(2018).</li>
<li>Choe, C. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transgenic+fluorescent+zebrafish+lines+that+have+revolutionized+biomedical+research%5BTitle%5D)+AND+%22Lab.+Anim.+Res%22%5BJournal%5D)">Transgenic fluorescent zebrafish lines that have revolutionized biomedical research.</a> Lab. Anim. Res. 37 (1), 1-29 (2021).</li>
<li>Coelho-Filho, O. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+cardiomyocyte+hypertrophy+by+cardiac+magnetic+resonance%3A+implications+on+early+cardiac+remodeling%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation%22%5BJournal%5D)">Quantification of cardiomyocyte hypertrophy by cardiac magnetic resonance: implications on early cardiac remodeling.</a> Circulation. 128 (11), 1225(2013).</li>
<li>Zhang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automatic+segmentation+and+cardiac+mechanics+analysis+of+evolving+zebrafish+using+deep+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Cardiovasc.+Med%22%5BJournal%5D)">Automatic segmentation and cardiac mechanics analysis of evolving zebrafish using deep learning.</a> Front. Cardiovasc. Med. 8, 675291(2021).</li>
<li>Ding, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrating+light-sheet+imaging+with+virtual+reality+to+recapitulate+developmental+cardiac+mechanics%5BTitle%5D)+AND+%22JCI+Insight%22%5BJournal%5D)">Integrating light-sheet imaging with virtual reality to recapitulate developmental cardiac mechanics.</a> JCI Insight. 2 (22), e97180(2017).</li>
<li>Koger, C. R., Hassan, S. S., Yuan, J., Ding, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Virtual+reality+for+interactive+medical+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Virtual+Real%22%5BJournal%5D)">Virtual reality for interactive medical analysis.</a> Front. Virtual Real. 3, 782854(2022).</li>
<li>Yuan, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extended+reality+for+biomedicine%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Methods+Prim%22%5BJournal%5D)">Extended reality for biomedicine.</a> Nat. Rev. Methods Prim. 3 (1), 1-1 (2023).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

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. La résolution spatio-temporelle supérieure, les photodommages minimaux et les capacités de coupe optique de l’imagerie par feuillet de lumière le distinguent pour l’étude 4D de la morphologie cardiaque et de la fonction contractile chez les larves de poisson-zèbre 12,26,27,28. Ce protocole introduit une approche complète qui intègre l’imagerie par feuillet de lumière, la synchronisation rétrospective, le suivi cellulaire 3D et une plateforme interactive de réalité virtuelle (VR) pour les évaluations quantitatives. Il fournit un point d’entrée pour capturer et reconstruire la contraction cardiaque, suivre et quantifier la dynamique cellulaire et évaluer les changements structurels, fonctionnels et mécaniques au cours du développement et de la régénération cardiaques. Cette méthode pourrait également être renforcée par l’imagerie de fluorescence multicanal pour suivre divers types et lignées cellulaires afin d’étudier l’hétérogénéité cellulaire et l’interaction intercellulaire. Bien que la dichotomie entre le modèle du poisson zèbre et les systèmes mammifères et ses limites en tant que modèle aigu méritent un examen attentif, les progrès du génie génétique peuvent permettre le développement de lignées transgéniques de poissons-zèbres qui ressemblent davantage aux états pathologiques humains, améliorant ainsi la valeur translationnelle des résultats tirés des études sur le poisson-zèbre29.
Cette synchronisation rétrospective basée sur l’hypothèse d’un cycle cardiaque périodique est utilisée pour reconstruire les images en feuillet de lumière du cœur du poisson zèbre en contraction. La mise en œuvre de cette méthode en imagerie par feuillet de lumière permet de visualiser et d’analyser le cœur qui se contracte à plus de 200 volumes par seconde. Pour relever le défi posé par le grand volume de données dans l’analyse actuelle, le calcul parallèle avec CPU et GPU multicœurs a été utilisé, ce qui a permis de multiplier par plus de dix l’efficacité de la reconstruction d’images. Lors de la synchronisation rétrospective, il a été présupposé que les cardiomyocytes reviennent à leur position de base à chaque battement cardiaque. Bien que cette hypothèse soit relativement sûre compte tenu de la faible variabilité des battements cardiaques observée chez le poisson-zèbre26 , comme le montrent les figures 4C, elle reste une simplification qui peut ne pas tenir compte de toutes les nuances biologiques. Les innovations en imagerie, telles que la fluorescence compressive et la microscopie à champ lumineux, pourraient atténuer les effets découlant de cette hypothèse en diminuant la redondance des tranches.
Pour permettre l’analyse approfondie du modèle cardiaque 4D complexe, un cadre de calcul a été développé comprenant à la fois la segmentation cellulaire basée sur 3DeeCellTracker et la plate-forme VR pour les investigations dirigées par l’utilisateur. Les capacités inhérentes à ce cadre, y compris la haute efficacité et la manipulation interactive, permettent de quantifier le changement de vitesse cellulaire, d’étudier les interactions cellule-cellule et d’évaluer les mécanismes myocardiques régionaux et globaux tels que le raccourcissement fractionnaire, la fraction d’éjection et la souche régionale30 (Figure 4). L’absence d’évaluations antérieures de la fonction cardiaque du poisson-zèbre à 7 dpf dans la littérature existante est notée. Cependant, lorsqu’ils sont comparés aux données à 3 dpf fournies par d’autres chercheurs, les résultats actuels sont cohérents avec les indications précédentes d’une diminution de la fraction d’éjection (FE) et du raccourcissement fractionnel (FS) au cours de l’intervalle de 3 dpf à 7 dpf25,31. Ces méthodes analytiques possèdent un potentiel important pour élucider la dynamique cardiaque dans les modèles de lésions cardiaques du poisson-zèbre12,25.
Comme la technologie et les logiciels de RV contiennent des fonctionnalités uniques telles que la vision stéréoscopique et l’enregistrement automatique des positions des cellules, cette plateforme permet une méthode immersive et rationalisée pour sélectionner des cellules spécifiques et analyser leur trajectoire tout au long du cycle cardiaque. L’utilisation de la RV offre un moyen intuitif d’effectuer des tâches complexes telles que la segmentation et l’annotation de cellules, avec une efficacité et une précision accrues 32,33,34. Il permet également à plusieurs utilisateurs d’utiliser des outils uniques lorsqu’ils travaillent ensemble sur des ensembles de données volumineux et complexes34. Bien que l’utilisation prolongée de la RV puisse induire des effets secondaires tels que des étourdissements, cela peut être atténué par des conceptions ergonomiques améliorées et des casques non attachés. De plus, pour répondre à la puissance de calcul considérable requise pour rendre des structures biologiques complexes en temps réel, l’optimisation des logiciels pour un traitement instantané et l’exploitation de solutions informatiques basées sur le cloud pourraient améliorer la capacité du système à gérer des visualisations complexes.
Avec les dispositifs matériels et la puissance de calcul qui continuent de progresser, cette stratégie peut être étendue pour étudier les arythmies cardiaques dans le myocarde aux niveaux cellulaire et tissulaire, détenant finalement le potentiel de démêler le mécanisme sous-jacent de la morphogenèse cardiaque et de faire progresser le développement d’interventions thérapeutiques.

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.

<table><tbody><tr><td>RESOURCE</td><td>SOURCE/Reference</td><td>IDENTIFIER</td><td></td></tr><tr><td>Animal models</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tg(myl7 :nucGFP) poisson zèbre transgénique</td><td>Burns Lab à l’hôpital pour enfants de Boston</td><td>ZDB-TGCONSTRCT-070117-49</td><td></td></tr><tr><td>Logiciel et </td><td></td><td></td><td></td>algorithmes</tr><tr><td>MATLAB</td><td>The MathWorks Inc.</td><td>R2023a</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments Corporation</td><td>2017 SP1</td><td></td></tr><tr><td>HCImage Live</td><td>Hamamatsu Photonics</td><td>4.6.1.2</td><td></td></tr><tr><td>Python</td><td>The Python Software Foundation</td><td>3.9.0</td><td></td></tr><tr><td>Fiji-ImageJ</td><td>Schneider et al.18</td><td>1.54f</td><td></td></tr><tr><td>3DeeCellTracker</td><td>Chentao Wen et al.15</td><td>v0.5.2</td><td></td></tr><tr><td>Unity</td><td>Software Inc.</td><td>2020.3.2f1</td><td></td></tr><tr><td>Amira</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>2021.2</td><td></td></tr><tr><td>Trancheuse 3D</td><td>Andriy Fedorov et al.17</td><td>5.2.1</td><td></td></tr><tr><td>ITK SNAP</td><td>Paul A Yushkevich et al.16</td><td>4</td><td></td></tr><tr><td>Light-sheet system</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lentille cylindrique</td><td>Thorlabs</td><td>ACY254-050-A</td><td></td></tr><tr><td>Objectif d’éclairage 4X Objectif de</td> détection <td>Nikon</td><td>MRH00045</td><td></td></tr><tr><td>20X Olympus</td><td></td><td>1-U2M585</td><td></td></tr><tr><td>Appareil photo sCMOS</td><td>Hamamatsu</td><td>C13440-20CU</td><td></td></tr><tr><td>Platine XYZ motorisée</td><td>Thorlabs</td><td>PT3/M-Z8</td><td></td></tr><tr><td>Platine d’inclinaison à deux axes</td><td>Thorlabs</td><td>GN2/M</td><td></td></tr><tr><td>Moteur pas à pas de rotation</td><td>Pololu</td><td>1474</td><td></td></tr><tr><td>Perles fluorescentes</td><td>Spherotech</td><td>FP-0556-2</td><td></td></tr><tr><td>473nm DPSS Laser</td><td>Laserglow</td><td>R471003GX</td><td></td></tr><tr><td>532nm DPSS laser</td><td>Laserglow</td><td>R531003FX</td><td></td></tr><tr><td>Microinjecteur et pompe à vide</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Microinjecteur</td><td>WPI</td><td>PV850</td><td></td></tr><tr><td>Pompe à vide</td><td>Welch</td><td>2522B-01</td><td></td></tr><tr><td>Pipettes en verre pré-tirées</td><td>WPI</td><td>TIP10LT</td><td></td></tr><tr><td>Pointe capillaire pour le chargement de gel</td><td>Bio-Rad</td><td>2239912</td><td></td></tr><tr><td>Matériel de réalité virtuelle</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>VR casque</td><td>Meta</td><td>Quest 2</td><td></td></tr><tr><td>30mg/L PTU solution</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PTU</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P7629</td><td></td></tr><tr><td>1X E3 solution de travail</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td><fort>1 % d’agarose</fort></td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Agarose à bas point de fusion</td><td>Thermo Fisher</td><td>16520050</td><td></td></tr><tr><td>Eau déminéralisée</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td><fort>10g/L Solution mère de tricaïne</fort></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tricaïne</td><td>Syndel</td><td>SYNC-M-GR-US02</td><td></td></tr><tr><td>Eau désionisée</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Bicarbonate de sodium</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S6014</td><td></td></tr><tr><td><fort>150mg/L Solution de travail de tricaïne</fort></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>10g/L Solution mère de tricaïne</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Désionisée eau</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>60X E3 solution mère</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sodium Chloride</td><td>Lab Animal Resource Center (LARC), Université du Texas à Dallas</td><td>NaCl</td><td></td></tr><tr><td>Chlorure</td> de <td>potassium-KCL</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Chlorure de calcium dihydraté-CaCL</td><td></td><<td>sub>2 x 2H2O</td><td></td></tr><tr><td>Sulfate de magnésium heptahydraté-MgSO</td><td></td><<td>sub>4 x 7H2O</td><td></td></tr><tr><td>RO Eau</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1X E3 solution de travail</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>60X E3 solution mère</td><td>Centre de ressources animales de laboratoire (LARC), Université du Texas à Dallas</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Eau osmosée</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>1 % de bleu de méthylène (facultatif)&nbsp ;</td><td>-</td><td>C16H18ClN3S</td><td></td></tr></tbody></table>

imagerie 4d de la contraction cardiaque du poisson-zèbre

4D Light-sheet Imaging of Zebrafish Cardiac Contraction

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 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 poisson-zèbre dans l’étude du développement et de la régénération cardiaques, et elle joue également un rôle crucial dans l’imagerie et l’analyse ultérieures. Le cœur en contraction a été imagé à différents stades (de 3 dpf à 7 dpf) à l’aide du système LSM sur mesure et a aligné les séquences d’images le long de l’axe z pour reconstruire le modèle 4D du cœur du poisson-zèbre (Figure 2 et Figure 3). Ces modèles fournissent une base pour des caractérisations phénotypiques approfondies et sont essentiels pour révéler la dynamique de la morphologie et de la fonction cardiaques à travers les lignes de développement. Les cellules individuelles du cœur du poisson-zèbre ont été suivies et leur mouvement et leur interaction ont été quantifiés à l’aide de la plateforme VR personnalisée. Les changements de vitesse et de distance relative de cellules sélectionnées ont également été comparés au cours d’un cycle cardiaque dans l’oreillette et le ventricule pour évaluer la contractilité régionale et étudier la déformation locale (Figure 4). La déformation régionale a été déterminée en fonction de la variation du déplacement entre deux cellules myocardiques adjacentes dans la région d’intérêt. Le raccourcissement fractionnel (FS) et la fraction d’éjection (FE) ont été estimés à l’aide des méthodologies décrites dans la littérature publiée25. Les équations pour FS et EF sont les suivantes :
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/66263/66263eq01.jpg" style="margin: auto;">
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66263/66263eq02.jpg" style="margin: auto;">
où Dd et Ds sont les diamètres des ventricules (axe court, mesuré par les distances entre les différentes cellules du ventricule) aux stades fin diastolique et fin systolique, respectivement, et Vd et Vs sont les volumes ventriculaires (calculés par les diamètres des axes long et court du ventricule) aux stades fin diastolique et fin systolique, respectivement.
Collectivement, ces résultats présentent une nouvelle stratégie qui intègre à la fois la physiologie et l’ingénierie pour faciliter l’imagerie volumétrique et l’interprétation des données dans les modèles de poisson-zèbre, très prometteuse pour faire progresser l’exploration de la morphogenèse et de la mécanique cardiaques.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66263/66263fig01.jpg"> Figure 1 : Processus de collecte et de micro-injection d’œufs de poisson-zèbre. Le processus implique l’accouplement de poissons-zèbres adultes, la collecte d’œufs fécondés et la micro-injection facultative. Lors de la microinjection, la pipette en verre pré-tirée est chargée avec les matériaux souhaités. Les œufs fécondés sont alignés en rangées droites dans les fentes de moisissure de l’agarose et positionnés perpendiculairement à l’aiguille. La micro-injection est effectuée sous observation microscopique constante des œufs et de la pointe de l’aiguille. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66263/66263fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66263/66236fig02v2.jpg"> Figure 2 : Processus d’imagerie à feuillet de lumière et reconstruction d’images 4D. (A) Schéma de la structure interne du système d’imagerie à feuillet de lumière. CL : lentille cylindrique. EO : objectif d’excitation. DO : objectif de détection. TL : lentille du tube. FL : filtre. CAM : caméra sCMOS. (B) Schéma d’un poisson zèbre monté dans le tube FEP et nourri par de l’agarose. (C) Séquence d’images 2D brutes capturées à partir d’une larve de poisson-zèbre de 4 dpf. L’horloge en haut à gauche de chaque image indique la phase cardiaque à partir de la fin de la systole. (D) Illustration de la synchronisation rétrospective pour le recalage d’images 4D de poissons-zèbres. La séquence d’images indique un enregistrement continu à une certaine profondeur le long de l’axe z. Chaque image de la séquence d’images est représentée par un point rouge, et les phases de début et de fin de la diastole à la fin de la systole sont mises en évidence dans la case jaune. (E) Modèles cardiaques reconstruits en 4D à partir des séquences d’images 2D. Dpf : jours après la fécondation. Cette figure est adaptée de Zhang et al.12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66263/66236fig02largev2.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66263/66263fig03.jpg"> Figure 3 : Panneau de configuration LabVIEW. (A) Les paramètres utilisés dans le panneau de commande englobent la configuration du laser, de la caméra, du chemin d’image et du modèle de moteur. (B) Un exemple d’image brute du cœur d’un poisson-zèbre capturée par le programme LabVIEW. Barre d’échelle : 30 μm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66263/66263fig03large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66263/66263fig04.jpg"> Figure 4 : Le suivi cellulaire et l’interaction VR aident à révéler la contractilité cardiaque du poisson-zèbre. (A) Cellules suivies du cœur du poisson-zèbre Tg(myl7 :nucGFP) à 3 dpf. (B) La plate-forme VR offre aux utilisateurs une visualisation immersive et une expérience interactive d’un modèle de cœur de poisson-zèbre 4D, permettant de visualiser la fonction cardiaque au fil du temps grâce à une analyse définie par l’utilisateur. (C) Après avoir recueilli des mesures à partir de la plate-forme VR, les changements de vitesse et de distance relative ont été comparés au cours d’un cycle cardiaque entre des cellules sélectionnées à 3 dpf et 7 dpf. Les deux premières figures présentent les changements de vitesse moyens dans cinq cellules ventriculaires et cinq cellules auriculaires, et les autres illustrent les changements de distance relatifs entre trois groupes de cellules, c’est-à-dire deux cellules ventriculaires, une cellule ventriculaire et une cellule auriculaire, et deux cellules auriculaires. (D) Évaluations de la fonction cardiaque des cœurs de poissons-zèbres de 3 dpf et 7 dpf. Au total, 370 cellules ont été suivies dans les cœurs de poissons-zèbres à 3 dpf, et 580 cellules ont été suivies à 7 dpf. Cette figure est adaptée de Zhang et al.12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66263/66263fig04large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>NOM</td>
			<td colspan="2">USAGE</td>
			<td>IDENTIFICATEUR</td>
		</tr><tr><td colspan="4">Programmes et algorithmes personnalisés</td>
		</tr><tr><td>PSF.m</td>
			<td colspan="2">Calculer la PSF à partir des résultats des mesures FWHM des billes de fluorescence.</td>
			<td>Programme MATLAB</td>
		</tr><tr><td>Poisson zèbre 4D Imaging.vi</td>
			<td colspan="2">Contrôler et synchroniser le matériel dans le système LSM.</td>
			<td>Programme LabVIEW</td>
		</tr><tr><td>test_Parallel heures, etc.</td>
			<td colspan="2">Pour reconstruire des images 4D à partir de séquences d’images 2D.</td>
			<td>Programme MATLAB</td>
		</tr><tr><td>imageDimConverter.m</td>
			<td colspan="2">Pour convertir des données d’image dans un format spécifié pour le suivi des cellules.</td>
			<td>Programme MATLAB</td>
		</tr><tr><td>separateTrackingResults.py</td>
			<td colspan="2">Pour valider les résultats du suivi des cellules de séparation des cellules avec les mêmes étiquettes.</td>
			<td>Programme Python</td>
		</tr><tr><td>cellTracking_All.py</td>
			<td colspan="2">Pour sélectionner des cellules avec une intensité d’image constante sur tous les volumes.</td>
			<td>Programme Python</td>
		</tr><tr><td>cellLabelsToObj.ipynb</td>
			<td colspan="2">Générer un maillage de surface pour chaque cellule individuelle à l’aide d’un segment 3D.</td>
			<td>Programme Python</td>
		</tr><tr><td>DynamicHeartModel.cs, etc.</td>
			<td colspan="2">Pour créer un environnement VR et interagir avec les objets.</td>
			<td>Programme C#</td>
		</tr><tr><td colspan="4">Conception matérielle personnalisée</td>
		</tr><tr><td>Chambre d’échantillonnage imprimée en 3D</td>
			<td colspan="2">À utiliser avec des objectifs à immersion dans l’eau.</td>
			<td>Conception de SolidWorks</td>
		</tr><tr><td>Porte-échantillon imprimé en 3D</td>
			<td colspan="2">S’adapter à la platine de l’échantillon et maintenir l’échantillon.</td>
			<td>Conception de SolidWorks</td>
		</tr></tbody></table>Tableau 1 : Tableau des ressources personnalisées. Les exemples de codes et de données sont téléchargés sur Zenodo21.

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.

Imagerie 4D de la contraction cardiaque du poisson-zèbre

Zebrafish is an intriguing model organism known for its remarkable cardiac regeneration capacity. Studying the contracting heart in vivo is essential for ...

Notre recherche utilise l’imagerie 4D par feuille de lumière pour explorer la fonction contractile cardiaque chez le poisson zèbre, dans le but de comprendre la dynamique de la contraction cardiaque au niveau de la cellule unique. L’un des principaux défis expérimentaux est d’obtenir une imagerie dynamique de la fonction cardiaque à haute résolution terminale spatiale tout en observant les rythmes cardiaques naturels. Notre étude comble le vide dans l’analyse de la dynamique cardiaque 4D complexe à une résolution de cellule unique.Nous utilisons le calcul parallèle basé sur GPU, la réalité virtuelle et le suivi cellulaire avancé pour interpréter les données d’imagerie de la feuille de lumière. Notre nouvelle plateforme de réalité virtuelle offre une approche interactive pour évaluer les contractions cardiaques régionales, fournissant des fonctionnalités de manipulation pour une analyse plus approfondie. En facilitant l’analyse de la contraction cardiaque dirigée par l’utilisateur, notre protocole pourrait conduire à une meilleure compréhension du développement et de la maladie cardiaques.

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