Imagerie cardiaque fonctionnelle chez les embryons de poisson-zèbre à l’aide de la microscopie standard et de l’analyse vidéo : applications dans la recherche environnementale et biomédicale
10 octobre 2025
Ce protocole décrit une méthode de microscopie optique peu coûteuse pour évaluer la morphologie et la fonction cardiaques chez les embryons de poisson-zèbre, permettant une évaluation reproductible de la cardiotoxicité pour le développement sans avoir besoin de systèmes d’imagerie avancés.
La microscopie haute résolution, les rapporteurs fluorescents et l’analyse d’images numériques sont quelques technologies permettant une évaluation détaillée de la fonction cardiaque embryonnaire chez le poisson-zèbre. Maintenir des conditions d’imagerie cohérentes et minimiser le mouvement embryonnaire restent des défis majeurs pour des mesures précises de la fonction cardiaque. Pour commencer, enregistrez des vidéos d’embryons de poisson-zèbre à 96 heures de l’après-coup, dans des formats non compressés, afin de permettre une analyse précise de la dynamique du mouvement cardiaque.
Dans la séquence, cliquez sur Fichier, Ouvrir, puis choisissez le fichier AVI dans ImageJ pour importer les vidéos. Utilisez Analyser, puis cliquez sur Définir l’échelle, saisissez le diamètre du champ connu, et activez l’option globale pour appliquer l’échelle à toutes les mesures. Utilisez les outils ROI pour marquer les axes ventriculaires long et court pendant la systole terminale et la diastole terminale.
Déterminez ensuite la surface ventriculaire en utilisant la formule d’approximation de l’ellipsa. Estimez le volume ventriculaire à la diastole terminale et à la systole terminale en utilisant la formule du volume ellipsoïde. Calculez maintenant le changement fractionnaire de surface et le raccourcissement fractionnaire.
Déterminez ensuite le volume d’éjection, SV, et la fraction d’éjection, EF. Pour une analyse automatisée, lancez le logiciel Z-Embryo Analyzer et cliquez sur Fichier, puis ouvrez Vidéo, pour importer la vidéo désirée. Cliquez sur le bouton Détecter le cœur pour permettre au logiciel de localiser automatiquement la région d’intérêt en fonction des fluctuations de luminosité entre les images vidéo. Laissez le logiciel analyser les variations de luminosité dans la région d’intérêt détectée pour estimer la fréquence cardiaque, puis calculer le débit cardiaque.
Les graphiques montrent la surface et le volume de la chambre ventriculaire mesurés à l’extrémité de la diastole et à la fin de la systole chez les embryons de poisson-zèbre à 96 heures après la fécondation. Les différences quantitatives entre la diastole terminale et la systole terminale reflètent une fonction systolique normale lors du développement cardiaque précoce, ce qui soutient l’applicabilité de cette méthode. Chez les embryons sains de poisson-zèbre, le volume moyen d’AVC était de 0,213 nanolitre.
Le débit cardiaque était de 27,8 nanolitres par minute. La fraction d’éjection était de 41,99 % et la fréquence cardiaque moyenne de 130 battements par minute. Chez les embryons de poisson-zèbre sains, la variation moyenne de la surface fractionnaire était de 61,2 % et le raccourcissement fractionné de 44,5 %. Les embryons exposés au cadmium présentaient une morphologie cardiaque anormale avec des ventricules élargis et un œdème péricardique.
Chez les embryons exposés au cadmium, le volume AVC était significativement plus élevé que chez les témoins. Le débit cardiaque a augmenté et la fréquence cardiaque a diminué. Le protocole corrige le manque de méthodes standardisées et accessibles pour quantifier la fonction cardiaque embryonnaire du poisson-zèbre avec des flux de travail reproductibles.
Ce protocole utilise la microscopie standard et l’analyse open source, rendant possible une évaluation cardiaque de haute qualité sans équipement spécialisé. Les résultats fournissent un protocole fiable qui améliore la comparabilité entre les études et permet une évaluation plus précise des phénotypes cardiaques.
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Aperçu
Ce protocole décrit une méthode de microscopie optique à faible coût pour évaluer la morphologie et la fonction cardiaque chez les embryons de poisson zèbre, permettant une évaluation reproductible de la cardiotoxicité développementale sans nécessiter de systèmes d'imagerie avancés. La méthode permet une analyse détaillée de la fonction cardiaque en utilisant une microscopie standard et un logiciel open-source.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Morphologie cardiaque
- Développement embryonnaire
- Toxicologie
Contexte
- La microscopie haute résolution et l'analyse d'images numériques sont essentielles pour évaluer la fonction cardiaque embryonnaire.
- Le maintien de conditions d'imagerie cohérentes est crucial pour des mesures précises.
- Les défis comprennent la minimisation du mouvement de l'embryon pendant l'imagerie.
- Il manque des méthodes standardisées pour quantifier la fonction cardiaque chez le poisson zèbre.
Objectif de l'étude
- Fournir un protocole reproductible pour évaluer la fonction cardiaque chez les embryons de poisson zèbre.
- Permettre l'évaluation de la cardiotoxicité développementale.
- Améliorer la comparabilité entre les études.
Méthodes utilisées
- Enregistrer des vidéos d'embryons de poisson zèbre à 96 heures après la fécondation.
- Utiliser ImageJ pour l'analyse vidéo et la mesure des paramètres cardiaques.
- Calculer la surface ventriculaire, le volume, le volume de stroke et la fraction d'éjection.
- Utiliser le logiciel Z-Embryo Analyzer pour l'analyse automatisée du débit cardiaque.
Résultats principaux
- Le volume de stroke moyen chez les embryons sains était de 0,213 nanolitres.
- Le débit cardiaque a été mesuré à 27,8 nanolitres par minute.
- La fraction d'éjection s'est révélée être de 41,99% avec un rythme cardiaque de 130 battements par minute.
- L'exposition au cadmium a entraîné une morphologie cardiaque anormale et une fonction altérée.
Conclusions
- Le protocole fournit une méthode fiable pour l'évaluation cardiaque chez les embryons de poisson zèbre.
- La microscopie standard et l'analyse open-source rendent cette méthode accessible.
- Les résultats soutiennent l'applicabilité de cette méthode pour évaluer les phénotypes cardiaques.
Questions fréquemment posées
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.
