心筋機械変形(DIAMOND)の変位解析は、胚性ゼブラフィッシュにおける心機能のセグメント的不均一性を明らかにする

化学療法による心臓毒性とそれに伴う心不全は、化学療法中止の主な理由の1^{つである1}.したがって、心臓機能評価は、心臓毒性の同定において重要な役割を果たし、さらに重要なことに、化学療法後の早期心臓損傷の予測^{において2}である。しかし、心臓機能評価のための現在のアプローチは限界に遭遇する。左心室駆出分率(LVEF)のような方法は、損傷^3、4の後に世界的かつしばしば遅れた心臓力学のみを提供する。組織ドップラーイメージングは、セグメント性心筋変形情報を提供するが、超音波ビーム角度依存性⁵に部分的に、重要なイントラ観察者および観察者間変動に苦しむ。2次元(2D)のスペックルトラッキングは、理論的には角度依存性を排除するエコーカルディグラフィのBモードを利用しますが、その精度は面外モーション⁶によって制限されます。したがって、セグメント性心機能を定量化するための厳密なアプローチは、研究と臨床の両方に欠けている。

そこで、心筋の変位解析(DIAMOND)を3次元空間における心筋質量心筋の変位ベクトルを決定する、心筋変形解析(DIAMOND)と名付けた、セグメント心臓機能の解析のための4D定量法を開発しました。動物モデルとしてゼブラフィッシュ(Danio rerio)を用いた心機能およびドキソルビシン誘発心毒性のインビボ評価にDIAMONDを適用し、その再生心筋および高度に保存された発達遺伝子^に起因して選択した。さらに、セグメントDIAMOND変位と、全発放出分率(EF)決定およびドキソルビシン処理後の2Dひずみとを比較した。DIAMONDは、胚性ゼブラフィッシュ心臓の4D光シート蛍光顕微鏡(LSFM)取得したレンダリングとDIAMOND変位を統合することにより、房室管に隣接する基底心筋セグメントが最も機械的変形を受け、急性ドキソルビシン心臓損傷の影響を最も受けやすいことを示している^。

ここに記載されているすべての方法は、UCLA機関動物管理使用委員会(IACUC)によって承認されており、実験はUCLA動物研究局によって承認されたプロトコルに準拠して行われました。

1. Tg(cmlc2:mCherry)ゼブラフィッシュの繁殖と胚の採取

1. 以前に確立された畜産および繁殖慣行に記載されているように、住宅、繁殖、および胚の収集手順に従ってください。詳細については、メッサーシュミットら⁹を参照してください。
2. 採取した胚をE3培地18時間受精で0.003%1-フェニル-2-チオ尿素(PTU)で治療し、LSFMイメージングのための胚の透明性を維持する。

2. 心臓損傷を誘発するドキソルビシン治療

1. 3日間の受精後(dpf)で、E3魚水培地中の10μMの濃度でドキソルビシンで胚を治療する。4 dpfに24時間処理した後、ドキソルビシン培地を新鮮なE3培地に交換します。
   注意:ドキソルビシンは化学療法薬です。適切な個人用保護具(PPE)が必要であり、廃棄物はバイオハザード廃棄物容器に保管する必要があります。

3. ノッチ経路変調

1. ゼブラフィッシュ胚をノッチ経路阻害剤(2S)-N-(3,5-ジフルオフェニル)アセチル]-L-アラニル-2-フェニル]グリシン1,1-ジメチレチルエステル(DAPT)を3~6dpfのE3魚水中に10μMの濃度で治療します。
2. ノッチダウンストリームエフェクターノッチ細胞内ドメイン(NICD)およびノイレグリン1(Nrg-1)mRNAをそれぞれ10pg/nLおよび5 pg/nLの濃度で1細胞段階ゼブラフィッシュ胚^8,10にマイクロ注入する。
   注:マイクロインジェクションは、注入された容積を正確に制御するために、空気ポンプのサポートを受けて顕微鏡下で行われます。細胞へのmRNAマイクロインジェクションは、受精卵が最初の細胞段階にあるときに行われます。mRNAの準備と順序の詳細については、Chen et al.⁸を参照してください。注射針のマイクロインジェクションおよび調製の詳細については、Rosenらの¹⁰を参照してください。

4. LSFM イメージングとポストイメージング同期

1. LSFM イメージング技術およびポストイメージング同期アルゴリズムについては、前の資料^9,11の詳細を参照してください。
   注:簡単に説明すると、当社のシステムは、すべてのトランスジェニックゼブラフィッシュラインを画像化するための照明源として連続波レーザーを使用しています。検出モジュールは、2つの科学的相補的な金属酸化物半導体(sCMOS)カメラとデュアルチャンネルイメージング用の2組のフィルタで構成されています。検出モジュールは照明面に垂直に取り付けられている。各LSFMフレームは20ミリ秒の露光時間内に取得され、断面の分解能は約0.65μm、連続するフレーム間のステップサイズは約2μmです。589 nmレーザーを使用して、mCherry蛍光シグナルを励起した。

5. 3D収縮期および拡張期心の再構築

1. 同期後のアルゴリズムで作成されたフォルダを開き、Outputフォルダを開きます。心臓の中央平面を選択し、フォルダ全体を ImageJ にロードします。最初の拡張期および収縮期を見つけて、フレーム番号を記録します。
2. 「出力/状態別」フォルダを開き、記録したフレーム番号と同じ番号のフォルダを探します。フォルダ内の画像を3D TIFF(タグ付き画像ファイル形式)ファイルに変換し、「dia、syの.tif」と「syのtif」と名前を付けます。

6. 心室のセグメンテーション

1. イメージ分析ソフトウェアを開きます(資料の表を参照)。[ファイル] をクリックして |データを開き、「拡張期.tif」と「収縮期.tif」をロードします。イメージング設定に従ってボクセルサイズを入力します。
   メモ:使用するLSFMシステムの場合、一般的なボクセルサイズは0.65 μm x 0.65 μm x 2 μmです。
2. 「セグメンテーション」パネルをクリックし、心臓の心室部分を手動でセグメント化します。特定の強度を超えるすべての領域を選択できる組み込みのしきい値ツールを使用すると、このプロセスを容易にできます。心室は、より強い蛍光を有するより厚いチャンバーである。
   注: これは変位解析に影響するため、セグメント化された心室の房室管と流出管を必ず取り除くようにしてください。
3. セグメンテーションが完了したら、「プロジェクト」パネルをクリックします。「拡張期」を右クリックします。ラベル.tif"と"収縮期。コンソールの labels.tifタブをクリックし、[データをエクスポートする形式] をクリックして、データを 3D TIFF ファイルとして保存します。

7. 画像登録用の長方形の平行エピペスの作成

1. プログラミング環境でprepImage_1.mを実行します (資料の表を参照)。5 行目で"prepImage_1.m""ImPath"を開き、フォルダに元の TIFF ファイルとセグメント化された TIFF ファイルが含まれ、4 行目の"slice"を3D tif ファイルのスライス数に変更します。
2. コードを実行した後、5つの新しい3D TIFFファイル(「test.tif」、「diastole_200.tif」、「systole_200.tif」、「diaLabel.tif」、および「sysLabel200.tif」)と2つの新しいフォルダ(「resample_dia」と「resample_sys」)を生成します。

8. 短軸平面に沿って収縮期および拡張期の3D心をリサンプリングする

1. 5 つの 3D TIFF ファイルをすべてイメージ分析ソフトウェアにインポートします(「マテリアルの表」を参照)。
   メモ:ボクセルのサイズは変更されません。
2. マルチプラナーパネルに移動します。プライマリ データとして [diastole_200.tif] を選択します。X 軸(XY 平面の緑の線)を心室の縦長の長軸に合わせ、Z 軸(YZ 平面の赤い線)を心室の横長軸に揃えます。
   注: 垂直長軸は、XY 平面の頂点と流出路を結ぶ最長の軸を求めることによって決定され、横長軸は YZ 平面の頂点と流出路を結ぶ最長の軸を見つけることによって決定されます。軸の終点にカーソルを置いて軸を回転します。
3. 斜め YZ 平面(短軸平面)から 3 つのランダムポイントを反時計回りに選択し、3D 位置座標を記録します。
   注: 点が反時計回りに選択されていることを確認します。
4. 「systole_200.tif」に対して、手順 8.2 と 8.3 を繰り返します。
5. 「プロジェクト」パネルをクリックします。"diastole_200.tif" を右 diastole_200クリックし、"スライス" オブジェクトを検索して、"slice"オブジェクトを作成します。作成したスライスオブジェクトを左クリックし、プロパティパネルで |オプションを選択し、「平面を設定」をチェックし、「平面定義」で3点を選択します。ステップ 7.3 から 3 点の座標を入力します。
6. 「systole_200.tif」に対して手順 8.5 を繰り返します。
   注: 作成されるスライスオブジェクトには、"Slice 2"という名前が付いています。
7. 右クリックしてdiastole_200.tif」をクリックし、「変換後の画像を再サンプル」を検索して、オブジェクトを作成します。プロパティパネルで、「参照」として「スライス」を選択し、「適用」をクリックします。これにより、" diastole_200.トランスフォーメーション "という名前のオブジェクトが生成されます。
8. 右クリック"diastole_200.変換 "をクリックし、 "Resample" を検索してオブジェクトを作成します。[モード] として [ボクセル サイズ] を選択し、[プロパティ]パネルで "ボクセル サイズ" を x = 1、y = 1、z = 1 に変更します。
9. [適用] をクリックします。これにより、" diastole_200.resampled" という名前のオブジェクトが生成されます。右クリックして"diastole_200.resampled"3D TIFF ファイルとして保存します。
10. "diaLabel.tif" と "test.tif" についても同じ手順を繰り返します。「diaLabel.resampled」と「test.resampled」を 3D TIFF ファイルとして保存します。「スライス 2」を参照として使用して「systole_200.tif」、「sysLabel.tif」、「test.tif」と同じ手順を繰り返し、「systole_200.resampled」、「sysLable.resampled」、「test2.resampled」を 3D TIFF ファイルとして保存します。
    注: この手順では、合計 6 つの TIFF ファイルが保存されていることを確認します。

9. リサンプリングされた心臓の分割

1. 手順 8 から ImageJ に 6 つのリサンプリングされたファイルをすべてインポートします。房室管がはっきりと視覚化されている「systole_200.resampled」のスライスを選択します。スライスの番号を記録します。
   1. 画像を使用する |変換 |房室の管が垂直になるようにImageJの機能を回転させる。すべてのファイルに同じローテーションを適用します。すべてのウィンドウを閉じ、すべての変更を保存します。
   2. "diastole_200.resampled"、"diaLabel.resampled"、および "test.resampled" を "resample_dia" フォルダーに移動し、"systole_200.resampled" 、"sysLable.resampled"、および "test2.resampled" を "resample_sys" フォルダーに移動します。
2. 「divider_2_8_pieces.m」を開きます。行 5 の"ImPath"と 395 行目の"ImPath"をイメージ ディレクトリに変更します。22 行目および 411 行目の変数 "中" を、房室管がはっきりと視覚化されるスライス数に変更しますsystole_200.resampled」 および "diastole_200.resampled" 。
3. コードを実行し、プロンプトウィンドウで心室の中心で1回クリックし、房室管の中心で1回クリックします。これは、収縮期と拡張期の両方の画像のために2回行う必要があります。

10. 収縮期および拡張期イメージ行列の登録

1. "register_3.m" を開き、4 行目の"ImPath"をイメージ フォルダのパスに変更します。システムの計算能力によっては、このコードを実行するのに 5 ~ 20 分かかる場合があります。
   注: ステップ 7 で人工的に作成された矩形の平行エピペスは、3 点と 3 点で登録された 2 つの点と角度の間の距離を保持する 3D リジッド登録に使用されます。末端直径の矩形平行(赤)が末端収縮矩形平行(緑色)に登録されると、続く分離円板3D位置は、末方収縮マトリックスから末端収縮マトリックスへの回転および移動からなる剛直変換のユニークなマトリックスの導出を可能にする(図1H)。画像処理ツールボックスを使用して変換後に行列をノイズ除去するための登録と正規化されたエネルギー最小化を実行します(教材表を参照)。数学の詳細については、Chen et al.⁸を参照してください。

11. 変位ベクトルの出力

1. "displacement_4.m"を開き、4 行目の"ImPath"をイメージ フォルダのパスに変更します。
2. "displacement_4.m"を実行し、"vector8.txt" ファイルを "vectors" フォルダーに生成します。"vector8.txt" ファイルが開かれると、8 x 4 の行列が表示されます。行列の各行には、X 成分、Y 成分、Z成分、および心室の特定のセグメントの変位ベクトルの SUM の大きさの 4 つの数値があります。
   注: 変位ベクトルは、3D 空間における各セグメントの質量中心数の変位を計算することによって取得されます。収縮期から拡張期までのセグメンテーション データセットの3D質量重心(P_SおよびP_D)座標(kはそれぞれX、Y、またはZ座標を示す)を計算します(図1J)。質量の中心数は、次のように 3D 空間で定義します。
   
   ここで、C x =_X 、 C_y = Y、および_{C =} Z = Z、M_i = 各セグメントの質量 (I ≤ i ≤ VI)、m = 各セグメントのボクセル数、およびセグメント化領域としての密度関数 ρ = 残りは 0 です。X軸、Y軸、Z軸に沿ったサブ変位ベクトルと合計変位ベクトルのL2ノルムは、心周期の間に計算されます。マトリックスには合計 8 行あります。最初の行と8列目には房室管が含まれているので、我々の分析では無視されます。セグメント I から VI は、2 行目から 7 行目で表されます。

DIAMOND が3次元のセグメント性心機能を評価するために開発されたプロセスを図1に示します。発生源ゼブラフィッシュ心臓の3DにおけるLSFM画像取得および再構成(図1A)に続いて、真の短軸平面は、縦および横長軸に垂直な平面として決定され、どちらもマルチプレーンビューアで決定される(図1B)。心臓を短軸平面に沿って再サンプリングし(図1C)、そして、心室空洞の中心を房室管の中心に接続する仮想分割線(赤点線)に従って等しい8つの等しいセグメントに分割した(図1E)。特定されたセグメントの 3D 描写は、断面図 (図 1F)と、生データと比較して図示されています (図 2)。セグメントVIIおよびVIIIは、房室管を包含し、したがって他のセグメントと比較して少ない心筋を含むので、分析から除去された。終収縮期(HS)と末端拡張期(HD)の異なるリサンプリング平面は、収縮期末および拡張期末行列の異なる座標系を導き、元の空間的関係を復元するために登録する必要があります(図1G)。収縮期末行列の座標系が一貫性の基準として選択されました。末端拡張行列から収縮期末行列への変換行列 (Tm)を決定するために、3D では非対称で元の画像マトリックスと同じ次元を持つ 3 つの平行エピペスの行列が事実上作成されました。平行エピペッドを2回リサンプリングし、まず末収縮行列の短軸面で、次に末期末収縮行列の短軸面で、末端収縮期(緑色)と末端拡張収縮(赤)に対して異なる変形平行エピペッドを導出した(図1H)。

緑と赤の平行エピペッドをリジッドボディ登録アルゴリズムによって一緒に登録し、Tmを計算して末端拡張行列に適用して座標を復元しました(図1I)。このプロセスは、心室の任意のセグメントから心室の任意のセグメントから質量心筋の3D空間での後続の追跡を可能にします(図1J)。心室セグメントI-VIのDIAMOND変位は、心周期の複数の時間ポイント(図1K)の間に追跡することができ、これは、末端収縮から末端収縮期までの2つの時点に定量的分析のために単純化することができます(図1L)。DIAMONDによって生成されたセグメントは、各色が1つの心臓セグメントを表す図2で視覚化することができます。

DIAMONDでは、ゼブラフィッシュのドキソルビシン誘発心筋損傷に対する心機能と感受性のセグメント的不均一性を明らかにした。3~4dpfから10μMドキソルビシンを用いた24時間の治療(図3A)の後、コントロール群と化学療法治療群間の心室セグメントのDIAMOND変位(図3B)と48時間の治療後の時間を比較した(図3C)。すべての DIAMOND 図形は、短い軸に沿ってリサンプリングされた心室と同じグラフィック パターンに従います (図 1E)。データは、変位ベクトルの L2 ノルムを心臓の内側の周囲に正規化し、X (緑)、Y (青)、Z 成分 (オレンジ) を加重寄与として示すことでパーセンテージで表示されます。4 dpf では、制御魚のセグメント変位ベクトルの平均 L2 ノルムは、正規化後の 6.6 ~ 11.3 μm (3.8 ~ 6.6%)我々の結果は、制御条件下では、基底セグメントIおよびVIが最大の変位を受け、ドキソルビシン誘発性心臓損傷の影響を最も受けやすいものであることを示している(図3B、6.6~4.7%から29%減少し、n=10コントロール、n=8ドキソルビシン、p<0.01)。 6 dpf では、制御魚のセグメント変位ベクトルの平均 L2 ノルムは、正規化後の 6.8 ~ 14 μm 、つまり 3.9 ~ 8% の範囲でした。6dpfで、基底セグメントIおよびVIは、DIAMONDの変位を制御レベルに回復し、セグメント再生を示唆した(図3C、n=10制御およびn=8ドキソルビシン)。並行して、2D基底株の悪化は-53から-38%に低下し、ドキソルビシン処理後4dpfで観察され、続いて6dpfで制御レベルに戻り、DIAMONDの変位結果を裏付けた(図3D、3E)。また、6dpfでの回収時に4dpfでのドキソルビシンに応答したグローバル放出率の平行減少も観察された(図3F、3G)。

次に、ドキソルビシン処理時にDIAMONDを適用し、ノッチ阻害剤DAPTを用いてノッチ経路調節を行い、ノッチダウンストリームエフェクター NICDおよびNRG1 mRNAを用いて救助する(図4A)。NICDおよびNRG1 mRNAマイクロインジェクションは、4dpfでの急性化学療法誘発傷害後のDIAMOND変位およびEFの減少を助けた(図4B、4D)。ドキソルビシンと共にノッチ阻害剤DAPTへの曝露は、基底セグメントIおよびVIに加えて、DIAMOND変位のより拡散減少をもたらした(図4B)。さらに、化学誘発傷害後のノッチ経路の阻害は、基底セグメントおよびEFの6dpfにおけるDIAMOND変位の回復をさらに妨げた。抑制は、ノッチダウンストリームエフェクター NICDおよびNRG1(図4C、4E)によって救出された。

図1:4D DIAMOND変位開発(A)光シート蛍光顕微鏡で生画像を撮影した。(BおよびC)再構築された3D心臓は真の短軸平面図に沿ってリサンプルした。(D) 胚性ゼブラフィッシュ心臓の模式図。(EおよびF)VIIおよびVIIIセグメントを除く8つのセグメントへの心室の分割の2Dおよび3Dイラスト。(G) 再サンプリング後の末端収縮期と末端拡張の異なる座標系。(H) 変換行列 (Tm)の生成のために、矩形の平行エピペッドのグループが作成されました。(I) Tmを適用して、末端収縮期および拡張期末座標系を登録しました。(J) 末端収縮期から末端拡張期までのセグメント質量心積の変位ベクトル。(K) 心周期の複数の時間ポイントの間に追跡される心室セグメントI-VIのDIAMOND変位。(L) 心室セグメント I-VI の末端収縮から末期拡張期への DIAMOND 変位。この図は、米国臨床調査学会(ASCI)の許可を得て再現されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:3Dの生データと比較した胚性ゼブラフィッシュ心臓のDIAMONDセグメンテーション。胚性ゼブラフィッシュの心臓はDIAMOND変位(左)の計算のために異なる色でここに描かれた6つのセグメント(体積)に分けられた。DIAMONDによって計算された各セグメントの変位ベクトルは、そのセグメントの心機能を表します。心房および流出路は、セグメンテーション中に除去された。スケールバー = 50 μm.この図の大きいバージョンを表示するにはここをクリックしてください。

図3:DIAMONDは、化学療法による傷害に対する心機能および感受性におけるセグメント的不均一性を解明する。(A) ドキソルビシン治療の実験スケジュール(BおよびC)コントロールとドキソルビシン処理群の間の内側心筋境界に正規化されたDIAMOND変位ベクトルのセグメント比較(t検定、**p <0.01、n = 8-10グループ当たり)。(DおよびE) DIAMOND変位ベクトルと同様の傷害および再生パターンを描写する心室基底部におけるひずみの評価(*p < 0.05, n = 6–8 グループ当たり)。(FおよびG) 全心室レベルでのセグメントDIAMOND変位に類似したパターン(t検定、**p < 0.01、誤差バーSEM、n = 6-10)に従って、ドキソルビシンに対する応答による放出率の減少は、6dpfで回復する。陳他8のこの姿はASCIの許可を得て再現されている。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:ドキソルビシン誘発傷害後のノッチ媒介性心筋回復の評価のためのDIAMOND力学。(A) 実験スケジュール。(BおよびC) NICDおよびNRG1ノッチダウンストリームエフェクタは、セグメントIおよびVIのDIAMOND変位を4 dpfで減少させた。6 dpfで、DAPTによるノッチシグナル伝達の阻害は、セグメント心臓機能の回復を損なった(ANOVA、 **p < 0.01 Dox対. コントロール; †p < 0.05, ††p < 0.01, Dox + DAPT 対 1.(DおよびE) 放出率は、DIAMOND の力学をグローバル レベルで裏付けます (ANOVA、 *p < 0.05、 **p < 0.01、エラー バー SEM、n = 5 – 11 グループ)。陳他8のこの姿はASCIの許可を得て再現されている。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

著者らは、利益相反は存在しないと宣言している。