이 프로토콜은 광시트 이미징을 활용하여 제브라피시 유충의 심장 수축 기능을 조사하고 세포 추적 및 대화형 분석을 통해 심장 역학에 대한 통찰력을 얻습니다.
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이 프로토콜은 광시트 이미징을 활용하여 제브라피시 유충의 심장 수축 기능을 조사하고 세포 추적 및 대화형 분석을 통해 심장 역학에 대한 통찰력을 얻습니다.
제브라피시는 놀라운 심장 재생 능력으로 유명한 흥미로운 모델 유기체입니다. 생체 내에서 수축하는 심장을 연구하는 것은 부상에 대한 반응으로 인한 구조적 및 기능적 변화에 대한 통찰력을 얻는 데 필수적입니다. 그러나 제브라피시 심장의 고해상도 및 고속 4차원(4D, 3D 공간 + 1D 시간) 이미지를 획득하여 심장 구조와 수축성을 평가하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 이러한 맥락에서 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 자체 광시트 현미경(LSM)과 맞춤형 컴퓨터 분석이 사용됩니다. LSM 시스템 구축, 후향적 동기화, 단일 세포 추적 및 사용자 지향 분석을 포함하는 이 전략을 통해 형질전환 Tg(myl7:nucGFP) 제브라피시 유충의 단일 세포 분해능에서 전체 심장의 미세 구조 및 수축 기능을 조사할 수 있습니다. 또한 저분자 화합물의 미세 주입을 통합하여 정확하고 제어된 방식으로 심장 손상을 유도할 수 있습니다. 전반적으로, 이 프레임워크를 통해 생리학적 및 병태생리학적 변화뿐만 아니라 심장 형태 형성 및 재생 중 단일 세포 수준의 지역 역학을 추적할 수 있습니다.
제브라피시(Danio rerio)는 광학적 투명성, 유전적 다루기 쉬움 및 재생 능력 1,2,3,4로 인해 심장 발달, 생리학 및 수리를 연구하는 데 널리 사용되는 모델 유기체입니다. 심근경색 시 구조적, 기능적 변화가 심장 박출과 혈류역학에 영향을 미치지만, 기술적 한계로 인해 높은 시공간 해상도로 심장 재생 중 동적 과정을 조사하는 능력이 계속 방해를 받고 있습니다. 예를 들어, 컨포칼 현미경과 같은 기존의 이미징 방법은 동적 변화를 포착하고 여러 심장 주기 동안 심장 수축 기능을 평가하기 위한 이미징 깊이, 시간적 해상도 또는 광독성 측면에서 한계가 있다5.
광시트 현미경은 심장의 심실과 심방을 가로질러 레이저를 빠르게 스윕하여 향상된 시공간 해상도와 무시할 수 있는 광표백 및 광독성 효과로 상세한 이미지를 달성함으로써 이러한 문제를 성공적으로 해결하는 최첨단 이미징 방법을 나타냅니다 6,7,8,9,10,11.
이 프로토콜은 LSM 시스템 구축, 4D 이미지 재구성, 3D 세포 추적 및 대화형 분석을 포함하는 포괄적인 이미징 전략을 도입하여 여러 심장 주기 동안 심장 전체에 걸쳐 심근세포의 역학을 캡처하고 분석합니다12. 맞춤형 이미징 시스템과 계산 방법론을 통해 형질전환 Tg(myl7:nucGFP) 제브라피시 유충의 단일 세포 수준에서 심근 미세 구조 및 수축 기능을 추적할 수 있습니다. 또한, 약물 유발 심장 손상 및 후속 재생을 평가하기 위해 미세 주입을 사용하여 저분자 화합물을 배아에 전달했습니다. 이 전체론적 전략은 심장 발달 및 재생 중 단세포 수준에서 심근의 구조적, 기능적, 기계적 특성을 생체 내에서 조사할 수 있는 진입점을 제공합니다.
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이 연구에 대한 승인은 프로토콜 번호 #20-07에 따라 댈러스에 있는 텍사스 대학의 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee)에 의해 부여되었습니다. 본 연구에는 Tg(myl7:nucGFP) 형질전환 제브라피시 유충12 가 사용되었다. 모든 데이터 수집 및 이미지 후처리는 오픈 소스 소프트웨어 또는 연구 또는 교육용 라이선스가 있는 플랫폼을 사용하여 수행되었습니다. 리소스는 합리적인 요청에 따라 저자로부터 사용할 수 있습니다.
1. 제브라피시 사육 및 배아 미세주입
타이밍 : 2 일
2. 제브라피시 배아/유충 준비 및 장착
타이밍 : 7 일
3. 라이트 시트 이미징 시스템 설정 및 구성
타이밍 : 3-14 일
4. 제브라피시 이미징 준비 및 데이터 수집
타이밍 : 1 일
5. 병렬 계산을 통한 4D 이미지 재구성
타이밍 : 1 일
참고: 우리 그룹에서 개발한 4D 재구성 알고리즘과 샘플 데이터는 공개적으로 액세스할 수 있습니다21. 이 방법을 사용하면 이전 단계에서 수집된 이미지 시퀀스에서 4D 심장 이미지를 재구성할 수 있습니다(표 1).
6. 3D 세포 분할 및 세포 추적
타이밍 : 1 일
7. 가상 현실 모드에서 심장 수축도 분석
타이밍 : 1 일
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현재 프로토콜은 제브라피시 준비 및 미세 주입, 광시트 이미징 및 4D 이미지 재구성, 세포 추적 및 VR 상호 작용의 세 가지 주요 단계로 구성됩니다. 다 자란 제브라피시를 짝짓기로 하고, 수정란을 채취하고, 제안된 실험에 필요한 대로 미세주입을 수행했습니다(그림 1). 이 단계는 심장 발달 및 재생 연구에서 제브라피시 응용 분야를 탐색하기 위한 진입점을 제공하며, 후속 이미징 및 분석에서도 중요한 역할을 합니다. 수축하는 심장은 맞춤형 LSM 시스템을 사용하여 다양한 단계(3dpf에서 7dpf까지)에서 이미징되었으며 z축을 따라 이미지 시퀀스를 정렬하여 4D 제브라피시 심장 모델을 재구성했습니다(그림 2 및 그림 3). 이러한 모델은 심층적인 표현형 특성 분석을 위한 기초를 제공하며 발달 타임라인에 걸쳐 심장 형태 및 기능의 역학을 밝히는 데 중추적인 역할을 합니다....
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제브라피시 모델과 공학적 방법의 통합은 심근 경색, 부정맥 및 선천성 심장 결함의 생체 내 탐색을 위한 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 광학적 투명성, 재생 능력, 인간과의 유전적 및 생리학적 유사성을 활용하여 제브라피시 배아와 유충은 연구에 광범위하게 활용되고 있습니다 1,2,4. 광시트 이미징의 우수한 시공간 해상도, 최소 광손상 및 광학 절편 기능은 제브라피시 유충 12,26,27,28의 심장 형태 및 수축 기능에 대한 4D 조사에서 차별화되었습니다. 이 프로토콜은 광시트 이미징, 후향적 동기화, 3D 세포 추적 ...
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저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
형질전환 제브라피시를 아낌없이 나눠주신 보스턴 아동병원의 캐롤라인 번스 박사님께 감사드립니다. UT Dallas에서 제브라피시를 기르는 데 도움을 주신 Ms. Elizabeth Ibanez에게 감사드립니다. 또한 UT Dallas의 D-인큐베이터 회원들이 제공한 모든 건설적인 의견에 감사드립니다. 이 연구는 NIH R00HL148493(Y.D.), R01HL162635(Y.D.) 및 UT Dallas STARS 프로그램(Y.D.)의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| RESOURCE | SOURCE/Reference | IDENTIFIER | |
| Animal models | |||
| Tg(myl7:nucGFP) 형질전환 제브라피쉬 | Burns Lab in Boston Children's Hospital | ZDB-TGCONSTRCT-070117-49 | |
| 소프트웨어 및 알고리즘 | |||
| 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 | |
| 유니티 | 유니티 소프트웨어 Inc. | 2020.3.2f1 | |
| 아미라 | 써모 피셔 사이언티픽 | 2021.2 | |
| 3D 슬라이서 | Andriy Fedorov et al.17 | 5.2.1 | |
| ITK SNAP | Paul A Yushkevich et al.16 | 4 | |
| Light-sheet system | |||
| cylindrical lens | Thorlabs | ACY254-050-A | |
| 4X 조명 목표 | Nikon | MRH00045 | |
| 20X 감지 목표 | 올림푸스 | 1-U2M585 | |
| sCMOS 카메라 | 하마 마츠 | C13440-20CU | |
| 전동 XYZ 스테이지 | Thorlabs | PT3 / M-Z8 | |
| 2 축 틸트 스테이지 | Thorlabs | GN2 / M | |
| 회전 스테퍼 모터 | Pololu | 1474 | |
| 형광 구슬 | Spherotech | FP-0556-2 | |
| 473nm DPSS 레이저 | 레이저글로우 | R471003GX | |
| 532nm DPSS 레이저 | 레이저글로우 | R531003FX | |
| microinjector 및 진공 펌프 | |||
| microinjector | WPI | PV850 | |
| 진공 펌프 | Welch | 2522B-01 | |
| Pre-Pulled Glass Pipettes | WPI | TIP10LT | |
| 젤 로딩용 모세관 팁 | Bio-Rad | 2239912 | |
| 가상 현실 하드웨어 | |||
| VR 헤드셋 | Meta | Quest 2 | |
| 30mg/L PTU 솔루션 | |||
| PTU | Sigma-Aldrich | P7629 | |
| 1X E3 작업 솔루션 | - | - | |
| <강한>1% 아가로스 | - | - | |
| 저용융 아가로스 | Thermo Fisher | 16520050 | |
| 탈이온수 | - | - | |
| <강>10g/L 트리카인 원료 솔루션 | |||
| Tricaine | Syndel | SYNC-M-GR-US02 | |
| 탈 이온수 | - | ||
| 중탄산 나트륨 | 시그마 - Aldrich | S6014 | |
| < strong > 150mg / L Tricaine 작업 솔루션 < / strong > | |||
| 10g / L Tricaine 원액 | - | ||
| 탈 이온화 물 | - | ||
| -< 강> 60X E3 원액 < / 강> | |||
| 염화나트륨 | 실험실 동물 자원 센터 (LARC), 텍사스 대학교 댈러스 | NaCl | |
| 염화 칼륨 | - | KCL | |
| 염화칼슘 이수화물 | - | CaCL2 < / sub>x 2H 2 < / sub>O | |
| 황산 마그네슘 헵타하이드레이트 | - | MgSO4 x 7H2O | |
| RO 물 | - | - | |
| 1X E3 작업 솔루션 | |||
| 60X E3 재고 솔루션 | Lab Animal Resource Center(LARC), The University of Texas at Dallas | - | |
| RO 물 | - | ||
| 1 % 메틸렌 블루 (선택 사항) | - | C16H18ClN3S |
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