이 프로토콜은 제브라피쉬 배아의 심장 형태 및 기능을 평가하기 위한 저비용 광학 현미경 방법을 설명하여 고급 이미징 시스템 없이도 발달 심장 독성을 재현 가능하게 평가할 수 있습니다.
방법 논문
이 프로토콜은 제브라피쉬 배아의 심장 형태 및 기능을 평가하기 위한 저비용 광학 현미경 방법을 설명하여 고급 이미징 시스템 없이도 발달 심장 독성을 재현 가능하게 평가할 수 있습니다.
제브라피쉬(Danio rerio)는 인간과의 유전적 유사성, 초기 발달 동안의 광학적 투명성 및 생체 내 이미징에 대한 적합성으로 인해 심혈관 연구에서 척추동물 모델로 널리 사용됩니다. 이 원고는 명시야 광학 현미경을 사용하여 수정 후 96시간(hpf)에 제브라피쉬 배아의 심장 형태 및 기능을 평가하기 위한 표준화되고 접근 가능한 프로토콜을 제시합니다. 이 방법에는 배아 수집, 형태학적 스크리닝, 아가로스 고정, 박동하는 심장의 비디오 녹화, 심실 치수, 박출량, 심박수, 박출률 및 심박출량과 같은 심장 매개변수의 이미지 기반 분석이 포함됩니다. 계산은 오픈 소스 소프트웨어(예: ImageJ, Zembryo Analyzer)를 사용하여 심실의 기하학적 근사치를 기반으로 합니다. 이 프로토콜은 널리 사용 가능한 장비를 사용하여 심장 성능을 정량적으로 평가할 수 있으므로 자원이 제한되어 있고 처리량이 많은 검사가 필요한 실험실에 적합합니다. 본 연구에서는 96hpf 제브라피쉬 유충을 광학 현미경으로 박동하는 심장을 기록하여 분석하였다. 측정된 주요 심장 매개변수에는 분당 박동수로 결정되는 박출량과 심박수를 계산하는 데 사용되는 심실 치수가 포함되었습니다. 이로부터 박출률과 심박출량을 도출하여 전반적인 심장 성능을 평가했습니다. 건강한 배아의 대표적인 결과는 일관된 심실 수축과 강력한 기능 지표를 보여주는 반면, 카드뮴에 노출된 배아는 심장 형태가 손상되고 심박출량이 크게 감소했습니다. 전반적으로 이 방법은 발달 심장 독성을 감지하는 데 중요하며 초기 제브라피쉬 발달 동안 생체 내 심장 기능을 평가하기 위한 재현 가능한 비침습적 접근 방식을 제공합니다.
제브라피쉬(Danio rerio)는 인간과의 유전적 상동성, 외부 수정, 배아의 광학적 투명성 및 빠른 발달로 인해 심혈관 연구에서 저명한 척추동물 모델 유기체로 부상했습니다 1,2. 비용 효율성 및 확장성과 결합된 이러한 특징으로 인해 제브라피쉬는 초기 심장 형태 형성, 선천성 심장 결함 및 발달 심장 독성 연구에 특히 적합합니다3. 이들의 관련성은 척추동물 종 전반에 걸쳐 심장 발달을 조절하는 유전자 및 신호 전달 경로의 높은 보존에 의해 더욱 강화됩니다4. 특히, 제브라피쉬 모델은 정상 및 병리학적 조건 모두에서 심장 형성, 리모델링 및 기능의 유전적, 생리학적 기초를 이해하는 데 크게 기여했습니다 5,6.
구조적으로 제브라피쉬 심장은 단일 심방과 단일 심실로 구성되어 있으며 선형 방식으로 연결되어 포유류 4방 심장의 전형적인 중격이 없습니다. 그럼에도 불구하고 제브라피쉬 심장은 심내막 및 심근층의 존재, 심장 전도 시스템, 리드미컬한 수축 활동 및 신경 호르몬 인자에 의한 조절을 포함하여 인간 심장 생리학의 주요 측면을 요약합니다 7,8. 중요한 것은 제브라피쉬 심장이 인간 배아 발달과 유사한 심관의 오른쪽 루프와 그에 따른 심실의 확장 및 묘사를 포함하여 주요 형태 발생 사건을 나타낸다는 것입니다9. 또한, 제브라피쉬 심장은 활동 전위 전파, 수축성 조절 및 칼슘 순환 역학을 포함하여 고등 척추동물에서 볼 수 있는 많은 전기생리학적 및 혈역학적 특성을 유지합니다7.
이러한 유사성을 감안할 때 제브라피쉬는 독성학, 특히 화학 물질 노출이 심장 발달 및 기능에 미치는 영향을 평가하는 데 중추적인 모델로 부상했습니다10. 그러나 이 분야의 주요 한계 중 하나는 기술적으로 까다로운 이미징 기술에 대한 의존도입니다. 공초점 또는 라이트 시트 현미경 또는 형광 심장 마커를 발현하는 형질전환 라인과 같은 기존의 고해상도 방법은 강력하지만 비용이 많이 들고 상당한 기술 인프라가 필요합니다11. 이러한 제약은 특히 자원이 제한된 환경이나 고처리량 스크리닝이 필요한 응용 분야에서 제브라피쉬 기반 심장 표현형의 광범위한 구현을 제한합니다12.
따라서 널리 사용 가능한 장비를 사용하여 심장 기능을 신뢰할 수 있는 평가를 가능하게 하는 방법론적 접근 방식에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 기존 문헌에는 수동 또는 반자동 측정과 결합된 명시야 또는 광학 현미경 기반 이미징을 포함하여 이러한 단순화된 방법의 예가 포함되어 있습니다13,14. 그러나 이러한 기술이 항상 표준화되는 것은 아니며 프로토콜, 타이밍 및 이미지 분석 매개변수 측면에서 연구 그룹마다 다른 경우가 많습니다. 이러한 가변성은 재현성을 방해하고 연구 전반에 걸쳐 비교 가치를 제한하며, 특히 정량적 심혈관 종점이 발달 안전성의 지표로 점점 더 많이 사용되는 배아 독성학, 약리학 또는 생태독성학과 같은 분야에서 더욱 그렇습니다15.
이러한 맥락에서 제브라피쉬는 생체 내에서 발달 심장 독성을 스크리닝하기 위한 귀중한 모델을 제공합니다. 규제 기관과 과학 컨소시엄은 특히 구조적 기형이나 치사율에 선행할 수 있는 심장 기능의 미묘한 변화를 감지할 수 있는 능력을 고려할 때 이 분야에서 제브라피쉬의 관련성을 점점 더 인식하고 있습니다14. 투명한 배아를 사용하면 박동하는 심장을 직접 시각화할 수 있어 침습적 시술 없이도 심장 성능을 실시간으로 평가할 수 있습니다. 또한, 제브라피쉬 심장 해부학의 단순성은 기본 이미징 기술15를 사용하여 챔버 치수 및 뇌졸중 매개변수를 포함한 심방 및 심실 역학의 정량화를 용이하게 합니다.
이 기사에 설명된 방법의 가장 중요한 목표는 표준 광학 현미경을 사용하여 제브라피쉬 배아 심장 성능의 형태 기능 평가를 위한 접근 가능하고 재현 가능한 접근 방식을 제공하는 것입니다. 간단한 비디오 획득과 사후 이미지 분석에 초점을 맞춤으로써 이 기술은 고해상도 이미징과 정성적 관찰 채점 사이의 방법론적 격차를 메우는 것을 목표로 합니다. 이 프로토콜은 다양한 실험실 환경과 자원 수준에 적용할 수 있으며 특히 심장 기능 평가에 초점을 맞춘 독성학적, 약리학적 또는 유전 연구에 적용할 수 있습니다.
실용적인 이점 외에도 이 프로토콜은 일반적으로 사용되는 기술을 재현 가능한 단일 파이프라인으로 결합하는 통합된 단계별 워크플로를 제공함으로써 현장에 기여합니다. 유사한 접근 방식이 문헌에 존재하지만 시각적 문서와 이러한 수준의 통합을 제공하는 것은 거의 없으며, 이는 더 광범위한 채택 및 표준화를 지원할 수 있습니다.
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제브라피쉬 배아와 관련된 모든 절차는 지역 윤리 위원회가 승인한 기관 동물 관리 및 사용 지침에 따라 수행되었습니다. 제브라피쉬 사육 및 배아 조작은 과학적 목적으로 사용되는 동물 보호에 관한 유럽 지침 2010/63/EU에 따라 수행되었습니다. 본 연구에 사용된 시약과 장비는 재료표에 나와 있습니다.
1. 제브라피쉬 유지 관리 및 배아 채취
2. 형태학적으로 정상적인 배아의 선택
3. 광학 현미경을 이용한 심장 영상
4. 심장 기능의 영상 분석 및 측정
5. 독성물질을 이용한 심장독성 시험의 프로토콜 적용 가능성 평가
6. 데이터 관리 및 복제
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이 프로토콜은 심실 크기, 수축성, 박출량 및 박출률과 같은 구조적 및 기능적 매개변수를 포함하여 수정 후 96시간(hpf)에 제브라피쉬 심장 발달의 정량적 분석을 허용합니다.
그림 2 는 이완기(ED) 및 수축기말(ES)에서 제브라피쉬 심실의 대표적인 명시야 이미지와 평균 심실 면적(VA) 및 부피(VV) 측정값(n = 30 배아)을 표시하는 해당 막대 그래프를 보여줍니다. 심실은 타원체 모양으로 나타나고 리드미컬한 수축을 나타내며 심장 기능을 정량화할 수 있는 ED와 ES 사이의 명확한 치수 차이가 있습니다. ED에서 평균 VA와 VV는 각각 0.017mm² ± 0.002mm² 및 0.0005mm² ± 0.0001mm³였습니다. ES에서 VA와 VV는 0.012mm²± 0.002mm² 및 0.0003mm³로 감소하여 정상적인 발달 조건에서 효과적인 심실 수축을 반...
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이 프로토콜의 중요한 단계 중 하나는 수정 후 6시간(hpf)에 형태학적으로 정상적인 배아를 정확하게 식별하고 선택하는 것입니다. 응고, 발달 지연 또는 구조적 이상의 징후를 보이는 배아는 심혈관 측정의 일관성과 해석 가능성을 크게 손상시킬 수 있습니다. 생존 불가능하거나 기형의 배아를 조기에 제거하면 심장 발달 및 기능을 평가하기 위한 신뢰할 수 있는 기준선이 보장됩니다. 이미징 중 배아의 적절한 방향을 지정하고 심장이 명확하게 보이는 측면 위치를 보장하는 것은 재현 가능하고 해석 가능한 결과를 얻는 데에도 똑같이 중요합니다.
이 프로토콜은 심장 주기의 고대비, 고프레임 속도 이미징에 의존한 다음 Zembryo Analyzer16과 같이 무료로 사용할 수 있는 소프트웨어를 사용하여 이미지 기반 형태 측정 분석에 의존합니다. 이 플랫폼을 사용하면 심실 치수, 수축성 지수, 박출...
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저자는 공개할 것이 없습니다.
이 작업은 2025년 연구 활동의 구현 및 자금 조달을 위해 베오그라드 대학교 의과대학과의 기관 자금 지원 계약을 통해 세르비아 공화국 과학기술개발혁신부의 자금 지원을 받았습니다. 2025년 기관 자금 조달 계약 등록 번호는 451-03-137/2025-03/200110입니다. 승인된 하위 프로젝트에서 발생하는 모든 출판물의 승인에 이 번호가 포함되기를 요청합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.22 & 마이크로; m 막 필터 | 밀리포어 | SLGP033RS | 0.22 & 마이크로; m 막 필터 |
| 1 N HCl 용액 | 시그마-올드리치 | 320331 | pH 조절을 위한 염산 용액 |
| 1 N NaOH 용액 | 시그마-올드리치 | 72068 | pH 조절을 위한 수산화나트륨 용액 |
| 성체 제브라피시 (Danio rerio) | 지역 번식 시설 | 해당 없음 | 모델 유기체 |
| 메쉬가 있는 번식 수조 | / | / | 산란을 위한 성체 분리 |
| CaCl?· 2H? O | 시그마-올드리치 | C5670 | 염화칼슘 이하이드레이트, 시약 등급 |
| 염화카드뮴 | 시그마-올드리치 | 202908 | 노출 시 3 mg/L 시 사용되는 독성 물질 |
| 상업용 제브라피시 사료 | 미니 그랜, 누트리 펫, 고르니 밀라노박 | / | 제브라피시에 적합한 고단백 플레이크 또는 과립 사료 |
| 디지털 카메라 (현미경) | 하마마츠 포토닉스 | ORCA-플래시4.0 V3 | 30fps 비디오 녹화용 카메라 |
| 히트 블록 | 에펜도르프 | 5382000010 | 온도 제어 난방 장치 |
| ImageJ 소프트웨어 | NIH | https://imagej.nih.gov/ij/ | 오픈 소스 이미지 처리 소프트웨어 |
| 역광 현미경 | 니콘 | Ti2-E | 디지털 카메라가 장착된 현미경, 40시간 이상; 그리고 100번; 목표 |
| KCl | 시그마-올드리치 | P3911 | 염화칼륨, 시약급 |
| 저녹는점 아가로스 (1.2%) | 써모피셔 사이언티브 | 16520050 | 배아를 삽입하기 위해 |
| 메틸렌 블루 (1%) | 시그마-올드리치 | M9140 | E3 배지에 첨가된 항진균제 |
| MgCl?· 6H? O | 시그마-올드리치 | M9272 | 염화마그네슘 육수화물, 시약 등급 |
| 나클 | 시그마-올드리치 | S9888 | 염화나트륨, 시약 등급 |
| 멸균 페트리 접시 (100 mm) | 코닝 | 430167 | 배아 배양용 플라스틱 페트리 접시 |
| 멸균 페트리 접시 (35mm) | 맷텍 코퍼레이션 | P35G-1.5-14-C | 배아 장착용 유리 바닥 페트리 접시 |
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