Functionele cardiale beeldvorming in zebravisembryo's met behulp van standaardmicroscopie en videoanalyse: toepassingen in milieu- en biomedisch onderzoek
10 oktober 2025
Dit protocol beschrijft een goedkope lichtmicroscopiemethode om de cardiale morfologie en functie in zebravisembryo's te beoordelen, waardoor een reproduceerbare evaluatie van ontwikkelingscardiotoxiciteit mogelijk is zonder dat er geavanceerde beeldvormingssystemen nodig zijn.
Hoogresolutiemicroscopie, fluorescentiereporters en digitale beeldanalyse zijn enkele technologieën die een gedetailleerde beoordeling van de embryonale hartfunctie bij zebravissen mogelijk maken. Het handhaven van consistente beeldvormingsomstandigheden en het minimaliseren van embryobewegingen blijven grote uitdagingen voor nauwkeurige metingen van de hartfunctie. Om te beginnen neem je video's op van zebravisembryo's na 96 uur in ongecomprimeerde formaten, om een nauwkeurige analyse van de hartbewegingsdynamiek mogelijk te maken.
Klik achtereenvolgens op Bestand, Open, en kies vervolgens het AVI-bestand in ImageJ om de video's te importeren. Gebruik Analyze, klik dan op Schaal instellen, voer de bekende velddiameter in en schakel de globale optie in om de schaal op alle metingen toe te passen. Gebruik de ROI-instrumenten om de lange en korte ventrikelassen te markeren tijdens eindsystole en einddiastole.
Bepaal vervolgens het ventriculaire oppervlak met behulp van de ellipsbenaderingsformule. Schat het ventrikelvolume bij einddiastole en eindsystole met behulp van de ellipsoïdevolumeformule. Bereken nu de verandering van fractionele oppervlakte en fractionele verkorting.
Bepaal vervolgens het slagvolume, SV, en de uitwerpfractie, EF. Voor geautomatiseerde analyse start je de Z-Embryo Analyzer-software en klik je op Bestand, open je vervolgens Video om de gewenste video te importeren. Klik op de knop Hartdetectie om de software automatisch het interessegebied te laten vinden op basis van helderheidsfluctuaties tussen videoframes. Laat de software helderheidsveranderingen binnen het gedetecteerde gebied analyseren om de hartslag te schatten, en bereken vervolgens de hartminuut.
De grafieken tonen het oppervlak en volume van de ventrikelkamer gemeten bij einddiastole en eindsystole in zebravisembryo's 96 uur na bevruchting. De kwantitatieve verschillen tussen de einddiastole en eindsystole weerspiegelen de normale systolische functie tijdens de vroege hartontwikkeling, wat de toepasbaarheid van deze methode ondersteunt. Bij gezonde zebravisembryo's was het gemiddelde slagvolume 0,213 nanoliter.
De hartoutput was 27,8 nanoliter per minuut. De ejectiefractie was 41,99% en de gemiddelde hartslag was 130 slagen per minuut. Bij gezonde zebravisembryo's was de gemiddelde verandering in fractioneel gebied 61,2% en fractionele verkorting 44,5%. Embryo's die aan cadmium blootgesteld waren, vertoonden abnormale hartmorfologie met vergrote ventrikels en pericardiale oedeem.
Bij cadmium-blootgestelde embryo's was het stroke-volume significant hoger dan bij controles. De hartoutput nam toe en de hartslag daalde. Het protocol pakt het gebrek aan gestandaardiseerde toegankelijke methoden aan om de embryonale hartfunctie van zebravissen te kwantificeren met reproduceerbare workflows.
Dit protocol maakt gebruik van standaardmicroscopie en open-source analyse, waardoor hoogwaardige hartbeoordeling mogelijk is zonder gespecialiseerde apparatuur. De bevindingen bieden een betrouwbaar protocol dat de vergelijkbaarheid tussen studies verbetert en een nauwkeurigere evaluatie van hartfenotypes mogelijk maakt.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een kosteneffectieve lichtmicroscopie-methode om de hartmorfologie en -functie in zebravisembryo's te beoordelen, waardoor reproduceerbare evaluatie van ontwikkelingscardiotoxiciteit mogelijk wordt zonder de noodzaak van geavanceerde beeldvormingssystemen. De methode maakt gedetailleerde analyse van hartfunctie mogelijk met behulp van standaard microscopie en open-source software.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Hartmorfologie
- Embryonale ontwikkeling
- Toxicologie
Achtergrond
- Hoge resolutie microscopie en digitale beeldanalyse zijn essentieel voor het beoordelen van embryonale hartfunctie.
- Het handhaven van consistente beeldvormingscondities is cruciaal voor nauwkeurige metingen.
- Uitdagingen omvatten het minimaliseren van embryobeweging tijdens beeldvorming.
- Gestandaardiseerde methoden voor het kwantificeren van hartfunctie in zebravissen ontbreken.
Doel van de studie
- Om een reproduceerbaar protocol te bieden voor het evalueren van hartfunctie in zebravisembryo's.
- Om beoordeling van ontwikkelingscardiotoxiciteit mogelijk te maken.
- Om de vergelijkbaarheid tussen studies te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Neem video's op van zebravisembryo's op 96 uur na bevruchting.
- Gebruik ImageJ voor videoanalyse en meting van hartparameters.
- Bereken ventrikeloppervlakte, volume, slagvolume en ejectiefractie.
- Gebruik Z-Embryo Analyzer software voor geautomatiseerde analyse van hartuitvoer.
Belangrijkste resultaten
- Gemiddeld slagvolume bij gezonde embryo's was 0,213 nanoliter.
- Hartuitvoer werd gemeten op 27,8 nanoliter per minuut.
- Ejectiefractie werd gevonden op 41,99% met een hartslag van 130 slagen per minuut.
- Cadmiumblootstelling resulteerde in abnormale hartmorfologie en veranderde functie.
Conclusies
- Het protocol biedt een betrouwbare methode voor hartbeoordeling in zebravisembryo's.
- Standaard microscopie en open-source analyse maken deze methode toegankelijk.
- Bevindingen ondersteunen de toepasbaarheid van deze methode voor het evalueren van hartfenotypen.
Veelgestelde vragen
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.
