Imagem cardíaca funcional em embriões de peixe-zebra usando microscopia padrão e análise de vídeo: aplicações em pesquisa ambiental e biomédica
10 de outubro de 2025
Este protocolo descreve um método de microscopia de luz de baixo custo para avaliar a morfologia e função cardíaca em embriões de peixe-zebra, permitindo a avaliação reprodutível da cardiotoxicidade do desenvolvimento sem a necessidade de sistemas avançados de imagem.
Microscopia de alta resolução, repórteres fluorescentes e análise de imagens digitais são algumas tecnologias que permitem avaliação detalhada da função cardíaca embrionária em peixes-zebra. Manter condições de imagem consistentes e minimizar o movimento do embrião continuam sendo grandes desafios para medições precisas da função cardíaca. Para começar, grave vídeos de embriões de peixe-zebra às 96 horas pós-produção em formatos não comprimidos, para permitir uma análise precisa da dinâmica do movimento cardíaco.
Sequencialmente, clique em Arquivo, Abrir e depois escolha o arquivo AVI no ImageJ para importar os vídeos. Use Analisar, depois clique em Definir Escala, insira o diâmetro do campo conhecido e ative a opção global para aplicar a escala em todas as medições. Use as ferramentas ROI para marcar os eixos ventricular longo e curto durante a extremidade da sístole e a extremidade da diástole.
Depois, determina a área da superfície ventricular usando a fórmula de aproximação da elipse. Estime o volume ventricular no final da diástole e na extremidade da sístole usando a fórmula do volume elipsoide. Agora calcule a variação fracionária da área e o encurtamento fracionado.
Depois, determine o volume do golpe, SV, e a fração de ejeção, EF. Para análise automatizada, inicie o software Z-Embryo Analyzer e clique em Arquivo, depois abra Vídeo para importar o vídeo desejado. Clique no botão Detectar Coração para permitir que o software localize automaticamente a região de interesse com base nas flutuações de brilho entre os quadros de vídeo. Deixe o software analisar as mudanças de brilho dentro da região detectada de interesse para estimar a frequência cardíaca, depois calcule o débito cardíaco.
Os gráficos mostram a área e o volume da câmara ventricular medidos na diástole final e na sístole final em embriões de peixe-zebra 96 horas após a fertilização. As diferenças quantitativas entre a diástole final e a sístole final refletem a função sistólica normal durante o desenvolvimento cardíaco inicial, apoiando a aplicabilidade desse método. Em embriões saudáveis de peixe-zebra, o volume médio de AVC foi de 0,213 nanolitros.
O débito cardíaco foi de 27,8 nanolitros por minuto. A fração de ejeção foi de 41,99% e a frequência cardíaca média foi de 130 batimentos por minuto. Em embriões saudáveis de peixe-zebra, a variação média fracionária da área foi de 61,2% e o encurtamento fracionado foi de 44,5%. Embriões expostos ao cádmio apresentaram morfologia cardíaca anormal com ventrículos aumentados e edema pericárdico.
Em embriões expostos ao cádmio, o volume do AVC foi significativamente maior do que nos controles. O débito cardíaco aumentou e a frequência cardíaca foi reduzida. O protocolo aborda a falta de métodos padronizados e acessíveis para quantificar a função cardíaca embrionária do peixe-zebra com fluxos de trabalho reprodutíveis.
Esse protocolo utiliza microscopia padrão e análise de código aberto, tornando viável uma avaliação cardíaca de alta qualidade sem equipamentos especializados. Os resultados fornecem um protocolo confiável que melhora a comparabilidade entre os estudos e possibilita uma avaliação mais precisa dos fenótipos cardíacos.
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Visão Geral
Este protocolo descreve um método de microscopia de luz de baixo custo para avaliar a morfologia e função cardíaca em embriões de peixe-zebra, permitindo uma avaliação reproduzível da cardiotoxicidade do desenvolvimento sem a necessidade de sistemas de imagem avançados. O método permite uma análise detalhada da função cardíaca usando microscopia padrão e software de código aberto.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Morfologia cardíaca
- Desenvolvimento embrionário
- Toxicologia
Fundo
- Microscopia de alta resolução e análise de imagem digital são essenciais para avaliar a função cardíaca embrionária.
- Manter condições de imagem consistentes é crucial para medições precisas.
- Os desafios incluem minimizar o movimento do embrião durante a imagem.
- Métodos padronizados para quantificar a função cardíaca em peixes-zebra estão ausentes.
Propósito do Estudo
- Fornecer um protocolo reproduzível para avaliar a função cardíaca em embriões de peixe-zebra.
- Permitir a avaliação da cardiotoxicidade do desenvolvimento.
- Melhorar a comparabilidade entre estudos.
Métodos Utilizados
- Gravar vídeos de embriões de peixe-zebra às 96 horas pós-fertilização.
- Usar ImageJ para análise de vídeo e medição de parâmetros cardíacos.
- Calcular área de superfície ventricular, volume, volume sistólico e fração de ejeção.
- Utilizar o software Z-Embryo Analyzer para análise automatizada da produção cardíaca.
Principais Resultados
- O volume sistólico médio em embriões saudáveis foi de 0,213 nanolitros.
- A produção cardíaca foi medida em 27,8 nanolitros por minuto.
- A fração de ejeção foi encontrada em 41,99% com uma frequência cardíaca de 130 batimentos por minuto.
- A exposição ao cádmio resultou em morfologia cardíaca anormal e função alterada.
Conclusões
- O protocolo fornece um método confiável para avaliação cardíaca em embriões de peixe-zebra.
- Microscopia padrão e análise de código aberto tornam este método acessível.
- Os resultados apoiam a aplicabilidade deste método para avaliar fenótipos cardíacos.
Perguntas Frequentes
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.
