Функциональная визуализация сердца у эмбрионов рыбок данио с использованием стандартной микроскопии и видеоанализа: применение в экологических и биомедицинских исследованиях
10 октября 2025 г.
Этот протокол описывает недорогой метод световой микроскопии для оценки морфологии и функции сердца у эмбрионов рыбок данио, что позволяет воспроизводить оценку кардиотоксичности развития без необходимости использования современных систем визуализации.
Высокоразрешающая микроскопия, флуоресцентные репортёры и цифровой анализ изображений — это некоторые технологии, позволяющие детально оценить эмбриональную функцию сердца у данио-рерио. Поддержание стабильных условий визуализации и минимизация движения эмбрионов остаются серьёзными трудностями для точных измерений функции сердца. Для начала записывайте видео эмбрионов данио-рерио, спустя 96 часов, в несжатых форматах, чтобы обеспечить точный анализ динамики сердечных движений.
Последовательно нажмите на Файл, Открыть, затем выберите AVI-файл в ImageJ для импорта видео. Используйте Analyze, затем нажмите Set Scale, введите известный диаметр поля и включите глобальную опцию применения шкалы ко всем измерениям. Используйте инструменты ROI, чтобы отметить длинные и короткие желудочковые оси во время конечной систолы и конечной диастолы.
Затем определите площадь поверхности желудочков с помощью формулы аппроксимации эллипса. Оцените объём желудочков в конечной диастоле и энд-систоле с помощью эллипсоидной формулы. Теперь вычислите изменение дробной площади и дробное сокращение.
Затем определите объём хода, SV и фракцию выброса (EF). Для автоматизированного анализа запустите программу Z-Embryo Analyzer, нажмите File, затем откройте Video, чтобы импортировать нужное видео. Нажмите кнопку Detect Heart, чтобы программа автоматически определила интересующую область на основе колебаний яркости между видеокадрами. Пусть программное обеспечение проанализирует изменения яркости в выявленной области для оценки частоты сердечных сокращений, затем рассчитайте сердечный выброс.
Графики показывают площадь и объём желудочковой камеры, измеряемые в конце диастолы и концесистоле в эмбрионах данио-рерио через 96 часов после оплодотворения. Количественные различия между энд-диастолой и энд-систолой отражают нормальную систолическую функцию в раннем развитии сердца, что подтверждает применимость этого метода. У здоровых эмбрионов данио-рерио, средний объём инсульта составлял 0,213 нанолитра.
Сердечный выброс составлял 27,8 нанолитра в минуту. Фракция выбросов составляла 41,99%, а средний пульс — 130 ударов в минуту. У здоровых эмбрионов данио-рерио-рего среднее изменение площади составляет 61,2%, а фракционное укорочение — 44,5%. Эмбрионы, подвергшиеся кадмию, демонстрировали аномальную морфологию сердца с увеличенными желудочками и отёком перикарда.
У эмбрионов, подвергшихся воздействию кадмия, объём инсульта был значительно выше, чем у контрольных. Сердечный выброс увеличивался, а частота сердечных сокращений снижалась. Протокол решает недостаток стандартизированных доступных методов для количественной оценки эмбриональной функции сердца данио-рерио-рерио, используя воспроизводимые рабочие процессы.
Этот протокол использует стандартную микроскопию и анализ с открытым исходным кодом, что делает высококачественную кардиологическую оценку возможной без специализированного оборудования. Результаты обеспечивают надёжный протокол, повышающий сопоставимость исследований и позволяющий более точно оценивать кардиальные фенотипы.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Этот протокол описывает метод низкозатратной световой микроскопии для оценки морфологии и функции сердца у эмбрионов данио, позволяющий воспроизводить оценку развития кардиотоксичности без необходимости использования передовых систем визуализации. Метод позволяет проводить детальный анализ сердечной функции с использованием стандартной микроскопии и программного обеспечения с открытым исходным кодом.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Морфология сердца
- Эмбриональное развитие
- Токсикология
Предисловие
- Высокоразрешительная микроскопия и анализ цифровых изображений необходимы для оценки сердечной функции у эмбрионов.
- Поддержание однородных условий визуализации важно для точных измерений.
- Среди задач – минимизация движения эмбрионов во время визуализации.
- Отсутствуют стандартизированные методы для количественной оценки сердечной функции у данио.
Цель исследования
- Предоставить воспроизводимый протокол для оценки сердечной функции у эмбрионов данио.
- Обеспечить возможность оценки развития кардиотоксичности.
- Улучшить сравнимость между исследованиями.
Используемые методы
- Запись видео эмбрионов данио через 96 часов после оплодотворения.
- Использование ImageJ для анализа видео и измерения сердечных параметров.
- Расчёт площади поверхности желудочков, объёма, ударного объёма и фракции выброса.
- Использование программного обеспечения Z-Embryo Analyzer для автоматизированного анализа сердечного выброса.
Основные результаты
- Средний ударный объём у здоровых эмбрионов составлял 0,213 нанолитров.
- Сердечный выброс измерялся на уровне 27,8 нанолитров в минуту.
- Фракция выброса составила 41,99% при частоте сердечных сокращений 130 ударов в минуту.
- Воздействие кадмия привело к аномальной морфологии сердца и изменению его функции.
Выводы
- Протокол обеспечивает надёжный метод оценки сердца у эмбрионов данио.
- Стандартная микроскопия и анализ с открытым исходным кодом делают данный метод доступным.
- Результаты подтверждают применимость данного метода для оценки сердечных фенотипов.
Часто задаваемые вопросы
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.
