Verplaatsinganalyse van Myocardiale mechanische vervorming (DIAMOND) onthult segmentale heterogeniteit van cardiale functie bij embryonale zebravis
Summary
Het doel van dit protocol is om een nieuwe methode voor de beoordeling van de segmentale cardiale functie bij embryonale zebravissen onder zowel fysiologische als pathologische omstandigheden te beschrijven.
Abstract
Zebravissen worden steeds meer gebruikt als een model organisme voor cardiomyopathies en regeneratie. Huidige methoden evaluatie cardiale functie niet op betrouwbare wijze detecteren segmentale mechanica en zijn niet gemakkelijk haalbaar bij zebravissen. Hier presenteren we een semigeautomatiseerde, open-source methode voor de kwantitatieve beoordeling van vierdimensionale (4D) segmentale hartfunctie: verplaatsingsanalyse van myocardiale mechanische vervorming (DIAMOND). Transgene embryonale zebravissen werden in vivo afgebeeld met behulp van een lichtbladfluorescentiemicroscopiesysteem met 4D-hartbewegingssynchronisatie. Verworven 3D digitale harten werden gereconstrueerd op end-systole en end-diastole, en de ventrikel werd handmatig gesegmenteerd in binaire datasets. Vervolgens werd het hart geheroriënteerd en isotropisch opnieuw gesampled langs de ware korte as, en de ventrikel werd gelijkmatig verdeeld in acht porties (I-VIII) langs de korte as. Vanwege de verschillende resampling vlakken en matrices bij end-systole en end-diastole, werd een transformatiematrix toegepast voor beeldregistratie om de oorspronkelijke ruimtelijke relatie tussen de opnieuw gesamplede systolische en diastolische beeldmatrices te herstellen. Na beeldregistratie werd de verplaatsingsvector van elk segment van eind-systole tot end-diastole berekend op basis van de verplaatsing van massacentroids in drie dimensies (3D). DIAMOND toont aan dat basale myocardiale segmenten grenzend aan het atrioventriculair kanaal de hoogste mechanische vervorming ondergaan en het meest vatbaar zijn voor doxorubicin-geïnduceerde cardiale letsel. Over het algemeen biedt DIAMOND nieuwe inzichten in segmentale cardiale mechanica in zebravissenembryo’s dan de traditionele uitwerpfractie (EF) onder zowel fysiologische als pathologische omstandigheden.
Introduction
Door chemotherapie veroorzaakte harttoxiciteit en daaruit voortvloeiende hartfalen zijn een van de belangrijkste redenen voor het staken van chemotherapie1. Daarom speelt cardiale functionele beoordeling een cruciale rol bij de identificatie van cardiale toxiciteit en, nog belangrijker, bij de voorspelling van vroeg cardiale letsel na chemotherapie2. De huidige benaderingen voor cardiale functionele beoordeling ondervinden echter beperkingen. Methoden zoals linker ventriculaire uitwerpfractie (LVEF) bieden alleen globale en vaak vertraagde hartmechanica na letsel3,4. Weefsel Doppler beeldvorming biedt segmentale myocardiale vervorming informatie, maar lijdt aan aanzienlijke intraobserver en interobserver variabiliteit, deels als gevolg van echografie straalhoek afhankelijkheid5. Tweedimensionale (2D) speckle tracking maakt gebruik van de B-modus van echocardiografie, die theoretisch elimineert de hoek afhankelijkheid, maar de nauwkeurigheid ervan wordt beperkt door out-of-plane beweging6. Daarom ontbreekt een rigoureuze aanpak voor het kwantificeren van de segmentale hartfunctie in zowel onderzoeks- als klinische omgevingen.
In deze context ontwikkelden we een 4D kwantificeringsmethode voor de analyse van de segmentale hartfunctie die we verplaatsingsanalyse van myocardiale mechanische vervorming (DIAMOND) noemden, om de verplaatsingsvectoren van myocardiale massacentroids in de 3D-ruimte te bepalen. We hebben DIAMOND toegepast voor de in vivo beoordeling van de hartfunctie en doxorubicin-geïnduceerde cardiale toxiciteit met zebravissen (Danio rerio) als het dier model, gekozen vanwege hun regenererende myocard en zeer geconserveerde ontwikkelingsgenen7. We vergeleken verder segmentale DIAMANT verplaatsing met global ejection fraction (EF) bepaling en 2D-stam na doxorubicin behandeling. Door de integratie van DIAMOND verplaatsing met 4D light-sheet fluorescentmicroscopie (LSFM) verworven weergave van embryonale zebravis harten, DIAMOND toont aan dat de basale myocardiale segmenten grenzend aan de atrioventriculair kanaal ondergaan de hoogste mechanische vervorming en zijn het meest gevoelig voor acute doxorubicin hartletsel8.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een rigoureuze strategie voor kwantificering van de segmentale myocardiale functie is van cruciaal belang om hartmechanica te beoordelen buiten de traditionele EF, bekend als een ongevoelige en vertraagde indicator van myocardiale letsel1,4,12. Vandaar, is er een groeiende interesse in markers van vroege myocardiale veranderingen, en een groeiend lichaam van literatuur ondersteunt myocardiale vervorming parameters als een vroege…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het huidige werk werd gefinancierd door American Heart Association subsidies 16SDG30910007 en 18CDA34110338, en door National Institutes of Health subsidies HL083015, HL111437, HL118650, en HL129727.
Materials
| Amira6 | FEI | Image analyzing software | |
| DAPT | Millipore Sigma | D5942-5MG | |
| Doxorubicin hydrochloride | Millipore Sigma | D1515-10MG | |
| Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate | Millipore Sigma | E10521-10G | Tricaine |
| MATLAB | MathWorks | Programming environment | |
| MATLAB Image Processing Toolbox | MathWorks | Image processing toolbox |
References
- Ewer, M. S., Ewer, S. M. Cardiotoxicity of anticancer treatments. Nature Reviews Cardiology. 12 (9), 547-558 (2015).
- Thavendiranathan, P., Wintersperger Bernd, J., Scott, F. D., Thomas D, M. H. Cardiac MRI in the Assessment of Cardiac Injury and Toxicity From Cancer Chemotherapy. Circulation: Cardiovascular Imaging. 6 (6), 1080-1091 (2013).
- Mickoleit, M., et al. High-resolution reconstruction of the beating zebrafish heart. Nature Methods. 11 (9), 919-922 (2014).
- Thavendiranathan, P., et al. Use of Myocardial Strain Imaging by Echocardiography for the Early Detection of Cardiotoxicity in Patients During and After Cancer Chemotherapy. A Systematic Review. 63 (25), 2751-2768 (2014).
- Collier, P., Phelan, D., Klein, A. A Test in Context: Myocardial Strain Measured by Speckle-Tracking Echocardiography. Journal of the American College of Cardiology. 69 (8), 1043-1056 (2017).
- Hanekom, L., Cho, G. Y., Leano, R., Jeffriess, L., Marwick, T. H. Comparison of two-dimensional speckle and tissue Doppler strain measurement during dobutamine stress echocardiography: an angiographic correlation. European Heart Journal. 28 (14), 1765-1772 (2007).
- Poss, K. D., Wilson, L. G., Keating, M. T. Heart regeneration in zebrafish. Science. 298 (5601), 2188-2190 (2002).
- Chen, J., et al. Displacement analysis of myocardial mechanical deformation (DIAMOND) reveals segmental susceptibility to doxorubicin-induced injury and regeneration. JCI Insight. 4 (8), e125362 (2019).
- Messerschmidt, V., et al. Light-sheet Fluorescence Microscopy to Capture 4-Dimensional Images of the Effects of Modulating Shear Stress on the Developing Zebrafish Heart. Journal of Visualized Experiments. (138), e57763 (2018).
- Rosen, J. N., Sweeney, M. F., Mably, J. D. Microinjection of Zebrafish Embryos to Analyze Gene Function. Journal of Visualized Experiments. (25), e1115 (2009).
- Lee, J., et al. 4-Dimensional light-sheet microscopy to elucidate shear stress modulation of cardiac trabeculation. The Journal of Clinical Investigation. 126 (5), 1679-1690 (2016).
- Lenneman, C. G., Sawyer, D. B. Cardio-Oncology: An Update on Cardiotoxicity of Cancer-Related Treatment. Circulation Research. 118 (6), 1008-1020 (2016).
- Geyer, H., et al. Assessment of Myocardial Mechanics Using Speckle Tracking Echocardiography: Fundamentals and Clinical Applications. Journal of the American Society of Echocardiography. 23 (4), 351-369 (2010).
- Castro, P. L., Greenberg, N. L., Drinko, J., Garcia, M. J., Thomas, J. D. Potential pitfalls of strain rate imaging: angle dependency. Biomedical Sciences Instrumentation. 36, 197-202 (2000).
- Seo, Y., Ishizu, T., Aonuma, K. Current Status of 3Dimensional Speckle Tracking Echocardiography: A Review from Our Experiences. Journal of Cardiovascular Ultrasound. 22 (2), 49-57 (2014).
- Amzulescu, M. S., et al. Improvements of Myocardial Deformation Assessment by Three-Dimensional Speckle-Tracking versus Two-Dimensional Speckle-Tracking Revealed by Cardiac Magnetic Resonance Tagging. Journal of the American Society of Echocardiography. 31 (9), 1021-1033 (2018).
- Wolterink, J. M., Leiner, T., Viergever, M. A., Išgum, I., Zuluaga, M. A., et al. . Reconstruction, Segmentation, and Analysis of Medical Images. , 95-102 (2016).
- Avendi, M. R., Kheradvar, A., Jafarkhani, H. A combined deep-learning and deformable-model approach to fully automatic segmentation of the left ventricle in cardiac MRI. Medical Image Analysis. 30, 108-119 (2016).
- Packard, R. R. S., et al. Automated Segmentation of Light-Sheet Fluorescent Imaging to Characterize Experimental Doxorubicin-Induced Cardiac Injury and Repair. Scientific Reports. 7 (1), 8603 (2017).
- Jay Kuo, C. C., Chen, Y. On data-driven Saak transform. Journal of Visual Communication and Image Representation. 50, 237-246 (2018).
- Natarajan, N., et al. Complement Receptor C5aR1 Plays an Evolutionarily Conserved Role in Successful Cardiac Regeneration. Circulation. 137 (20), 2152-2165 (2018).
- Zhukov, L., Barr, A. H. . IEEE Visualization VIS 2003. , 597-602 (2003).
- Nielles-Vallespin, S., et al. In vivo diffusion tensor MRI of the human heart: Reproducibility of breath-hold and navigator-based approaches. Magnetic Resonance in Medicine. 70 (2), 454-465 (2013).
