Summary

Displacement Analysis of Myocardial Mechanical Deformation (DIAMOND) Reveals Segmental Heterogeneity of Cardiac Function in Embryonic Zebrafish

Published: February 06, 2020
doi:

Summary

Ziel dieses Protokolls ist es, eine neuartige Methode zur Beurteilung der segmentalen Herzfunktion bei embryonalen Zebrafischen unter physiologischen und pathologischen Bedingungen zu beschreiben.

Abstract

Zebrafische werden zunehmend als Modellorganismus für Kardiomyopathien und Regeneration genutzt. Aktuelle Methoden zur Beurteilung der Herzfunktion erkennen die Segmentmechanik nicht zuverlässig und sind bei Zebrafischen nicht ohne weiteres durchführbar. Hier stellen wir eine halbautomatische Open-Source-Methode zur quantitativen Bewertung der vierdimensionalen (4D) segmentalen Herzfunktion vor: Verschiebungsanalyse der mechanischen Verformung myokardisch (DIAMOND). Transgene embryonale Zebrafische wurden in vivo mit einem Lichtbogenfluoreszenzmikroskopiesystem mit 4D-Herzbewegungssynchronisation abgebildet. Erworbene digitale 3D-Herzen wurden an End-Systole und End-Diastole rekonstruiert, und der Ventrikel wurde manuell in binäre Datensätze segmentiert. Dann wurde das Herz neu ausgerichtet und isotrop entlang der wahren kurzen Achse neu gesampelt, und der Ventrikel wurde gleichmäßig in acht Abschnitte (I–VIII) entlang der kurzen Achse unterteilt. Aufgrund der unterschiedlichen Resampling-Ebenen und Matrizen an End-Systole und End-Diastole wurde eine Transformationsmatrix für die Bildregistrierung angewendet, um die ursprüngliche räumliche Beziehung zwischen den resampled systolischen und diastolischen Bildmatrizen wiederherzustellen. Nach der Bildregistrierung wurde der Verschiebungsvektor jedes Segments von End-Systole zu End-Diastole basierend auf der Verschiebung von Massenzentroiden in drei Dimensionen (3D) berechnet. DIAMOND zeigt, dass basale Myokardsegmente neben dem atrioventrikulären Kanal die höchste mechanische Verformung erfahren und am anfälligsten für Doxorubicin-induzierte Herzverletzungen sind. Insgesamt liefert DIAMOND neue Einblicke in die segmentale Herzmechanik bei Zebrafischembryonen jenseits der traditionellen Auswurffraktion (EF) unter physiologischen und pathologischen Bedingungen.

Introduction

Chemotherapie-induzierte Herztoxizität und daraus resultierende Herzinsuffizienz sind einer der Hauptgründe für den Abbruch der Chemotherapie1. Daher spielt die kardiale funktionelle Beurteilung eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung der Kardialtoxizität und, was noch wichtiger ist, bei der Vorhersage einer frühen Herzverletzung nach Chemotherapie2. Aktuelle Ansätze zur kardialen funktionellen Beurteilung stoßen jedoch auf Einschränkungen. Methoden wie die linksventrikuläre Auswurffraktion (LVEF) bieten nur globale und oft verzögerte Herzmechanik nach Verletzung3,4. Die Gewebe-Doppler-Bildgebung liefert segmentale Myokardverformungsinformationen, leidet jedoch unter einer signifikanten Intraobserver- und Interobserver-Variabilität, teilweise aufgrund der Ultraschallabstrahlwinkelabhängigkeit5. Das zweidimensionale (2D) Speckle-Tracking nutzt den B-Modus der Echokardiographie, der theoretisch die Winkelabhängigkeit eliminiert, aber seine Genauigkeit wird durch die Bewegung a-of-plane6begrenzt. Daher fehlt ein strenger Ansatz zur Quantifizierung der segmentalen Herzfunktion sowohl in der Forschung als auch in der klinischen Umgebung.

In diesem Zusammenhang entwickelten wir eine 4D-Quantifizierungsmethode zur Analyse der segmentalen Herzfunktion, die wir die Verschiebungsanalyse der myokardischen mechanischen Verformung (DIAMOND) nannten, um die Verschiebungsvektoren von Myokard-Massenzentroiden im 3D-Raum zu bestimmen. Wir haben DIAMOND für die in vivo Bewertung der Herzfunktion und Doxorubicin-induzierte Kartotoxizität mit Zebrafischen (Danio rerio) als Tiermodell eingesetzt, das aufgrund ihres regenerierenden Myokards und der hochkonservierten Entwicklungsgene ausgewählt wurde7. Wir verglichen die segmentale DIAMOND-Verschiebung weiter mit der Bestimmung der globalen Auswurffraktion (EF) und der 2D-Dehnung nach Doxorubicin-Behandlung. Durch die Integration der DIAMOND-Verschiebung mit der 4D-Lichtbogen-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM), die die Wiedergabe embryonaler Zebrafischherzen erworben hat, zeigt DIAMOND, dass die basalen Myokardsegmente neben dem atrioventrikulären Kanal die höchste mechanische Verformung erfahren und am anfälligsten für akute Doxorubicin-Herzverletzungen8sind.

   

Protocol

Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom UCLA Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) genehmigt, und die Versuche wurden in Übereinstimmung mit den vom UCLA Office of Animal Research genehmigten Protokollen durchgeführt. 1. Zucht Tg(cmlc2:mCherry) Zebrafische und Sammlung von Embryonen Befolgen Sie die Unterbringungs-, Zucht- und Embryonenentnahmeverfahren, wie sie in zuvor etablierten Haltungs- und Zuchtpraktiken beschrieben sind. Weitere Informationen find…

Representative Results

Das Verfahren, mit dem DIAMOND zur Beurteilung der segmentalen 3D-Herzfunktion entwickelt wurde, ist in Abbildung 1dargestellt. Nach der LSFM-Bildaufnahme und -rekonstruktion in 3D des embryonalen Zebrafischherzens (Abbildung 1A) wurde die wahre Kurzachsenebene als Ebene senkrecht zu den vertikalen und horizontalen langen Achsen bestimmt, die beide in einem Multiplane-Viewer bestimmt werden (Abbildung 1B</st…

Discussion

Eine strenge Strategie zur Quantifizierung der segmentalen Myokardfunktion ist entscheidend, um die Herzmechanik über die traditionelle EF hinaus zu bewerten, bekannt als ein unsensibler und verzögerter Indikator für Myokardverletzungen1,4,12. Daher hat es ein wachsendes Interesse an Markern früher Myokardveränderungen gegeben, und ein wachsender Körper der Literatur unterstützt myokardische Verformungsparameter als Früh…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die aktuelle Arbeit wurde von den Zuschüssen der American Heart Association 16SDG30910007 und 18CDA34110338 und von den National Institutes of Health Grants HL083015, HL111437, HL118650 und HL129727 finanziert.

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

  1. Ewer, M. S., Ewer, S. M. Cardiotoxicity of anticancer treatments. Nature Reviews Cardiology. 12 (9), 547-558 (2015).
  2. 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).
  3. Mickoleit, M., et al. High-resolution reconstruction of the beating zebrafish heart. Nature Methods. 11 (9), 919-922 (2014).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Poss, K. D., Wilson, L. G., Keating, M. T. Heart regeneration in zebrafish. Science. 298 (5601), 2188-2190 (2002).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Rosen, J. N., Sweeney, M. F., Mably, J. D. Microinjection of Zebrafish Embryos to Analyze Gene Function. Journal of Visualized Experiments. (25), e1115 (2009).
  11. 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).
  12. Lenneman, C. G., Sawyer, D. B. Cardio-Oncology: An Update on Cardiotoxicity of Cancer-Related Treatment. Circulation Research. 118 (6), 1008-1020 (2016).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Jay Kuo, C. C., Chen, Y. On data-driven Saak transform. Journal of Visual Communication and Image Representation. 50, 237-246 (2018).
  21. Natarajan, N., et al. Complement Receptor C5aR1 Plays an Evolutionarily Conserved Role in Successful Cardiac Regeneration. Circulation. 137 (20), 2152-2165 (2018).
  22. Zhukov, L., Barr, A. H. . IEEE Visualization VIS 2003. , 597-602 (2003).
  23. 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).

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Cite This Article
Chen, J., Packard, R. R. S. Displacement Analysis of Myocardial Mechanical Deformation (DIAMOND) Reveals Segmental Heterogeneity of Cardiac Function in Embryonic Zebrafish. J. Vis. Exp. (156), e60547, doi:10.3791/60547 (2020).

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