تحليل النزوح من تشوه عضلة القلب الميكانيكية (DIAMOND) يكشف التغايرية القطعية لوظيفة القلب في حمار وحشي الجنيني
Summary
الهدف من هذا البروتوكول هو تفصيل طريقة جديدة لتقييم وظيفة القلب القطاعية في سمك الحمار الوحشي الجنيني في ظل كل من الظروف الفسيولوجية والمرضية.
Abstract
وتستخدم بشكل متزايد حمار وحشي ككائن حي نموذجي لاعتلال عضلة القلب والتجدد. تفشل الأساليب الحالية التي تقيّم وظيفة القلب في الكشف عن الميكانيكا القطاعية بشكل موثوق وليست ممكنة بسهولة في سمك الحمار الوحشي. نقدم هنا طريقة شبه آلية مفتوحة المصدر للتقييم الكمي لوظيفة القلب القطعية رباعية الأبعاد: تحليل الإزاحة للتشوه الميكانيكي عضلة القلب (DIAMOND). تم تصوير سمك الحمار الوحشي الجنيني المعدل وراثيا في الجسم الحي باستخدام نظام المجهر الفلوري الفاتح مع تزامن حركة القلب 4D. تم إعادة بناء القلوب الرقمية ثلاثية الأبعاد المكتسبة في نهاية الانقباض ونهاية الانبساط ، وتم تقسيم البطين يدويًا إلى مجموعات بيانات ثنائية. ثم أعيد توجيه القلب وأعيد تعيناته على طول المحور القصير الحقيقي، وقسم البطين بالتساوي إلى ثمانية أجزاء (I-VIII) على طول المحور القصير. بسبب مختلف مستويات إعادة العينات والمصفوفات في نهاية systole ونهاية الانبساط ، تم تطبيق مصفوفة التحول لتسجيل الصور لاستعادة العلاقة المكانية الأصلية بين المصفوفات الصورة الانقباضي والانبساطي resampled. بعد تسجيل الصور، تم حساب متجه الإزاحة لكل جزء من نهاية الانقباض إلى النهاية على أساس إزاحة السنتاد الجماعية في ثلاثة أبعاد (ثلاثية الأبعاد). يظهر DIAMOND أن الأجزاء القلبية القاعدية المجاورة للقناة الأذينية البطينية تخضع لأعلى تشوه ميكانيكي وهي الأكثر عرضة لإصابة القلب الناجمة عن الدوكسوروبيسين. بشكل عام، توفر DIAMOND رؤى جديدة في ميكانيكا القلب القطاعية في أجنة حمار وحشي تتجاوز جزء القذف التقليدي (EF) في ظل كل من الظروف الفسيولوجية والمرضية.
Introduction
السمية القلبية الناجمة عن العلاج الكيميائي وفشل القلب الذي يترتب على ذلك هي واحدة من الأسباب الرئيسية لوقف العلاج الكيميائي1. لذلك ، يلعب التقييم الوظيفي القلبي دورًا حاسمًا في تحديد سمية القلب ، والأهم من ذلك ، في التنبؤ بإصابات القلب المبكرة بعد العلاج الكيميائي2. ومع ذلك، فإن النُهج الحالية للتقييم الوظيفي القلبي تواجه قيودًا. طرق مثل كسر طرد البطين الأيسر (LVEF) توفر فقط ميكانيكا القلب العالمية والمؤجلة في كثير من الأحيان بعد الإصابة3،4. يوفر تصوير الأنسجة دوبلر معلومات تشوه عضلة القلب القطاعية ولكنه يعاني من تقلبات كبيرة داخل المراقب وبين المراقب ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تبعية زاوية شعاع الموجات فوق الصوتية5. يستخدم التتبع ذو الأبعاد الثنائية (2D) وضع B من تخطيط صدى القلب ، والذي يلغي نظريًا تبعية الزاوية ، ولكن دقته محدودة بالحركة خارج المستوى6. لذلك ، لا يوجد نهج صارم لقياس وظيفة القلب القطاعي في كل من الإعدادات البحثية والسريرية.
في هذا السياق، قمنا بتطوير طريقة قياس كمي 4D لتحليل وظيفة القلب القطاعية التي قمنا بتسمية تحليل الإزاحة للتشوه الميكانيكي عضلة القلب (DIAMOND)، لتحديد ناقلات الإزاحة من centroids الجماعية القلبية في الفضاء ثلاثي الأبعاد. طبقنا DIAMOND لتقييم في الجسم الحي لوظيفة القلب وسمية القلب الناجمة عن doxorubicin مع حمار وحشي(Danio rerio)كنموذج الحيوان ، الذي تم اختياره بسبب تجديد عضلة القلب والجينات التنموية المحفوظة للغاية7. كما قارنا إزاحة DIAMOND المجزأة مع تحديد كسر القذف العالمي (EF) والإجهاد 2D بعد علاج الدوكسوروبيسين. من خلال دمج إزاحة DIAMOND مع المجهر الفلوري 4D ورقة خفيفة (LSFM) المكتسبة تقديم قلوب حمار وحشي الجنينية، DIAMOND يظهر أن شرائح عضلة القلب القاعدية المجاورة للقناة الأذينية البطينية تخضع لأعلى تشوه ميكانيكي وهي الأكثر عرضة لإصابة القلب الدوكسوروبيسين الحادة8.
Protocol
Representative Results
Discussion
استراتيجية صارمة للقياس الكمي لوظيفة عضلة القلب القطعية أمر بالغ الأهمية لتقييم ميكانيكا القلب خارج EF التقليدية، والمعروف أن يكون مؤشرا غير حساس وتأخر الإصابة عضلة القلب1،4،12. وبالتالي ، كان هناك اهتمام متزايد في علامات التغيرات المبكر?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل العمل الحالي من قبل منح جمعية القلب الأمريكية 16SDG30910007 و 18CDA34110338 ، ومن قبل المعاهد الوطنية للمنح الصحية HL083015 ، HL1111437 ، HL118650 ، وHL129727.
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).
