L'analisi dello spostamento della deformazione meccanica miocardiale (DIAMOND) rivela l'eterogeneità segmentale della funzione cardiaca nel pesce zebra embrionale
Summary
L’obiettivo di questo protocollo è quello di descrivere in dettaglio un nuovo metodo per la valutazione della funzione cardiaca segmentale nel pesce zebra embrionale in condizioni fisiologiche e patologiche.
Abstract
I pesci zebra sono sempre più utilizzati come organismo modello per le cardiomiopatie e la rigenerazione. Gli attuali metodi di valutazione della funzione cardiaca non riescono a rilevare in modo affidabile la meccanica segmentale e non sono facilmente fattibili nel pesce zebra. Qui presentiamo un metodo semiautomatizzato e open source per la valutazione quantitativa della funzione cardiaca segmentale quadridimensionale (4D): analisi dello spostamento della deformazione meccanica miocardiale (DIAMOND). I pesci zebra embrionali transgenici sono stati immagini in vivo utilizzando un sistema di microscopia a fluorescenza a fogli luminosi con sincronizzazione del movimento cardiaco 4D. I cuori digitali 3D acquisiti sono stati ricostruiti a end-systole e end-diastole, e il ventricolo è stato segmentato manualmente in set di dati binari. Poi, il cuore fu riorientato e isotropicalemente rieseguito lungo il vero asse corto, e il ventricolo fu diviso uniformemente in otto porzioni (I-VIII) lungo l’asse corto. A causa dei diversi piani e matrici di ricampionamento in end-systole e end-diastole, è stata applicata una matrice di trasformazione per la registrazione dell’immagine per ripristinare la relazione spaziale originale tra le matrici di immagini sistoliche e diastolice ricampionate. Dopo la registrazione dell’immagine, il vettore di spostamento di ogni segmento da end-systole a end-diastole è stato calcolato in base allo spostamento dei centriidi di massa in tre dimensioni (3D). DIAMOND mostra che i segmenti miocardici basali adiacenti al canale atrioventricolare subiscono la più alta deformazione meccanica e sono i più suscettibili a lesioni cardiache indotte da doxorubicina. Nel complesso, DIAMOND fornisce nuove informazioni sulla meccanica cardiaca segmentale negli embrioni di pesce zebra oltre la tradizionale frazione di espulsione (EF) in condizioni fisiologiche e patologiche.
Introduction
Tossicità cardiaca indotta dalla chemioterapia e conseguente insufficienza cardiaca sono uno dei motivi principali per l’interruzione della chemioterapia1. Pertanto, la valutazione funzionale cardiaca svolge un ruolo cruciale nell’identificazione della tossicità cardiaca e, cosa ancora più importante, nella previsione di lesioni cardiache precoci dopo la chemioterapia2. Tuttavia, gli attuali approcci per la valutazione funzionale cardiaca incontrano limitazioni. Metodi come la frazione di espulsione sinistra ventricolare (LVEF) forniscono solo la meccanica cardiaca globale e spesso ritardata dopo la lesione3,4. L’imaging tissue Doppler fornisce informazioni segmentali sulla deformazione miocardiale, ma soffre di una significativa variabilità intraosservato e intereconomica, in parte a causa della dipendenza dell’angolo del fascio ultragrafico5. Il tracciamento delle macchie bidimensionali (2D) utilizza la modalità B dell’ecocardiografia, che teoricamente elimina la dipendenza dell’angolo, ma la sua precisione è limitata dal movimento fuori piano6. Pertanto, manca un approccio rigoroso per quantificare la funzione cardiaca segmentale sia nella ricerca che negli ambienti clinici.
In questo contesto, abbiamo sviluppato un metodo di quantificazione 4D per l’analisi della funzione cardiaca segmentale che abbiamo chiamato analisi di spostamento della deformazione meccanica miocardiale (DIAMOND), per determinare i vettori di spostamento dei centriidi di massa miocardiale nello spazio 3D. Abbiamo applicato DIAMOND per la valutazione in vivo della funzione cardiaca e della tossicità cardiaca indotta da doxorubicina con il pesce zebra (Danio rerio) come modello animale, scelto a causa del loro miocardio rigenerante e dei geni dello sviluppo altamente conservativi7. Abbiamo ulteriormente confrontato lo spostamento segmentale di DIAMOND con la determinazione della frazione di espulsione globale (EF) e la deformazione 2D a seguito del trattamento doxorubicina. Integrando lo spostamento DIAMOND con la microscopia fluorescente a fogli di luce 4D (LSFM) acquisita dei cuori embrionali di pesce zebra, DIAMOND mostra che i segmenti miocardiali basali adiacenti al canale atrioventricolare subiscono la più alta deformazione meccanica e sono i più suscettibili a lesioni cardiache doxorubicina acute8.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una strategia rigorosa per la quantificazione della funzione miocardiale segmentale è fondamentale per valutare la meccanica cardiaca al di là della tradizionale EF, nota per essere un indicatore insensibile e ritardato della lesione miocardiale1,4,12. Quindi, c’è stato un crescente interesse per i marcatori dei primi cambiamenti miocardici, e un corpo crescente di letteratura supporta i parametri di deformazione miopidea com…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il presente lavoro è stato finanziato dall’American Heart Association concede 16SDG30910007 e 18CDA34110338, e dalle sovvenzioni HL083015, HL111437, HL118650 e 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).
