Miyokardiyal Mekanik Deformasyonun Yer Değiştirme Analizi (DIAMOND) Embriyonik Zebrabalığında Kardiyak Fonksiyonun Segmental Heterojenliğini Ortaya Çıkarır
Summary
Bu protokolün amacı, embriyonik zebrabalıklarında segmental kardiyak fonksiyonun hem fizyolojik hem de patolojik koşullarda değerlendirilmesi için yeni bir yöntemin ayrıntılarını vermektir.
Abstract
Zebra balıkları giderek kardiyomiyopatiler ve rejenerasyon için bir model organizma olarak kullanılmaktadır. Kardiyak fonksiyonu değerlendiren mevcut yöntemler segmental mekaniği güvenilir bir şekilde saptayamazlar ve zebra balıklarında kolayca mümkün değildir. Burada dört boyutlu (4D) segmental kardiyak fonksiyonun kantitatif değerlendirilmesi için yarı otomatik, açık kaynak yöntemi salıyoruz: miyokardiyal mekanik deformasyonun yer değiştirme analizi (DIAMOND). Transgenik embriyonik zebra balıkları 4D kardiyak hareket senkronizasyonu ile hafif yapraklı floresan mikroskopi sistemi kullanılarak in vivo olarak görüntülendi. Elde edilen 3D dijital kalpler end-systole ve end-diastole yeniden inşa edildi ve ventrikül el ile ikili veri kümeleri halinde segmente edildi. Daha sonra, kalp yeniden yönlendirildi ve izotropik gerçek kısa eksen boyunca yeniden örneklendi ve ventrikül kısa eksen boyunca sekiz bölüme (I-VIII) eşit olarak ayrıldı. End-systole ve end-diastole farklı resampling düzlemleri ve matrisler nedeniyle, yeniden örneklenmiş sistolik ve diyastolik görüntü matrisler arasındaki orijinal mekansal ilişkiyi geri yüklemek için görüntü kaydı için bir dönüşüm matris uygulanmıştır. Görüntü kaydından sonra, her segmentin yer değiştirme vektörü uç-systole’den son diyastole’e kütle sentroidlerinin üç boyutlu (3D) yer değiştirmesine göre hesaplanmıştır. DIAMOND, atriyoventriküler kanala bitişik bazal miyokardiyal segmentlerin en yüksek mekanik deformasyona tabi olduğunu ve doksorubisin indüklenen kardiyak yaralanmalara en yatkın olduğunu göstermektedir. Genel olarak DIAMOND, hem fizyolojik hem de patolojik koşullar altında geleneksel ejeksiyon fraksiyonu (EF) ötesinde zebra balığı embriyolarında segmental kardiyak mekaniği ne yeni bilgiler sağlar.
Introduction
Kemoterapiye bağlı kardiyak toksisite ve ardından gelen kalp yetmezliği kemoterapi kesilmesinin başlıca nedenlerinden biridir1. Bu nedenle kardiyak fonksiyonel değerlendirme, kardiyak toksisitenin belirlenmesinde ve daha da önemlisi kemoterapi sonrası erken kardiyak yaralanmanın tahmininde önemli bir rol oynamaktadır2. Ancak kardiyak fonksiyonel değerlendirme için güncel yaklaşımlar sınırlamalarla karşılaşın. Sol ventrikül ejeksiyon fraksiyonu (LVEF) gibi yöntemler sadece küresel ve genellikle yaralanma dan sonra gecikmiş kardiyak mekaniği sağlar3,4. Doku Doppler görüntüleme segmental miyokardiyal deformasyon bilgi sağlar ama önemli intraobserver ve interobserver değişkenlik muzdarip, kısmen ultrason ışın açısı bağımlılığı nedeniyle5. İki boyutlu (2D) benek izleme, teorik olarak açı bağımlılığını ortadan kaldıran ekokardiyografinin B-modunu kullanır, ancak doğruluğu düzlem dışı hareket6ile sınırlıdır. Bu nedenle, segmental kardiyak fonksiyonun ölçülmesi için titiz bir yaklaşım hem araştırma hem de klinik ortamlarda eksiktir.
Bu bağlamda, miyokardiyal mekanik deformasyonun (DIAMOND) yer değiştirme analiziadını verdiğimiz segmental kardiyak fonksiyonun analizi için, 3Boyutlu alanda miyokardiyal kitle sentroidlerinin yer değiştirme vektörlerini belirlemek için 4Boyutlu bir niceleme yöntemi geliştirdik. Biz hayvan modeli olarak zebra balığı ile kardiyak fonksiyon ve doksorubisin kaynaklı kardiyak toksisite in vivo değerlendirilmesi için DIAMOND uygulanan (Danio rerio) hayvan modeli olarak, onların rejenere miyokardiyum ve son derece korunmuş gelişimgenleri nedeniyle seçilen7. Ayrıca segmental DIAMOND deplasmanı ile küresel ejeksiyon fraksiyonu (EF) tayini ve doksorubisin tedavisi sonrası 2D suş ile karşılaştık. 4D ışık yaprak floresan mikroskopi ile DIAMOND deplasman entegre ederek (LSFM) embriyonik zebrabalığı kalpleri elde render, DIAMOND bazal miyokardiyal segmentleri atriyoventriküler kanal bitişik en yüksek mekanik deformasyon geçmesi ve akut doksorubisin kardiyak yaralanma8duyarlı olduğunu gösterir .
Protocol
Representative Results
Discussion
Segmental miyokardiyal fonksiyonun sayısallaştırılması için sıkı bir strateji geleneksel EF ötesinde kardiyak mekaniği değerlendirmek için önemlidir, miyokardiyal yaralanma duyarsız ve gecikmiş bir göstergesi olduğu bilinen1,4,12. Bu nedenle, erken miyokardiyal değişikliklerin belirteçleri artan bir ilgi olmuştur, ve literatür büyüyen bir vücut ventriküler disfonksiyon tahmin etmek için erken bir göst…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Mevcut çalışma Amerikan Kalp Derneği hibe 16SDG30910007 ve 18CDA34110338 ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından HL083015, HL1111437, HL118650 ve HL129727 hibe tarafından finanse edilmiştir.
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).
