L’analyse de déplacement de la déformation mécanique myocardique (DIAMOND) révèle l’hétérogénéité segmentale de la fonction cardiaque chez le poisson zèbre embryonnaire
Summary
Le but de ce protocole est de détailler une nouvelle méthode pour l’évaluation de la fonction cardiaque segmentale chez le poisson zèbre embryonnaire dans des conditions physiologiques et pathologiques.
Abstract
Les poissons zèbres sont de plus en plus utilisés comme organisme modèle pour les cardiomyopathies et la régénération. Les méthodes actuelles d’évaluation de la fonction cardiaque ne détectent pas de façon fiable la mécanique segmentaire et ne sont pas facilement réalisables chez les poissons zèbres. Nous présentons ici une méthode semi-automatisée et open source pour l’évaluation quantitative de la fonction cardiaque segmentaire en quatre dimensions (4D) : analyse de déplacement de la déformation mécanique myocardique (DIAMOND). Le poisson zèbre embryonnaire transgénique a été photographié in vivo à l’aide d’un système de microscopie à fluorescence par feuille de lumière avec synchronisation du mouvement cardiaque 4D. Les cœurs numériques 3D acquis ont été reconstruits à la fin-systole et au fin-diastole, et le ventricule a été segmenté manuellement en jeux de données binaires. Ensuite, le cœur a été réorienté et isotropically rééchantillonné le long du véritable axe court, et le ventricule a été divisé uniformément en huit parties (I-VIII) le long de l’axe court. En raison des différents plans et matrices de rééchantillonnage à la fin-systole et au diastole final, une matrice de transformation a été appliquée pour l’enregistrement d’image pour reconstituer la relation spatiale originale entre les matrices d’image systoliques et diastoliques rééchantillonnées. Après l’enregistrement de l’image, le vecteur de déplacement de chaque segment de la fin-systole au diastole final a été calculé en fonction du déplacement des centroïdes de masse en trois dimensions (3D). DIAMOND montre que les segments myocardiques basal adjacents au canal atrioventriculaire subissent la déformation mécanique la plus élevée et sont les plus sensibles aux lésions cardiaques induites par la doxorubicine. Dans l’ensemble, DIAMOND fournit de nouvelles perspectives sur la mécanique cardiaque segmentale dans les embryons de poissons zèbres au-delà de la fraction d’éjection traditionnelle (EF) dans des conditions physiologiques et pathologiques.
Introduction
La toxicité cardiaque induite par la chimiothérapie et l’insuffisance cardiaque qui s’ensuit sont l’une des principales raisons de l’arrêt de la chimiothérapie1. Par conséquent, l’évaluation fonctionnelle cardiaque joue un rôle crucial dans l’identification de la toxicité cardiaque et, plus important encore, dans la prédiction des lésions cardiaques précoces après la chimiothérapie2. Cependant, les approches actuelles pour l’évaluation fonctionnelle cardiaque rencontrent des limitations. Des méthodes telles que la fraction d’éjection ventriculaire gauche (LVEF) ne fournissent que la mécanique cardiaque globale et souvent retardée après une blessure3,4. L’imagerie de Doppler tissu l’assure des informations segmentaires sur la déformation myocardique, mais souffre d’une variabilité intra-observateur et inter-observateur importante, en partie en raison de la dépendance à l’angle du faisceau d’ultrasons5. Le suivi bidimensionnel (2D) de la tache utilise le mode B de l’échocardiographie, qui élimine théoriquement la dépendance à l’angle, mais sa précision est limitée par le mouvement hors plan6. Par conséquent, une approche rigoureuse pour quantifier la fonction cardiaque segmentale fait défaut dans la recherche et les milieux cliniques.
Dans ce contexte, nous avons développé une méthode de quantification 4D pour l’analyse de la fonction cardiaque segmentale que nous avons appelée analyse de déplacement de la déformation mécanique myocardique (DIAMOND), afin de déterminer les vecteurs de déplacement des centroïdes de masse myocardiques dans l’espace 3D. Nous avons appliqué DIAMOND pour l’évaluation in vivo de la fonction cardiaque et de la toxicité cardiaque induite par la doxorubicine avec le poisson zèbre (Danio rerio) comme modèle animal, choisi en raison de leur myocarde régénératrice et de leurs gènes développementaux hautement conservés7. Nous avons en outre comparé le déplacement segmentaire de DIAMOND avec la détermination globale de fraction d’éjection (EF) et la souche 2D suivant le traitement de doxorubicine. En intégrant le déplacement DE DIAMOND à la microscopie fluorescente en feuille de lumière 4D (LSFM) acquise en matière de cœurs de poissons zèbres embryonnaires, DIAMOND montre que les segments myocardiques basaux adjacents au canal atrioventriculaire subissent la déformation mécanique la plus élevée et sont les plus sensibles aux lésions cardiaques de la doxorubicine aigue8.
Protocol
Representative Results
Discussion
Une stratégie rigoureuse pour quantifier la fonction myocardique segmentaire est essentielle pour évaluer la mécanique cardiaque au-delà de l’EF traditionnel, connu pour être un indicateur insensible et retardé de la lésion myocardique1,4,12. Par conséquent, il y a eu un intérêt croissant dans des marqueurs des changements myocardiques tôt, et un corps croissant de littérature soutient des paramètres de déformati…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les travaux actuels ont été financés par les subventions de l’American Heart Association 16SDG30910007 et 18CDA34110338, et par les subventions HL083015, HL111437, HL118650 et 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 |
Referências
- 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).
