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Questo protocollo utilizza l'imaging a foglio luminoso per studiare la funzione contrattile cardiaca nelle larve di zebrafish e ottenere informazioni sulla meccanica cardiaca attraverso il monitoraggio cellulare e l'analisi interattiva.
Il pesce zebra è un intrigante organismo modello noto per la sua notevole capacità di rigenerazione cardiaca. Studiare la contrazione del cuore in vivo è essenziale per ottenere informazioni sui cambiamenti strutturali e funzionali in risposta alle lesioni. Tuttavia, ottenere immagini 4-dimensionali ad alta risoluzione e ad alta velocità (4D, 3D spaziale + 1D temporale) del cuore del pesce zebra per valutare l'architettura cardiaca e la contrattilità rimane una sfida. In questo contesto, per superare questi limiti tecnici vengono utilizzati un microscopio a foglio luminoso (LSM) interno e un'analisi computazionale personalizzata. Questa strategia, che coinvolge la costruzione del sistema LSM, la sincronizzazione retrospettiva, il tracciamento di singole cellule e l'analisi diretta dall'utente, consente di studiare la microstruttura e la funzione contrattile in tutto il cuore alla risoluzione di una singola cellula nelle larve transgeniche di pesce zebra Tg (myl7:nucGFP). Inoltre, siamo in grado di incorporare ulteriormente la microiniezione di composti di piccole molecole per indurre lesioni cardiache in modo preciso e controllato. Nel complesso, questo quadro consente di tracciare i cambiamenti fisiologici e fisiopatologici, nonché la meccanica regionale a livello di singola cellula durante la morfogenesi e la rigenerazione cardiaca.
Il pesce zebra (Danio rerio) è un organismo modello ampiamente utilizzato per lo studio dello sviluppo, della fisiologia e della riparazione cardiaca grazie alla sua trasparenza ottica, alla trattabilità genetica e alla capacità rigenerativa 1,2,3,4. In caso di infarto del miocardio, mentre i cambiamenti strutturali e funzionali hanno un impatto sull'eiezione cardiaca e sull'emodinamica, le limitazioni tecniche continuano a ostacolare la capacità di studiare il processo dinamico durante la rigenerazione cardiaca con l'elevata risoluzione spazio-temporale. Ad esempio, i metodi di imaging convenzionali, come la microscopia confocale, presentano limitazioni in termini di profondità di imaging, risoluzione temporale o fototossicità per catturare i cambiamenti dinamici e valutare la funzione contrattile cardiaca durante più cicli cardiaci5.
La microscopia a foglio luminoso rappresenta un metodo di imaging all'avanguardia che affronta con successo questi problemi facendo scorrere rapidamente il laser attraverso il ventricolo e l'atrio del cuore, ottenendo immagini dettagliate con una maggiore risoluzione spazio-temporale e trascurabili effetti di foto-sbiancamento e fototossici 6,7,8,9,10,11.
Questo protocollo introduce una strategia di imaging completa che include la costruzione del sistema LSM, la ricostruzione dell'immagine 4D, il tracciamento cellulare 3D e l'analisi interattiva per acquisire e analizzare la dinamica dei cardiomiociti in tutto il cuore durante più cicli cardiaci12. Il sistema di imaging personalizzato e la metodologia computazionale consentono di tracciare la microstruttura miocardica e la funzione contrattile a livello di singola cellula in larve di zebrafish transgenico Tg(myl7:nucGFP). Inoltre, i composti di piccole molecole sono stati somministrati negli embrioni utilizzando la microiniezione per valutare il danno cardiaco indotto da farmaci e la successiva rigenerazione. Questa strategia olistica fornisce un punto di ingresso per studiare in vivo le proprietà strutturali, funzionali e meccaniche del miocardio a livello di singola cellula durante lo sviluppo e la rigenerazione cardiaca.
L'approvazione per questo studio è stata concessa dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) dell'Università del Texas a Dallas, con il numero di protocollo #20-07. Per il presente studio sono state utilizzate larvetransgeniche di pesce zebra Tg(myl7:nucGFP) 12. Tutta l'acquisizione dei dati e la post-elaborazione delle immagini sono state effettuate utilizzando software o piattaforme open-source con licenze di ricerca o didattiche. Le risorse sono disponibili presso gli autori su ragionevole richiesta.
1. Allevamento del pesce zebra e microiniezione di embrioni
Durata: 2 giorni
2. Preparazione e montaggio di embrioni/larve di zebrafish
Durata: 7 giorni
3. Impostazione e configurazione del sistema di imaging a foglio luminoso
Tempistiche: 3-14 giorni
4. Preparazione dell'imaging del pesce zebra e raccolta dei dati
Durata: 1 giorno
5. Ricostruzione di immagini 4D con calcolo parallelo
Durata: 1 giorno
NOTA: L'algoritmo di ricostruzione 4D sviluppato dal nostro gruppo e i dati del campione sono accessibili al pubblico21. Questo metodo permette di ricostruire l'immagine del cuore 4D a partire dalle sequenze di immagini raccolte nei passaggi precedenti (Tabella 1).
6. 3D segmentazione cellulare e tracciamento cellulare
Durata: 1 giorno
7. Analisi della contrattilità cardiaca in modalità realtà virtuale
Durata: 1 giorno
L'attuale protocollo consiste in tre fasi principali: preparazione e microiniezione del pesce zebra, imaging con foglio luminoso e ricostruzione di immagini 4D, tracciamento cellulare e interazione VR. Ai pesci zebra adulti è stato permesso di accoppiarsi, le uova fecondate sono state raccolte ed eseguite microiniezioni secondo necessità per gli esperimenti proposti (Figura 1). Questo passaggio fornisce un punto di ingresso per esplorare le applicazioni del pesce zebra nello studio dello s...
L'integrazione del modello di zebrafish con metodi ingegneristici ha un immenso potenziale per l'esplorazione in vivo dell'infarto miocardico, delle aritmie e dei difetti cardiaci congeniti. Sfruttando la sua trasparenza ottica, la capacità rigenerativa e le somiglianze genetiche e fisiologiche con gli esseri umani, gli embrioni e le larve di zebrafish sono stati ampiamente utilizzati nella ricerca 1,2,4. La risoluzion...
Gli autori non hanno alcun conflitto di interessi da rivelare.
Esprimiamo la nostra gratitudine alla dottoressa Caroline Burns del Boston Children's Hospital per aver generosamente condiviso il pesce zebra transgenico. Ringraziamo la signora Elizabeth Ibanez per il suo aiuto nell'allevare il pesce zebra all'UT Dallas. Apprezziamo anche tutti i commenti costruttivi forniti dai membri dell'incubatore D presso UT Dallas. Questo lavoro è stato sostenuto dal NIH R00HL148493 (Y.D.), dal R01HL162635 (Y.D.) e dal programma STAR DELL'UT Dallas (y.d.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
RESOURCE | SOURCE/Reference | IDENTIFIER | |
Animal models | |||
Tg(myl7:nucGFP) transgenic zebrafish | Burns Lab in Boston Children's Hospital | ZDB-TGCONSTRCT-070117-49 | |
Software and algorithms | |||
MATLAB | The MathWorks Inc. | R2023a | |
LabVIEW | National Instruments Corporation | 2017 SP1 | |
HCImage Live | Hamamatsu Photonics | 4.6.1.2 | |
Python | The Python Software Foundation | 3.9.0 | |
Fiji-ImageJ | Schneider et al.18 | 1.54f | |
3DeeCellTracker | Chentao Wen et al.15 | v0.5.2 | |
Unity | Unity Software Inc. | 2020.3.2f1 | |
Amira | Thermo Fisher Scientific | 2021.2 | |
3D Slicer | Andriy Fedorov et al.17 | 5.2.1 | |
ITK SNAP | Paul A Yushkevich et al.16 | 4 | |
Light-sheet system | |||
Cylindrical lens | Thorlabs | ACY254-050-A | |
4X Illumination objective | Nikon | MRH00045 | |
20X Detection objective | Olympus | 1-U2M585 | |
sCMOS camera | Hamamatsu | C13440-20CU | |
Motorized XYZ stage | Thorlabs | PT3/M-Z8 | |
Two-axis tilt stage | Thorlabs | GN2/M | |
Rotation stepper motor | Pololu | 1474 | |
Fluorescent beads | Spherotech | FP-0556-2 | |
473nm DPSS Laser | Laserglow | R471003GX | |
532nm DPSS laser | Laserglow | R531003FX | |
Microinjector and vacuum pump | |||
Microinjector | WPI | PV850 | |
Vacuum pump | Welch | 2522B-01 | |
Pre-Pulled Glass Pipettes | WPI | TIP10LT | |
Capillary tip for gel loading | Bio-Rad | 2239912 | |
Virtual reality hardware | |||
VR headset | Meta | Quest 2 | |
30mg/L PTU solution | |||
PTU | Sigma-Aldrich | P7629 | |
1X E3 working solution | - | - | |
1% Agarose | - | - | |
Low-melt agarose | Thermo Fisher | 16520050 | |
Deionized water | - | - | |
10g/L Tricaine stock solution | |||
Tricaine | Syndel | SYNC-M-GR-US02 | |
Deionized water | - | - | |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6014 | |
150mg/L Tricaine working solution | |||
10g/L Tricaine stock solution | - | - | |
Deionized water | - | - | |
60X E3 stock solution | |||
Sodium Chloride | Lab Animal Resource Center (LARC), The University of Texas at Dallas | NaCl | |
Potassium Chloride | - | KCL | |
Calcium Chloride Dihydrate | - | CaCL2 x 2H2O | |
Magnesium Sulfate Heptahydrate | - | MgSO4 x 7H2O | |
RO Water | - | - | |
1X E3 working solution | |||
60X E3 stock solution | Lab Animal Resource Center (LARC), The University of Texas at Dallas | - | |
RO Water | - | - | |
1% Methylene Blue (optional) | - | C16H18ClN3S |
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