Name: 3d whole-heart myocardial tissue analysis
Uploaded: 2017-04-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 53 s
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Gli autori desiderano ringraziare Marlijn Jansen, Joyce Visser, e Martijn van Nieuwburg per la loro assistenza con gli esperimenti su animali. Abbiamo molto riconosciamo Martijn Froeling e Anke Wassink per la loro assistenza con la risonanza magnetica per immagini.

L&#39;esperimento in vivo è stato condotto in conformità con la Guida per la cura e l&#39;uso di animali da laboratorio preparati dall&#39;Istituto di Research Laboratory Animal. L&#39;esperimento è stato approvato dal Comitato di esperimenti sugli animali locale. 1. Preparazione di iniettabili ed Embedding Solution <ol><li> Preparare il gel iniettabile. <ol><li> Preparare 1 mL di ureido-pyrimidinone gel (UpY) secondo protocolli precedentemente descritte 12, 13. </li><li> Aggiungere particelle di ossido di ferro superparamagnetiche (SPIOs) alla soluzione per ottenere una concentrazione di 15 ug / ml e agitare la miscela per 5 minuti per la distribuzione uniforme. </li><li> Aggiungere le microsfere fluorescenti per la soluzione per ottenere una concentrazione di 10.000 perline / mL e mescolare l&#39;impasto per 5 minuti per la distribuzione uniforme. </li><li> Conservare la miscela risultante a temperatura ambiente in un ambiente buio. Caldo e vortex o mescolare tegli soluzione poco prima della procedura di iniezione. </li></ol></li><li> Preparare la soluzione incorporamento. <ol><li> Iniziare con acqua di rubinetto a temperatura ambiente ed aggiungere agarosio (agar) ad una concentrazione di 4% in peso. </li><li> Lentamente scaldare la soluzione al punto di ebollizione utilizzando un forno a microonde e mescolare spesso durante il riscaldamento. Dopo aver raggiunto il punto di ebollizione, memorizzare e mantenere la soluzione di agar superiore a 70 ° C per 2 ore per consentire all&#39;aria intrappolata di superficie. </li><li> Consentire l&#39;agar raffreddare a temperatura ambiente ad una temperatura tra 50 e 60 ° C fino al momento di incorporamento. </li></ol></li></ol> Procedura 2. Iniezione <ol><li> Eseguire premedicazione (agenti anti-aritmici, terapia anti-piastrine, e antidolorifici), l&#39;anestesia, accesso venoso, e l&#39;intubazione, come descritto in precedenza 14. </li><li> Eseguire le iniezioni utilizzando un catetere iniezione intramiocardico (Table of Materials). Per ogni iniezione, 0.2 mL della miscela viene iniettato in un bolo ad una velocità costante di circa 0,3 ml / min usando un dispositivo di iniezione. Posizionare le iniezioni in posizioni differenti lungo l&#39;IBZ 12. </li><li> Somministrare 0,2 ml / kg (1,0 mmol / mL) di un agente di contrasto a base di gadolinio 15 minuti prima eutanasia dell&#39;animale. </li><li> Somministrare 20 ml di cloruro di potassio 7,5% per via endovenosa a eutanasia dell&#39;animale. </li><li> Accesso sicuro mediastino seguente protocollo passaggi 8,2-8,3, come descritto da Koudstaal et al. 14. Tagliare la vena cava inferiore 5 cm dall&#39;atrio destro e rimuovere effluente sangue con un dispositivo di aspirazione. Accise cuore e risciacquare con soluzione fisiologica 0,9% a temperatura ambiente. </li></ol> 3. Procedura Embedding <ol><li> Preparare il cuore. <ol><li> Rimuovere il pericardio dal cuore, mantenendo intatto l&#39;atri e ventricoli. Sezionare l&#39;aorta ascendente ± 1 cm sopra la valvola aortica utilizzando Klinkenbergforbici. Tagliare la vena cava inferiore ± 1 cm dall&#39;atrio, e fare lo stesso per le vene polmonari. </li><li> Suturare la punta del cuore al fondo di un contenitore di plastica incorporamento (17 x 15 x 15 cm, L x H x D) usando una sutura 2-0 per impedire il galleggiamento del cuore durante incorporamento (Figura 1A). </li><li> Suturare la restante parte dell&#39;aorta ai cerchioni del contenitore usando 2-0, assicurandosi che il cuore sia centrato e non toccare le pareti del contenitore (Figura 1B). </li></ol></li></ol><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54974/54974fig1.jpg" /> Figura 1: Schema e fotografico della Embedding contenitore. (A) Schema del processo di inclusione. Il cuore (rosso) è fissato nel contenitore (blu) con punti di sutura. Dopo aver riempito il cuore con la soluzione di agar, lo spazio intorno al cuore è pieno. Finalmente,due tubi di plastica rigida (giallo) sono posizionati nel contenitore, vicino a, ma non toccare il cuore, per servire come riferimento durante la registrazione dell&#39;immagine. (B) Fotografia di un cuore fissato nel contenitore embedding. Le suture sono fissati sul bordo del contenitore con fascette zanzara. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54974/54974fig1large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <ol start="2"><li> Incorporare il cuore in una geometria telediastolica-like. NOTA: La prevenzione della creazione bolla d&#39;aria è necessaria. Se bolle presente nella soluzione di agar grande aria, mantenere l&#39;agar a 40 ° C, permettendo alle bolle d&#39;aria di superficie. <ol><li> Bloccare la vena cava inferiore con fascette di zanzara. Iniettare lentamente l&#39;agar liquido con una siringa da 50 ml nell&#39;atrio destro attraverso la vena cava superiore fino a quando sia l&#39;atrio destro e ventricolo sono completamente pieni. </li><li> Bloccare le vene polmonari mediante mosquito morsetti. passare delicatamente una siringa riempita agar-50 mL retrograda attraverso le valvole aortica. Lentamente iniettare la soluzione nel ventricolo sinistro (LV) fino LV e l&#39;atrio sinistro sono completamente riempiti. Dopo aver riempito il LV, bloccare l&#39;aorta per mantenere l&#39;agar nella LV. </li><li> Versare l&#39;agar restante nel contenitore fino a quando il cuore è completamente coperto. Inserire due tubi di plastica rigidi entro il contenitore incorporamento per servire come strutture di riferimento per la registrazione dell&#39;immagine successiva (Figura 1A). Assicurarsi che i tubi non toccare le pareti del contenitore o il cuore. </li><li> Lasciate che l&#39;agar solidificare a 2-7 ° C. </li></ol></li></ol> 4. Acquisizione di immagini <ol><li> Eseguire trasversali ex vivo risonanza magnetica del cuore che è incorporato nel contenitore. <ol><li> Posizionare il contenitore con il cuore incastonato all&#39;interno di una bobina di testa (Table of Materials). </li><li> Angulate le fette parallelo al fondo del contenitore. Usolo stesso orientamento e l&#39;angolazione in ogni sequenza ex vivo MRI. </li><li> Per visualizzare miocardio, eseguire un fluido attenuato recupero inverso (FLAIR) sequenza con i seguenti parametri: tempo di ripetizione [TR] / tempo di eco [TE] = 10 s / 140 ms, flip angle = 90 °, dimensioni pixel = 0.5 x 0.5 mm, campo di vista [FOV] = 169 x 169 mm, 320 x 320 matrice e spessore di strato 3 mm. </li><li> Per visualizzare l&#39;infarto miocardico, effettuare un late-gadolinio avanzata (LGE) sequenza con i seguenti parametri: [TR] / [TE] = 5,53 ms / 1,69 ms, flip angle = 25 °, dimensioni pixel = 1,0 x 1,0 mm, [ FOV] = 169 x 169 mm, 176 x 176 matrice e 3 mm spessore di strato. </li><li> Per visualizzare SPIOs, eseguire un T2 * gradient echo pesate con i seguenti parametri: [TR] / [TE] = 88,7 ms / 15 TE equamente distribuiti con una gamma di 1,9 - 24,6 ms, flip angle = 15 °, pixel size = 0,5 x 0,5 mm, [FOV] = 169 x 169 mm, 320 x 320 matrice e 3 mm spessore di strato. </li></ol></li><li> proces Tissuecantare <ol><li> Girare il contenitore a testa in giù e lasciare aria tra l&#39;agar ed i lati del contenitore per rimuovere la soluzione di agar solida, compreso il cuore, dal contenitore. Rimuovere le aste di plastica dal agar solido. </li><li> Sezione del blocco di agar contenente il cuore a fette di 5 mm dal vertice alla base del cuore con un&#39;affettatrice. Mantenere l&#39;angolazione delle fette tagliate lo stesso come nelle immagini RM acquisite tagliando parallelo al fondo del blocco agar. </li><li> Macchiare le fette di agar (compreso il cuore) per 15 min a 1% in peso di 2,3,5-triphenyltetrazoliumchloride (TTC) sciolti in 0,9% di soluzione salina a 37 ° C, e fotografare le fette su entrambi i lati da una vista perpendicolare (Figura 2A). Poi, lavare accuratamente le fette in salina allo 0,9%. NOTA: In questo studio, abbiamo usato una messa a punto DSLR con un appropriato obiettivo / obiettivo, un treppiedi, e l&#39;illuminazione uniforme. Tuttavia, le fotografie servivano solo come controllo per la valutazione della regione cicatrice,così abbiamo potuto usare una configurazione diversa. </li></ol></li><li> imaging di fluorescenza NOTA: a seconda delle eccitazione e di emissione delle microsfere fluorescenti, selezionare il blocco di filtro e di eccitazione laser appropriati (per esempio, le microperle rosso qui utilizzati hanno eccitazione e di emissione di 580 nm e 605 nm, rispettivamente, pertanto, il laser di eccitazione selezionata e filtri passabanda sono stati impostati a 532 nm, 580/30 nm e 610/30 nm, rispettivamente). <ol><li> Selezionare imaging di fluorescenza-mode sullo scanner in modalità variabile. Impostare il tubo fotomoltiplicatore a 430 V o equivalente e la dimensione dei pixel di 100 x 100 um. Selezionare un laser di eccitazione (532 nm) più vicino alla lunghezza d&#39;onda di eccitazione delle microsfere fluorescenti. </li><li> Per il primo blocco di filtraggio, selezionare un filtro passa-banda (580/30 nm) che si sovrappone con la lunghezza d&#39;onda di emissione delle perline fluorescenza iniettati (canale 1). Selezionare un filtro passa-banda per il blocco secondo filtro (610/30) e al di fuori dellunghezza d&#39;onda missione (canale 2). NOTA: Il secondo blocco di filtraggio serve come controllo negativo e rimuovere autofluorescenza mantenendo intatte le siti di iniezione. </li><li> Acquisire entrambi i lati delle fettine di agar in modalità fluorescenza dello scanner laser modalità variate mediante i due canali. Assicurarsi che ogni fetta è completamente digitalizzato, inclusi i fori di riferimento. </li></ol></li></ol> 5. Post-processing NOTA: Il primo passo per l&#39;immagine di post-elaborazione è la segmentazione manuale del miocardio mediante script in-house sviluppato per tracciare l&#39;endo- ed epicardici confini, così come i siti di iniezione. Questo è lo stesso sia per risonanza magnetica e scansioni fluorescenza. <ol><li> Segmento del miocardio nelle scansioni MRI. <ol><li> Segmento del endocardica e LV borders epicardici sulle immagini della sequenza FLAIR MRI. </li><li> Copiare la segmentazione LV dal punto 5.1.1 al dataset LGE-MRI e segmentare la cicatrice sulla sequenza LGE MRI. </li><li> Copiare la segmentazione miocardio dal punto 5.1.1 al T2 * pesate set di dati e di segmento le deposizioni SPIO nel miocardio LV. </li></ol></li><li> Elaborare le immagini a fluorescenza ed eseguire segmentazioni. <ol><li> Caricare i file ottenuti dallo scanner modalità variabile e rendere un&#39;immagine separata di ogni fetta cuore in sezione trasversale. </li><li> Capovolgere le fette scandite in base all&#39;apice orientamento e ordinare le immagini di fluorescenza in una pila per entrambi i canali che è orientato dall&#39;apice alla base. </li><li> Segmento del endocardica e LV borders epicardici sulle immagini di fluorescenza. </li><li> Segmento la cicatrice manualmente sulle immagini a fluorescenza e utilizzare il LGE-risonanza magnetica e le fotografie per confermare la morfologia cicatrice. </li><li> Sottrarre la pila del canale 2 dalla pila immagine del canale 1 per escludere auto-fluorescenza. segmento manualmente le deposizioni microsfere fluorescenti e utilizzare il T2 * immagini per la conferma. </li></ol></li><li> Creareuna geometria 3D anatomicamente corretta, eseguire una registrazione rigida delle fette nella pila immagine a seconda delle strutture di riferimento (i fori creati dai tubi rigidi). Calcolare e memorizzare la definizione applicata e la rotazione di ciascuna immagine. </li><li> Applicare le trasformazioni memorizzati per le pile di immagini e le segmentazioni. Linearmente interpolare le segmentazioni di entrambi i lati delle fettine di ricostruire lo spessore della fetta originale e per creare un modello 3D dei dati. </li></ol> 6. Analisi <ol><li> Effettuare misurazioni 2D e / o 3D della distanza tra i centri dei siti di iniezione e l&#39;IBZ di valutare la precisione di iniezione. Misurare la distanza lungo il confine endocardico della segmentazione LV. Nella figura 2C e 2F, un esempio delle misurazioni 2D e 3D è indicato dalla linea rossa. </li></ol>

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	<li>Nowbar, A. N., Howard, J. P., Ja Finegold, ., Asaria, P., Francis, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=2014+global+geographic+analysis+of+mortality+from+ischaemic+heart+disease+by+country,+age+and+income:+statistics+from+World+Health+Organisation+and+United+Nations.">2014 global geographic analysis of mortality from ischaemic heart disease by country, age and income: statistics from World Health Organisation and United Nations.</a> Int J Cardiol. 174 (2), 293-298 (2014).</li><li>Kannel, W. B., Belanger, A. 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J., van Es, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three+dimensional+fusion+of+electromechanical+mapping+and+magnetic+resonance+imaging+for+real-time+navigation+of+intramyocardial+cell+injections+in+a+porcine+model+of+chronic+myocardial+infarction.">Three dimensional fusion of electromechanical mapping and magnetic resonance imaging for real-time navigation of intramyocardial cell injections in a porcine model of chronic myocardial infarction.</a> Int J Cardiovasc Imaging. 32 (5), 833-843 (2016).</li><li>Pape, a. C. H., Bakker, M. 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J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Myocardial+infarction+and+functional+outcome+assessment+in+pigs.">Myocardial infarction and functional outcome assessment in pigs.</a> J. Vis. Exp. (86), (2014).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Intero-cuore elaborazione tessuto miocardico 3D secondo questo protocollo fornisce un metodo strutturato che permette l&#39;analisi 3D dell&#39;infarto, l&#39;IBZ, e le iniezioni attuate rispetto alla anatomia cardiaca. Il volume di riempimento del cuore dipende dalla analisi desiderata. In questo studio, di valutare la precisione di iniezione, abbiamo voluto riempire il cuore per assomigliare alla geometria telediastolico il più fedelmente possibile. Per imporre questo, l&#39;apice LV è fissato al fondo del contenito...

Cardiopatia ischemica è la principale causa di morte nel mondo negli ultimi decenni 1. Trattamento acuto dopo infarto miocardico mira a ripristinare il flusso di sangue al miocardio mediante angioplastica coronarica o bypass coronarico. In infarti gravi, una vasta area del miocardio è sfregiato, e questi casi spesso portare a insufficienza cardiaca ischemica (HF) 2. opzioni di trattamento attuali per concentrarsi HF sulla prevenzione e la conservazione della funzione cardiaca per i pazienti con scompenso cardiaco, ma non sulla rigenerazione. Negli ultimi dieci anni, cardiaci terapie rigenerative sono state studiate come opzione di trattamento per le HF 3. Questa terapia mira a fornire biologici, come le cellule staminali o fattori di crescita, direttamente al miocardio danneggiato per indurre rivascolarizzazione, protezione dei cardiomiociti, la differenziazione e la crescita 4. per ottimaleeffetto terapeutico, si ipotizza che il biologico deve essere iniettato nella zona infartuata confine (IBZ) per facilitare una buona perfusione tissutale per la sopravvivenza del biologico e per effetto ottimale alla zona target 5, 6. Molteplici tecniche sono state sviluppate per eseguire l&#39;identificazione e visualizzazione del IBZ per guidare iniezioni intramiocardici 7, 8, 9, 10, 11. Oltre identificazione e visualizzazione del IBZ, la consegna basa anche sui biomateriali e cateteri utilizzati iniezione. Per convalidare l&#39;accuratezza iniezione delle tecniche di consegna, è necessario un metodo di quantificazione accurata e riproducibile. Abbiamo sviluppato un protocollo per intero-cuore elaborazione tessuto miocardico che offre bidimensionali (2D) e tridimnal (3D), che può essere utilizzato per lo studio qualitativo e quantitativo mira. Il protocollo riguarda il processo di incorporazione e l&#39;analisi di immagine digitale. In questo lavoro, dimostriamo un protocollo per la valutazione della precisione di targeting di iniezioni intramiocardica nel IBZ in un grande modello suino di infarto miocardico cronico.

<table><tbody><tr><td>0.9% Saline</td><td>Braun</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Agarose</td><td>Roche Diagnostics</td><td></td><td>Scientific grade multipurpose agar</td></tr><tr><td>Biomolecular fluorescence scanner Typhoon 9410&amp;nbsp;</td><td>GE Healthcare</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Embedding container</td><td></td><td></td><td>Plastic, dimensions 17 x 14.5 x 14 cm</td></tr><tr><td>FluoSpheres Polystyrene Microspheres</td><td>Invitrogen</td><td>F8834</td><td>red, 10 &amp;micro;m</td></tr><tr><td>Gadolinium</td><td>Gadovist</td><td></td><td>1.0 mmol/mL</td></tr><tr><td>dS 32 channel head coil</td><td>Philips</td><td></td><td>Or similar</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td></td><td>To insure compatability 2015a or newer</td></tr><tr><td>Meat slicer</td><td>Berkel</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Myostar injection catheter</td><td>Biosense Webster</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Super paramagnetic iron oxide particles</td><td>Sinerem</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Triphenyl-tetrazolium chloride</td><td>Merck</td><td></td><td></td></tr><tr><td>UPy-PEG10k</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vicryl 2-0</td><td>Ethicon</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

3d whole-heart myocardial tissue analysis

Cardiaci terapie rigenerative hanno lo scopo di proteggere e riparare il cuore danneggiato nei pazienti con cardiopatia ischemica. Iniettando le cellule staminali o altre biologici che migliorano angio- o vasculogenesi nella zona infartuata confine (IBZ), perfusione tissutale è migliorata, e il miocardio può essere protetto da ulteriori danni. Per il massimo effetto terapeutico, si ipotizza che la sostanza rigenerativa è meglio consegnato al IBZ. Ciò richiede iniezioni accurate e ha portato allo sviluppo di nuove tecniche di iniezione. Per convalidare queste nuove tecniche, abbiamo progettato un protocollo di validazione basato sull&#39;analisi del tessuto miocardico. Questo protocollo include tutto-cuore elaborazione tessuto miocardico che consente dettagliata bidimensionale (2D) e tridimensionali (3D) analisi dell&#39;anatomia cardiaca e iniezioni intramiocardici. In un maiale, infarto del miocardio è stato creato da un 90-min occlusione della discendente anteriore sinistra dell&#39;arteria coronaria. Quattro settimane più tardi, un mixture di un idrogel con particelle superparamagnetiche di ossido di ferro (SPIOs) e perline fluorescenti è stata iniettata nel IBZ utilizzando un approccio endocardico minimamente invasivo. 1 h dopo la procedura di iniezione, il maiale è stata eutanasia, e il cuore è stato asportato e incorporato in agarosio (agar). Dopo la solidificazione del agar, la risonanza magnetica (MRI), affettare del cuore, e imaging di fluorescenza sono state eseguite. Dopo immagine di post-trattamento, l&#39;analisi 3D è stata effettuata per valutare la precisione di targeting IBZ. Questo protocollo fornisce un metodo strutturato e riproducibile per la valutazione della precisione di targeting di iniezioni intramiocardica nella IBZ. Il protocollo può essere facilmente utilizzato quando il trattamento di tessuto cicatriziale e / o la convalida della precisione iniezione di tutto il cuore è desiderato.

Tissue Embedding Attraverso il processo di inclusione, è stata stabilita una geometria telediastolica-like. L&#39;agar aderito con successo al tessuto cardiaco, permettendo il tessuto da tagliare alla angolazione desiderata con spessori fetta uguali (Figura 2A e 2C). Valutazione Scar- e al sito di iniezione <p class="jove_content" fo...

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3D Whole-heart Myocardial Tissue Analysis

Questo protocollo descrive un nuovo metodo per il confronto 3D del tessuto miocardico con tutto il cuore con la risonanza magnetica. Questo è progettato per la valutazione accurata di iniezioni intramiocardici nella zona infartuata confine di un modello suino cronica di infarto miocardico.

3D Whole-cuore Analisi tessuto miocardico

Cardiac regenerative therapies aim to protect and repair the injured heart in patients with ischemic heart disease. By injecting stem cells or other ...

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Research

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Medicine

8.7K Views.  University Medical Center Utrecht.  Questo protocollo descrive un nuovo metodo per il confronto 3D del tessuto miocardico con tutto il cuore con la risonanza magnetica. Questo è progettato per la valutazione accurata di iniezioni intramiocardici nella zona infartuata confine di un modello suino cronica di infarto miocardico. 

Video: 3D Whole-heart Myocardial Tissue Analysis

Ultrasonic Assessment of Myocardial Microstructure

Echocardiography is a widely accessible imaging modality that is commonly used to noninvasively characterize and quantify changes in cardiac structure and function. Ultrasonic assessments of cardiac tissue can include analyses of backscatter signal intensity within a given region of interest. Previously established techniques have relied predominantly on the integrated or mean value of backscatter signal intensities, which may be susceptible to variability from aliased data from low frame rates and time delays for algorithms based on cyclic variation. Herein, we describe an ultrasound-based imaging algorithm that extends from previous methods, can be applied to a single image frame&#160;and accounts for the full distribution of signal intensity values derived from a given myocardial sample. When applied to representative mouse and human imaging data, the algorithm distinguishes between subjects with and without exposure to chronic afterload resistance. The algorithm offers an enhanced surrogate measure of myocardial microstructure and can be performed using open-access image analysis software.

Echocardiography is commonly used to noninvasively characterize and quantify changes in cardiac structure and function. We describe an ultrasound-based imaging algorithm that offers an enhanced surrogate measure of myocardial microstructure and can be performed using open-access image analysis software.

Valutazione ad ultrasuoni della microstruttura miocardica

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Ricerca

Medicina

In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography

The use of Micro-Computed Tomography (MicroCT) for in vivo studies of small animals as models of human disease has risen tremendously due to the fact that MicroCT provides quantitative high-resolution three-dimensional (3D) anatomical data non-destructively and longitudinally. Most importantly, with the development of a novel preclinical iodinated contrast agent called eXIA160, functional and metabolic assessment of the heart became possible. However, prior to the advent of commercial MicroCT scanners equipped with X-ray flat-panel detector technology and easy-to-use cardio-respiratory gating, preclinical studies of cardiovascular disease (CVD) in small animals required a MicroCT technologist with advanced skills, and thus were impractical for widespread implementation. The goal of this work is to provide a practical guide to the use of the high-speed Quantum FX MicroCT system for comprehensive determination of myocardial global and regional function along with assessment of myocardial perfusion, metabolism and viability in healthy mice and in a cardiac ischemia mouse model induced by permanent occlusion of the left anterior descending coronary artery (LAD).

In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography

This method outlines the use of Quantum Micro-Computed Tomography (MicroCT) to assess cardiac morphology, function, perfusion, metabolism and viability with iodinated contrast agent in mice with experimentally-induced myocardial ischemia. The technique can be applied for non-destructive high-throughput longitudinal in vivo imaging of various animal models of human heart disease.

In Vivo quantitativa valutazione della struttura del miocardio, la funzione, la perfusione e sostenibilità Utilizzando cardiaca micro-tomografia computerizzata

The use of Micro-Computed Tomography (MicroCT) for in vivo studies of small animals as models of human disease has risen tremendously due to the fact that ...

Bioingegneria

Capturing the Cardiac Injury Response of Targeted Cell Populations via Cleared Heart Three-Dimensional Imaging

Cardiovascular disease outranks all other causes of death and is responsible for a staggering 31% of mortalities worldwide. This disease manifests in cardiac injury, primarily in the form of an acute myocardial infarction. With little resilience following injury, the once healthy cardiac tissue will be replaced by fibrous, non-contractile scar tissue and often be a prelude to heart failure. To identify novel treatment options in regenerative medicine, research has focused on vertebrates with innate regenerative capabilities. One such model organism is the neonatal mouse, which responds to cardiac injury with robust myocardial regeneration. In order to induce an injury in the neonatal mouse that is clinically relevant, we have developed a surgery to occlude the left anterior descending artery (LAD), mirroring a myocardial infarction triggered by atherosclerosis in the human heart. When matched with the technology to track changes both within cardiomyocytes and non-myocyte populations, this model provides us with a platform to identify the mechanisms that guide heart regeneration. Gaining insight into changes in cardiac cell populations following injury once relied heavily on methods such as tissue sectioning and histological examination, which are limited to two-dimensional analysis and often damage the tissue in the process. Moreover, these methods lack the ability to trace changes in cell lineages, instead providing merely a snapshot of the injury response. Here, we describe how technologically advanced methods in lineage tracing models, whole organ clearing, and three-dimensional (3D) whole-mount microscopy can be used to elucidate mechanisms of cardiac repair. With our protocol for neonatal mouse myocardial infarction surgery, tissue clearing, and 3D whole organ imaging, the complex pathways that induce cardiomyocyte proliferation can be unraveled, revealing novel therapeutic targets for cardiac regeneration.

Cardiomyocyte proliferation following injury is a dynamic process that requires a symphony of extracellular cues from non-myocyte cell populations. Utilizing lineage tracing, passive CLARITY, and three-dimensional whole-mount confocal microscopy techniques, we can analyze the influence of a variety of cell types on cardiac repair and regeneration.

Catturare la risposta alle lesioni cardiache delle popolazioni cellulari mirate tramite l'imaging tridimensionale del cuore autorizzato

Cardiovascular disease outranks all other causes of death and is responsible for a staggering 31% of mortalities worldwide. This disease manifests in ...

Biologia dello sviluppo

A Net Mold-based Method of Scaffold-free Three-Dimensional Cardiac Tissue Creation

This protocol describes a novel and easy net mold-based method to create three-dimensional (3-D) cardiac tissues without additional scaffold material. Human-induced pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs), human cardiac fibroblasts (HCFs), and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) are isolated and used to generate a cell suspension with 70% iPSC-CMs, 15% HCFs, and 15% HUVECs. They are co-cultured in an ultra-low attachment "hanging drop" system, which contains micropores for condensing hundreds of spheroids at one time. The cells aggregate and spontaneously form beating spheroids after 3 days of co-culture. The spheroids are harvested, seeded into a novel mold cavity, and cultured on a shaker in the incubator. The spheroids become a mature functional tissue approximately 7 days after seeding. The resultant multilayered tissues consist of fused spheroids with satisfactory structural integrity and synchronous beating behavior. This new method has promising potential as a reproducible and cost-effective method to create engineered tissues for the treatment of heart failure in the future.

This protocol describes a net mold-based method to create three-dimensional scaffold-free cardiac tissues with satisfactory structural integrity and synchronous beating behavior.

Un metodo basato su stampo netto della creazione senza impalcatura tridimensionale del tessuto cardiaco

This protocol describes a novel and easy net mold-based method to create three-dimensional (3-D) cardiac tissues without additional scaffold material. ...

Fabrication of 3D Cardiac Microtissue Arrays using Human iPSC-Derived Cardiomyocytes, Cardiac Fibroblasts, and Endothelial Cells

Generation of human cardiomyocytes (CMs), cardiac fibroblasts (CFs), and endothelial cells (ECs) from induced pluripotent stem cells (iPSCs) has provided a unique opportunity to study the complex interplay among different cardiovascular cell types that drives tissue development and disease. In the area of cardiac tissue models, several sophisticated three-dimensional (3D) approaches use induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) to mimic physiological relevance and native tissue environment with a combination of extracellular matrices and crosslinkers. However, these systems are complex to fabricate without microfabrication expertise and require several weeks to self-assemble. Most importantly, many of these systems lack vascular cells and cardiac fibroblasts that make up over 60% of the nonmyocytes in the human heart. Here we describe the derivation of all three cardiac cell types from iPSCs to fabricate cardiac microtissues. This facile replica molding technique allows cardiac microtissue culture in standard multi-well cell culture plates for several weeks. The platform allows user-defined control over microtissue sizes based on initial seeding density and requires less than 3 days for self-assembly to achieve observable cardiac microtissue contractions. Furthermore, the cardiac microtissues can be easily digested while maintaining high cell viability for single-cell interrogation with the use of flow cytometry and single-cell RNA sequencing (scRNA-seq). We envision that this in vitro model of cardiac microtissues will help accelerate validation studies in drug discovery and disease modeling.

Here, we describe an easy-to-use methodology to generate 3D self-assembled cardiac microtissue arrays composed of pre-differentiated human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes, cardiac fibroblasts, and endothelial cells. This user-friendly and low cell requiring technique to generate cardiac microtissues can be implemented for disease modeling and early stages of drug development.

Fabbricazione di array di microtissue cardiaci 3D utilizzando cardiomiociti derivati da iPSC umani, fibroblasti cardiaci e cellule endoteliali

Generation of human cardiomyocytes (CMs), cardiac fibroblasts (CFs), and endothelial cells (ECs) from induced pluripotent stem cells (iPSCs) has provided ...

Developing 3D Organized Human Cardiac Tissue within a Microfluidic Platform

The leading cause of death worldwide persists as cardiovascular disease (CVD). However, modeling the physiological and biological complexity of the heart muscle, the myocardium, is notoriously difficult to accomplish in vitro. Mainly, obstacles lie in the need for human cardiomyocytes (CMs) that are either adult or exhibit adult-like phenotypes and can successfully replicate the myocardium&#39;s cellular complexity and intricate 3D architecture. Unfortunately, due to ethical concerns and lack of available primary patient-derived human cardiac tissue, combined with the minimal proliferation of CMs, the sourcing of viable human CMs has been a limiting step for cardiac tissue engineering. To this end, most research has transitioned toward cardiac differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) as the primary source of human CMs, resulting in the wide incorporation of hiPSC-CMs within in vitro assays for cardiac tissue modeling.
Here in this work, we demonstrate a protocol for developing a 3D mature stem cell-derived human cardiac tissue within a microfluidic device. We specifically explain and visually demonstrate the production of a 3D in vitro anisotropic cardiac tissue-on-a-chip model from hiPSC-derived CMs. We primarily describe a purification protocol to select for CMs, the co-culture of cells with a defined ratio via mixing CMs with human CFs (hCFs), and suspension of this co-culture within the collagen-based hydrogel. We further demonstrate the injection of the cell-laden hydrogel within our well-defined microfluidic device, embedded with staggered elliptical microposts that serve as surface topography to induce a high degree of alignment of the surrounding cells and the hydrogel matrix, mimicking the architecture of the native myocardium. We envision that the proposed 3D anisotropic cardiac tissue-on-chip model is suitable for fundamental biology studies, disease modeling, and, through its use as a screening tool, pharmaceutical testing.

The goal of this protocol is to explain and demonstrate the development of a three-dimensional (3D) microfluidic model of highly aligned human cardiac tissue, composed of stem cell-derived cardiomyocytes co-cultured with cardiac fibroblasts (CFs) within a biomimetic, collagen-based hydrogel, for applications in cardiac tissue engineering, drug screening, and disease modeling.

Sviluppo di tessuto cardiaco umano organizzato in 3D all'interno di una piattaforma microfluidico

The leading cause of death worldwide persists as cardiovascular disease (CVD). However, modeling the physiological and biological complexity of the heart ...

Tissue Preparation Techniques for Contrast-Enhanced Micro Computed Tomography Imaging of Large Mammalian Cardiac Models with Chronic Disease

Structural remodeling is a common consequence of chronic pathological stresses imposed on the heart. Understanding the architectural and compositional properties of diseased tissue is critical to determine their interactions with arrhythmic behavior. Microscale tissue remodeling, below the clinical resolution, is emerging as an important source of lethal arrhythmia, with high prevalence in young adults. Challenges remain in obtaining high imaging contrast at sufficient microscale resolution for preclinical models, such as large mammalian whole hearts. Moreover, tissue composition-selective contrast enhancement for three-dimensional high-resolution imaging is still lacking. Non-destructive imaging using micro-computed tomography shows promise for high-resolution imaging. The objective was to alleviate sufferance from X-ray over attenuation in large biological samples. Hearts were extracted from healthy pigs (N = 2), and sheep (N = 2) with either induced chronic myocardial infarction and fibrotic scar formation or induced chronic atrial fibrillation. Excised hearts were perfused with: a saline solution supplemented with a calcium ion quenching agent and a vasodilator, ethanol in serial dehydration, and hexamethyldisilizane under vacuum. The latter reinforced the heart structure during air-drying for 1 week. Collagen-dominant tissue was selectively bound by an X-ray contrast-enhancing agent, phosphomolybdic acid. Tissue conformation was stable in air, permitting long-duration microcomputed tomography acquisitions to obtain high-resolution (isotropic 20.7 &#181;m) images. Optimal contrast agent loading by diffusion showed selective contrast enhancement of the epithelial layer and sub-endocardial Purkinje fibers in healthy pig ventricles. Atrial fibrillation (AF) hearts showed enhanced contrast accumulation in the posterior walls and appendages of the atria, attributed to greater collagen content. Myocardial infarction hearts showed increased contrast selectively in regions of cardiac fibrosis, which enabled the identification of interweaving surviving myocardial muscle fibers. Contrast-enhanced air-dried tissue preparations enabled microscale imaging of the intact large mammalian heart and selective contrast enhancement of underlying disease constituents.

Here, we present a protocol to obtain high resolution micro computed tomography images of healthy and pathological large mammalian whole hearts with collagen-selective contrast enhancement.

Tecniche di preparazione dei tessuti per l'imaging micromografico computerizzato con contrasto di modelli cardiaci di mammiferi di grandi dimensioni con malattia cronica

Structural remodeling is a common consequence of chronic pathological stresses imposed on the heart. Understanding the architectural and compositional ...

Mesoscopic Optical Imaging of Whole Mouse Heart

Both genetic and non-genetic cardiac diseases can cause severe remodeling processes in the heart. Structural remodeling, such as collagen deposition (fibrosis) and cellular misalignment, can affect electrical conduction, introduce electromechanical dysfunctions and, eventually, lead to arrhythmia. Current predictive models of these functional alterations are based on non-integrated and low-resolution structural information. Placing this framework on a different order of magnitude is challenging due to the inefficacy of standard imaging methods in performing high-resolution imaging in massive tissue. In this work, we describe a methodological framework that allows imaging of whole mouse hearts with micrometric resolution. The achievement of this goal has required a technological effort where advances in tissue transformation and imaging methods have been combined. First, we describe an optimized CLARITY protocol capable of transforming an intact heart into a nanoporous, hydrogel-hybridized, lipid-free form that allows high transparency and deep staining. Then, a fluorescence light-sheet microscope able to rapidly acquire images of a mesoscopic field of view (mm-scale) with the micron-scale resolution is described. Following the mesoSPIM project, the conceived microscope allows the reconstruction of the whole mouse heart with micrometric resolution in a single tomographic scan. We believe that this methodological framework will allow clarifying the involvement of the cytoarchitecture disarray in the electrical dysfunctions and pave the way for a comprehensive model that considers both the functional and structural data, thus enabling a unified investigation of the structural causes that lead to electrical and mechanical alterations after the tissue remodeling.

We report a method for mesoscopic reconstruction of the whole mouse heart by combining new advancements in tissue transformation and staining with the development of an axially scanned light-sheet microscope.

Imaging ottico mesoscopico dell'intero cuore del topo

Both genetic and non-genetic cardiac diseases can cause severe remodeling processes in the heart. Structural remodeling, such as collagen deposition ...

Biologia

Mixed Reality Technology and Three-Dimensional Printing in Teaching: Heart Anatomy as an Example

Mixed reality technology and three-dimensional (3D) printing are becoming more and morecommon in the field of medicine. During the COVID-19 pandemic and immediately after the restrictions had beeneased, many innovations were implemented in the teaching of future doctors. There was also interest in immersive techniques and 3D printing technology in anatomy teaching. However, these are not common implementations. In 2023, 3D prints and holograms in mixed reality technology were prepared for classes focused on the structure of the heart. They were used to teach students, who, with the support of engineers, could learn about the detailed structure of the heart and familiarize themselves with the new technologies that support the traditional model of learning on human cadavers. Students findthis possibility to be highly valuable. The article presents the process of preparing materials for classes and further implementation possibilities. The authors see an opportunity for the development of the presented technologies in students'teaching at various levels of education and the justification for increasingly widespread implementation.

Here, we describe a protocol for constructing a heart model from scratch based on computed tomography and present it to medical students using three-dimensional (3D) printing and mixed reality technology to learn anatomy.

Mixed reality technology and three-dimensional (3D) printing are becoming more and morecommon in the field of medicine. During the COVID-19 pandemic and ...

Analisi 3D completa dei cuori umani dalla micro alla macro scala

Pipeline for Multi-Scale Three-Dimensional Anatomic Study of the Human Heart

Detailed study of non-failing human hearts rejected for transplantation provides a unique opportunity to perform structural analyses across microscopic and macroscopic scales. These techniques include tissue clearing (modified immunolabeling-enabled three-dimensional (3D) imaging of solvent-cleared organs) and immunohistochemical staining. Mesoscopic examination procedures include stereoscopic dissection and micro-computed tomographic (CT) scanning. Macroscopic examination procedures include gross dissection, photography (including anaglyphs and photogrammetry), CT, and 3D printing of the physically or virtually dissected or whole heart. Before macroscopic examination, pressure-perfusion fixation may be performed to maintain the 3D architecture and physiologically relevant morphology of the heart. The application of these techniques in combination to study the human heart is unique and crucial in understanding the relationship between distinct anatomic features such as coronary vasculature and myocardial innervation in the context of the 3D architecture of the heart. This protocol describes the methodologies in detail and includes representative results&#160;to illustrate progress in the research of human cardiac anatomy.

Autore in primo piano: Far progredire l'anatomia cardiaca umana attraverso l'analisi multiscala dei cuori

This protocol presents a comprehensive pipeline to analyze samples obtained from human hearts that span the microscopic and macroscopic scales.

Pipeline per lo studio anatomico tridimensionale multiscala del cuore umano

Detailed study of non-failing human hearts rejected for transplantation provides a unique opportunity to perform structural analyses across microscopic ...