Heart function and hemodynamic analysis for zebrafish embryos

The Zebrafish has emerged to become a powerful vertebrate animal model for cardiovascular research in recent years. Its advantages include easy genetic manipulation, transparency, small size, low cost, and the ability to survive without active circulation at early stages of development. Sequencing the whole genome and identifying ortholog genes with human genome made it possible to induce clinically relevant cardiovascular defects via genetic approaches. Heart function and disturbed hemodynamics need to be assessed in a reliable manner for these disease models in order to reveal the mechanobiology of induced defects. This effort requires precise determination of blood flow patterns as well as hemodynamic stress (i.e., wall shear stress and pressure) levels within the developing heart. While traditional approach involves time-lapse brightfield microscopy to track cell and tissue movements, in more recent studies fast light-sheet fluorescent microscopes are utilized for that purpose. Integration of more complicated techniques like particle image velocimetry and computational fluid dynamics modeling for hemodynamic analysis holds a great promise to the advancement of the Zebrafish studies. Here, we discuss the latest developments in heart function and hemodynamic analysis for Zebrafish embryos and conclude with our future perspective on dynamic analysis of the Zebrafish cardiovascular system.We would like to thank to Qatar University Biomedical Research Center team for the study; Dr. Asma Alhani, Dr. Gheeyath Nasral-lah, Ms. Sahar IsaDas, Dr. Hany Mady, Dr. Hadi Yassine, Dr. Nahla Eltai for scientific support; and Ms. Naiema Al-Meer, Ms. Maria Khalid Smatti, and Ms. Fadheela Mohammad for administrative support. This research was supported by Qatar University internal grants (QUST-BRC-SPR\2017-1 and QUUG-BRC-2017-3 to H.C.Y.).Scopu

Zebrafish models of cardiovascular disease

Cardiovascular disease (CVD) is a group of disorders of the heart and blood vessels and one of the leading causes of death worldwide. The most significant risk factors associated with the development of heart diseases include genetic and environmental factors such as hypertension, high blood cholesterol levels, diabetes, smoking, and obesity. Coronary artery disease and stroke account for the highest percentage of CVD deaths and stroke, cardiomyopathies, congenital heart diseases, heart valve defects and arrhythmias follow. The causes, prevention, and treatment of all forms of cardiovascular disease remain active fields of biomedical research, with hundreds of scientific studies published on a weekly basis.Cardiac valves develop as the heart contracts, and they function throughout the lifetime of the organism to prevent retrograde blood flow. Their precise morphogenesis is crucial for cardiac function and depends on the interaction between cardiac contractility and intracardiac flow dynamics. Multiple signaling pathways are implicated in the morphogenesis of cardiac valves but little is known about the molecular mechanisms that orchestrate their formation.Several unique characteristics make zebrafish an attractive model for elucidating the mechanisms underlying cardiac valve morphogeneis. Non-invasive imaging allows in vivo analyses of cardiovascular phenotypes. In addition, zebrafish hearts maintain their ability to regenerate throughout their lifetime, providing novel insights to understand human cardiac regeneration. Zebrafish has also emerged as a high-throughput but low-cost model organism that combines the advantages of forward and reverse genetics with phenotype-driven drug screenings. Functional verification of candidate genes from Genome Wide Association Studies (GWAS) has verified the role of several genes in the pathophysiology of CVDs. Zebrafish is a valuable tool for the identification of candidate genes for congenital heart defects, either through mutant characterization from genetic screens or functional annotation through morphant analysis.Here we describe the identification and the characterization of genes involved in cardiac valve formation. The mutant lines that were used have derived from a forward mutagenesis genetic screen that was carried out in order to identify mutant phenotypes relevant to various aspects of cardiac development. Bua mutant embryos show an outflow tract stenosis phenotype, which results to abnormal atrioventricular valve formation and retrograde blood flow. BH mutants have smaller heart, body axis and head compared to wild-type embryos and have also curved tail.In parallel, we carried out the characterization of a new transgenic line for the wnt/b-catenin signaling pathway. Apc mutant embryos which show constitutive active wnt/b-catenin signaling have also been used for the elaborate characterization of the Tg(7xTCF-Xla.Siam:nlsmCherry) transgenic line.The goal of this research project was the study of gene function, the identification of new signaling pathways and the elucidation of the molecular mechanisms that underlie the pathogenesis of cardiovascular defects. As many of the mutant phenotypes resemble human genetic diseases, zebrafish is a useful tool for modeling complex developmental processes leading to better understanding and new therapeutics for cardiovascular defects and other human diseases.Οι βαλβιδοπάθειες με συχνότητα εμφάνισης 5% επί των ζώντων νεογνών αποτελούν το 20-30% του συνόλου των συγγενών καρδιοπαθειών. Οι καρδιακές βαλβίδες αναπτύσσονται και διαμορφώνονται ταυτόχρονα με το σχηματισμό της καρδιάς και όσο αυτή συστέλλεται. Οι βαλβίδες λειτουργούν καθ’όλη τη διάρκεια της ζωής ενός οργανισμού με σκοπό την παρεμπόδιση της παλίνδρομης ροής του αίματος μεταξύ των καρδιακών κοιλοτήτων. Η ακριβής τους διαμόρφωση είναι σημαντική για την φυσιολογική καρδιακή λειτουργία και είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης της συσταλτικότητας της καρδιάς και της αιμοδυναμικής ροής. Ποικίλα σηματοδοτικά μονοπάτια εμπλέκονται στη μορφοποίηση των καρδιακών βαλβίδων. Ωστόσο, οι μοριακοί μηχανισμοί που διέπουν την ανάπτυξη τους δεν έχουν πλήρως διαλευκανθεί.Το zebrafish αποτελεί ένα ιδανικό πειραματικό μοντέλο για τη μελέτη της ανάπτυξης των καρδιακών βαλβίδων καθώς επιτρέπει τη μη επεμβατική in vivo παρατήρηση της ανάπτυξης του καρδιαγγειακού συστήματος. Επίσης, η καρδιά του, zebrafish έχει την ικανότητα να αναγεννάται σε όλη τη διάρκεια ζωής του ψαριού, προσφέροντας γνώση για την κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν την αναγέννηση της ανθρώπινης καρδιάς. Το zebrafish είναι ακόμα ένα πολύτιμο γενετικό εργαλείο για την ταυτοποίηση υποψήφιων γονιδίων για συγγενείς καρδιοπάθειες, είτε μέσω του χαρακτηρισμού μεταλλαγμένων σειρών που έχουν προέλθει από γενετικούς ελέγχους είτε μέσω της φαινοτυπικής παρατήρησης εμβρύων μετά από εφαρμογή μεθόδων γονιδιωματικής τροποποίησης.Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε η ταυτοποίηση και ο χαρακτηρισμός γονιδίων που εμπλέκονται στην ανάπτυξη και το σχηματισμό των καρδιακών βαλβίδων. Οι μεταλλαγμένες γενετικές σειρές που χρησιμοποιήθηκαν προήλθαν από τυχαία μεταλλαξιγένεση στα πλαίσια ενός ελέγχου πρόσθιας γενετικής για καρδιοαγγειακούς φαινότυπους. Η μεταλλαγμένη σειρά bua εμφανίζει στένωση της βαλβίδας στο σημείο εξώθησης της καρδιάς (outflow tract), με αποτέλεσμα την ελαττωματική ανάπτυξη της κολποκοιλιακής βαλβίδας και την παλινδρόμησή του αίματος μεταξύ κόλπου και κοιλίας. Τα έμβρυα της μεταλλαγμένης σειράς BH εμφανίζουν μικρότερη σε μέγεθος καρδιά και κυρτή ουρά. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός της διαγονιδιακής σειράς Tg(7xTCF-Xla.Siam:nlsmCherry). Πρόκειται για μια νέα διαγονιδιακή σειρά αναφοράς της Wnt/β-κατενίνης, που συμβάλλει στον εντοπισμό της ενεργότητας του σηματοδοτικού μονοπατιού στα κύτταρα του zebrafish. Ο χαρακτηρισμός του διαγονιδίου πραγματοποιήθηκε και στη μεταλλαγμένη σειρά apchu745, στην οποία το σηματοδοτικό μονοπάτι Wnt/β-catenin είναι μόνιμα ενεργοποιημένο. Έμβρυα zebrafish με μεταλλάξεις στο ογκοκατασταλτικό γονίδιο apc (adenomatous polyposis coli) εμφανίζουν ανωμαλίες στην ανάπτυξη της καρδιάς, όπως ελαττωματική καρδιακή συσταλτικότητα, ελαττωματική κάμψη της καρδιάς, καθώς επίσης και υπερπλαστικά καρδιακά επάρματα στις καρδιακές βαλβίδες.Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η μελέτη της λειτουργίας των γονιδίων, η ταυτοποίηση νέων σηματοδοτικών μονοπατιών και η διαλεύκανση των μοριακών μηχανισμών που εμπλέκονται στην παθογένεση των συγγενών καρδιοπαθειών. Αρκετά μοναδικά χαρακτηριστικά καθιστούν το zebrafish ένα ελκυστικό πειραματικό μοντέλο, που προσφέρει τη δυνατότητα μοντελοποίησης μεγάλου εύρους ανθρώπινων ασθενειών

Zebrafish models of cardiovascular disease

Cardiovascular disease (CVD) is one of the leading causes of death worldwide. The most significant risk factors associated with the development of heart diseases include genetic and environmental factors such as hypertension, high blood cholesterol levels, diabetes, smoking, and obesity. Coronary artery disease accounts for the highest percentage of CVD deaths and stroke, cardiomyopathies, congenital heart diseases, heart valve defects and arrhythmias follow. The causes, prevention, and treatment of all forms of cardiovascular disease remain active fields of biomedical research, with hundreds of scientific studies published on a weekly basis. Generating animal models of cardiovascular diseases is the main approach used to understand the mechanism of pathogenesis and also design and test novel therapies. Here, we will focus on recent advances to finding the genetic cause and the molecular mechanisms of CVDs as well as novel drugs to treat them, using a small tropical freshwater fish native to Southeast Asia: the zebrafish (Danio rerio). Zebrafish emerged as a high-throughput but low-cost model organism that combines the advantages of forward and reverse genetics with phenotype-driven drug screenings. Noninvasive imaging allows in vivo analyses of cardiovascular phenotypes. Functional verification of candidate genes from genome-wide association studies has verified the role of several genes in the pathophysiology of CVDs. Also, zebrafish hearts maintain their ability to regenerate throughout their lifetime, providing novel insights to understand human cardiac regeneration. © 2016, Springer Science+Business Media New York