vetpressАграрная наукаAgrarian science0869-81552686-701XРедакция журнала "Аграрная наука"10.32634/0869-8155-2023-375-10-24-29vetpress-2809Research ArticleЗООТЕХНИЯ И ВЕТЕРИНАРИЯZOOTECHNICS AND VETERINARY MEDICINEТрехмерная рентгеновская микротомография сердца куриного эмбриона в раннем периоде эмбриогенезаThree-dimensional X-ray microtomography of the heart of a chick embryo in the early period of embryogenesishttps://orcid.org/0000-0002-2632-8923РжепаковскийИ. В.RzhepakovskyI. V.

Игорь Владимирович Ржепаковский, кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, Медико-биологический факультет

ул. Пушкина, 1, Ставрополь, 355017

Igor Vladimirovich Rzhepakovsky, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Leading Researcher, Faculty of Medicine and Biology

1 Pushkin Str., Stavropol, 355017

irzhepakovskii@ncfu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2011-880XТимченкоЛ. Д.TimchenkoL. D.

Людмила Дмитриевна Тимченко, доктор ветеринарных наук, профессор, главный научный сотрудник, Медико-биологический факультет

ул. Пушкина, 1, Ставрополь, 355017

Lyudmila Dmitrievna Timchenko, Doctor of Veterinary Sciences, Professor, Chief Scientific Officer, Faculty of Medicine and Biology

1 Pushkin Str., Stavropol, 355017

ltimchenko@ncfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5558-5486ПисковС. И.PiskovS. I.

Сергей Иванович Писков, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, Медико-биологический факультет

ул. Пушкина, 1, Ставрополь, 355017

Sergey Ivanovich Piskov, Candidate of Biological Sciences, Leading Researcher, Faculty of Medicine and Biology

1 Pushkin Str., Stavropol, 355017

spiskov@ncfu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3536-1247АванесянС. С.AvanesyanS. S.

Светлана Суреновна Аванесян, научный сотрудник, Медико-биологический факультет

ул. Пушкина, 1, Ставрополь, 355017

Svetlana Surenovna Avanesyan, Research Associate, Faculty of Medicine and Biology 

1 Pushkin Str., Stavropol, 355017

savanesian@ncfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1009-7112СизоненкоМ. Н.SizonenkoM. N.

Марина Николаевна Сизоненко, кандидат биологических наук, научный сотрудник, Медико-биологический факультет

ул. Пушкина, 1, Ставрополь, 355017

Marina Nikolaevna Sizonenko, Candidate of Biological Sciences, Research Associate, Faculty of Medicine and Biology

1 Pushkin Str., Stavropol, 355017

msizonenko@ncfu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2580-7233ШахбановМ. Ш.ShakhbanovM. Sh.

Магомед Шамилович Шахбанов, ассистент кафедры зоологии и паразитологии, Медико-биологический факультет

ул. Пушкина, 1, Ставрополь, 355017

Magomed Shamilovich Shakhbanov, Assistant of the Department of Zoology and Parasitology, Faculty of Medicine and Biology

1 Pushkin Str., Stavropol, 355017

mshakhbanov@ncfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6782-2821НагдалянА. А.NagdalianA. A.

Андрей Ашотович Нагдалян, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, НИЛ пищевой и промышленной биотехнологии, факультет пищевой инженерии и биотехнологий

ул. Пушкина, 1, Ставрополь, 355017

Andrey Ashotovich Nagdalian, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Food and Industrial Biotechnology, Faculty of Food Engineering and Biotechnology

1 Pushkin Str., Stavropol, 355017

anagdalian@ncfu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0857-5143РебезовМ. Б.RebezovM. B.

Максим Борисович Ребезов, доктор сельскохозяйственных наук, кандидат ветеринарных наук, профессор, главный научный сотрудник; доктор сельскохозяйственных наук, кандидат ветеринарных наук, профессор кафедры биотехнологии и пищевых продуктов

ул. Талалихина, 26, Москва, 109316

ул. Карла Либкнехта, 42, Екатеринбург, 620075

Maksim Borisovich Rebezov, Doctor of Agricultural Sciences, Candidate of Veterinary Sciences, Professor, Chief Researcher; Doctor of Agricultural Sciences, Candidate of Veterinary Sciences, Professor of the Department of Biotechnology and Food Products

26 Talalikhin Str., Moscow, 109316

42 Karl Liebknecht Str., Yekaterinburg, 620075

rebezov@ya.ruСеверо-Кавказский федеральный университетРоссияNorth-Caucasus Federal UniversityRussian FederationФедеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наук; Уральский государственный аграрный университетРоссияV.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of the Russian Academy of Sciences; Ural State Agrarian UniversityRussian Federation2023171020231102429Copyright © Ржепаковский И.В., Тимченко Л.Д., Писков С.И., Аванесян С.С., Сизоненко М.Н., Шахбанов М.Ш., Нагдалян А.А., Ребезов М.Б., 20232023Ржепаковский И.В., Тимченко Л.Д., Писков С.И., Аванесян С.С., Сизоненко М.Н., Шахбанов М.Ш., Нагдалян А.А., Ребезов М.Б.Rzhepakovsky I.V., Timchenko L.D., Piskov S.I., Avanesyan S.S., Sizonenko M.N., Shakhbanov M.S., Nagdalian A.A., Rebezov M.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vetpress.ru/jour/article/view/2809Актуальность

Актуальность. Модель куриного эмбриона идеально подходит для изучения развития сердца, являющегося первым функционирующим органом в эмбриогенезе. Особое внимание привлекает зародышевый период, когда эмбриональное сердце одновременно и функционирует, и формируется, а небольшие отклонения в этом процессе могут привести к аномалиям развития. Текущее отсутствие результатов точных измерений отдельных структур сердца куриного эмбриона требует проведения качественной визуализации, сложность проведения которой определяется динамичными изменениями в морфологии сердца, маленькими размерами и сложными пространственными деталями органа. Незаменимыми инструментами в этом аспекте выступают методы трехмерной визуализации, среди которых особые преимущества имеет рентгеновская микротомография.

Методы

Методы. Сканирование эмбрионов (4–8-е сутки, эмбриональные стадии — HH22–HH34) проводилось с использованием рентгеновского микротомографа высокого разрешения Skyscan 1176. В качестве контраста использовался 1%-ный раствор фосфорно-вольфрамовой кислоты. Постобработка, реконструирование, визуализация 3D-изображений, морфометрия и оценка рентгеноплотности осуществлялись с помощью программных пакетов DataViewer (1.5.6.2), CTvox (3.3.0r1403), CT-analyser (1.18.4.0).

Результаты

Результаты. Полученные результаты складываются из трех компонентов: 1) общая трехмерная рентгеновская микротомографическая визуализация куриных зародышей на ранних стадиях эмбриогенеза с обозначением внутренних органов, позволяющая определить правильность расположения сердца; 2) микротомография сердца с обозначением основных структур; 3) морфометрические параметры зародыша, сердца и их рентгенплотность в единицах шкалы Хаунсфилда (HU). Использованный методический подход показал высокую эффективность. При увеличение линейных размеров куриного зародыша и внутренних органов, в том числе сердца сохраняется высокий уровень как общей рентгенконрастности так и диффконтрастности. На всех изученных стадиях зародышевого периода эмбриогенеза (4–8-е сутки; HH22–HH34) выявлены основные визуальные и количественные характеристики морфогенеза сердца.

Relevance

Relevance. The chicken embryo model is ideal for studying the development of the heart, which is the first functioning organ in embryogenesis. Particular attention is drawn to the embryonic period, when the embryonic heart is both functioning and forming, and small deviations in this process can lead to developmental anomalies. The current lack of results of accurate measurements of the morphology of the heart of a chicken embryo requires high-quality visualization, the complexity of which is determined by dynamic changes in the morphology of the heart, small size and complex spatial details of the organ. Threedimensional imaging methods are indispensable tools in this aspect, among which X-ray microtomography has special advantages.

Methods

Methods. Embryo scanning (4–8 days, embryonic stages HH22–HH34) was performed using a highresolution X-ray microtomograph Skyscan 1176. A 1% solution of phosphoric-tungstic acid was used as a contrast. Post-processing, reconstruction, visualization of 3D-images, morphometry and X-ray density assessment were carried out using software packages DataViewer (1.5.6.2), CTvox (3.3.0r1403), CT-analyser (1.18.4.0).

Results

Results. The results obtained consist of three components: 1) general three-dimensional X-ray microtomographic visualization of chicken embryos in the early stages of embryogenesis with the designation of internal organs, allowing to determine the correct location of the heart; 2) microtomography of the heart with the designation of the main structures; 3) morphometric parameters of the embryo, heart and their X-ray density in units of the Hounsfield scale (HU). The methodological approach used has shown high efficiency. With an increase in the linear size of the chicken embryo and internal organs, including the heart, a high level of both general X-ray contrast and diffraction remains. At all the studied stages of the embryonic period of embryogenesis (4–8 days; HH22–HH34), the main visual and quantitative characteristics of cardiac morphogenesis were revealed.

куриный эмбрионсердцезародышевый период эмбриогенезарентгеновская микротомографиятрехмерная визуализацияchicken embryoheartembryonic period of embryogenesisX-ray microtomography3D-visualizationИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-24-00282. https://rscf.ru/project/23-24-00282/The study was funded by a grant from the Russian Science Foundation No. 23-24-00282. https://rscf.ru/en/project/23-24-00282/ReferencesGarcia P., Wang Y., Viallet J., Macek Jilkova Z. The Chicken Embryo Model: A Novel and Relevant Model for Immune-Based Studies. Frontiers in Immunology. 2021; 12: 791081. https://doi.org/10.3389/fimmu.2021.791081Garcia P., Wang Y., Viallet J., Macek Jilkova Z. The Chicken Embryo Model: A Novel and Relevant Model for Immune-Based Studies. Frontiers in Immunology. 2021; 12: 791081. https://doi.org/10.3389/fimmu.2021.791081Chen L. et al. Dynamic 3D-morphology of chick embryos and allantois depicted nondestructively by 3.0T clinical magnetic resonance imaging. Poultry Science. 2023; 102(9): 102902. https://doi.org/10.1016/j.psj.2023.102902Chen L. et al. Dynamic 3D-morphology of chick embryos and allantois depicted nondestructively by 3.0T clinical magnetic resonance imaging. Poultry Science. 2023; 102(9): 102902. https://doi.org/10.1016/j.psj.2023.102902Vimalraj S., Renugaa S., Dhanasekaran A. Chick embryo chorioallantoic membrane: a biomaterial testing platform for tissue engineering applications. Process Biochemistry. 2023; 124: 81–91. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2022.11.007Vimalraj S., Renugaa S., Dhanasekaran A. Chick embryo chorioallantoic membrane: a biomaterial testing platform for tissue engineering applications.Wittig J.G., Münsterberg A. The Early Stages of Heart Development: Insights from Chicken Embryos. Journal of Cardiovascular Development and Disease. 2016; 3(2): 12. https://doi.org/10.3390/jcdd3020012Process Biochemistry. 2023; 124: 81–91. https://doi.org/10.1016/j. procbio.2022.11.007Vilches-Moure J.G. Embryonic chicken (Gallus gallus domesticus) as a model of cardiac biology and development. Comparative Medicine. 2019; 69(3): 184–203. https://doi.org/10.30802/AALAS-CM-18-000061Wittig J.G., Münsterberg A. The Early Stages of Heart Development: Insights from Chicken Embryos. Journal of Cardiovascular Development and Disease. 2016; 3(2): 12. https://doi.org/10.3390/jcdd3020012Lansford R., Rugonyi S. Follow Me! A Tale of Avian Heart Development with Comparisons to Mammal Heart Development. Journal of Cardiovascular Development and Disease. 2020; 7(1): 8. https://doi.org/10.3390/jcdd7010008Vilches-Moure J.G. Embryonic chicken (Gallus gallus domesticus) as a model of cardiac biology and development. Comparative Medicine. 2019; 69(3): 184–203. https://doi.org/10.30802/AALAS-CM-18-000061Ma Y. et al. OCT based four-dimensional cardiac imaging of a living chick embryo using an impedance signal as a gating for post-acquisition synchronization. Biomedical Optics Express. 2022; 13(12): 6595–6609. https://doi.org/10.1364/BOE.476254Lansford R., Rugonyi S. Follow Me! A Tale of Avian Heart Development with Comparisons to Mammal Heart Development. Journal of Cardiovascular Development and Disease. 2020; 7(1): 8. https://doi.org/10.3390/jcdd7010008Raiola M., Sendra M., Torres M. Imaging Approaches and the Quantitative Analysis of Heart Development. Journal of Cardiovascular Development and Disease. 2023; 10(4): 145. https://doi.org/10.3390/jcdd10040145Ma Y. et al. OCT based four-dimensional cardiac imaging of a living chick embryo using an impedance signal as a gating for post-acquisition synchronization. Biomedical Optics Express. 2022; 13(12): 6595–6609. https://doi.org/10.1364/BOE.476254Sukumaran V., Mutlu O., Murtaza M., Alhalbouni R., Dubansky B., Yalcin H.C. Experimental assessment of cardiovascular physiology in the chick embryo. Developmental Dynamics. 2023. https://doi.org/10.1002/dvdy.589Raiola M., Sendra M., Torres M. Imaging Approaches and the Quantitative Analysis of Heart Development. Journal of Cardiovascular Development and Disease. 2023; 10(4): 145. https://doi.org/10.3390/jcdd10040145Metscher B.D. MicroCT for developmental biology: A versatile tool for high-contrast 3D-imaging at histological resolutions. Developmental Dynamics. 2009; 238(3): 632–640. https://doi.org/10.1002/dvdy.21857Sukumaran V., Mutlu O., Murtaza M., Alhalbouni R., Dubansky B., Yalcin H.C.Hamburger V., Hamilton H.L. A series of normal stages in the development of the chick embryo. Developmental Dynamics. 1992; 195(4): 231–272. https://doi.org/10.1002/aja.1001950404Experimental assessment of cardiovascular physiology in the chick embryo.Bjørnstad S., Austdal L.P.E., Roald B., Glover J.C., Paulsen R.E. Cracking the Egg: Potential of the Developing Chicken as a Model System for Nonclinical Safety Studies of Pharmaceuticals. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 2015; 355(3): 386–396. https://doi.org/10.1124/jpet.115.227025Developmental Dynamics. 2023. https://doi.org/10.1002/dvdy.589AVMA Guidelines for the Euthanasia of Animals: 2020 Edition. American Veterinary Medical Association. 2020; 121. ISBN 978-1-882691-09-8 13. AVMA Guidelines for the Euthanasia of Animals: 2020 Edition. American Veterinary Medical Association. 2020; 121. ISBN 978-1-882691-09-8Metscher B.D. MicroCT for developmental biology: A versatile tool for high-contrast 3D-imaging at histological resolutions. Developmental Dynamics. 2009; 238(3): 632–640. https://doi.org/10.1002/dvdy.21857Rzhepakovsky I. et al. Anti-arthritic effect of chicken embryo tissue hydrolyzate against adjuvant arthritis in rats (X-ray microtomographic and histopathological analysis). Food Science & Nutrition. 2021; 9(10): 5648–5669. https://doi.org/10.1002/fsn3.2529Hamburger V., Hamilton H.L. A series of normal stages in the development of the chick embryo. Developmental Dynamics. 1992; 195(4): 231–272. https://doi.org/10.1002/aja.1001950404Nagdalian A.A. et al. Analysis of the content of mechanically separated poultry meat in sausage using computing microtomography. Journal of Food Composition and Analysis. 2021; 100: 103918. https://doi.org/10.1016/j.jfca.2021.103918Bjørnstad S., Austdal L.P.E., Roald B., Glover J.C., Paulsen R.E. Cracking the Egg: Potential of the Developing Chicken as a Model System for Nonclinical Safety Studies of Pharmaceuticals. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 2015; 355(3): 386–396. https://doi.org/10.1124/ jpet.115.227025Рагозина М.Н. Развитие зародыша домашней курицы в его соотношении с желтком и оболочками яйца (с таблицами последовательных стадий развития). М.: Издательство Академии наук СССР. 1961; 167.AVMA Guidelines for the Euthanasia of Animals: 2020 Edition. American Veterinary Medical Association. 2020; 121. ISBN 978-1-882691-09-8Петренко В.М. Морфогенез задней полой вены в эмбриогенезе домашней курицы. I. Закладка. Успехи современного естествознания. 2014; (5-2): 90–93. https://elibrary.ru/sdzgvbRzhepakovsky I. et al. Anti-arthritic effect of chicken embryo tissue hydrolyzate against adjuvant arthritis in rats (X-ray microtomographic and histopathological analysis). Food Science & Nutrition. 2021; 9(10): 5648–5669. https://doi.org/10.1002/fsn3.2529Петренко В.М. Морфогенез задней полой вены в эмбриогенезе домашней курицы. II. Формирование ствола. Успехи современного естествознания. 2014; (9-1): 55–58. https://elibrary.ru/sjlpsxNagdalian A.A. et al. Analysis of the content of mechanically separated poultry meat in sausage using computing microtomography. Journal of Food Composition and Analysis. 2021; 100: 103918. https://doi.org/10.1016/ j.jfca.2021.103918Zhang X., Yelbuz T.M., Cofer G.P., Choma M.A., Kirby M.L., Johnson G.A. Improved preparation of chick embryonic samples for magnetic resonance microscopy. Magnetic Resonance in Medicine. 2003; 49(6): 1192–1195. https://doi.org/10.1002/mrm.10460Ragozina M.N. The development of the domestic chicken embryo in its relation to the yolk and shells of the egg (with tables of successive stages of development). Moscow: Academy of Sciences of the USSR publ. 1961; 167 (In Russian).Kim J.S., Min J., Recknagel A.K., Riccio M., Butcher J.T. Quantitative Three-Dimensional Analysis of Embryonic Chick Morphogenesis Via Microcomputed Tomography. The Anatomical Record. 2010; 294(1): 1–10. https://doi.org/10.1002/ar.21276Petrenko V.M. Morphogenesis of posterior vena cava in embriogenesis of domestic fowl. II. Formation of the stem. Advances in current natural sciences. 2014; (9-1): 55–58 (In Russian). https://elibrary.ru/sjlpsxMartinsen B.J. Reference guide to the stages of chick heart embryology. Developmental Dynamics. 2005; 233(4): 1217–1237. https://doi.org/10.1002/dvdy.20468Zhang X., Yelbuz T.M., Cofer G.P., Choma M.A., Kirby M.L., Johnson G.A. Improved preparation of chick embryonic samples for magnetic resonance microscopy. Magnetic Resonance in Medicine. 2003; 49(6): 1192–1195. https://doi.org/10.1002/mrm.10460Ruffins S.W. et al. Digital Three-Dimensional Atlas of Quail Development Using High-Resolution MRI. The Scientific World Journal. 2007; 7: 259090. https://doi.org/10.1100/tsw.2007.125Kim J.S., Min J., Recknagel A.K., Riccio M., Butcher J.T. Quantitative Three-Dimensional Analysis of Embryonic Chick Morphogenesis Via Microcomputed Tomography. The Anatomical Record. 2010; 294(1): 1–10. https://doi.org/10.1002/ar.21276Tan G.X.Y., Jamil M., Tee N.G.Z., Zhong L., Yap C.H. 3D-reconstruction of Chick Embryo Vascular Geometries Using Non-invasive High-Frequency Ultrasound for Computational Fluid Dynamics Studies. Annals of Biomedical Engineering. 2015; 43(11): 2780–2793. https://doi.org/10.1007/s10439-015-1339-yMartinsen B.J. Reference guide to the stages of chick heart embryology. Developmental Dynamics. 2005; 233(4): 1217–1237. https://doi.org/10.1002/dvdy.20468Wang Y. et al. Aortic Arch Morphogenesis and Flow Modeling in the Chick Embryo. Annals of Biomedical Engineering. 2009; 37(6): 1069–1081. https://doi.org/10.1007/s10439-009-9682-5Ruffins S.W. et al. Digital Three-Dimensional Atlas of Quail Development Using High-Resolution MRI. The Scientific World Journal. 2007; 7: 259090. https://doi.org/10.1100/tsw.2007.125Tan G.X.Y., Jamil M., Tee N.G.Z., Zhong L., Yap C.H. 3D-reconstruction of Chick Embryo Vascular Geometries Using Non-invasive High-Frequency Ultrasound for Computational Fluid Dynamics Studies. Annals of Biomedical Engineering. 2015; 43(11): 2780–2793. https://doi.org/10.1007/s10439-015-1339-yTan G.X.Y., Jamil M., Tee N.G.Z., Zhong L., Yap C.H. 3D-reconstruction of Chick Embryo Vascular Geometries Using Non-invasive High-Frequency Ultrasound for Computational Fluid Dynamics Studies. Annals of Biomedical Engineering. 2015; 43(11): 2780–2793. https://doi.org/10.1007/s10439-015-1339-yWang Y. et al. Aortic Arch Morphogenesis and Flow Modeling in the Chick Embryo. Annals of Biomedical Engineering. 2009; 37(6): 1069–1081. https://doi.org/10.1007/s10439-009-9682-5Wang Y. et al. Aortic Arch Morphogenesis and Flow Modeling in the Chick Embryo. Annals of Biomedical Engineering. 2009; 37(6): 1069–1081. https://doi.org/10.1007/s10439-009-9682-5

The authors declare that there are no conflicts of interest present.