In this video report, we show the application of Cerenkov Luminescence Imaging (CLI) for interscapular brown adipose tissue in mice under activated and depressed conditions.
Brown adipose tissue (BAT), widely known as a “good fat” plays pivotal roles for thermogenesis in mammals. This special tissue is closely related to metabolism and energy expenditure, and its dysfunction is one important contributor for obesity and diabetes. Contrary to previous belief, recent PET/CT imaging studies indicated the BAT depots are still present in human adults. PET imaging clearly shows that BAT has considerably high uptake of 18F-FDG under certain conditions. In this video report, we demonstrate that Cerenkov luminescence imaging (CLI) with 18F-FDG can be used to optically image BAT in small animals. BAT activation is observed after intraperitoneal injection of norepinephrine (NE) and cold treatment, and depression of BAT is induced by long anesthesia. Using multiple-filter Cerenkov luminescence imaging, spectral unmixing and 3D imaging reconstruction are demonstrated. Our results suggest that CLI with 18F-FDG is a practical technique for imaging BAT in small animals, and this technique can be used as a cheap, fast, and alternative imaging tool for BAT research.
Brun fettvävnad (BAT) är en speciell vävnad för termogenes hos däggdjur, och en av dess viktigaste funktioner är att upprätthålla energibalansen i hela kroppen genom att avleda stora mängder kemisk / livsmedel energi som värme 1. BAT: s mest unika egenskaper är riklig koppling protein-1 (UCP-1) uttryck, rikligt små oljedroppar, ett stort antal mitokondrier i en enda cell, och betydande vaskularisering i vävnaden 2-5. Dessa unika egenskaper förknippar starkt med vävnaden viktiga roll i ämnesomsättningen och energiutgifter. BAT har tidigare ansetts vara inte längre föreligger som har några betydande fysiologiska funktioner hos vuxna människor en, har dock nyligen PET / CT undersökningar visade tydligt att BAT fortfarande presenterar i vuxna människor 2,3,6-9. En omvänd korrelation mellan BAT massa och kroppsmasseindex (BMI) inrättades från flera studier, och återcent studier indikerade att fysiska övningar kan öka massan av BAT. Dessa resultat tyder starkt på att dysfunktion av BAT är tätt förknippad med sjukdomar i fetma och diabetes 2,6,10,11. Dessutom montera bevis tyder på att funktionen av BAT är starkt kopplad till flera andra sjukdomar såsom neurodegenerativa sjukdomar och cancer 3,7,12,13.
BAT aktivering, en process för att öka thermogenesis, kan uppnås under olika förhållanden såsom kyla exponering, motion och behandling och genmanipulation 1,14,15. Kall exponering och noradrenalin behandling är de mest använda metoderna för att aktivera BAT. Kalla, som kan avkännas av olika mekanismer som thermoreceptors i huden, stimulerar sympatiska nerver och leder till frisättning av noradrenalin (NE) till BAT. Det frisatta NO utlöser UCP-1 för att initiera termogenes för att upprätthålla normal kroppstemperatur. Enligt detta conditiden ökar upptaget av glukos också att ge fler kolkällor för ökad metabolism i BAT 1,16,17. PET avbildning med 18F-FDG har bekräftat att upptaget av märkt glukos ökade under kalla förhållanden i humanstudier 6.
När det gäller optisk avbildning, är BAT ett perfekt mål. Den interscapular BAT har ett unikt läge i möss, på säkert avstånd från större organ såsom lever, hjärta och mage. Därför är störningar från dessa stora organ obetydlig (Figur 1a). Under tiden den grunda placering interscapular BAT ger fler signaler att fångas upp av detekteringskameran. Dessutom är BAT en koncentrerad massa organ, som begränsar ljussignalen i vissa områden. Dessutom den unika triangel fysisk form av BAT gör det lätt att skilja från andra vävnader (Figur 1a).
Cerenkov luminiscens imaging (CLI), ett nyligen framkommit molecular bildteknik 18-26, utnyttjar luminiscens genereras från + och – sönderfallet av radionuklider såsom 18 F och 131 jag i mediet. Den laddade partiklar (som + och -) polariserar molekyler medan den färdas på medellång 18-20, och luminiscens / ljus betyder de polariserade molekyler koppla tillbaka till jämvikt. Den emitterade luminiscens heter Cerenkov Luminescence (CL). De unika spektrala egenskaperna för CL innefattar dess breda spektrum över hela det ultravioletta (UV) och synliga spektrat 18-20, och dess invers korrelation mellan intensiteten och kvadraten på våglängden (λ 2). Både UV och synliga områden av det emitterade ljuset kan användas för olika tillämpningar. UV delen av Cerenkov luminiscens har begärts in vivo foto av bur luciferin 21, medan det utsända ljuset på längre våglängd kan varaanvänds för in vivo optisk avbildning 18,27-31.
För små djurstudier, är CLI avbildning med ett optiskt bildsystem snabbare och mer kostnadseffektivt än PET. Dessutom kan CLI sökas högkapacitetsscreening med ett avbildningssystem utrustade med hög genomströmningskapacitet. Fördelarna och nackdelarna med denna teknik har diskuterats i flera recensioner 25,32,33. 3D tomografi av CLI har intensivt studerats i flera grupper 28,34-37, samt tillämpningar av CLI för endoskopisk imaging och intraoperativ avbildning har framgångsrikt visat på möss samt 30,38. Dessutom har Spinelli och Thorek et al. Visat att CLI avbildning skulle kunna tillämpas på mänskliga försökspersoner, vilket tekniken har även potential för kliniska tillämpningar 39, 40.
Under återupptäckten av BAT hos människor, PET-bilderna visade tydligt att enbetydande mängd av 18 F-FDG ackumulerades i BAT under vissa förutsättningar 2,3,6. Dessutom PET avbildning med möss också otvivelaktigt visade att BAT kan markeras med 18 F-FDG 41 42. I den här rapporten visar vi hur Cerenkov luminiscens avges från 18 F-FDG kan utnyttjas för avbildning BAT i små djur med hjälp av ett optiskt avbildningssystem. Vår metod ger en snabb, billig och bekväm metod för BAT avbildning för smådjur. Denna teknik kan användas som en alternativ metod för PET avbildning med 18 F-FDG, särskilt för laboratorier utan PET anläggningar.
Forskning om BAT har genomförts i flera decennier. Tidigare hade det ansetts ha någon signifikant fysiologisk betydelse under människans vuxenlivet 1. Emellertid har nyligen storskalig klinisk PET avbildning med 18 F-FDG och andra undersökningar bekräftade BAT är fortfarande närvarande i den övre bröstkorgen, halsen och andra platser i vuxna 2,3. Nya studier har starkt antydde att BAT spelar en viktig roll för fetma och diabetes 2,6. Annan forskning visar också att BAT spelar viktiga roller under processen för åldrande 12 och att dess verksamhet skulle kunna förbättras genom motion 10,44.
Både i kliniska humanstudier och preklinisk forskning, är PET avbildning med 18 F-FDG den mest använda metoden för att studera BAT. Men för prekliniska studier på djur, är PET i allmänhet mycket dyrare än optisk avbildning. I detta protokoll visar vi att CLI med 18 F-FDG kan sökas optiskt bild BAT i små djur. Liksom andra optiska avbildningstekniker, vävnadspenetrerande begränsning och låg känslighet för djupa målen är de inneboende begränsningarna i CLI 25,32. Trots nyligen Spinelli et al. Visade att anständiga CLI signal kunde observeras med 10 mm vävnadsdjup med 32p 28,43 och Thorek et al. visade att 16 mm penetration skulle kunna uppnås i lymfkörtlar av patienter efter 18 F-FDG injektion 39, 40. Jämfört med PET imaging, kan CLI utföras med en relativt låg kostnad bildsystem. Nyligen Thorek et al. Visade att signifikant hög känslighet kan uppnås med CLI så låga mängder av 18 F-FDG ackumulerade (om 2CI) i noderna i patienter 39, 40. In vitro tester indikerade att CLI-signal från 0,01 Ci 90Y var detekterbar i lösning 25,32,33 </sup>. Dessutom har CLI också potential för hög rumslig upplösning och förmåga till hög throughput screening. Dessutom är CLI lätt att lära sig och använda.
Under experiment, fann vi att CLI kontrast av BAT med 18 F-FDG är starkt relaterad till injektionsmetoder. Intravenös injektion av 18 F-FDG kan ge utmärkt kontrast för interscapular BAT, medan intraperitoneal injektion med samma mängd 18 F-FDG bara visade en svag kontrast i BAT området.
Spectral unmixing, en mycket praktisk teknik för att separera två uppsättningar av signaler, har i stor utsträckning använts i fluorescens avbildning. Det är väl känt att upptaget av 18 F-FDG inte är starkt inriktade specifika, och olika mål / vävnader har olika ljusdämpningsegenskaper. Vi hittade toppen av CLI spektrum av BAT är ca 640 nm, och dessa data återspeglade den verkliga sammanhang av BAT. 3D-rekonstruktion av denna protocol är mycket manövrerbar, eftersom den kan utföras med en kommersiellt tillgänglig optisk imaging system baserat på ljus diffusiva egenskaperna hos olika våglängder. Med denna metod kan vi undvika att använda ett specialiserat bildsystem som kräver flera vinkel visa bilder för 3D-rekonstruktion.
För både spektral unmixing och 3D-rekonstruktion, krävs en större minst 600 foton räknas från varje bild i BAT. För detta ändamål är stora binning (bin = 16), liten f stopp (f = 1) och en lång förvärvs tid (5 min) behövs för varje bild.
Sammanfattningsvis utnyttja det unika läget och formen av BAT och den betydligt högt upptag av 18 F-FDG i BAT, visar vi hur BAT i små djur kan optiskt avbildas med 18 F-FDG via CLI-tekniken. Denna metod tillförlitligt kan användas för avbildning BAT och för övervakning BAT aktivering. Dessutom visar vi också att spektral unmixing och 3D reconstruction är praktiskt möjligt och 3D-volym kvantifiering är möjligt för framtida studier.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Perkin Elmer Company for supporting this publication. We also thank Alana Ross, B.S. for proofreading this manuscript.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Optical Imaging system | Perkin Elmer | IVIS Spectrum is an optical imaging system that is equiped with very sensitive camera for Cerenkov Luminescence. Some instrumental information is listed below: CCD Sensor: Back thinned, back illuminated CCD Size: 2.7cm x 2.7cm Pixels: 2048 x 2048 Quantum Efficiency: 85% Min detectable photons: 70 photons/s/sr/cm < sup > 2 < /sup > Dark Current: < 100 electrons/s/cm < sup > 2 < /sup > Lens: f 0.95 50mm CCD Cooling: Cooled to-90 degree. |
|
18F-FDG | IBA Molecular | ||
norepinephrine | Sigma | N5785-250MG | |
Ketamine/Xylazine | Sigma | K113-10ML |