Visualisatie en kwantificering van bruine en beige vetweefsels bij muizen met behulp van [18F] FDG Micro-PET / MR Imaging
Summary
Functionele beeldvorming en kwantificering van thermogene vetdepots bij muizen met behulp van een micro-PET / MR-beeldvormingsgebaseerde benadering.
Abstract
Bruine en beige adipocyten worden nu erkend als potentiële therapeutische doelen voor obesitas en metabool syndroom. Niet-invasieve moleculaire beeldvormingsmethoden zijn essentieel om kritische inzichten te verschaffen in deze thermogene vetdepots. Hier presenteert het protocol een op PET /MR-beeldvorming gebaseerde methode om de activiteit van bruine en beige adipocyten in interscapulair bruin vetweefsel (iBAT) en inguinaal onderhuids wit vetweefsel (iWAT) van muizen te evalueren. Visualisatie en kwantificering van de thermogene vetdepots werden bereikt met behulp van [18F] FDG, het niet-metaboliseerbare glucose-analoog, als de radiotracer, in combinatie met de precieze anatomische informatie die wordt geleverd door MR-beeldvorming. De PET/MR-beeldvorming werd uitgevoerd 7 dagen nadat koude acclimatisatie en kwantificering van [18F]FDG-signaal in verschillende vetdepots werd uitgevoerd om de relatieve mobilisatie van thermogene vetweefsels te beoordelen. Verwijdering van iBAT verhoogde aanzienlijk de koude-opgeroepen [18F] FDG-opname in iWAT van de muizen.
Introduction
Als reactie op veranderende voedingsbehoeften dient vetweefsel als een energiecache om lipidenopslag of mobilisatiemodus aan te nemen om aan de behoeften van het lichaam te voldoen1. Bovendien speelt vetweefsel ook een belangrijke rol in de thermoregulatie, via een proces dat niet-rillende thermogenese wordt genoemd, ook wel facultatieve thermogenese genoemd. Dit wordt meestal bereikt door het bruine vetweefsel (BAT), dat een overvloedig niveau van mitochondriaal membraaneiwit ontkoppelend eiwit 1 (UCP1) tot expressie brengt. Als protondrager genereert UCP1 warmte door het protontransport en de ATP-productie los te koppelen2. Bij koude stimulatie wordt thermogenese in BAT in gang gezet door activering van het sympathische zenuwstelsel (SNS), gevolgd door afgifte van noradrenaline (NE). NE bindt aan de β3 adrenerge receptoren en leidt tot verhoging van intracellulair cyclisch AMP (cAMP). Als gevolg hiervan stimuleert cAMP/PKA-afhankelijke betrokkenheid van CREB (cAMP response element-binding protein) Ucp1 transcriptie via directe binding op CREB-response elementen (CRE)2. Naast BAT worden bruinachtige adipocyten ook aangetroffen in wit vetweefsel en worden daarom beige of brite (bruin-in-wit) cellen genoemd1,3. Als reactie op specifieke stimuli (zoals kou) worden deze anders rustige beige cellen geremodelleerd om meerdere bruinachtige kenmerken te vertonen, waaronder multiloculaire lipidedruppels, dicht opeengepakte mitochondriën en verhoogde UCP1-expressie3,4,5.
Dierstudies hebben aangetoond dat bruine en beige adipocyten meerdere metabole voordelen hebben die verder gaan dan het vetverlagende effect, waaronder insulinesensibilisatie, lipidenverlagende, anti-ontsteking en anti-atherosclerose6,7. Bij mensen is de hoeveelheid beige/bruin vet omgekeerd gecorreleerd met leeftijd, insulineresistentie-index en cardiometabole aandoeningen8. Bovendien biedt activering van beige/bruine adipocyten bij de mens door koude acclimatisatie of β3 adrenerge receptoragonist bescherming tegen een reeks metabole stoornissen4,9,10. Deze bewijzen geven gezamenlijk aan dat inductie van bruin en beige vetweefsel een potentiële therapeutische strategie is voor het beheer van obesitas en de bijbehorende medische complicaties8.
Interessant is dat, hoewel ze een vergelijkbare functie delen, beige en klassieke bruine adipocyten zijn afgeleid van verschillende voorlopers en worden geactiveerd door overlappende maar verschillende mechanismen1. Daarom zijn in vivo beeldvorming en kwantificering van bruine en beige adipocyten essentieel om een beter begrip te krijgen van de moleculaire controle van deze vetweefsels. Momenteel blijft 18F-fluorodeoxyglucose ([18F]FDG) positronemissietomografie (PET) scan in combinatie met computertomografie (CT) de gouden standaard voor de karakterisering van thermogene bruine en beige cellen in klinische studies8. Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) maakt gebruik van krachtige magnetische velden en radiofrequentiepulsen om gedetailleerde anatomische structuren te produceren. In vergelijking met CT-scan genereert MRI beelden van organen en zachte weefsels met een hogere resolutie. Hier wordt een protocol verstrekt voor visualisatie en kwantificering van functionele bruine en beige adiposes in muismodellen na acclimatisatie aan blootstelling aan koude, een veel voorkomende en meest betrouwbare manier om vetbruining te induceren. Deze methode kan worden toegepast om de thermogene vetdepots in kleine diermodellen met hoge precisie te karakteriseren.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie werd een op PET/MR gebaseerde beeldvorming en kwantificering van functioneel bruin en beige vetweefsel bij kleine dieren beschreven. Deze methode maakt gebruik van het niet-metaboliseerbare glucose-analoog [18F] FDG als een beeldvormende biomarker om de vetweefsels met een hoge glucosevraag op een niet-invasieve manier te identificeren. MR biedt een goed contrast tussen zacht weefsel en kan vetweefsels beter onderscheiden van de naburige zachte weefsels en spieren. In combinatie met PET maakt di…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken de steun van de National Natural Science Foundation of China (NSFC) – Excellent Young Scientists Fund (Hong Kong en Macau) (81922079), Hong Kong Research Grants Council General Research Fund (GRF 17121520 en 17123419) en Hong Kong Research Grants Council Collaborative Research Fund (CRF C7018-14E) voor beeldvormingsexperimenten met kleine dieren.
Materials
| 0.9% sterile saline | BBraun | 0.9% sodium chloride intravenous infusion, 500 mL | |
| 5 mL syringe | Terumo | SS05L | 5 mL syringe Luer Lock |
| Dose Calibrator | Biodex | Atomlab 500 | |
| Eye lubricant | Alcon Duratears | Sterile ocular lubricant ointment, 3.5 g | |
| Insulin syringe | Terumo | 10ME2913 | 1 mL insulin syringe with needle |
| InterView Fusion software | Mediso | Version 3.03 | Post-processing and image analysis software |
| Isoflurane | Chanelle Pharma | Iso-Vet, inhalation anesthetic, 250 mL | |
| Ketamine | Alfasan International B.V. | HK-37715 | Ketamine 10% injection solution, 10 mL |
| Medical oxygen | Linde HKO | 101-HR | compressed gas, 99.5% purity |
| Metacam | Boehringer Ingelheim | 5 mg/mL Meloxicam solution for injection for dogs and cats, 10 mL | |
| nanoScan PET/MR Scanner | Mediso | 3 Tesla MR | |
| Nucline nanoScan software | Mediso | Version 3.0 | Scanner operating software |
| Wound clips | Reflex 7 | 203-100 | 7mm Stainless steel wound clips, 20 clips |
| Xylazine | Alfasan International B.V. | HK-56179 | Xylazine 2% injection solution, 30 mL |
References
- Rosen, E. D., Spiegelman, B. M. What we talk about when we talk about fat. Cell. 156 (1-2), 20-44 (2014).
- Cannon, B., Brown Nedergaard, J. adipose tissue: function and physiological significance. Physiological Review. 84 (1), 277-359 (2004).
- Jal Wu, ., et al. Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cell in mouse and. 150 (2), 366-376 (2012).
- Cypess, A. M., et al. Activation of human brown adipose tissue by a beta3-adrenergic receptor agonist. Cell Metabolism. 21 (1), 33-38 (2015).
- Ishibashi, J., Seale, P. Beige can be slimming. Science. 328 (5982), 1113-1114 (2010).
- Jal Schulz, T., et al. Brown-fat paucity due to impaired BMP signalling induces compensatory browning of white fat. Nature. 495 (7441), 379-383 (2013).
- Pal Cohen, ., et al. Ablation of PRDM16 and beige adipose causes metabolic dysfunction and a subcutaneous to visceral fat switch. Cell. 156 (1-2), 304-316 (2014).
- Mal Cypess, A., et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1509-1517 (2009).
- Aal vander Lans, A., et al. Cold acclimation recruits human brown fat and increases nonshivering thermogenesis. Journal of Clinical Investigation. 123 (8), 3395-3403 (2013).
- Jal Hanssen, M., et al. Short-term cold acclimation improves insulin sensitivity in patients with type 2 diabetes mellitus. Nature Medicine. 21 (8), 863-865 (2015).
- Wang, X., Minze, L. J., Shi, Z. Z. Functional imaging of brown fat in mice with 18F-FDG micro-PET/CT. Journal of Visualized Experiments: JoVE. 69, (2012).
- Greenwood, H. E., Nyitrai, Z., Mocsai, G., Hobor, S., Witney, T. H. High-throughput PET/CT imaging using a multiple-mouse imaging system. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 61 (2), 292-297 (2020).
- Carter, L. M., Henry, K. E., Platzman, A., Lewis, J. S. 3D-printable platform for high-throughput small-animal imaging. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 61 (11), 1691-1692 (2020).
- Jal Andersson, ., et al. Estimating the cold-induced brown adipose tissue glucose uptake rate measured by (18)F-FDG PET using infrared thermography and water-fat separated MRI. Scientific Reports. 9 (18), 12358 (2019).
- Eal Lundstrom, ., et al. Brown adipose tissue estimated with the magnetic resonance imaging fat fraction is associated with glucose metabolism in adolescents. Pediatric Obesity. 14 (9), (2019).
- Eal Lundstrom, ., et al. Magnetic resonance imaging cooling-reheating protocol indicates decreased fat fraction via lipid consumption in suspected brown adipose tissue. PLoS One. 10 (4), 0126705 (2015).
- Nakamura, Y., Yanagawa, Y., Morrison, S. F., Nakamura, K. Medullary reticular neurons mediate neuropeptide Y-induced metabolic inhibition and mastication. Cell Metabolism. 25 (2), 322-334 (2017).
- Jal Fueger, B., et al. Impact of animal handling on the results of 18F-FDG PET studies in mice. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 47 (6), 999-1006 (2006).
- Vines, D. C., Green, D. E., Kudo, G., Keller, H. Evaluation of mouse tail-vein injections both qualitatively and quantitatively on small-animal PET tail scans. Journal of Nuclear Medicine Technology. 39 (4), 264-270 (2011).
