Visualisering og kvantifisering av brunt og beige fettvev hos mus ved bruk av [18F]FDG Micro-PET/MR Imaging
Summary
Funksjonell avbildning og kvantgering av termogene fettdepoter hos mus ved hjelp av en mikro-PET/MR-avbildningsbasert tilnærming.
Abstract
Brune og beige adipocytter er nå anerkjent som potensielle terapeutiske mål for fedme og metabolske syndromer. Ikke-invasive molekylære avbildningsmetoder er avgjørende for å gi kritisk innsikt i disse termogene fettdepotene. Her presenterer protokollen en PET / MR-bildebasert metode for å evaluere aktiviteten til brune og beige adipocytter i mus interscapular brun fettvev (iBAT) og inguinal subkutan hvitt fettvev (iWAT). Visualisering og kvantifisering av de termogene fettdepotene ble oppnådd ved hjelp av [18F]FDG, den ikke-metaboliserbare glukoseanalogen, som radiotracer, kombinert med den nøyaktige anatomiske informasjonen fra MR-avbildning. PET/MR-avbildningen ble utført 7 dager etter at kald akklimatisering og kvantifisering av [18F]FDG-signal i forskjellige fettdepoter ble utført for å vurdere den relative mobiliseringen av termogen fettvev. Fjerning av iBAT økte betydelig kaldoppkalt [18F]FDG-opptak i iWAT av musene.
Introduction
Som svar på endrede ernæringsmessige behov fungerer fettvev som en energibuffer for å vedta enten lipidlagring eller mobiliseringsmodus for å møte kroppens behov1. Videre spiller fettvev også en nøkkelfunksjon i termoregulering, via en prosess som kalles ikke-skjelvende termogenese, også kalt fakultetstermogenese. Dette oppnås vanligvis av det brune fettvevet (BAT), som uttrykker rikelig nivå av mitokondrier membranprotein uncoupling protein 1 (UCP1). Som protonbærer genererer UCP1 varme ved å frakople protontransporten og ATP-produksjonen2. Ved kald stimulering settes termogenese i BAT i bevegelse ved aktivering av det sympatiske nervesystemet (SNS), etterfulgt av frigjøring av noradrenalin (NE). NE binder seg til β3 adrenerge reseptorer og fører til forhøyelse av intracellulær syklisk AMP (cAMP). Som en konsekvens av dette stimulerer cAMP/PKA-avhengig engasjement av CREB (cAMP responselementbindende protein) Ucp1-transkripsjon via direkte binding på CREB-responselementer (CRE)2. I tillegg til BAT finnes brunlignende adipocytter også i hvitt fettvev og kalles derfor beige eller brite (brun-i-hvitt) celler1,3. Som svar på spesifikke stimuli (som kulde), blir disse ellers quiescent beige cellene ombygd for å vise flere brunlignende funksjoner, inkludert multilokulære lipiddråper, tettpakkede mitokondrier og forsterket UCP1-uttrykk3,4,5.
Dyrestudier har vist at brune og beige adipocytter har flere metabolske fordeler utover den fettreduserende effekten, inkludert insulin-sensibilisering, lipidsenkende, anti-betennelse og anti-aterosklerose6,7. Hos mennesker er mengden beige/brunt fett omvendt korrelert med alder, insulinresistensindeks og kardiometabolske lidelser8. Videre gir aktivering av beige/brune adipocytter hos mennesker enten kald akklimatisering eller β3 adrenerge reseptoragonist beskyttelse mot en rekke metabolske forstyrrelser4,9,10. Disse bevisene indikerer samlet at induksjon av brunt og beige fettvev er en potensiell terapeutisk strategi for håndtering av fedme og dens relaterte medisinske komplikasjoner8.
Interessant, selv om de deler lignende funksjon, er beige og klassiske brune adipocytter avledet fra forskjellige forløpere og aktivert av overlappende, men distinkte mekanismer1. Derfor er in vivo-avbildning og kvantifisering av brune og beige adipocytter avgjørende for å oppnå en bedre forståelse av molekylær kontroll av disse fettvevene. For tiden 18F-fluorodeoksyglucose ([18F]FDG) positron utslipp tomografi (PET) skanning kombinert med beregnet tomografi (CT) forblir gullstandarden for karakterisering av termogene brune og beige celler i kliniske studier8. Magnetisk resonansavbildning (MR) bruker kraftige magnetiske felt og radiofrekvenspulser for å produsere detaljerte anatomiske strukturer. Sammenlignet med CT-skanning genererer MR bilder av organer og bløtvev med høyere oppløsning. Gitt her er en protokoll for visualisering og kvantifisering av funksjonell brun og beige adiposes i musemodeller etter akklimatisering til kald eksponering, en vanlig og mest pålitelig måte å indusere fettbruning. Denne metoden kan brukes til å karakterisere de termogene fettdepotene i små dyremodeller med høy presisjon.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien ble det beskrevet et PET/MR-basert bildebehandlings- og kvantifisering av funksjonelt brunt og beige fettvev hos små dyr. Denne metoden bruker den ikke-metabolizable glukoseanalogen [18F]FDG som bildebiomarkør for å identifisere fettvevet med høy glukosebehov på en ikke-invasiv måte. MR tilbyr god bløtvevskontrast og kan bedre skille fettvev fra nærliggende bløtvev og muskler. Når det kombineres med PET, muliggjør dette avbildning og kvantifisering av aktiverte adipocytter som følge…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker støtten fra National Natural Science Foundation of China (NSFC) – Excellent Young Scientists Fund (Hong Kong og Macau) (81922079), Hong Kong Research Grants Council General Research Fund (GRF 17121520 and 17123419) og Hong Kong Research Grants Council Collaborative Research Fund (CRF C7018-14E) for små dyreavbildningsforsøk.
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).
