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.
Bruin vetweefsel (BAT) is een speciaal weefsel voor thermogenese bij zoogdieren, en een van de belangrijkste functies is om de energiebalans van het hele lichaam te handhaven door absorberen grote hoeveelheden chemisch / voedselenergie als warmte 1. Meest unieke kenmerken BAT omvatten overvloedig ontkoppelingseiwit-1 (UCP-1) expressie, overvloedige kleine oliedruppeltjes, een groot aantal mitochondria in een enkele cel, en significante vascularisatie in het weefsel 2-5. Deze unieke eigenschappen sterk associëren met het weefsel van de belangrijke rol in de stofwisseling en het energieverbruik. BAT werd eerder beschouwd als niet meer aanwezig en bezitten geen significante fysiologische functies bij volwassen mensen 1 te zijn, hebben echter de afgelopen PET / CT-imaging onderzoek duidelijk aangetoond dat BAT presenteert nog steeds in de menselijke volwassenen 2,3,6-9. Een omgekeerde correlatie tussen BAT massa en body mass index (BMI) is opgericht uit verschillende studies, en recent studies gaven aan dat fysieke oefeningen de massa van de BBT zou kunnen verhogen. Deze resultaten suggereren sterk dat de disfunctie van BBT strak geassocieerd met de pathologie van obesitas en diabetes 2,6,10,11. Daarnaast is steeds meer bewijs geeft aan dat de functie van BAT sterk gerelateerd is aan diverse andere pathologieën, zoals neurodegeneratieve ziekten en kanker 3,7,12,13.
BAT activering, een proces om de thermogenese te verhogen, kan worden bereikt onder verschillende omstandigheden, zoals blootstelling aan kou, lichaamsbeweging en medicatie en genetische manipulatie 1,14,15. Blootstelling aan kou en noradrenaline behandeling zijn de meest gebruikte methoden om de BBT te activeren. Koud, die door verschillende mechanismen worden waargenomen zoals thermoreceptors in de huid stimuleert sympathische zenuwen en leidt tot de afgifte van norepinefrine (NE) BAT. Het model NE triggers UCP-1 thermogenese initialiseren de normale lichaamstemperatuur. Onder deze conditiop, de opname van glucose verhoogt ook om meer koolstof bronnen voor de verhoogde stofwisseling te bieden in BBT 1,16,17. PET-beeldvorming met 18F-FDG heeft bevestigd dat de opname van gelabelde glucose verhoogd onder koude omstandigheden in menselijke studies 6.
In termen van optische beeldvorming, BAT is een ideaal doelwit. De interscapular BAT heeft een unieke ligging in muizen, ver weg van de grotere organen zoals de lever, het hart en de maag. Daarom signaalinterferentie met deze grote organen significant (figuur 1a). Intussen is de ondiepe ligging van interscapular BAT maakt het mogelijk meer signalen worden opgevangen door de detectie camera. Bovendien BAT is een geconcentreerde massa orgel, die het lichtsignaal in bepaalde gebieden beperkt. Daarnaast is de unieke driehoekige conditie van BAT maakt het gemakkelijk te onderscheiden van andere weefsels (Figuur 1a).
Cerenkov luminescentie imaging (CLI), een nieuw opgedoken molecular imaging technologie 18-26, maakt gebruik van de luminescentie gegenereerd op basis van de + en – verval van radionucliden zoals 18 F en 131 I in het medium. De geladen deeltjes (zoals + en -) polariseert moleculen, terwijl het reizen op de middellange 18-20, en luminescentie / licht is te horen als de gepolariseerde moleculen ontspannen terug naar evenwicht. De geëmitteerde luminescentie wordt Cerenkov Luminescentie (CL). De unieke spectrale eigenschappen van CL omvatten het brede spectrum gehele ultraviolet (UV) en zichtbare spectrum 18-20, en de inverse correlatie tussen de intensiteit en het kwadraat van de golflengte (λ 2). Zowel UV en zichtbare bereik van het uitgestraalde licht kan worden gebruikt voor verschillende toepassingen. De UV-gedeelte van Cerenkov luminescentie is toegepast voor in vivo fotoactivatie van gekooide luciferin 21, terwijl het uitgestraalde licht in de langere golflengte kan wordengebruikt voor in vivo optische beeldvorming 18,27-31.
Voor kleine dierstudies CLI beeldvorming met een optisch afbeeldingssysteem is sneller en kosteneffectiever dan PET. Bovendien kan CLI worden toegepast in het screenen van een beeldvormingssysteem met een hoge doorvoercapaciteit. De voor-en nadelen van deze technologie zijn in verschillende reviews 25,32,33 besproken. 3D tomografie van CLI is intensief bestudeerd in verschillende groepen 28,34-37, en de toepassingen van CLI voor endoscopische imaging en intra-operatieve beeldvorming werden met succes aangetoond bij muizen en 30,38. Bovendien Spinelli en Thorek et al. Hebben aangetoond dat CLI beeldvorming kunnen worden toegepast op menselijke proefpersonen, waardoor de technologie ook mogelijkheden voor klinische toepassingen 39, 40.
In de loop van de herontdekking van de BBT bij de mens, PET-beelden duidelijk aangegeven dat eenaanzienlijk bedrag van 18 F-FDG opgehoopt in BBT onder bepaalde voorwaarden 2,3,6. Daarnaast PET beeldvorming met muizen ook ongetwijfeld toonde aan dat BAT kunnen worden gemarkeerd met 18 F-FDG 41 42. In dit verslag tonen we hoe Cerenkov fluorescentie geëmitteerd door 18F-FDG kan worden gebruikt voor beeldvorming BAT in kleine dieren met behulp van een optisch afbeeldingssysteem. Onze aanpak zorgt voor een snelle, goedkope en gemakkelijke manier van BBT beeldvorming voor kleine dieren. Deze techniek kan worden gebruikt als een alternatieve methode voor PET beeldvorming met 18F-FDG, speciaal laboratorium zonder PET faciliteiten.
Onderzoek in verband met BBT is uitgevoerd gedurende meerdere decennia. Voordien was het geweest als er geen significante fysiologische relevantie tijdens de menselijke volwassenheid 1 hebben. Echter, de recente grootschalige klinische PET-beeldvorming met 18 F-FDG en andere onderzoeken hebben bevestigd BAT is nog steeds aanwezig in de bovenste borst, nek en andere locaties bij volwassenen 2,3. Recente studies hebben sterk gesuggereerd dat BAT speelt een belangrijke rol in obesitas en diabetes 2,6. Ander onderzoek geeft ook aan dat BAT speelt een belangrijke rol bij het verouderingsproces 12 en dat zijn activiteit kan worden verbeterd door oefening 10,44.
Zowel in klinische studies bij de mens en preklinische onderzoek, PET-beeldvorming met 18 F-FDG is de meest gebruikte methode om de BBT-studie. Voor preklinische dierproeven, PET het algemeen veel duurder dan optische beeldvorming. In dit protocol, dat tonen we CLIk met 18 F-FDG kan worden toegepast voor het optisch beeldvormende technieken in kleine dieren. Net als andere optische beeldvormende technieken, weefsel doordringende beperking en een lage gevoeligheid voor diepe doelen zijn de intrinsieke beperkingen van CLI 25,32. Toch kort Spinelli et al. Aangetoond dat waardig CLI signaal kon worden waargenomen bij 10 mm weefsel diepte 32 P 28,43 en Thorek e.a.. bleek dat 16 mm penetratie in lymfeknopen van patiënten kan worden bereikt na 18F-FDG injectie 39, 40. Vergeleken met PET imaging, CLI kan worden uitgevoerd met een relatief goedkope beeldvormingssysteem. Recent Thorek e.a.. Aangetoond dat aanzienlijk hoge gevoeligheid kan worden bereikt met CLI zo laag hoeveelheden 18F-FDG gekregen (ongeveer 2CI) in de schakelelementen van patiënten 39, 40. In vitro testen gaven aan dat CLI signaal van 0,01 Ci 90Y was detecteerbaar in oplossing 25,32,33 </sinschrijven>. Bovendien CLI heeft ook het potentieel voor hoge ruimtelijke resolutie en het vermogen voor hoge doorvoer screening. Daarnaast CLI is eenvoudig te leren en te gebruiken.
Tijdens experimenten vonden we dat CLI contrast van BAT met 18F-FDG is sterk gerelateerd aan de injectiemethoden. Intraveneuze injectie van 18 F-FDG kan uitstekend contrast voor interscapular BAT bieden, terwijl intraperitoneale injectie met dezelfde hoeveelheid van 18 F-FDG toonde slechts een zwak contrast in de BBT-gebied.
Spectral ontmenging, een praktische techniek om twee gescheiden signalen, is op grote schaal gebruikt in fluorescentie beeldvorming. Het is bekend dat de opname van 18F-FDG wordt niet sterk doelwitspecifieke en verschillende doelen / weefsels verschillende lichtvermindering eigenschappen. We vonden het hoogtepunt van de CLI spectrum van BBT is ongeveer 640 nm, en deze gegevens terug te vinden de feitelijke context van de BBT. De 3D-reconstructie van dit protocol is zeer bruikbaar, omdat het kan worden uitgevoerd met een in de handel verkrijgbare optische beeldvorming op basis van de lichtverstrooiende eigenschappen van verschillende golflengten. Met deze aanpak kunnen we het gebruik van een gespecialiseerde imaging systeem dat meerdere kijkhoek beelden voor 3D-reconstructie vereist vermijden.
Voor zowel spectrale ontmenging en 3D reconstructie wordt een grotere minimum van 600 foton tellingen van elk beeld in BBT vereist. Hiertoe grote binning (bin = 16), kleine f einde (f = 1) en een lange acquisitietijd (5 min) nodig voor elk beeld.
Samengevat, het benutten van de unieke ligging en de vorm van de BBT en de aanzienlijk hoge opname van 18 F-FDG in BAT, we laten zien hoe de BBT in kleine dieren optisch kan worden afgebeeld met 18 F-FDG via de CLI-techniek. Deze methode betrouwbaar kan worden gebruikt voor beeldvorming BAT en voor het toezicht op BAT activering. Daarnaast hebben we ook laten zien dat de spectrale ontmenging en 3D reconstruction zijn haalbaar en 3D volume kwantificering is mogelijk voor toekomstige studies.
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 |