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.
Tissu adipeux brun (BAT) est un tissu spécial pour la thermogenèse chez les mammifères, et l'une de ses principales fonctions est de maintenir l'équilibre énergétique de l'ensemble du corps grâce dissiper de grandes quantités de produits chimiques / énergie alimentaire sous forme de chaleur 1. Caractéristiques les plus uniques de MTD comprennent découplage protein-1 (UCP-1) expression abondante, abondantes petites gouttelettes d'huile, un grand nombre de mitochondries dans une seule cellule, et la vascularisation importante dans le tissu 2-5. Ces caractéristiques uniques associent fortement avec le rôle important du tissu dans le métabolisme et la dépense énergétique. BAT a déjà été considéré comme n'étant plus présent et possédant pas de fonctions physiologiques importantes chez les humains adultes 1, mais des recherches récentes d'imagerie PET / CT ont clairement démontré que les MTD présente encore chez l'homme adulte 2,3,6-9. Une corrélation inverse entre la masse de BAT et de l'indice de masse corporelle (IMC) a été établie à partir de plusieurs études, et reétudes de cent ont indiqué que les exercices physiques peuvent augmenter la masse des MTD. Ces résultats suggèrent fortement que le dysfonctionnement des MTD est étroitement associée aux pathologies de l'obésité et le diabète 2,6,10,11. En outre, la preuve de montage indique que la fonction de BAT est fortement liée à d'autres pathologies telles que les maladies neurodégénératives et le cancer 3,7,12,13.
activation de BAT, un processus visant à augmenter la thermogenèse, peut être réalisé dans des conditions diverses telles que l'exposition au froid, l'exercice, et traitement de la toxicomanie et la manipulation génétique 1,14,15. L'exposition au froid et au traitement de la noradrénaline sont les méthodes les plus utilisées pour activer BAT. Froid, qui peut être détecté par divers mécanismes tels que thermorécepteurs de la peau, stimule les nerfs sympathiques et conduit à la libération de la noradrénaline (NA) à BAT. Le NE libéré déclenche UCP-1 pour initialiser la thermogenèse pour maintenir la température normale du corps. En vertu de cette conditisur, l'absorption du glucose augmente également de fournir davantage de sources de carbone pour l'augmentation du métabolisme dans BAT 1,16,17. L'imagerie TEP avec 18F-FDG a confirmé que l'absorption de glucose marqué augmenté à froid dans les études humaines 6.
En termes de l'imagerie optique, BAT est une cible idéale. Le interscapulaire BAT a un emplacement unique chez la souris, située à l'écart des grandes organes tels que le foie, le cœur et l'estomac. Par conséquent, les interférences de signaux de ces grands organes est négligeable (figure 1a). Pendant ce temps, l'emplacement superficiel de BAT interscapulaire permet à plusieurs signaux captés par la caméra de détection. En outre, BAT est un organe masse concentrée, qui confine le signal lumineux dans certains domaines. En outre, la forme physique unique triangulaire des MTD, il est facile à distinguer des autres tissus (Figure 1a).
Imagerie Cerenkov de luminescence (CLI), une mole nouvellement émergéLa technologie d'imagerie ecular 18-26, exploite la luminescence générée par le + et – décroissance des radionucléides tels que 18 F et 131 I dans le milieu. La particule chargée (comme + et -) polarise les molécules alors qu'il se déplace dans le milieu 18-20, et la luminescence / lumière est émise lorsque les molécules polarisées se détendre de retour à l'équilibre. La luminescence émise est appelée Cerenkov Luminescence (CL). Les propriétés spectrales uniques de CL comprend tout au long de son large spectre de la lumière ultraviolette (UV) du spectre visible et de 18 à 20, et à une corrélation inverse entre l'intensité et le carré de la longueur d'onde (λ 2). Les deux UV et visibles plages de la lumière émise peuvent être utilisés pour différentes applications. La partie UV de Cerenkov luminescence a été appliquée pour la photoactivation in vivo de la luciférine en cage 21, tandis que la lumière émise dans la longueur d'onde peut êtreutilisé pour l'imagerie in vivo optique 18,27-31.
Pour les petites études sur les animaux, l'imagerie CLI avec un système d'imagerie optique est plus rapide et plus rentable que le PET. En outre, CLI peut être appliquée pour le criblage à haut débit d'un système de formation d'image équipé d'une capacité de débit élevée. Les avantages et les inconvénients de cette technologie ont été l'objet de plusieurs avis 25,32,33. Tomographie 3D de CLI a été intensément étudié dans plusieurs groupes 28,34-37, et les applications de la CLI pour l'imagerie endoscopique et l'imagerie peropératoire a été démontrée avec succès chez la souris et 30,38. En outre, Spinelli et Thorek et al. Ont démontré que l'imagerie CLI pourrait être appliquée à des sujets humains, donc la technologie a également un potentiel pour des applications cliniques 39, 40.
Au cours de redécouverte des MTD dans l'homme, images TEP ont clairement indiqué qu'unequantité importante de 18 F-FDG s'accumule dans MTD dans certaines conditions 2,3,6. En outre, l'imagerie TEP avec des souris sans doute aussi montré que les MTD pourrait être mis en évidence avec 18 F-FDG 41 42. Dans ce rapport, nous montrons comment Cerenkov luminescence émise à partir du 18 F-FDG peut être utilisé pour l'imagerie BAT chez les petits animaux à l'aide d'un système d'imagerie optique. Notre approche fournit une méthode rapide, pas cher et pratique de l'imagerie de BAT pour les petits animaux. Cette technique peut être utilisée comme une méthode alternative pour l'imagerie PET avec 18 F-FDG, en particulier pour les laboratoires sans installations PET.
Recherche liée aux MTD a été menée pendant plusieurs décennies. Auparavant, il avait été jugé ne pas avoir de pertinence physiologique significative au cours de l'âge adulte humaine 1. BAT Cependant, la récente imagerie TEP clinique à grande échelle avec 18 F-FDG et d'autres enquêtes ont confirmé est toujours présent dans le haut de la poitrine, le cou et d'autres endroits dans les adultes 2,3. Des études récentes ont fortement suggéré que BAT joue un rôle important dans l'obésité et le diabète 2,6. D'autres recherches indiquent également que BAT joue un rôle important au cours du processus de vieillissement 12 et que son activité pourrait être améliorée par l'exercice 10,44.
Dans des études cliniques chez l'humain et la recherche préclinique, l'imagerie TEP avec 18F-FDG est la méthode la plus utilisée pour étudier BAT. Toutefois, pour les études sur les animaux précliniques, le PET est généralement beaucoup plus cher que l'imagerie optique. Dans ce protocole, nous démontrons que CLI avec 18 F-FDG peut être appliquée pour optiquement BAT d'imagerie du petit animal. Comme d'autres techniques d'imagerie optique, la limitation de la pénétration de tissu et une faible sensibilité pour cibles profondes sont les limites intrinsèques de CLI 25,32. Néanmoins, récemment, Spinelli et al. Ont démontré que signal CLI décent pourrait être observé avec la profondeur de tissu de 10 mm avec 32 P 28,43, et Thorek et al. a montré que la pénétration de 16 mm peut être obtenu dans les ganglions lymphatiques de patients atteints après injection de 18 F-FDG 39, 40. Par rapport à l'imagerie par TEP, CLI peut être réalisée avec un système d'imagerie à un coût relativement bas. Récemment, Thorek et al. Ont démontré que beaucoup de haute sensibilité pourrait être réalisé avec CLI comme de faibles quantités de 18 F-FDG accumulés (environ 2Ci) dans les ganglions de patients 39, 40 tests in vitro. Indiqué que le signal CLI de 0,01 Ci 90Y était détectable en solution 25,32,33 </sjusqu'à>. En outre, l'ICA a également le potentiel de haute résolution spatiale et la capacité de criblage à haut débit. En outre, CLI est facile à apprendre et à utiliser.
Au cours d'expériences, nous avons trouvé que le contraste de CLI avec BAT 18 F-FDG est fortement liée aux méthodes d'injection. L'injection intraveineuse de 18 F-FDG peut fournir un excellent contraste pour BAT interscapulaire, tandis que l'injection intrapéritonéale avec la même quantité de 18 F-FDG seulement montré un faible contraste dans la zone de BAT.
Déconvolution spectrale, une technique très pratique pour séparer les deux ensembles de signaux, a été largement utilisé dans l'imagerie de fluorescence. Il est bien connu que l'absorption de 18 F-FDG n'est pas très spécifique de la cible, et différentes cibles / tissus ont des propriétés lumière d'atténuation. Nous avons trouvé le pic du spectre de BAT CLI est d'environ 640 nm, et ces données reflétaient les contextes réels de BAT. La reconstruction 3D de ce protocole est mis en oeuvre, car elle peut être réalisée avec un système d'imagerie optique disponible dans le commerce basé sur les propriétés de diffusion de lumière de différentes longueurs d'onde. Avec cette approche, nous pouvons éviter l'utilisation d'un système d'imagerie spécialisé qui nécessite afficher plusieurs angles images pour la reconstruction 3D.
Pour les deux déconvolution spectrale et la reconstruction 3D, un plus grand minimum de 600 comptages de photons de chaque image dans la MTD est nécessaire. À cette fin, grande binning (bin = 16), petit arrêt f (f = 1) et un temps d'acquisition à long (5 min) sont nécessaires pour chaque image.
En résumé, l'exploitation du lieu unique et la forme de BAT et la très élevé absorption de 18 F-FDG dans BAT, nous montrons comment BAT chez les petits animaux peut être optiquement imagée avec 18 F-FDG par la technique CLI. Cette méthode peut être utilisé de manière fiable pour l'imagerie BAT et de suivi de l'activation du BAT. En outre, nous démontrons également que déconvolution spectrale et reco 3Dnstruction sont possible et le volume 3D quantification est possible pour de futures études.
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 |