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.
褐色脂肪組織(BAT)は、哺乳動物における熱発生のための特別な組織であり、その主要な機能の一つは、熱を1として化学的/食品大量のエネルギーを放散を通して全身のエネルギーバランスを維持することである。 BATの最もユニークな特徴は、豊富な脱共役タンパク質-1(UCP-1)の発現、豊富な小さな油滴、単一細胞内のミトコンドリアの数が多いと組織2-5の重要な血管新生が含まれる。これらのユニークな特徴は、強く、代謝およびエネルギー消費の組織の重要な役割に関連付ける。 BATが以前にもはや存在しないと考えられ、成人1に有意な生理機能を有するなかった、しかし、最近のPET / CT撮像の調査は明らかにBATがまだ人間の成人の2,3,6-9を提示することを明らかにした。 BAT質量及び体格指数(BMI)との間の逆相関は、いくつかの研究は、再から確立されたセントの研究は、物理的なエクササイズは、BATの量を増加させることを示した。これらの結果は、BATの機能不全は、しっかりと、肥満や糖尿病2,6,10,11の病態と関連していることを示唆している。また、証拠を実装することはBATの機能は、神経変性疾患および癌3,7,12,13などのさまざまな他の病状に強く関連していることを示している。
BAT活性化、熱発生を増加させるためのプロセスは、寒冷暴露、運動、薬物治療および遺伝子操作1,14,15などのさまざまな条件下で達成することができる。寒冷暴露やノルエピネフリン治療は、BATを活性化するための最も使用される方法である。そのような皮膚の温度受容としてさまざまなメカニズムによって感知することができる、コールド、交感神経を刺激し、BATにノルエピネフリン(NE)の放出を導く。放出されたNEは、UCP-1は、正常な体温を維持するために、熱発生を初期化するトリガする。このconditiの下で上に、グルコースの取り込みはまた、BAT 1,16,17増加代謝のための炭素源を提供するために増加する。 18 F-FDGのPETイメージングは標識グルコースの取り込みはヒト試験6における低温条件下増加していることを確認しています。
光学イメージングの観点から、BATは、理想的な標的である。肩甲骨間BATは、肝臓、心臓、胃などの大きな臓器から離れて位置してマウスでのユニークな場所を持っています。したがって、これらの大きな器官からの信号干渉はわずか( 図1a)である。一方、肩甲骨間BATの浅い場所が複数の信号を検出カメラによって捕捉されることを可能にする。また、BATは特定の地域に光信号を閉じ込める集中質量臓器です。また、BATの独特の三角形の物理的形状は、他の組織( 図1a)と区別することが容易になります。
チェレンコフ発光イメージング(CLI)、新たに出現したモルそのような18 F及び培地中の131 Iのような放射性核種の崩壊– ecularイメージング技術18-26は、+から生じた発光を活用。荷電粒子は、(+などと– )は、培地中18〜20で走行 中の分子を分極し、偏光分子が戻って平衡にリラックスしたときの発光/発光する。放出された発光は、チェレンコフ発光(CL)と呼ばれている。 CLの固有のスペクトル特性は、その紫外線(UV)を通じて、広いスペクトルおよび可視スペクトル18〜20、および強度および波長(λ2)の二乗の間の逆相関があります。放出された光の両方のUV及び可視範囲は、異なる用途に利用することができる。より長い波長で発光した光があってもよいしながらチェレンコフ発光のUV部分が、ケージ化ルシフェリン21 のin vivoでの光活性化のために適用されているインビボ光学イメージング18,27-31に使用。
小動物の研究のために、撮像光学系とCLIイメージングは、より速く、PETよりも費用効果的である。また、CLIは、高スループット能力を備えた撮像システムの高スループットスクリーニングに適用することができる。この技術の利点と欠点は、いくつかのレビュー25,32,33で議論されてきた。 CLIの3D断層撮影集中いくつかのグループ28,34-37に研究されており、内視鏡的画像化および術中イメージングのためのCLIのアプリケーションが正常にも同様30,38マウスにおいて実証されている。また、スピネッリとトレックら CLIイメージングは、臨床アプリケーション39、40の可能性があり、したがって技術、ヒト対象に適用することができることを実証した。
ヒトにおけるBATの再発見の過程において、PET画像は、明らかにすることを示し18 F-FDGのかなりの量が一定の条件の下で2,3,6 BATに蓄積された。また、マウスを用いたPETイメージングはまた、間違いなくBATは、18 F-FDG 41 42で強調表示することができることを示した。本稿では、18 F-FDGから放出されるチェレンコフ発光は光学イメージングシステムを用いて小動物撮像BATに利用することができる方法を示しています。私たちのアプローチは、小動物用のBATイメージング、高速で安くて便利な方法を提供する。この技術は、特にPET施設なしラボのために、18 F-FDGのPETイメージングのための代替方法として使用することができる。
BATに関連した研究が数十年にわたって行われてきた。これまでは、ヒト成人1の間に有意な生理的関連性がないと考えられていた。しかし、18 F-FDGを用いた最近の大規模臨床PETイメージングおよび他の調査は確認しているBATはまだ上胸部、首、成人2,3の他の場所に存在する。最近の研究は、強くBATは、肥満症および糖尿病2,6に重要な役割を果たしていることを示唆している。他の研究はまた、BAT 12時効処理中に、その活性は、運動10,44によって増強できることが重要な役割を果たしていることを示している。
どちらの臨床ヒトの研究および前臨床研究に、18 F-FDGのPETイメージングは、BATを研究するための最も使用される方法です。しかしながら、前臨床動物試験のために、PETは一般にはるかに高価な光学イメージングよりも長い。このプロトコルでは、ことを示しているCL18 F-FDGとIは、小動物における光学的画像化BATに適用することができる。他の光学イメージング技術、組織貫通の制限と深部標的に対して低感度のようなCLI 25,32の固有の制限がある。それにもかかわらず、最近スピネッリらまともなCLI信号は32、P 28,43と10ミリメートル組織の深さで観察することができることが実証され、トレックら 。 16ミリメートルの浸透は、18 F-FDG注射39、40後の患者のリンパ節で達成できることを示した。 PETイメージングに比べて、CLIは、比較的低コストの撮像システムを用いて行うことができる。最近、トレックらは 40、著しく高い感度が患者39のノードに(2CI程度)蓄積された18 F-FDGのCLIのような低量で達成できることを実証した。 インビトロ試験を0.01のC 90YからCLI信号であることが示されたソリューション25,32,33で検出可能な</s>アップ。また、CLIは、高空間分解能かつ高スループットスクリーニングのための能力の可能性を有している。さらに、CLIは学び、使いやすいです。
実験の過程では、18 F-FDGとBATのCLIのコントラストを強く注入法に関連して発見した。 18 F-FDG同量の腹腔内注射のみBAT領域内の弱いコントラストを示した18 F-FDGの静脈内注射は、肩甲骨間BATのための優れたコントラストを提供することができる。
スペクトルアンミキシング、信号の2つのセットを分離する非常に実用的な技術は、広く蛍光イメージングで使用されている。これは、ウェル18 F-FDGの取込みは非常に特異的ターゲティングされず、異なるターゲット/組織は、異なる光減衰特性を有することが知られている。私たちは、BATのCLIスペクトルのピークは約640 nmで発見され、このデータは、BATの実際のコンテキストを反映している。このPRの3D再構成それは、異なる波長の光拡散特性に基づいて、市販の光学イメージングシステムを用いて行うことができるのでotocolは、非常に動作可能である。このアプローチでは、3D再構成のためのマルチアングルビュー画像を必要とする特殊なイメージングシステムの使用を回避することができる。
スペクトルアンミキシングおよび3D再構成の両方について、BATの各画像から600光子カウントより最低でも必要になります。この目的のために、大きなビン(ビン= 16)、小fは停止状態(f = 1)と長い捕捉時間(5分間)は、各画像のために必要とされる。
要約すると、ユニークなロケーションや形状、BATのとBAT 18 F-FDGの非常に高い取り込みを活かし、私たちは小さな動物では、BATは、光学的にCLI技術により18 F-FDGを用いて画像化する方法を示しています。この方法では、確実に画像化BATおよびBAT活性化をモニタリングするために使用することができる。さらに、当社はまた、スペクトルアンミキシングおよび3D RECOを実証nstructionは実用的であると3D体積の定量化は、将来の研究のために可能である。
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. |
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18F-FDG | IBA Molecular | ||
norepinephrine | Sigma | N5785-250MG | |
Ketamine/Xylazine | Sigma | K113-10ML |