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.
Brunt fettvev (BAT) er en spesiell vev for thermogenesis hos pattedyr, og en av sine viktigste funksjoner er å opprettholde energibalansen i hele kroppen gjennom spredendedesign store mengder kjemiske / mat energi som varme en. BAT mest unike egenskaper omfatter rikelig frakopling protein-1 (UCP-1) ekspresjon, rikelig små oljedråper, et stort antall mitokondria i en enkelt celle, og betydelig vaskularisering i vevet 2-5. Disse unike egenskapene sterkt forbinder med vevets viktig rolle i stoffskiftet og energiforbruk. BAT ble tidligere ansett for å være ikke lenger er tilstede og inneha ingen signifikante fysiologiske funksjoner hos voksne mennesker en, har imidlertid de senere PET / CT-radiologiske undersøkelser tydelig demonstrert at BAT presenterer fortsatt i menneskelige voksne 2,3,6-9. En invers korrelasjon mellom BAT masse og kroppsmasseindeks (BMI) ble etablert fra flere studier, og recent studier indikerte at fysiske øvelser kan øke massen av BAT. Disse resultatene antyder sterkt at dysfunksjon i BAT er tett forbundet med patologi av fedme og diabetes 2,6,10,11. I tillegg er monterings bevis indikerer at funksjonen til BAT er sterkt relatert til ulike andre patologier som for eksempel neurodegenerative sykdommer og kreft 3,7,12,13.
BAT aktivering, en prosess for å øke thermogenesis, kan oppnås under ulike forhold som kulde, mosjon, og medikamentell behandling og genmanipulering 1,14,15. Kulde og noradrenalin behandling er de mest brukte metodene for å aktivere BAT. Kulde, noe som kan sanses av ulike mekanismer som thermoreceptors i huden, stimulerer sympatiske nerver og fører til utgivelsen av noradrenalin (NE) til BAT. Den frigjorte NE utløser UCP-1 for å initialisere termotilblivelsen for å opprettholde den normale kroppstemperatur. Under denne conditipå, opptaket av glukose øker også å gi flere karbonkilder for økt metabolisme i BAT 1,16,17. PET billeddiagnostikk med 18F-FDG har bekreftet at opptaket av merket glukose økte under kalde forhold i humane studier seks.
I forhold til optisk avbildning, er BAT et ideelt mål. Den interscapular BAT har en unik beliggenhet i mus, ligger borte fra større organer som lever, hjerte og mage. Derfor er signalinterferens fra disse store organer ubetydelig (Figur 1a). I mellomtiden, den grunne plasseringen av interscapular BAT gjør at flere signaler for å bli fanget av kamera gjenkjenning. Videre er BAT en konsentrert masse organ, som begrenser lyssignalet i visse områder. I tillegg gjør det lett å skille fra andre vev (Figur 1a) den unike trekantet fysisk form av BAT.
Cerenkov luminescence imaging (CLI), en nylig dukket molecular bildeteknologi 18-26, utnytter luminescens generert fra + og – nedbrytning av radionuklider som 18 F og 131 jeg i mediet. Den ladet partikkel (for eksempel med + og -) polariserer molekyler mens det reiser i mediet 18-20, og luminescens / lys avgis når de polariserte molekyler slappe tilbake til likevekt. Det emitterte luminescens kalles Cerenkov Luminescence (CL). De unike spektrale egenskapene CL omfatter sitt brede spektrum i hele ultrafiolett (UV) og synlig spektrum 18-20, og dens invers korrelasjon mellom intensiteten og kvadratet av bølgelengden (λ 2). Både UV og synlige kjeder av lyset kan utnyttes til ulike bruksområder. Den UV-delen av Cerenkov luminescens har vært anvendt for in vivo fotoaktivering av bur luciferin 21, mens lyset som emitteres i lengre bølgelengde kan blibenyttes til in vivo optisk avbildning 18,27-31.
For små dyrestudier, er CLI bildebehandling med en optisk imaging system raskere og mer kostnadseffektivt enn PET. Videre kan CLI anvendes for high throughput screening med et avbildningssystem utstyrt med høy gjennomløpskapasitet. Fordelene og ulempene ved denne teknologien har vært diskutert i flere anmeldelser 25,32,33. 3D tomography av CLI har blitt nøye studert i flere grupper 28,34-37, og anvendelser av CLI for endoskopisk bildebehandling og intraoperativ avbildning har blitt påvist i mus samt 30,38. I tillegg Spinelli og Thorek et al. Har vist at CLI bildebehandling kan brukes til mennesker, og dermed teknologien har også potensial for kliniske applikasjoner 39, 40.
I løpet av gjenoppdagelsen av BAT hos mennesker, PET-bilder klart indikerte at enbetydelig mengde av 18 F-FDG akkumulert i BAT under visse forutsetninger 2,3,6. I tillegg PET billeddiagnostikk med mus også utvilsomt viste at BAT kan bli markert med 18 F-FDG 41 42. I denne rapporten viser vi hvordan Cerenkov luminescens slippes ut fra 18 F-FDG kan benyttes for bildebehandling BAT i små dyr ved hjelp av en optisk imaging system. Vår tilnærming gir en rask, billig og praktisk metode for BAT bildebehandling for små dyr. Denne teknikken kan brukes som en alternativ metode for PET-avbildning med 18 F-FDG, spesielt for laboratorier uten PET-anlegg.
Forskning knyttet til BAT har vært gjennomført i flere tiår. Tidligere hadde det vært ansett å ha noen signifikant fysiologisk relevans under human voksen alder en. Imidlertid har nyere storskala klinisk PET billeddiagnostikk med 18 F-FDG og andre undersøkelser bekreftet BAT er fortsatt til stede i den øvre del av brystet, halsen og andre steder i voksne 2,3. Nyere studier har sterkt antydet at BAT spiller en viktig rolle i fedme og diabetes 2,6. Annen forskning viser også at BAT spiller viktige roller under prosessen med aldring 12 og at dens aktivitet kan styrkes gjennom trening 10,44.
Både i kliniske studier på mennesker og preklinisk forskning, er PET billeddiagnostikk med 18 F-FDG den mest brukte metoden for å studere BAT. Men for prekliniske dyrestudier, er PET generelt mye dyrere enn optisk avbildning. I denne protokollen, viser vi at CLJeg med 18 F-FDG kan brukes for optisk avbildning BAT i små dyr. Som andre optiske avbildningsteknikker, vev trengende begrensning og lav følsomhet for dype målene er de iboende begrensningene i CLI 25,32. Likevel, nylig Spinelli et al. Viste at anstendig CLI signal kunne observeres med 10 mm vev dybde med 32 P 28,43, og Thorek et al. viste at 16 mm penetrasjon kunne oppnås i lymfeknuter av pasienter etter 18 F-FDG-injeksjon 39, 40. Sammenlignet med PET avbildning kan CLI utføres med en relativt lav kostnad avbildningssystem. Nylig, Thorek et al. Demonstrert at vesentlig høy følsomhet kan oppnås med CLI så lave mengder av 18 F-FDG akkumulerte (omtrent 2Ci) i nodene i pasienter 39, 40. In vitro testing indikerte at CLI signal fra 0,01 Ci 90Y var påvises i løsningen 25,32,33 </sopp>. Videre har CLI også potensialet for høy romlig oppløsning og kapasiteten for høy gjennomstrømning screening. I tillegg er CLI lett å lære og bruke.
I løpet av eksperimenter, fant vi at CLI kontrast av BAT med 18 F-FDG er sterkt relatert til injeksjonsmetoder. Intravenøs injeksjon av 18 F-FDG kan gi utmerket kontrast for interscapular BAT, mens intraperitoneal injeksjon med samme mengde av 18 F-FDG bare viste en svak kontrast i BAT-området.
Spektral unmixing, en meget praktisk teknikk for å separere to sett av signaler, har vært mye brukt i fluorescens-avbildning. Det er vel kjent at opptak av 18 F-FDG ikke er sterkt target-spesifikke, og forskjellige mål / vev har forskjellige lette dempingsegenskaper. Vi fant toppen av CLI spekteret av BAT er rundt 640 nm, og disse dataene reflekterte de faktiske sammenhenger av BAT. 3D-rekonstruksjon av dette protocol er svært opererbar, fordi den kan utføres med et kommersielt tilgjengelig optisk avbildningssystem basert på lys diffusiv egenskaper av forskjellige bølgelengder. Med denne tilnærmingen, kan vi unngå bruk av en spesialisert imaging system som krever fler vinkel utsikt bilder for 3D rekonstruksjon.
For både spektral unmixing og 3D rekonstruksjon, er en større minimum 600 fotontellinger fra hvert bilde i BAT nødvendig. For dette formål, er stort binning (bin = 16), liten f stopper (f = 1) og en lang registreringstid (5 minutter) som er nødvendig for hvert bilde.
I sammendraget, utnytte den unike plasseringen og formen på BAT og betydelig høyt opptak av 18 F-FDG i BAT viser vi hvordan BAT i små dyr kan være optisk avbildes med 18 F-FDG via CLI teknikk. Denne metoden kan anvendes på en pålitelig måte for avbildning BAT og for overvåking av BAT-aktivering. I tillegg har vi også vise at spektral unmixing og 3D reconstruction er praktisk mulig og 3D-volum kvantifisering er mulig for fremtidige studier.
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 |