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.
ब्राउन वसा ऊतकों (बैट) स्तनधारियों में thermogenesis के लिए एक विशेष ऊतक है, और अपने प्रमुख कार्यों में से एक हीट 1 के रूप में रासायनिक / खाद्य ऊर्जा की बड़ी मात्रा में dissipating के माध्यम से पूरे शरीर की ऊर्जा संतुलन बनाए रखना है. बैट की सबसे अनूठी विशेषताओं ऊतक 2-5 में भरपूर मात्रा में uncoupling प्रोटीन -1 (यूसीपी-1) अभिव्यक्ति, प्रचुर मात्रा में छोटे तेल बूंदों, एक ही सेल में माइटोकॉन्ड्रिया की एक बड़ी संख्या है, और महत्वपूर्ण vascularization शामिल हैं. ये अनूठी विशेषताओं जोरदार चयापचय और ऊर्जा व्यय में ऊतक की महत्वपूर्ण भूमिका के साथ सहयोगी. बैट पहले से अब मौजूद नहीं है और वयस्क मनुष्यों 1 में कोई महत्वपूर्ण शारीरिक कार्यों रखने माना जाता था, लेकिन हाल ही में पीईटी / सीटी इमेजिंग जांच में स्पष्ट रूप से बैट अभी भी मानव वयस्कों 2,3,6-9 में प्रस्तुत करता है कि प्रदर्शन किया है. बैट द्रव्यमान और शरीर द्रव्यमान सूचकांक के बीच एक व्युत्क्रम सहसंबंध (बीएमआई) कई अध्ययनों से स्थापित है, और फिर से किया गया थाप्रतिशत पढ़ाई शारीरिक व्यायाम बैट के द्रव्यमान में वृद्धि कर सकता है कि संकेत दिया. इन परिणामों जोरदार बैट की शिथिलता कसकर मोटापा और मधुमेह 2,6,10,11 की विकृतियों के साथ जुड़ा हुआ है कि सुझाव है. इसके अलावा, सबूत बढ़ते बैट का समारोह जोरदार ऐसे neurodegenerative रोग और कैंसर 3,7,12,13 के रूप में विभिन्न अन्य विकृतियों से संबंधित है जो इंगित करता है.
बैट सक्रियण, thermogenesis को बढ़ाने के लिए एक प्रक्रिया है, ऐसी ठंड जोखिम, व्यायाम, और नशीली दवाओं के उपचार और जीन में गड़बड़ी 1,14,15 के रूप में विभिन्न परिस्थितियों में प्राप्त किया जा सकता है. शीत जोखिम और norepinephrine उपचार बैट को सक्रिय करने के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल के तरीके हैं. ऐसी त्वचा में thermoreceptors के रूप में विभिन्न तंत्र द्वारा महसूस किया जा सकता है, शीत, सहानुभूति तंत्रिकाओं को उत्तेजित करता है और बल्लेबाजी करने norepinephrine (पूर्वोत्तर) की रिहाई की ओर जाता है. जारी पूर्वोत्तर यूसीपी -1 सामान्य शरीर के तापमान को बनाए रखने के लिए thermogenesis को प्रारंभ करने के लिए हो सके. इस conditi के तहतपर, ग्लूकोज की तेज भी बैट 1,16,17 में वृद्धि की चयापचय के लिए अधिक कार्बन सूत्रों प्रदान करने के लिए बढ़ जाती है. 18F-FDG साथ पीईटी इमेजिंग लेबल ग्लूकोज की तेज मानव पढ़ाई 6 में ठंड परिस्थितियों में वृद्धि की पुष्टि की है कि.
ऑप्टिकल इमेजिंग के संदर्भ में, बैट एक आदर्श लक्ष्य है. interscapular बैट ऐसे जिगर, दिल, और पेट के रूप में बड़ा अंगों से दूर स्थित चूहों में एक अनूठा स्थान है. इसलिए, इन बड़े अंगों से संकेत हस्तक्षेप नगण्य (चित्रा 1 ए) है. इस बीच, interscapular बैट के उथले स्थान अधिक संकेतों का पता लगाने के कैमरे द्वारा कब्जा करने की अनुमति देता है. इसके अलावा, बैट कुछ क्षेत्रों में प्रकाश संकेत किनारा जो एक केंद्रित जन अंग है. साथ ही, बैट की अद्वितीय त्रिकोणीय शारीरिक आकार अन्य ऊतकों (चित्रा 1 ए) से अलग करने के लिए यह आसान बनाता है.
Cerenkov luminescence इमेजिंग (सीएलआई), एक नव उभरा मोलइस तरह 18 एफ और मध्यम में 131 मैं के रूप में radionuclides का क्षय – ecular इमेजिंग प्रौद्योगिकी 18-26, + और से उत्पन्न luminescence harnesses. आवेशित कण (जैसे + के रूप में और -) यह मध्यम 18-20 में यात्रा करते हुए अणुओं polarizes, और ध्रुवीकृत अणुओं वापस संतुलन के लिए आराम करने के लिए जब luminescence / प्रकाश उत्सर्जित होता है. उत्सर्जित luminescence Cerenkov luminescence (सीएल) कहा जाता है. सीएल के अद्वितीय वर्णक्रमीय गुण अपने पराबैंगनी (यूवी) भर में व्यापक स्पेक्ट्रम और दृश्य स्पेक्ट्रम 18-20, और तीव्रता और तरंग दैर्ध्य (λ 2) के वर्ग के बीच अपनी व्युत्क्रम संबंध शामिल हैं. उत्सर्जित प्रकाश के दोनों यूवी और दृश्य पर्वतमाला विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जा सकता है. अब तरंग दैर्ध्य में प्रकाश उत्सर्जित किया जा सकता है, जबकि Cerenkov luminescence के यूवी भाग, बंदी luciferin 21 के vivo photoactivation के लिए लागू किया गया हैइन विवो ऑप्टिकल इमेजिंग 18,27-31 के लिए इस्तेमाल किया.
छोटे जानवरों के अध्ययन के लिए, एक ऑप्टिकल इमेजिंग प्रणाली के साथ सीएलआई इमेजिंग तेजी से और पीईटी की तुलना में अधिक लागत प्रभावी है. इसके अलावा, सीएलआई उच्च throughput क्षमता से लैस एक इमेजिंग प्रणाली के साथ उच्च throughput प्रदर्शन के लिए लागू किया जा सकता है. इस तकनीक के फायदे और नुकसान कई समीक्षा 25,32,33 में चर्चा की गई है. सीएलआई की 3 डी टोमोग्राफी अधिकता कई समूहों 28,34-37 में अध्ययन किया गया है, और इंडोस्कोपिक इमेजिंग और intraoperative इमेजिंग के लिए सीएलआई के आवेदन को सफलतापूर्वक के रूप में अच्छी तरह से 30,38 चूहों में प्रदर्शन किया गया है. इसके अलावा, Spinelli और Thorek एट अल. सीएलआई इमेजिंग भी नैदानिक अनुप्रयोगों 39, 40 के लिए क्षमता है, इस प्रकार प्रौद्योगिकी, मानव विषयों के लिए लागू किया जा सकता है कि प्रदर्शन किया है.
मानव में बैट के पुनराविष्कार के पाठ्यक्रम में, पीईटी छवियों स्पष्ट रूप से एक संकेत दिया कि18 एफ FDG की महत्वपूर्ण राशि कुछ शर्तों 2,3,6 के तहत बैट में जमा हुए. इसके अलावा, चूहों के साथ पीईटी इमेजिंग भी निस्संदेह बैट 18 एफ FDG 41 42 के साथ प्रकाश डाला जा सकता है कि पता चला है. इस रिपोर्ट में, हम 18 एफ FDG से उत्सर्जित Cerenkov luminescence एक ऑप्टिकल इमेजिंग प्रणाली का उपयोग करते हुए छोटे जानवरों में इमेजिंग बल्लेबाजी के लिए उपयोग किया जा सकता है कि कैसे प्रदर्शित करता है. हमारा दृष्टिकोण छोटे जानवरों के लिए बल्लेबाजी इमेजिंग की एक तेज, सस्ता और सुविधाजनक तरीका प्रदान करता है. इस तकनीक को विशेष रूप से पीईटी सुविधाओं के बिना प्रयोगशालाओं के लिए, 18 एफ FDG साथ पीईटी इमेजिंग के लिए एक वैकल्पिक विधि के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है.
बैट से संबंधित अनुसंधान कई दशकों के लिए आयोजित किया गया है. इससे पहले, यह मानव वयस्कता 1 के दौरान कोई महत्वपूर्ण शारीरिक प्रासंगिकता है करने के लिए विचार किया गया था. हालांकि, 18 एफ FDG के साथ हाल ही में बड़े पैमाने पर नैदानिक पीईटी इमेजिंग और अन्य जांच की पुष्टि की है बैट अभी भी ऊपरी छाती, गर्दन और वयस्कों 2,3 में अन्य स्थानों में मौजूद है. हाल के अध्ययनों से जोरदार बैट मोटापा और मधुमेह 2,6 में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि सुझाव दिया है. अन्य अनुसंधान भी बैट 12 उम्र बढ़ने की प्रक्रिया के दौरान और अपनी गतिविधि व्यायाम 10,44 के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है कि महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि इंगित करता है.
दोनों नैदानिक मानव अध्ययन और preclinical अनुसंधान में, 18 एफ FDG साथ पीईटी इमेजिंग बैट अध्ययन करने के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किया विधि है. हालांकि, preclinical जानवरों के अध्ययन के लिए, पीईटी आम तौर पर बहुत अधिक महंगा ऑप्टिकल इमेजिंग से है. इस प्रोटोकॉल में, हम दिखाना है कि सीएल18 एफ FDG साथ मैं छोटे जानवरों में ऑप्टिकली इमेजिंग बल्लेबाजी के लिए लागू किया जा सकता है. अन्य ऑप्टिकल इमेजिंग तकनीक, ऊतक मर्मज्ञ सीमा और गहरी लक्ष्यों के लिए कम संवेदनशीलता तरह सीएलआई 25,32 की आंतरिक सीमाएं हैं. बहरहाल, हाल ही में Spinelli एट अल. सभ्य सीएलआई संकेत 32 पी 28,43 के साथ 10 मिमी ऊतक गहराई के साथ मनाया जा सकता है कि प्रदर्शन किया, और Thorek एट अल. 16 मिमी प्रवेश 18 एफ FDG इंजेक्शन 39, 40 के बाद रोगियों के लिम्फ नोड्स में प्राप्त किया जा सकता है कि पता चला है. पीईटी इमेजिंग की तुलना में, सीएलआई एक अपेक्षाकृत कम लागत इमेजिंग प्रणाली के साथ किया जा सकता है. हाल ही में, Thorek एट अल. रोगियों 39, नोड्स में (2CI के बारे में) संचित 18 एफ FDG के रूप में कम मात्रा 0.01 Ci 90Y था से 40. इन विट्रो में परीक्षण कि सीएलआई संकेत संकेत दिया कि काफी उच्च संवेदनशीलता सीएलआई साथ प्राप्त किया जा सकता है प्रदर्शन समाधान 25,32,33 में detectable </s> ऊपर. इसके अलावा, सीएलआई भी उच्च स्थानिक संकल्प और उच्च throughput प्रदर्शन के लिए क्षमता के लिए क्षमता है. इसके अलावा, सीएलआई जानने के लिए और प्रयोग करने में आसान है.
प्रयोगों के दौरान, हम 18 एफ FDG के साथ बल्लेबाजी की कि सीएलआई विपरीत अत्यधिक इंजेक्शन तरीकों से संबंधित है पाया. 18 एफ FDG का एक ही राशि के साथ intraperitoneal इंजेक्शन केवल बैट क्षेत्र में एक कमजोर विपरीत दिखाया, जबकि 18 एफ FDG की नसों में इंजेक्शन, interscapular बल्लेबाजी के लिए उत्कृष्ट विपरीत प्रदान कर सकते हैं.
वर्णक्रमीय unmixing, संकेतों के दो सेट अलग करने के लिए एक बहुत ही व्यावहारिक तकनीक, व्यापक रूप से प्रतिदीप्ति इमेजिंग में इस्तेमाल किया गया है. यह अच्छी तरह से 18 एफ FDG के तेज अत्यधिक लक्ष्य विशिष्ट नहीं है कि जाना जाता है, और विभिन्न लक्ष्यों / ऊतकों अलग प्रकाश क्षीणन गुण होते हैं. हम बल्लेबाजी का सीएलआई स्पेक्ट्रम के शिखर के आसपास 640 एनएम है पाया, और इस डेटा बैट की वास्तविक संदर्भों परिलक्षित. इस जनसंपर्क के 3D पुनर्निर्माणयह अलग तरंग दैर्ध्य के प्रकाश वाचाल गुणों के आधार पर एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ऑप्टिकल इमेजिंग प्रणाली के साथ किया जा सकता है क्योंकि otocol, बहुत प्रचलित है. इस दृष्टिकोण के साथ, हम 3 डी पुनर्निर्माण के लिए कई कोण दृश्य चित्र की आवश्यकता है कि एक विशेष इमेजिंग प्रणाली के उपयोग से बचने कर सकते हैं.
वर्णक्रमीय unmixing और 3 डी पुनर्निर्माण दोनों के लिए, बैट में प्रत्येक छवि से 600 फोटॉन गिनती के अधिक से अधिक न्यूनतम आवश्यकता है. इसके लिए बड़े binning (बिन = 16), छोटे च रोक (च = 1) और एक लंबे समय के अधिग्रहण के समय (5 मिनट) प्रत्येक छवि के लिए आवश्यक हैं.
संक्षेप में, अद्वितीय स्थान और आकार बैट की और बल्लेबाजी में 18 एफ FDG की काफी उच्च तेज दोहन, हम छोटे जानवरों में बैट ऑप्टिकली सीएलआई तकनीक के माध्यम से 18 एफ FDG साथ imaged किया जा सकता है कि कैसे प्रदर्शित करता है. इस विधि मज़बूती इमेजिंग बल्लेबाजी के लिए और बैट सक्रियण की निगरानी के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. साथ ही, हम यह भी है कि वर्णक्रमीय unmixing और 3 डी सिफारिश का प्रदर्शनnstruction साध्य हैं और 3 डी मात्रा मात्रा का ठहराव भविष्य के अध्ययन के लिए संभव है.
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 |