使用[18F]FDG微PET / MR成像对小鼠中的棕色和米色脂肪组织进行可视化和定量
Summary
使用基于微PET / MR成像的方法对小鼠中的产热脂肪库进行功能成像和定量。
Abstract
棕色和米色脂肪细胞现在被认为是肥胖和代谢综合征的潜在治疗靶点。非侵入性分子成像方法对于提供对这些产热脂肪库的关键见解至关重要。在这里，该协议提出了一种基于PET / MR成像的方法，以评估小鼠肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）和腹股沟皮下白色脂肪组织（iWAT）中棕色和米色脂肪细胞的活性。当与MR成像提供的精确解剖信息相结合时，使用[18F]FDG（不可代谢的葡萄糖类似物）作为放射性示踪剂，实现了产热脂肪库的可视化和定量。在冷适应后7 d进行PET/MR成像，并在不同脂肪库中定量[18F]FDG信号，以评估产热脂肪组织的相对动员。去除iBAT大大增加了小鼠iWAT中的冷诱发[18F]FDG摄取。
Introduction
为了响应不断变化的营养需求，脂肪组织作为能量缓存，采用脂质储存或动员模式来满足身体的需求1。此外，脂肪组织在体温调节中也起着关键功能，通过称为非颤抖产热的过程，也称为兼性产热。这通常由棕色脂肪组织（BAT）实现，其表达丰富的线粒体膜蛋白解偶联蛋白1（UCP1）。作为质子载体，UCP1 通过解耦质子传输和 ATP 产生来产生热量2。在冷刺激下，BAT中的产热通过激活交感神经系统（SNS）启动，然后释放去甲肾上腺素（NE）。NE与β3肾上腺素能受体结合，导致细胞内环AMP（cAMP）升高。因此，CREB（cAMP反应元件结合蛋白）的cAMP / PKA依赖性参与通过直接结合CREB反应元件（CRE）2刺激Ucp1转录。除BAT外，白色脂肪组织中还发现了棕色样脂肪细胞，因此被命名为米色或brite（白色棕色）细胞1，3。为了响应特定的刺激（如寒冷），这些原本静止的米色细胞被重塑以表现出多种棕色样特征，包括多位点脂滴，密集的线粒体和增强的UCP1表达3，4，5。
动物研究表明，棕色和米色脂肪细胞除了具有减脂作用外，还具有多种代谢益处，包括胰岛素致敏，降脂，抗炎和抗动脉粥样硬化6，7。在人类中，米色/棕色脂肪的含量与年龄、胰岛素抵抗指数和心脏代谢紊乱呈负相关8。此外，通过冷驯化或β3肾上腺素能受体激动剂激活人体米色/棕色脂肪细胞可防止一系列代谢紊乱4，9，10。这些证据共同表明，诱导棕色和米色脂肪组织是管理肥胖及其相关医学并发症的潜在治疗策略8。
有趣的是，尽管它们具有相似的功能，但米色和经典的棕色脂肪细胞来自不同的前体，并通过重叠但不同的机制激活1。因此，棕色和米色脂肪细胞的 体内 成像和定量对于更好地了解这些脂肪组织的分子控制至关重要。目前 ，18F-氟脱氧葡萄糖（[18F]FDG）正电子发射断层扫描（PET）扫描与计算机断层扫描（CT）相结合仍然是临床研究中表征产热棕色和米色细胞的金标准8。磁共振成像（MRI）使用强大的磁场和射频脉冲来产生详细的解剖结构。与CT扫描相比，MRI以更高的分辨率生成器官和软组织的图像。这里提供的是适应冷暴露后小鼠模型中功能性棕色和米色脂肪的可视化和定量的方案，这是诱导脂肪褐变的常见和最可靠的方法。该方法可用于高精度表征小动物模型中的产热脂肪库。
Protocol
Representative Results
Discussion
在本研究中，描述了基于PET / MR的小动物功能性棕色和米色脂肪组织的成像和定量。该方法使用不可代谢的葡萄糖类似物[18F]FDG作为成像生物标志物，以便以非侵入性方式识别具有高葡萄糖需求的脂肪组织。MR提供良好的软组织对比度，可以更好地将脂肪脂肪组织与邻近的软组织和肌肉区分开来。当与PET结合使用时，由于高葡萄糖利用，这可以对活化的脂肪细胞进行成像和定量。这里概述?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我們感謝中國國家自然科學基金會（NSFC）-優秀青年科學家基金（香港及澳門）（81922079）、香港研究資助基金會一般研究基金（GRF 17121520 and 17123419）及香港研究資助基金會合作研究基金（CRF C7018-14E）對小動物影像實驗的支持。
Materials
| 0.9% sterile saline | BBraun | 0.9% sodium chloride intravenous infusion, 500 mL | |
| 5 mL syringe | Terumo | SS05L | 5 mL syringe Luer Lock |
| Dose Calibrator | Biodex | Atomlab 500 | |
| Eye lubricant | Alcon Duratears | Sterile ocular lubricant ointment, 3.5 g | |
| Insulin syringe | Terumo | 10ME2913 | 1 mL insulin syringe with needle |
| InterView Fusion software | Mediso | Version 3.03 | Post-processing and image analysis software |
| Isoflurane | Chanelle Pharma | Iso-Vet, inhalation anesthetic, 250 mL | |
| Ketamine | Alfasan International B.V. | HK-37715 | Ketamine 10% injection solution, 10 mL |
| Medical oxygen | Linde HKO | 101-HR | compressed gas, 99.5% purity |
| Metacam | Boehringer Ingelheim | 5 mg/mL Meloxicam solution for injection for dogs and cats, 10 mL | |
| nanoScan PET/MR Scanner | Mediso | 3 Tesla MR | |
| Nucline nanoScan software | Mediso | Version 3.0 | Scanner operating software |
| Wound clips | Reflex 7 | 203-100 | 7mm Stainless steel wound clips, 20 clips |
| Xylazine | Alfasan International B.V. | HK-56179 | Xylazine 2% injection solution, 30 mL |
Riferimenti
- Rosen, E. D., Spiegelman, B. M. What we talk about when we talk about fat. Cell. 156 (1-2), 20-44 (2014).
- Cannon, B., Brown Nedergaard, J. adipose tissue: function and physiological significance. Physiological Review. 84 (1), 277-359 (2004).
- Jal Wu, ., et al. Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cell in mouse and. 150 (2), 366-376 (2012).
- Cypess, A. M., et al. Activation of human brown adipose tissue by a beta3-adrenergic receptor agonist. Cell Metabolism. 21 (1), 33-38 (2015).
- Ishibashi, J., Seale, P. Beige can be slimming. Science. 328 (5982), 1113-1114 (2010).
- Jal Schulz, T., et al. Brown-fat paucity due to impaired BMP signalling induces compensatory browning of white fat. Nature. 495 (7441), 379-383 (2013).
- Pal Cohen, ., et al. Ablation of PRDM16 and beige adipose causes metabolic dysfunction and a subcutaneous to visceral fat switch. Cell. 156 (1-2), 304-316 (2014).
- Mal Cypess, A., et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1509-1517 (2009).
- Aal vander Lans, A., et al. Cold acclimation recruits human brown fat and increases nonshivering thermogenesis. Journal of Clinical Investigation. 123 (8), 3395-3403 (2013).
- Jal Hanssen, M., et al. Short-term cold acclimation improves insulin sensitivity in patients with type 2 diabetes mellitus. Nature Medicine. 21 (8), 863-865 (2015).
- Wang, X., Minze, L. J., Shi, Z. Z. Functional imaging of brown fat in mice with 18F-FDG micro-PET/CT. Journal of Visualized Experiments: JoVE. 69, (2012).
- Greenwood, H. E., Nyitrai, Z., Mocsai, G., Hobor, S., Witney, T. H. High-throughput PET/CT imaging using a multiple-mouse imaging system. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 61 (2), 292-297 (2020).
- Carter, L. M., Henry, K. E., Platzman, A., Lewis, J. S. 3D-printable platform for high-throughput small-animal imaging. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 61 (11), 1691-1692 (2020).
- Jal Andersson, ., et al. Estimating the cold-induced brown adipose tissue glucose uptake rate measured by (18)F-FDG PET using infrared thermography and water-fat separated MRI. Scientific Reports. 9 (18), 12358 (2019).
- Eal Lundstrom, ., et al. Brown adipose tissue estimated with the magnetic resonance imaging fat fraction is associated with glucose metabolism in adolescents. Pediatric Obesity. 14 (9), (2019).
- Eal Lundstrom, ., et al. Magnetic resonance imaging cooling-reheating protocol indicates decreased fat fraction via lipid consumption in suspected brown adipose tissue. PLoS One. 10 (4), 0126705 (2015).
- Nakamura, Y., Yanagawa, Y., Morrison, S. F., Nakamura, K. Medullary reticular neurons mediate neuropeptide Y-induced metabolic inhibition and mastication. Cell Metabolism. 25 (2), 322-334 (2017).
- Jal Fueger, B., et al. Impact of animal handling on the results of 18F-FDG PET studies in mice. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 47 (6), 999-1006 (2006).
- Vines, D. C., Green, D. E., Kudo, G., Keller, H. Evaluation of mouse tail-vein injections both qualitatively and quantitatively on small-animal PET tail scans. Journal of Nuclear Medicine Technology. 39 (4), 264-270 (2011).
