Visualisierung und Quantifizierung von braunem und beigem Fettgewebe in Mäusen mittels [18F]FDG Micro-PET/MR Imaging
Summary
Funktionelle Bildgebung und Quantifizierung von thermogenen Fettdepots in Mäusen mit einem mikro-PET/MR-bildgebenden Ansatz.
Abstract
Braune und beige Adipozyten sind heute als potenzielle therapeutische Ziele für Fettleibigkeit und metabolische Syndrome anerkannt. Nicht-invasive molekulare Bildgebungsverfahren sind unerlässlich, um kritische Einblicke in diese thermogenen Fettdepots zu liefern. Hier stellt das Protokoll eine auf PET/MR-Bildgebung basierende Methode zur Beurteilung der Aktivität von braunen und beigen Adipozyten im interskapulären braunen Fettgewebe der Maus (iBAT) und im inguinalen subkutanen weißen Fettgewebe (iWAT) vor. Die Visualisierung und Quantifizierung der thermogenen Fettdepots wurde mit [18F]FDG, dem nicht metabolisierbaren Glukoseanalogon, als Radiotracer in Kombination mit den präzisen anatomischen Informationen der MR-Bildgebung erreicht. Die PET/MR-Bildgebung wurde 7 Tage nach der Kälteakklimatisierung durchgeführt und die Quantifizierung des [18F]FDG-Signals in verschiedenen Fettdepots wurde durchgeführt, um die relative Mobilisierung von thermogenem Fettgewebe zu beurteilen. Die Entfernung von iBAT erhöhte die kältebedingte [18F]FDG-Aufnahme in iWAT der Mäuse erheblich.
Introduction
Als Reaktion auf sich ändernde Ernährungsbedürfnisse dient Fettgewebe als Energiecache, um entweder den Lipidspeicher- oder den Mobilisierungsmodus anzunehmen, um die Bedürfnisse des Körpers zu erfüllen1. Darüber hinaus spielt Fettgewebe auch eine Schlüsselfunktion in der Thermoregulation, über einen Prozess, der als nicht-zitternde Thermogenese bezeichnet wird, auch fakultative Thermogenese genannt. Dies wird typischerweise durch das braune Fettgewebe (BAT) erreicht, das reichlich Mitochondrienmembran-Membran-Entkopplungsprotein 1 (UCP1) exprimiert. Als Protonenträger erzeugt UCP1 Wärme, indem es den Protonentransport und die ATP-Produktion entkoppelt2. Bei Kältestimulation wird die Thermogenese in BAT durch Aktivierung des sympathischen Nervensystems (SNS) in Gang gesetzt, gefolgt von der Freisetzung von Noradrenalin (NE). NE bindet an die adrenergen β3-Rezeptoren und führt zu einer Erhöhung des intrazellulären zyklischen AMP (cAMP). Infolgedessen stimuliert das cAMP/PKA-abhängige Engagement von CREB (cAMP response element-binding protein) die Ucp1-Transkription durch direkte Bindung an CREB-Response-Elemente (CRE)2. Neben BAT kommen braune Adipozyten auch im weißen Fettgewebe vor und werden daher als beige oder brite (braun-in-weiß) Zellen bezeichnet1,3. Als Reaktion auf spezifische Reize (wie Erkältung) werden diese ansonsten ruhenden beigen Zellen so umgestaltet, dass sie mehrere braunartige Merkmale aufweisen, darunter multilokuläre Lipidtröpfchen, dicht gepackte Mitochondrien und eine erhöhte UCP1-Expression3,4,5.
Tierstudien haben gezeigt, dass braune und beige Adipozyten über ihre fettreduzierende Wirkung hinaus mehrere metabolische Vorteile haben, einschließlich Insulinsensibilisierung, Lipidsenkung, entzündungshemmende und Anti-Atherosklerose6,7. Beim Menschen korreliert die Menge an beige/braunem Fett umgekehrt mit Alter, Insulinresistenzindex und kardiometabolischen Störungen8. Darüber hinaus bietet die Aktivierung von beige/braunen Adipozyten beim Menschen entweder durch Kälteakklimatisierung oder durch β3-Adrenergrezeptoragonisten Schutz vor einer Reihe von Stoffwechselstörungen4,9,10. Diese Beweise deuten zusammen darauf hin, dass die Induktion von braunem und beigem Fettgewebe eine potenzielle therapeutische Strategie für die Behandlung von Fettleibigkeit und den damit verbundenen medizinischen Komplikationen ist8.
Interessanterweise werden beige und klassische braune Adipozyten, obwohl sie eine ähnliche Funktion haben, von verschiedenen Vorläufern abgeleitet und durch überlappende, aber unterschiedliche Mechanismen aktiviert1. Daher sind die In-vivo-Bildgebung und die Quantifizierung von braunen und beigen Adipozyten unerlässlich, um ein besseres Verständnis der molekularen Kontrolle dieser Fettgewebe zu erreichen. Derzeit ist die 18F-Fluordesoxyglucose ([18F]FDG)-Positronen-Emissions-Tomographie (PET) in Kombination mit der Computertomographie (CT) in klinischen Studien nach wie vor der Goldstandard für die Charakterisierung thermogener brauner und beiger Zellen8. Die Magnetresonanztomographie (MRT) nutzt starke Magnetfelder und Hochfrequenzimpulse, um detaillierte anatomische Strukturen zu erzeugen. Im Vergleich zum CT-Scan erzeugt die MRT Bilder von Organen und Weichteilen mit einer höheren Auflösung. Hier ist ein Protokoll zur Visualisierung und Quantifizierung von funktionellen braunen und beigen Fettsäuren in Mausmodellen nach der Akklimatisierung an Kälteeinwirkung vorgesehen, eine gängige und zuverlässigste Methode, um eine Fettbräunung zu induzieren. Mit dieser Methode lassen sich die thermogenen Fettdepots in Kleintiermodellen mit hoher Präzision charakterisieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Studie wurde eine PET/MR-basierte Bildgebung und Quantifizierung von funktionellem braunem und beigem Fettgewebe bei Kleintier beschrieben. Diese Methode verwendet das nicht metabolisierbare Glukoseanalogon [18F]FDG als bildgebenden Biomarker, um das Fettgewebe mit hohem Glukosebedarf nicht-invasiv zu identifizieren. MR bietet einen guten Weichteilkontrast und kann Fettgewebe besser von den benachbarten Weichteilen und Muskeln unterscheiden. In Kombination mit PET ermöglicht dies eine genaue Abbildu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken der National Natural Science Foundation of China (NSFC) – Excellent Young Scientists Fund (Hong Kong and Macau) (81922079), dem Hong Kong Research Grants Council General Research Fund (GRF 17121520 und 17123419) und dem Hong Kong Research Grants Council Collaborative Research Fund (CRF C7018-14E) für kleine bildgebende Tierexperimente.
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 |
References
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