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.
Braunen Fettgewebe (BAT) ist eine spezielle Gewebe für die Thermogenese bei Säugern, und eine ihrer wichtigsten Funktionen ist es, die Energiebilanz des ganzen Körpers durch Ableiten von großen Mengen an chemischen / Nahrungsenergie als Wärme 1 aufrecht zu erhalten. Einzigartigen Eigenschaften BAT zählen reichlich Entkopplung Protein-1 (UCP-1) Ausdruck, reichlich kleine Öltröpfchen, eine große Anzahl von Mitochondrien in einer Zelle, und bedeutende Gefäß im Gewebe 2-5. Diese einzigartigen Eigenschaften stark assoziieren mit wichtigen Rolle des Gewebes im Stoffwechsel und Energieverbrauch. BAT wurde zuvor als sein nicht mehr vorhanden und besitzen keine nennenswerten physiologischen Funktionen bei erwachsenen Menschen 1 haben aber letzten PET / CT-Bildgebung Untersuchungen deutlich gezeigt, dass BAT noch in erwachsenen Menschen 2,3,6-9 präsentiert. Eine inverse Korrelation zwischen BAT Masse und Körpermasse-Index (BMI) wurde von mehreren Studien festgestellt, und wiederCent-Studien zeigten, dass körperliche Übungen könnte die Masse der BAT erhöhen. Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass die Dysfunktion des BAT ist eng mit den Pathologien der Adipositas und Diabetes 2,6,10,11 verbunden. Zusätzlich Anzeichen dafür zeigt, dass die Funktion der BAT stark auf verschiedene andere Erkrankungen im Zusammenhang, wie neurodegenerative Erkrankungen und Krebs 3,7,12,13.
BAT-Aktivierung, ein Prozess, der Thermogenese zu erhöhen, kann unter verschiedenen Bedingungen wie Kälte Belichtung, Bewegung und medikamentöse Behandlung und Gen-Manipulation 1,14,15 erreicht werden. Kälteexposition und Noradrenalin-Behandlung werden die gängigsten Methoden, um BAT zu aktivieren. Kälte, die durch verschiedene Mechanismen, wie Thermorezeptoren in der Haut gemessen werden kann, stimuliert sympathischen Nerven und führt zur Freisetzung von Norepinephrin (NE) zu BAT. Die frei NE löst UCP-1, um die Thermogenese zu initialisieren, um die normale Körpertemperatur zu halten. Unter diesem Conditiauf die Aufnahme von Glukose erhöht auch weitere Kohlenstoffquellen für die Erhöhung des Stoffwechsels in BAT 1,16,17 bereitzustellen. PET-Bildgebung mit 18F-FDG hat bestätigt, dass die Aufnahme von markierter Glukose erhöht unter kalten Bedingungen in Humanstudien 6.
In Bezug auf die optische Bildgebung ist BVT ein ideales Ziel. Die interskapulären BAT hat eine einzigartige Lage in Mäusen, von größeren Organe wie Leber, Herz und Magen entfernt. Daher ist Signalstörungen von diesen großen Orgeln unbedeutend (Abbildung 1a). Inzwischen hat die flache Lage des interskapulären BAT ermöglicht mehrere Signale, die von der Erfassungskamera aufgenommen werden. Darüber hinaus ist eine konzentrierte Masse BAT Orgel, die das Lichtsignal in bestimmten Bereichen beschränkt. Zusätzlich ist die einzigartige dreieckige Form des physischen BAT macht es einfach, aus anderen Geweben (Abbildung 1a) zu unterscheiden.
Cerenkov Lumineszenz-Imaging (CLI), einem neu entstandenen molecular Bildgebungstechnologie 18-26, nutzt die von der erzeugten Lumineszenz + und – Zerfall der Radionuklide wie 18 F, 131 I in dem Medium. Das geladene Teilchen (wie + und -) polarisiert Moleküle, während es im Medium 18-20 reist und die Lumineszenz / Licht emittiert wird, wenn die polarisierten Moleküle entspannen zurück ins Gleichgewicht. Die emittierte Lumineszenz wird als Cerenkov Lumineszenz (CL). Die einzigartigen spektralen Eigenschaften CL umfassen das breite Spektrum der gesamten ultravioletten (UV) und sichtbaren Spektrums 18-20, und seine umgekehrte Korrelation zwischen der Intensität und dem Quadrat der Wellenlänge (λ 2). Beide UV-und sichtbaren Bereichen des emittierten Lichts für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Der UV-Anteil des Cerenkov Lumineszenz wurde für in vivo-Photoaktivierung von caged Luciferin 21 aufgebracht wurde, während das Licht in der längeren Wellenlänge emittiert werden kannzur in vivo-optischen Bildgebungs 18,27-31 verwendet.
Kleintierstudien ist CLI-Bildgebung mit einem optischen Abbildungssystem schneller und kostengünstiger als PET. Außerdem kann CLI für Hochdurchsatz-Screening mit einem Abbildungssystem mit hoher Durchsatzkapazität ausgestattet angewendet werden. Die Vorteile und Nachteile dieser Technologie wurden in mehreren Bewertungen 25,32,33 diskutiert. 3D-Tomographie der CLI wurde intensiv in mehreren Gruppen 28,34-37 untersucht und die Anwendungen der CLI für endoskopische Bildgebung und intraoperative Bildgebung wurden erfolgreich an Mäusen gezeigt, sowie 30,38. Zusätzlich Spinelli und Thorek et al., Dass CLI-Abbildungs könnte an Menschen angewendet werden, wodurch die Technologie hat auch Potential für klinische Anwendungen 39, 40.
Im Zuge der Wiederentdeckung der BAT in den Menschen, klar angegeben, dass eine PET-Bildererhebliche Menge von 18 F-FDG in BAT unter bestimmten Bedingungen 2,3,6 angesammelt. Darüber hinaus PET-Bildgebung mit Mäusen zeigten, dass auch zweifellos BAT konnte mit 18 F-FDG 41 42 hervorgehoben. In diesem Bericht zeigen wir, wie Cerenkov Lumineszenz von 18 F-FDG emittierte zur Bildgebung BAT in kleinen Tieren unter Verwendung eines optischen Abbildungssystems verwendet werden. Unser Ansatz bietet eine schnelle, billige und bequeme Methode der BAT-Bildgebung für Kleintiere. Diese Technik kann als eine alternative Methode für die PET-Bildgebung mit 18 F-FDG verwendet werden, insbesondere für Labors ohne PET-Anlagen.
Forschung zu BAT Zusammenhang ist seit mehreren Jahrzehnten durchgeführt. Zuvor hatte es in Betracht gezogen worden, um keine signifikante physiologische Relevanz im menschlichen Erwachsenenalter 1 haben. Die jüngsten Groß klinischen PET-Bildgebung mit 18F-FDG und andere Untersuchungen haben bestätigt, BAT ist immer noch in der oberen Brust, Hals und an anderen Standorten bei Erwachsenen 2,3 vorhanden. Jüngste Studien haben dringend empfohlen, dass BAT spielt eine wichtige Rolle bei der Fettsucht und Diabetes 2,6. Andere Forschungen zeigen außerdem, dass die BVT spielt eine wichtige Rolle im Prozess des Alterns und 12, dass seine Aktivität könnte durch Übung 10,44 gesteigert werden.
Sowohl in klinischen Studien am Menschen und präklinischen Forschung, ist die PET-Bildgebung mit 18F-FDG die am häufigsten verwendete Methode, um BAT studieren. Für vorklinischen Tierstudien ist PET im Allgemeinen viel teurer als optische Bildgebung. In diesem Protokoll zeigen wir, dass CLIch mit 18 F-FDG für optisch abbild BAT bei Kleintieren angewendet werden. Wie andere optische Bildgebungsverfahren, durchdringenden Gewebe Begrenzung und geringe Empfindlichkeit für tiefe Ziele sind die inneren Grenzen der CLI 25,32. Dennoch, vor kurzem Spinelli et al., Dass anständige CLI-Signal mit 10 mm Gewebetiefe mit 32 P 28,43 beobachtet werden und Thorek et al. zeigte, dass 16 mm Penetration könnte in den Lymphknoten der Patienten nach 18 F-FDG Injektion 39, 40 erreicht werden. Im Vergleich zu PET kann CLI mit relativ niedrigen Kosten Abbildungssystem durchgeführt werden. Kürzlich, Thorek et al., Dass signifikant hohe Empfindlichkeit könnte mit CLI erreicht werden, wie geringe Mengen von 18 F-FDG in den Knoten des Patienten 39, angesammelt (ca. 2Ci) 40. In-vitro-Tests zeigten, dass CLI-Signal von 0,01 Ci 90Y war in Lösung 25,32,33 nachweisbar </sbis>. Darüber hinaus hat CLI auch das Potenzial für eine hohe räumliche Auflösung und die Kapazitäten für Hochdurchsatz-Screening. Darüber hinaus ist CLI einfach zu erlernen und zu verwenden.
Im Verlauf von Experimenten fanden wir, dass CLI Kontrast von BAT mit 18 F-FDG ist sehr an den Injektionsmethoden. Die intravenöse Injektion von 18 F-FDG kann hervorragenden Kontrast für interskapulären BAT bereitzustellen, während eine intraperitoneale Injektion mit der gleichen Menge von 18 F-FDG zeigte nur einen schwachen Kontrast in der BAT-Bereich.
Entmischung, ein sehr praktisches Verfahren, um zwei Sätze von Signalen zu trennen, wurde in großem Umfang in der Fluoreszenz-Bildgebung verwendet. Es ist bekannt, dass die Aufnahme von 18 F-FDG ist nicht sehr zielspezifische und verschiedene Ziele / Gewebe haben unterschiedliche Lichtdämpfungseigenschaften. Wir fanden, der Höhepunkt der CLI Spektrum der BAT ist etwa 640 nm, und diese Daten reflektiert die tatsächlichen Zusammenhänge der BAT. Die 3D-Rekonstruktion dieses protocol sehr betriebsfähig, denn es kann mit einem handelsüblichen optischen Abbildungssystem auf der Basis der Lichtdiffusionseigenschaften von verschiedenen Wellenlängen durchgeführt werden. Mit diesem Ansatz können wir den Einsatz eines spezialisierten Imaging-System, das mehrere Winkelansicht Bilder für 3D-Rekonstruktion erfordert vermeiden.
Sowohl für die Entmischung und 3D-Rekonstruktion wird eine größere mindestens 600 Photonen aus jedem Bild in BAT erforderlich. Dazu werden große Binning (bin = 16), kleine Blenden (f = 1) und eine lange Messzeit (5 min) für jedes Bild benötigt.
Zusammenfassend die Nutzung der einzigartigen Lage und Form des BAT und die signifikant hohe Aufnahme von 18 F-FDG in BAT, zeigen wir, wie BAT bei Kleintieren kann optisch mit 18 F-FDG über die CLI-Technik abgebildet werden. Diese Methode kann zuverlässig für die Bildgebung BAT und für die Überwachung der BAT-Aktivierung verwendet werden. Zusätzlich haben wir auch, dass die Entmischung und 3D-RECO zeigennstruction sind praktikabel und 3D-Volumen Quantifizierung möglich ist für zukünftige Studien.
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 |