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.
בראון רקמת שומן (BAT) הוא רקמה מיוחדת לתרמוגנזה ביונקים, ואחד מהתפקידים המרכזיים שלה הוא לשמור על מאזן האנרגיה של הגוף כולו דרך מתפוגג כמויות גדולות של חומר כימי / אנרגיית מזון כחום 1. המאפיינים הייחודיים ביותר של BAT כוללים ביטוי בשפע שחרר את סוגר חלבון-1 (UCP-1), טיפות שמן קטנות בשפע, מספר גדול של מיטוכונדריה בתא בודד, וכלי דם משמעותיים ברקמה 2-5. תכונות ייחודיות אלה חזקים לקשר עם התפקיד החשוב של הרקמה בהוצאה חילוף חומרים ואנרגיה. BAT שנחשב בעבר לכבר לא יהיה נוכח ולא ניחן בשום פונקציות פיסיולוגיות משמעותיות בבני האדם מבוגרים 1, לעומת זאת חקירות הדמיה PET / CT האחרונות הראו בבירור כי BAT עדיין מציג במבוגרים אדם 2,3,6-9. קשר הפוך בין מסת BAT ומדד מסת גוף (BMI) הוקם מכמה מחקרים, ומחדשמחקרי הסנט הצביעו על כך שפעילות גופנית יכולה להגדיל את המסה של BAT. תוצאות אלה מרמזות בבירור שהתפקוד הלקוי של BAT קשור באופן הדוק עם פתולוגיות של השמנת יתר וסוכרת 2,6,10,11. בנוסף, גובר ראיות מצביעה על כך שהפונקציה של BAT קשורה מאוד לפתולוגיות שונות אחרות כגון מחלת סרטן ו3,7,12,13 ניווניות.
הפעלת BAT, תהליך להגדיל תרמוגנזה, ניתן להשיג בתנאים שונים, כגון חשיפה לקור, פעילות גופנית, וטיפול תרופתי ומניפולציה גנטית 1,14,15. חשיפה לקור וטיפול נוראפינפרין הם השיטות הנפוצות ביותר להפעלת BAT. קר, שניתן לחוש על ידי מנגנונים שונים, כגון thermoreceptors בעור, מגרה את עצבים הסימפתטית וגורם לשחרור של נוראפינפרין (NE) לבת. NE שוחרר מפעיל UCP-1 כדי לאתחל תרמוגנזה כדי לשמור על טמפרטורת הגוף הנורמלית. תחת מיזוג זהב, את הספיגה של גלוקוז גם מגדילה לספק יותר מקורות פחמן לחילוף החומרים מוגברים בBAT 1,16,17. ההדמיה PET עם 18F-FDG אישרה כי הספיגה של גלוקוז שכותרתו גדלה בתנאים קרים במחקרים בבני אדם 6.
במונחים של הדמיה אופטית, BAT הוא יעד אידיאלי. יש BAT interscapular מיקום ייחודי בעכברים, הממוקם במרחק של איברים גדולים כמו הכבד, לב, ובבטן. לכן, התערבות אות מאיברים הגדולים אלה היא (איור 1 א) לא משמעותי. בינתיים, המיקום הרדוד של BAT interscapular מאפשר יותר לאותות להיות שנתפס על ידי המצלמה הגילוי. יתר על כן, BAT הוא איבר מסה מרוכז, אשר מגביל את אות האור באזורים מסוימים. בנוסף, הכושר הגופני המשולש הייחודי של BAT עושה את זה קל להבחין בין רקמות אחרות (איור 1 א).
הדמיה הארה Cerenkov (CLI), mol יצא זה עתהטכנולוגיית ההדמיה ecular 18-26, רותמת את הארה שנוצרה מ+ ו– הדעיכה של אטומים רדיואקטיביים כגון 18 F ו131 אני במדיום. החלקיק הטעון (כגון + ו -) מקטב מולקולות בזמן שהוא נוסע ב18-20 הבינוני, והארה / אור נפלט כאשר המולקולות המקוטבות להירגע חזרה לשיווי משקל. הארה הנפלטת נקראת Cerenkov ההארה (CL). התכונות ספקטרליות הייחודיות של CL כוללות ספקטרום הרחב שלה בכל רחבי אולטרה סגול (UV) וספקטרום הנראה 18-20, והקשר ההפוך שלה בין העצמה והמרובעת של אורך הגל (λ 2). שני טווחי UV ונראים לעין של האור הנפלט יכולים להיות מנוצלים עבור יישומים שונים. חלק UV של הארה Cerenkov כבר הגיש בקשה לphotoactivation in vivo של וציפרין בכלוב 21, בעוד האור הנפלט באורך הגל הארוך יותר יכול להיותמשמש לin vivo הדמיה אופטית 18,27-31.
למחקרים בבעלי חיים קטנים, ההדמיה CLI עם מערכת הדמיה אופטית היא מהירה יותר ויותר וחסכוני יותר PET. יתר על כן, CLI יכול להיות מיושם להקרנת תפוקה גבוהה עם מערכת הדמיה מצוידת בקיבולת תפוקה גבוהה. היתרונות והחסרונות של טכנולוגיה זו כבר נדונו במספר ביקורות 25,32,33. טומוגרפיה 3D של CLI נחקרה באינטנסיביות במספר קבוצות 28,34-37, והיישומים של CLI הדמיה אנדוסקופית והדמיה תוך ניתוחית הוכחו בהצלחה בעכברים, כמו גם 30,38. בנוסף, ספינלי וThorek et al. הוכיחו כי ההדמיה CLI יכולה להיות מיושמת על בני אדם, ובכך הטכנולוגיה יש גם פוטנציאל עבור יישומים קליניים 39, 40.
במהלך הגילוי מחדש של BAT בבני אדם, תמונות חיות מחמד הצביעו על כך שבבירורכמות משמעותית של 18 F-FDG שנצברה בBAT תחת 2,3,6 תנאים מסוימים. בנוסף, בבדיקת PET עם עכברים גם ללא ספק הראתה כי BAT יכול להיות מודגש עם 18 F-FDG 41 42. בדו"ח זה, אנו מדגימים כיצד הארה Cerenkov נפלטת מ18 F-FDG יכולה להיות מנוצלת עבור BAT הדמיה בחיות קטנות באמצעות מערכת הדמיה אופטית. הגישה שלנו מספקת שיטה מהירה, זולה ונוחה של ההדמיה BAT לבעלי חיים קטנים. טכניקה זו יכולה לשמש כחלופה לשיטת הדמיה PET עם 18 F-FDG, במיוחד למעבדות ללא מתקני PET.
מחקר הקשורים לBAT נערך במשך כמה עשורים. בעבר, זה היה נחשב לבעל אין רלוונטי פיסיולוגי משמעותית במהלך הבגרות אנושית 1. BAT עם זאת, ההדמיה האחרונה בקנה מידה גדולה קלינית PET עם 18 F-FDG וחקירות אחרות אישרו עדיין קיים בחזה העליון, הצוואר ומקומות אחרים במבוגרים 2,3. מחקרים שנעשו לאחרונה מומלץ בחום שBAT ממלא תפקיד חשוב ב2,6 השמנת יתר והסוכרת. מחקרים אחרים מצביעים על כך שגם BAT ממלא תפקידים חשובים בתהליך של הזדקנות 12 ושהפעילות שלה יכולה להיות משופרת באמצעות פעילות גופנית 10,44.
גם במחקרים בבני אדם קליניים ומחקר פרה קליני, בבדיקת PET עם 18 F-FDG היא השיטה הנפוצה ביותר ללימודי BAT. עם זאת, למחקרים בבעלי חיים פרה קליניים, PET הוא בדרך כלל הרבה יותר יקר מאשר הדמיה אופטית. בפרוטוקול זה, אנו מראים כי CLאני עם 18 F-FDG יכול להיות מיושם על BAT הדמיה אופטי בבעלי חיים קטנים. כמו טכניקות אופטיות אחרות הדמיה, הגבלת רקמות חודרות ורגישות נמוכה למטרות עמוקות הם המגבלות הפנימיות של CLI 25,32. עם זאת, לאחרונה ספינלי et al. הוכיח כי אות CLI הגונה יכולה להיבחן עם עומק רקמה 10 מ"מ עם 32 P 28,43, וThorek et al. הראה כי חדירת מ"מ 16 ניתן להשיג בבלוטות הלימפה של חולים לאחר הזרקת 18 F-FDG 39, 40. בהשוואה להדמית PET, CLI ניתן לבצע עם מערכת הדמיה העלות נמוכה יחסית. לאחרונה, Thorek et al. הוכיחו כי גבוהה באופן משמעותי את הרגישות ניתן להשיג עם CLI כמויות נמוכות של 18 F-FDG שנצברו (כ 2Ci) בצומת של חולים 39, 40 בדיקות. במבחנה הראו שאות CLI מ0.01 Ci 90Y הייתה לזיהוי ב25,32,33 פתרון </sעד>. יתר על כן, CLI יש גם הפוטנציאל לרזולוציה מרחבית גבוהה והיכולת להקרנת תפוקה גבוהה. בנוסף, CLI הוא קל ללמוד ולהשתמש.
במהלך ניסויים, מצאנו כי בניגוד CLI של BAT עם 18 F-FDG קשור מאוד לשיטות ההזרקה. הזרקה תוך ורידית של 18 F-FDG יכולה לספק ניגוד מצוין לBAT interscapular, תוך זריקת intraperitoneal עם אותה הכמות של 18 F-FDG הראה לעומת זאת חלש באזור BAT.
unmixing ספקטרלי, טכניקה מעשית מאוד כדי להפריד בין שתי קבוצות של אותות, כבר בשימוש נרחב בדימות פלואורסצנטי. זה ידוע היטב כי הספיגה של 18 F-FDG לא היעד ספציפי מאוד, ומטרות שונות / רקמות בעלי תכונות הנחתה אור שונות. מצאנו השיא של ספקטרום CLI של BAT הוא סביב 640 ננומטר, והנתונים אלה משקפים את ההקשרים בפועל של BAT. שחזור 3D של יחסי ציבור זהotocol מאוד מפורמט, כי זה יכול להתבצע עם מערכת הדמיה אופטית זמינה מסחרי המבוססת על מאפייני diffusive אור באורכי גל שונים. עם גישה זו, אנו יכולים להימנע מהשימוש במערכת הדמיה מיוחדת שדורשת להציג תמונות זווית מרובה לשחזור 3D.
עבור שניהם unmixing הרפאים ושחזור 3D, נדרש מינימום גבוה יותר של 600 ספירת פוטון מכל תמונה בBAT. לשם כך, binning הגדולה (בן = 16), תחנה קטנה f (f = 1) וזמן רב רכישה (5 דקות) יש צורך עבור כל תמונה.
לסיכום, רתימת המיקום ייחודי וצורה של BAT וגבוהה באופן משמעותי את ספיגת של 18 F-FDG בBAT, אנו מדגימים כיצד BAT בבעלי חיים קטנים ניתן הדמיה אופטית עם 18 F-FDG באמצעות טכניקת CLI. שיטה זו יכולה לשמש באופן מהימן לBAT הדמיה ומעקב אחר הפעלת BAT. בנוסף, אנחנו גם מראים כי unmixing הרפאים וRECO 3Dnstruction הם מעשיים וכימות 3D נפח אפשרי למחקרים עתידיים.
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 |