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.
Tessuto adiposo bruno (BAT) è un tessuto speciale per la termogenesi nei mammiferi, e una delle sue principali funzioni è quella di mantenere l'equilibrio energetico di tutto il corpo attraverso dissipare grandi quantità di sostanza chimica / energia degli alimenti sotto forma di calore 1. Caratteristiche più uniche BAT comprendono proteina-1 (UCP-1) espressione abbondante sganciamento, abbondanti piccole goccioline di olio, un gran numero di mitocondri in una singola cella, e significativa vascolarizzazione del tessuto 2-5. Queste caratteristiche uniche associano fortemente con il ruolo importante del tessuto nel metabolismo e l'energia spesa. BAT, considerata in precedenza non essere più presenti e in possesso di significative funzioni fisiologiche negli esseri umani adulti 1, tuttavia recenti studi di imaging PET / CT hanno chiaramente dimostrato che la BAT presenta ancora negli adulti umani 2,3,6-9. Una correlazione inversa tra massa BAT e indice di massa corporea (BMI) è stato istituito da diversi studi, e ristudi cent indicato che esercizi fisici potrebbero aumentare la massa di BAT. Questi risultati suggeriscono che la disfunzione di BAT è strettamente associato con le patologie di obesità e diabete 2,6,10,11. Inoltre, le prove di montaggio indica che la funzione di BAT è fortemente legata a varie altre patologie come le malattie neurodegenerative e il cancro 3,7,12,13.
Attivazione BAT, un processo per aumentare la termogenesi, può essere realizzato in varie condizioni, quali l'esposizione al freddo, esercizio fisico, e il trattamento farmacologico e la manipolazione genetica 1,14,15. Esposizione al freddo e il trattamento noradrenalina sono i metodi più utilizzati per attivare BAT. Freddo, che può essere rilevata da vari meccanismi, come termorecettori nella pelle, stimola nervi simpatici e porta al rilascio di noradrenalina (NE) a BAT. La NE rilasciato innesca UCP-1 per inizializzare la termogenesi per mantenere la temperatura corporea normale. Sotto questo conditi, l'assorbimento di glucosio aumenta anche per fornire ulteriori fonti di carbonio per l'aumento del metabolismo nella BAT 1,16,17. L'imaging PET con 18F-FDG ha confermato che l'assorbimento di glucosio marcato aumentato in condizioni di freddo in studi sull'uomo 6.
In termini di imaging ottico, BAT è un bersaglio ideale. Il interscapolare BAT ha una posizione unica nei topi, situato lontano dagli organi più grandi come il fegato, il cuore e lo stomaco. Pertanto, interferenze di segnale da questi grandi organi è insignificante (Figura 1a). Nel frattempo, la posizione bassa della BAT interscapolare permette più segnali di essere catturato dalla macchina fotografica di rilevazione. Inoltre, BAT è un organo di massa concentrata, che limita il segnale luminoso in alcune zone. Inoltre, l'unica forma fisica triangolare di BAT rende facile da distinguere da altri tessuti (Figura 1a).
Imaging Cerenkov luminescenza (CLI), un mol di recente è emersotecnologia di imaging ecular 18-26, sfrutta la luminescenza generata dal + e – decadimento dei radionuclidi quali 18 F e 131 io nel mezzo. La particella carica (come + e -) polarizza le molecole, mentre viaggia nel medio 18-20, e la luminescenza / luce viene emessa quando le molecole polarizzate rilassarsi di nuovo in equilibrio. La luminescenza emessa si chiama Cerenkov luminescenza (CL). Le proprietà uniche spettrali di CL comprendono il suo ampio spettro tutta la luce ultravioletta (UV) e spettro visibile 18-20, e la sua correlazione inversa tra l'intensità e il quadrato della lunghezza d'onda (λ 2). Entrambe le gamme UV e visibili della luce emessa può essere utilizzato per diverse applicazioni. La porzione UV di Cerenkov luminescenza è stata applicata per in vivo fotoattivazione di luciferina in gabbia 21, mentre la luce emessa nella lunghezza d'onda può essereutilizzato per in vivo imaging ottico 18,27-31.
Per i piccoli studi su animali, CLI di imaging con un sistema di imaging ottico è più veloce e più conveniente rispetto PET. Inoltre, CLI può essere applicato per alta throughput screening con un sistema di imaging dotata di elevata capacità di flusso. I vantaggi e gli svantaggi di questa tecnologia sono stati discussi in diverse recensioni 25,32,33. 3D tomografia di CLI è stato intensamente studiato in diversi gruppi 28,34-37, e le applicazioni di CLI per l'imaging endoscopico e l'imaging intraoperatorio è stato dimostrato con successo nei topi pure 30,38. Inoltre, Spinelli e Thorek et al. Hanno dimostrato che l'imaging CLI potrebbe essere applicato a soggetti umani, così la tecnologia ha anche il potenziale per le applicazioni cliniche 39, 40.
Nel corso della riscoperta di BAT nell'uomo, immagini PET chiaramente indicato che unnotevole quantità di 18 F-FDG accumulata nella BAT, a determinate condizioni 2,3,6. Inoltre, l'imaging PET con i topi anche senza dubbio dimostrato che la BAT può essere evidenziato con 18 F-FDG 41 42. In questo rapporto, si dimostra come Cerenkov luminescenza emessa da 18 F-FDG può essere utilizzato per l'imaging BAT nei piccoli animali con un sistema di imaging ottico. Il nostro approccio fornisce un metodo veloce, comodo ed economico delle BAT di imaging per piccoli animali. Questa tecnica può essere utilizzata come un metodo alternativo per l'imaging PET con 18F-FDG, specialmente per laboratori senza servizi PET.
Ricerca nel settore BAT è stata condotta da diversi decenni. In precedenza, era stato considerato di avere alcuna significativa rilevanza fisiologica durante l'età adulta umana 1. BAT Tuttavia, di recente su larga scala di imaging PET clinico con 18 F-FDG e altre indagini hanno confermato è ancora presente nella parte superiore del torace, collo e altre località in adulti 2,3. Studi recenti hanno suggerito che fortemente BAT svolge un ruolo importante nella obesità e diabete 2,6. Altre ricerche indicano anche che la BAT svolge ruoli importanti durante il processo di invecchiamento 12, e che la sua attività potrebbe essere rafforzato attraverso l'esercizio 10,44.
Sia negli studi clinici umani e di ricerca preclinica, l'imaging PET con 18 F-FDG è il metodo più utilizzato per lo studio BAT. Tuttavia, per gli studi preclinici su animali, il PET è generalmente molto più costoso di imaging ottico. In questo protocollo, dimostriamo che CLI con 18 F-FDG può essere applicato per l'imaging ottico BAT nei piccoli animali. Come altre tecniche di imaging ottico, limitazione tessuto penetrante e bassa sensibilità per gli obiettivi profondi sono i limiti intrinseci della CLI 25,32. Tuttavia, recentemente Spinelli et al. Hanno dimostrato che il segnale CLI decente potrebbe essere osservato con 10 mm di profondità di tessuto con 32 P 28,43, e Thorek et al. ha mostrato che 16 millimetri di penetrazione potrebbe essere raggiunto nei linfonodi di pazienti dopo 18 F-FDG iniezione 39, 40. Rispetto al PET, CLI può essere eseguita con un sistema di imaging costo relativamente basso. Recentemente, Thorek et al. Dimostrato che significativamente elevata sensibilità potrebbe essere realizzato con CLI basse quantità di 18 F-FDG accumulati (circa 2Ci) nei nodi di pazienti, 39. In vitro test 40 indica che il segnale CLI da 0,01 Ci 90Y era rilevabile in soluzione 25,32,33 </sup>. Inoltre, CLI ha anche il potenziale per alta risoluzione spaziale e la capacità di screening ad alto rendimento. Inoltre, CLI è facile da imparare e da usare.
Nel corso di esperimenti, abbiamo scoperto che CLI contrasto di BAT con 18 F-FDG è fortemente legato ai metodi di iniezione. L'iniezione endovenosa di 18 F-FDG in grado di fornire un eccellente contrasto per BAT interscapolare, mentre l'iniezione intraperitoneale con la stessa quantità di 18 F-FDG ha mostrato soltanto un contrasto debole nella zona BAT.
Unmixing spettrale, una tecnica molto pratico per separare due serie di segnali, è stato ampiamente utilizzato in imaging di fluorescenza. E 'ben noto che l'assorbimento di 18 F-FDG non è altamente specifico target, e diversi target / tessuti avere differenti proprietà di attenuazione della luce. Abbiamo trovato il picco dello spettro CLI di BAT è di circa 640 nm, e questo dato riflette i contesti reali di BAT. La ricostruzione 3D di questo protocol è molto operabile, perché può essere eseguita con un sistema di imaging ottico disponibile in commercio basata sulle proprietà diffusive di luce di diverse lunghezze d'onda. Con questo approccio, siamo in grado di evitare l'uso di un sistema di imaging specializzato che richiede multiple angolo di visione immagini per la ricostruzione in 3D.
Per entrambi unmixing spettrale e ricostruzione 3D, è necessario un maggiore minimo di 600 conteggi di fotoni da ogni immagine nella BAT. A tal fine, grande binning (bin = 16), piccola sosta f (f = 1) e un tempo di acquisizione lungo (5 min) sono necessari per ogni immagine.
In sintesi, sfruttando la posizione unica e la forma della BAT e significativamente elevato assorbimento di 18 F-FDG nel BAT, dimostriamo come BAT nei piccoli animali può essere otticamente ripreso con 18 F-FDG tramite la tecnica CLI. Questo metodo può essere utilizzato in modo affidabile per l'imaging BAT e per il controllo di attivazione BAT. Inoltre, abbiamo anche dimostrato che unmixing spettrale e Reco 3Dnstruction sono praticabili e volume 3D quantificazione è possibile per gli studi futuri.
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 |