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.
Бурой жировой ткани (ВАТ) является специальной ткани для термогенеза у млекопитающих, и одна из его основных функций для поддержания энергетического баланса всего тела за счет рассеивания большого количества химической энергии / тепла пищевых продуктов, как 1. Наиболее уникальные характеристики БАТ включают обильную разобщающее белок-1 (UCP-1) выражение, обильные мелкие капельки масла, большое количество митохондрий в одной клетке, и значительное васкуляризации в ткани 2-5. Эти уникальные особенности сильно ассоциируется с важной ролью виде ткани в обмен веществ и расход энергии. BAT Ранее считалось, не было больше нет и не имеющие никаких существенных физиологических функций у взрослых людей 1, однако недавние исследования изображений ПЭТ / КТ четко продемонстрировали, что BAT-прежнему представляет в человека взрослых 2,3,6-9. Обратная корреляция между ВАТ массы и индекса массы тела (ИМТ) был создан из нескольких исследований, и повторноцент исследования показали, что физические упражнения могут увеличить массу НДТ. Эти результаты убедительно показывают, что дисфункция BAT тесно связаны с патологиями ожирения и диабета 2,6,10,11. Кроме того, монтаж доказательств указывает на то, что функция BAT тесно связана с различными другими патологий, таких как нейродегенеративные заболевания и рака 3,7,12,13.
Активация БАТ, процесс увеличить термогенез, может быть достигнуто при различных условиях, таких как холодового воздействия, физических упражнений и лечения наркозависимости и генной инженерии 1,14,15. Холодный экспозиции и норадреналин лечение являются наиболее часто используемых способов активизации НИМ. Холодная, которая может воспринимать различные механизмы, такие как терморецепторами в коже, стимулирует симпатические нервы и приводит к высвобождению норадреналина (NE) НДТ. Выпущен СВ вызывает ОГП-1 для инициализации термогенез, чтобы поддерживать нормальную температуру тела. В соответствии с этим conditiна, поглощение глюкозы и повышает предоставить больше источников углерода для более активного обмена веществ в BAT 1,16,17. ПЭТ с 18F-ФДГ подтвердил, что поглощение меченой глюкозы увеличивается в холодных условиях в исследованиях на людях 6.
С точки зрения оптических изображений, НДТ является идеальной мишенью. Межлопаточная BAT имеет уникальное расположение у мышей, расположенный вдали от крупных органов, таких как печень, сердце и желудок. Поэтому, сигнал помехи от этих больших органов незначителен (Рисунок 1а). Между тем, мелкой расположение межлопаточной BAT позволяет более сигналов, которые будут захвачены камеры обнаружения. Кроме того, НДТ является сосредоточенная масса орган, который ограничивает световой сигнал в определенных областях. Кроме того, уникальная треугольная физическая форма НИМ позволяет легко отличить от других тканей (Рисунок 1а).
Томография Черенкова люминесценции (CLI), вновь появившийся мольecular технологий визуализации 18-26, использует свечение сгенерированный из + и – распада радионуклидов, таких как 18 F и 131 I в среде. Заряженная частица (например, + и -) поляризует молекулы в то время как он проходит в среднесрочной 18-20, и люминесценция / свет излучается, когда поляризованные молекулы расслабиться обратно в равновесии. Испускается люминесценции называется Черенкова Люминесценция (CL). Уникальные спектральные свойства CL включают его широкий спектр по всей ультрафиолетовой (УФ) и видимого спектра 18-20, и его обратную корреляцию между интенсивностью и квадрату длины волны (λ 2). Оба УФ и видимом диапазонах излучаемого света может быть использован для различных применений. УФ часть Черенкова люминесценции был применен для фотоактивации в естественных условиях в клетке люциферина 21, в то время как свет, излучаемый в большей длиной волны может бытьиспользуется для в естественных условиях оптических изображений 18,27-31.
Для небольших исследованиях на животных, CLI изображений с оптической системы быстрее и более экономически эффективным, чем ПЭТ. Кроме того, CLI могут быть применены для высокопроизводительного скрининга с системы формирования изображения, оснащенного высокой пропускной способностью. Преимущества и недостатки этой технологии были обсуждены в ряде обзоров 25,32,33. 3D томография CLI интенсивно изучался в нескольких группах 28,34-37, и приложения из командной строки для эндоскопической визуализации и интраоперационной визуализации успешно продемонстрирована на мышах, а 30,38. Кроме того, Спинелли и Thorek и соавт. Продемонстрировали, что изображения CLI могут быть применены к субъектам человека, таким образом, эта технология также имеет потенциал для клинического применения 39, 40.
В ходе повторного открытия БАТ у человека, ПЭТ изображения четко указано, чтозначительное количество 18 F-ФДГ накапливается в BAT при определенных условиях 2,3,6. Кроме того, ПЭТ с мышами также, несомненно, показал, что BAT может быть выделен с 18 F-ФДГ 41 42. В этом докладе мы покажем, как Черенкова люминесценции от 18 F-ФДГ может быть использована для формирования изображения BAT в мелких животных с помощью оптической системы формирования изображения. Наш подход обеспечивает быстрый, дешевый и удобный способ BAT изображений для мелких животных. Эта техника может использоваться в качестве альтернативного метода ПЭТ с 18 F-ФДГ, особенно для лабораторий без ПЭТ объектов.
Исследования, связанные с НДТ была проведена в течение нескольких десятилетий. Ранее были рассмотрены не оказывает существенного физиологического актуальность во время человеческого зрелом возрасте 1. Тем не менее, недавнее крупномасштабное клиническое ПЭТ с 18 F-ФДГ и другие исследования подтвердили BAT-прежнему присутствует в верхней части грудной клетки, шеи и других местах у взрослых 2,3. Недавние исследования убедительно показывают, что BAT играет важную роль в ожирении и сахарном 2,6. Другие исследования также показывают, что BAT играет важную роль в процессе старения 12 и что его деятельность может быть повышена с помощью упражнений 10,44.
И в клинических исследованиях на людях и доклинических исследований, ПЭТ с 18 F-ФДГ является наиболее широко используемым методом изучения НИМ. Тем не менее, для проведения доклинических исследований на животных, ПЭТ, как правило, гораздо дороже, чем оптических изображений. В этом протоколе, мы показываем, что CLЯ с 18 F-ФДГ может применяться для оптически BAT изображений в мелких животных. Как и другие методы оптических изображений, тканей проникающей ограничения и низкой чувствительности для глубоких целей являются внутренние ограничения CLI 25,32. Тем не менее, в последнее время Спинелли и др. Продемонстрировали, что достойный сигнал CLI можно было наблюдать с 10 мм глубиной ткани 32 Р 28,43, и Thorek др. показали, что 16 проникновения мм может быть достигнута в лимфатических узлах пациентов после 18 F-ФДГ инъекции 39, 40. По сравнению с ПЭТ, CLI может быть выполнена с помощью системы относительно низкой стоимости обработки изображений. Недавно Thorek др. Показали, что значительно высокая чувствительность может быть достигнута с CLI как низкие количества 18 F-ФДГ накопленные (о 2CI) в узлах больных 39, 40. В пробирке тестирования указали, что сигнал CLI от 0,01 Ки 90Y было обнаружить в растворе 25,32,33 </sдо>. Кроме того, CLI также имеет потенциал для высокого пространственного разрешения и способности к высокопроизводительного скрининга. Кроме того, CLI легко изучать и использовать.
В ходе экспериментов, мы обнаружили, что CLI контраст BAT с 18 F-ФДГ настоятельно связаны с методами инъекций. Внутривенное введение 18 F-ФДГ может обеспечить превосходный контраст для межлопаточной ВАТ, тогда как внутрибрюшинное введение с таким же количеством 18 F-ФДГ только показали слабый контраст в области ВАТ.
Спектральный расслоение, очень практичный метод, чтобы разделить два набора сигналов, широко используется в визуализации флуоресценции. Хорошо известно, что поглощение 18 F-ФДГ не сильно мишень-специфической, и различные целевые / ткани имеют различные свойства ослабления света. Мы обнаружили, что пик CLI спектра НДТ составляет около 640 нм, и эти данные отражены фактические контексты НДТ. 3D реконструкция этого прotocol очень работоспособность, так как она может быть выполнена с коммерчески доступной системы оптического изображения на основе легких диффузионных свойств различных длинах волн. При таком подходе, мы можем избежать использования специализированной системы обработки изображений, который требует нескольких угол зрения изображения для 3D реконструкции.
Для обоих спектральной расслоении и 3D реконструкции, больше минимум 600 фотоотсчетов из каждого изображения в BAT требуется. С этой целью, большой Биннинг (бен = 16), F небольшой упор (F = 1), и долгое время сбора (5 мин), необходимых для каждого изображения.
Таким образом, освоение уникальное расположение и форму BAT и значительно интенсивное поглощение 18 F-ФДГ в BAT, мы показали, как BAT в мелких животных можно оптически полученную с 18 F-ФДГ через технике CLI. Этот метод может быть надежно использованы для визуализации BAT и для мониторинга активации BAT. Кроме того, мы также продемонстрировать, что спектральный расслоение и 3D Reconstruction являются практически и 3D объем количественное возможно для будущих исследований.
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 |