非アルコール性脂肪性肝疾患の進行を評価するための新しい in vivo マイクロコンピュータ断層撮影イメージング技術
Summary
食事誘発性非アルコール性脂肪性肝疾患(NAFLD)マウスモデルを使用して、NAFLDの進行段階を評価するための非侵襲的方法としての新しい in vivo マイクロコンピューター断層撮影イメージング技術の使用について説明します、主に肝血管ネットワークに焦点を当てます NAFLD関連の肝調節不全に大きく関与しているため。
Abstract
非アルコール性脂肪性肝疾患(NAFLD)は世界的な健康問題であり、NAFLDの影響は、効果的な治療法の現在の欠如によって悪化しています。NAFLDのタイムリーで正確な診断(等級付けを含む)とモニタリング、および潜在的な治療法の開発を妨げるかなりの制限要因は、肝微小環境構造の特性評価と時空間的かつ非侵襲的な方法での疾患病期のスコアリングにおける現在の不十分さです。食餌誘発性NAFLDマウスモデルを用いて、NAFLDの進行段階を評価するための非侵襲的方法として、主に肝血管網に焦点を当て、in vivo マイクロコンピュータ断層撮影(CT)イメージング技術の使用を検討しましたNAFLD関連の肝調節不全に大きく関与しているため。このイメージング手法により、肝脂肪症と機能的組織取り込みの縦断的分析、および血管網の相対血液量、門脈直径、および密度の評価が可能になります。NAFLDの進行中の肝血管網の適応を理解し、これを提案された方法を使用して疾患の進行(脂肪症、炎症、線維症)を特徴付ける他の方法と相関させることは、マウスのNAFLD研究のための新しい、より効率的で再現性のあるアプローチの確立への道を開くことができます。このプロトコルはまた、疾患の進行に対する新しい治療法の開発を調査するための前臨床動物モデルの価値を向上させることが期待されています。
Introduction
非アルコール性脂肪性肝疾患(NAFLD)は、人口の約25%、病的肥満の人の>80%に影響を与える代謝性疾患です1。これらの個人の推定3分の1は、肝脂肪症、炎症、および線維症を特徴とする非アルコール性脂肪性肝炎(NASH)に進行します2。NASHは、肝硬変および肝細胞癌(HCC)の発症リスクが有意に高い疾患段階です3,4。このため、NASHは現在、肝移植の2番目に多い原因であり、まもなく肝移植の最も重要な予測因子になると予想されています5,6,7。その有病率と重症度にもかかわらず、NAFLDには疾患特異的な治療法はなく、既存の治療法はインスリン抵抗性や高脂血症などの疾患に関連する病状に取り組むことのみを目的としています5,6。
近年、内皮、そして一般に脂肪組織や肝臓などの代謝組織の血管網の病態生理学的役割と適応は、特に肥満や代謝調節不全の間に、研究においてより重要性を増しています7,8。内皮は、血管網を内部に裏打ちする細胞単層であり、機能的および構造的障壁として作用する。また、血栓症、代謝産物輸送、炎症、血管新生などのさまざまな生理学的および病理学的プロセスにも寄与します9,10。肝臓の場合、血管網は、とりわけ、肝臓類洞内皮細胞(LSEC)として定義される高度に特殊化された細胞の存在によって特徴付けられる。これらの細胞は基底膜を欠いており、複数のフェネストラを持っているため、血液と肝実質の間で基質を簡単に移動できます。LSECは、その独特の解剖学的位置と特徴により、NAFLD / NASH中の肝臓の炎症や線維症の発症など、肝臓の病態生理学的プロセスにおいて重要な役割を果たす可能性があります。実際、LSECがNAFLDの過程で受ける病理学的、分子的、および細胞の適応は、疾患の進行に寄与します11。具体的には、NAFLD中に起こるLSEC依存性肝血管新生は、炎症の発症およびNASHまたはHCC12への疾患の進行に有意に関連している。さらに、肥満関連の早期NAFLDは、LSECにおけるインスリン抵抗性の発症を特徴とし、これは肝炎症または他の進行したNAFLD徴候の発症に先行します13。
さらに、LSECは最近、いくつかの病因の肝疾患における肝血流および血管網適応の中心的な調節因子として浮上しています14,15。実際、慢性肝疾患は、顕著な肝内血管収縮および血流に対する抵抗の増加を特徴とし、門脈圧亢進症の発症に寄与する16。NAFLDの場合、いくつかのLSEC関連のメカニズムがこの現象に寄与しています。例えば、上述のように、LSEC特異的インスリン抵抗性は、肝血管系のインスリン依存性血管拡張の減少と関連している13。その上、疾患の経過にわたって、肝血管系は血管収縮剤に対してより敏感になり、さらに肝血流の障害に寄与し、剪断ストレスの出現をもたらし、どちらも正弦波微小循環の破壊をもたらす17。これらの事実は、血管系が肝疾患の重要な標的であることを示唆しています。それにもかかわらず、NAFLD / NASHのタイムリーな診断とモニタリング、および潜在的な治療法の開発を妨げる制限要因は、肝臓微小環境と(微小)血管構造の一貫した特徴付け、および時空間的および非侵襲的な方法での疾患段階のスコアリングの不十分さです。
マイクロコンピュータ断層撮影(CT)イメージングは、現在、生体内の解剖学的情報を正確に描写するためのゴールドスタンダードの非侵襲的イメージング方法です。マイクロCTとMRIは、広範囲の病状をカバーし、画像化された構造と組織に並外れた解像度と詳細を提供できる2つの補完的なイメージング方法を表しています。特にマイクロCTは非常に高速で正確なツールであり、骨疾患や関連する骨表面変化18などの病状の研究、経時的な肺線維症の進行の評価19、肺がんとその病期分類の診断20、さらには歯科病理21の検査によく使用されます。
マイクロCTのイメージング技術は、X線と物質との相互作用に関して、さまざまな臓器のさまざまな減衰特性に基づいています。X線減衰の差が大きい臓器は、CT画像で高コントラストで描かれています(つまり、肺は暗く見え、骨は明るく見えます)。非常に類似した減衰特性を示す器官(異なる軟部組織)は、CT画像22上で区別することが困難である。この制限に対処するために、ヨウ素、金、およびビスマスに基づく特殊な造影剤が、 in vivo での使用について広く研究されています。これらの薬剤は、それらが蓄積する組織の減弱特性を変化させ、循環からゆっくりと除去され、血管系全体または選択された組織の均一かつ安定した混濁を可能にする23。
ヒト診断において、CT画像およびMRI由来のプロトン密度脂肪画分などの同等の技術は、肝脂肪含有量の測定にすでに使用されている24,25。NAFLDの文脈では、病理学的病変または小血管を正確に区別するために、高い軟部組織コントラストが不可欠です。この目的のために、肝臓組織特性の増強されたコントラストを提供する造影剤が利用される。このようなツールと材料は、血管網の構造と密度、脂質沈着/脂肪症、肝臓における機能的組織の取り込み/脂質(カイロミクロン)移動など、複数の肝臓の特徴と可能な病理発現の研究を可能にします。さらに、肝相対血液量および門脈直径も評価することができる。非常に短いスキャン時間で、これらすべてのパラメーターは、NAFLDの評価と進行に関する異なる補完的な情報を提供し、非侵襲的で詳細な診断を開発するために使用できます。
この記事では、NAFLDの進行段階を評価するための非侵襲的方法として、新しい in vivo マイクロCTイメージング技術を使用するための段階的なプロトコルを提供します。このプロトコルを使用して、肝脂肪症および機能的組織取り込みの縦断的分析、ならびに相対血液量、門脈直径、および血管網の密度の評価を、肝疾患のマウスモデルに実行および適用できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
ヒトにおけるNAFLDの診断と病期分類に現在推奨されている方法は肝生検であり、出血の複雑さのリスクとサンプリングの不正確さを伴います40。それどころか、動物モデルでは、そのような診断は死後の組織学によって行われますが、生存可能な肝生検のプロトコルは現在利用可能であり、研究デザインが許可されている場合に推奨されます41。死後組織学?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
図 1 は BioRender.com を使用して作成しました。この作業は、ギリシャ研究イノベーション財団(#3222からA.C.)によってサポートされました。アンナ・ハジハンビは、肝臓研究財団のロジャーウィリアムズ肝臓研究所から資金提供を受けています。
Materials
| eXIA160 | Binitio Biomedical, Inc. | https://www.binitio.com/?Page=Products | |
| High fat diet with 60% of kilocalories from fat | Research Diets, New Brunswick, NJ, USA | D12492 | |
| High-fructose corn syrup | Best flavors, CA | hfcs-1gallon | |
| Lacrinorm ophthalmic ointment | Bausch & Lomb | ||
| Normal diet with 10% of kilocalories from fat | Research Diets, New Brunswick, NJ, USA | D12450 | |
| Viscover ExiTron nano 12000 | Milteny Biotec, Bergisch Gladbach, Germany | 130-095-698 | |
| VivoQuant | Invicro | ||
| X-CUBE | Molecubes, Belgium | https://www.molecubes.com/systems/ |
Referências
- Lazarus, J. V., et al. Advancing the global public health agenda for NAFLD: A consensus statement. Nature Reviews. Gastroenterology & Hepatology. 19 (1), 60-78 (2022).
- Takahashi, Y., Fukusato, T. Histopathology of non-alcoholic fatty liver disease/non-alcoholic steatohepatitis. World Journal of Gastroenterology. 20 (42), 15539-15548 (2014).
- Huang, D. Q., El-Serag, H. B., Loomba, R. Global epidemiology of NAFLD-related HCC: Trends, predictions, risk factors and prevention. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. 18 (4), 223-238 (2021).
- Niederseer, D., Wernly, B., Aigner, E., Stickel, F., Datz, C. NAFLD and cardiovascular diseases: Epidemiological, mechanistic and therapeutic considerations. Journal of Clinical Medicine. 10 (3), 467 (2021).
- Lefere, S., et al. Differential effects of selective- and pan-PPAR agonists on experimental steatohepatitis and hepatic macrophages. Journal of Hepatology. 73 (4), 757-770 (2020).
- Chrysavgis, L., Papatheodoridi, A. M., Chatzigeorgiou, A., Cholongitas, E. The impact of sodium glucose co-transporter 2 inhibitors on non-alcoholic fatty liver disease.Journal of Gastroenterology and Hepatology. Journal of Gastroenterology and Hepatology. 36 (4), 893-909 (2021).
- Li, M., Qian, M., Xu, J. Vascular endothelial regulation of obesity-associated insulin resistance. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 4, 51 (2017).
- Pi, X., Xie, L., Patterson, C. Emerging roles of vascular endothelium in metabolic homeostasis. Circulation Research. 123 (4), 477-494 (2018).
- Chiu, J. J., Chien, S. Effects of disturbed flow on vascular endothelium: Pathophysiological basis and clinical perspectives. Physiological Reviews. 91 (1), 327-387 (2011).
- Koyama, Y., Brenner, D. A. Liver inflammation and fibrosis. The Journal of Clinical Investigation. 127 (1), 55-64 (2017).
- Nasiri-Ansari, N., et al. Endothelial cell dysfunction and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD): A concise review. Cells. 11 (16), 2511 (2022).
- Lefere, S., et al. Angiopoietin-2 promotes pathological angiogenesis and is a therapeutic target in murine non-alcoholic fatty liver disease. Hepatology. 69 (3), 1087-1104 (2019).
- Pasarin, M., et al. Insulin resistance and liver microcirculation in a rat model of early NAFLD. Journal of Hepatology. 55 (5), 1095-1102 (2011).
- Hammoutene, A., Rautou, P. E. Role of liver sinusoidal endothelial cells in non-alcoholic fatty liver disease. Journal of Hepatology. 70 (6), 1278-1291 (2019).
- Sun, X., Harris, E. N. New aspects of hepatic endothelial cells in physiology and non-alcoholic fatty liver disease. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 318 (6), C1200-C1213 (2020).
- Iwakiri, Y., Shah, V., Rockey, D. C. Vascular pathobiology in chronic liver disease and cirrhosis – current status and future directions. Journal of Hepatology. 61 (4), 912-924 (2014).
- Baffy, G. Origins of portal hypertension in non-alcoholic fatty liver disease. Digestive Diseases and Sciences. 63 (3), 563-576 (2018).
- Ruhli, F. J., Kuhn, G., Evison, R., Muller, R., Schultz, M. Diagnostic value of micro-CT in comparison with histology in the qualitative assessment of historical human skull bone pathologies. American Journal of Physical Anthropology. 133 (4), 1099-1111 (2007).
- Rodt, T., et al. Micro-computed tomography of pulmonary fibrosis in mice induced by adenoviral gene transfer of biologically active transforming growth factor-beta1. Respiratory Research. 11 (1), 181 (2010).
- Deng, L., Xiao, S. M., Qiang, J. W., Li, Y. A., Zhang, Y. Early lung adenocarcinoma in mice: Micro-computed tomography manifestations and correlation with pathology. Translational Oncology. 10 (3), 311-317 (2017).
- Feng, J., et al. Abnormalities in the enamel in bmp2-deficient mice. Cells, Tissues, Organs. 194 (2-4), 216-221 (2011).
- Kagadis, G. C., Loudos, G., Katsanos, K., Langer, S. G., Nikiforidis, G. C. In vivo small animal imaging: current status and future prospects. Medical Physics. 37 (12), 6421-6442 (2010).
- Starosolski, Z., et al. Ultra high-resolution in vivo computed tomography imaging of mouse cerebrovasculature using a long circulating blood pool contrast agent. Scientific Reports. 5, 10178 (2015).
- Caussy, C., Reeder, S. B., Sirlin, C. B., Noninvasive Loomba, R. quantitative assessment of liver fat by MRI-PDFF as an endpoint in NASH trials. Hepatology. 68 (2), 763-772 (2018).
- Lubura, M., et al. Non-invasive quantification of white and brown adipose tissues and liver fat content by computed tomography in mice. PLoS One. 7 (5), e37026 (2012).
- Perciedu Sert, N., et al. The ARRIVE guidelines 2.0: Updated guidelines for reporting animal research. PLoS Biology. 18 (7), e3000410 (2020).
- Tetri, L. H., Basaranoglu, M., Brunt, E. M., Yerian, L. M., Neuschwander-Tetri, B. A. Severe NAFLD with hepatic necroinflammatory changes in mice fed trans fats and a high-fructose corn syrup equivalent. American Journal of Physiology. Gastrointestinal and Liver Physiology. 295 (5), G987-G995 (2008).
- Machado, M. V., et al. Mouse models of diet-induced non-alcoholic steatohepatitis reproduce the heterogeneity of the human disease. PLoS One. 10 (5), 0127991 (2015).
- Jensen, T., et al. Fructose and sugar: A major mediator of non-alcoholic fatty liver disease. Journal of Hepatology. 68 (5), 1063-1075 (2018).
- Nevzorova, Y. A., Boyer-Diaz, Z., Cubero, F. J., Gracia-Sancho, J. Animal models for liver disease – A practical approach for translational research. Journal of Hepatology. 73 (2), 423-440 (2020).
- De Rudder, M., et al. Automated computerized image analysis for the user-independent evaluation of disease severity in preclinical models of NAFLD/NASH. Laboratory Investigation. 100 (1), 147-160 (2020).
- Willekens, I., et al. Time-course of contrast enhancement in spleen and liver with Exia 160, Fenestra LC, and VC. Molecular Imaging and Biology. 11 (2), 128-135 (2009).
- Das, N. M., et al. In vivo quantitative microcomputed tomographic analysis of vasculature and organs in a normal and diseased mouse model. PLoS One. 11 (2), e0150085 (2016).
- Ehling, J., et al. CCL2-dependent infiltrating macrophages promote angiogenesis in progressive liver fibrosis. Gut. 63 (12), 1960-1971 (2014).
- Zhang, J., et al. Gamna-Gandy bodies of the spleen detected with susceptibility weighted imaging: maybe a new potential non-invasive marker of esophageal varices. PLoS One. 8 (1), e55626 (2013).
- Chen, Y., Li, J., Zhou, Q., Lyu, G., Li, S. Detection of liver and spleen stiffness in rats with portal hypertension by two-dimensional shear wave elastography. BMC Medical Imaging. 22 (1), 68 (2022).
- Lessa, A. S., et al. Ultrasound imaging in an experimental model of fatty liver disease and cirrhosis in rats. BMC Veterinary Research. 6, 6 (2010).
- Abikhzer, G., Alabed, Y. Z., Azoulay, L., Assayag, J., Rush, C. Altered hepatic metabolic activity in patients with hepatic steatosis on FDG PET/CT. AJR. American Journal of Roentgenology. 196 (1), 176-180 (2011).
- Newman, E. M., Rowland, A. A physiologically based pharmacokinetic model to predict the impact of metabolic changes associated with metabolic associated fatty liver disease on drug exposure. International Journal of Molecular Sciences. 23 (19), 11751 (2022).
- Tsai, E., Lee, T. P. Diagnosis and evaluation of non-alcoholic fatty liver disease/non-alcoholic steatohepatitis, including noninvasive biomarkers and transient elastography. Clinics in Liver Disease. 22 (1), 73-92 (2018).
- Oldham, S., Rivera, C., Boland, M. L., Trevaskis, J. L. Incorporation of a survivable liver biopsy procedure in mice to assess non-alcoholic steatohepatitis (NASH) resolution. Journal of Visualized Experiments. 146, e59130 (2019).
- Boll, H., et al. Comparison of Fenestra LC, ExiTron nano 6000, and ExiTron nano 12000 for micro-CT imaging of liver and spleen in mice. Academic Radiology. 20 (9), 1137-1143 (2013).
- Ashton, J. R., West, J. L., Badea, C. T. In vivo small animal micro-CT using nanoparticle contrast agents. Frontiers in Pharmacology. 6, 256 (2015).
- Rothe, J. H., et al. Time course of contrast enhancement by micro-CT with dedicated contrast agents in normal mice and mice with hepatocellular carcinoma: Comparison of one iodinated and two nanoparticle-based agents. Academic Radiology. 22 (2), 169-178 (2015).
- Toczek, J., et al. Computed tomography imaging of macrophage phagocytic activity in abdominal aortic aneurysm. Theranostics. 11 (12), 5876-5888 (2021).
- Mannheim, J. G., et al. Comparison of small animal CT contrast agents. Contrast Media & Molecular Imaging. 11 (4), 272-284 (2016).
