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.
Brunt fedtvæv (BAT) er en speciel væv for termogenese i pattedyr, og en af sine vigtigste opgaver er at opretholde energibalancen af hele kroppen gennem sprede store mængder af kemisk / mad energi som varme 1. BAT mest unikke egenskaber omfatter rigelige frakobling protein-1 (UCP-1) ekspression, rigelige små oliedråber, et stort antal af mitokondrier i en enkelt celle, og betydelig vaskularisering i vævet 2-5. Disse unikke funktioner stærkt associere med vævet vigtige rolle i stofskiftet og energi udgifter. BAT blev tidligere anset for at være ikke længere til stede, og besidder ingen væsentlige fysiologiske funktioner hos voksne mennesker 1, har dog de seneste PET / CT imaging undersøgelser viste klart, at BAT stadig præsenterer i voksne mennesker 2,3,6-9. En omvendt korrelation mellem BAT masse og body mass index (BMI) blev etableret fra flere undersøgelser, og recent undersøgelser indikerede, at fysiske øvelser kan øge massen af BAT. Disse resultater tyder på, at dysfunktion af BAT stramt er forbundet med patologier i fedme og diabetes 2,6,10,11. Hertil kommer, at stærke beviser indikerer, at funktionen af BAT er stærkt relateret til forskellige andre sygdomme såsom neurodegenerative sygdomme og kræft 3,7,12,13.
BAT-aktivering, en proces at øge termogenese, der kan opnås under forskellige betingelser såsom kulde eksponering, motion og medicinsk behandling og genmanipulation 1,14,15. Kolde eksponering og noradrenalin behandling er de mest anvendte metoder til at aktivere BAT. Kold, som kan afføles ved hjælp af forskellige mekanismer som thermoreceptors i huden, stimulerer sympatiske nerver og fører til frigivelse af noradrenalin (NE) BAT. Den frigivne NE udløser UCP-1 at initialisere termogenese at opretholde den normale kropstemperatur. Under denne conditipå, at optagelsen af glukose øger også at give mere kulstof kilder til øget metabolisme i BAT 1,16,17. PET-billeddannelse med 18F-FDG har bekræftet, at optagelsen af mærket glukose steg under kolde forhold i humane studier 6.
Med hensyn til optisk billeddannelse, BAT er et ideelt mål. Den interscapular BAT har en unik beliggenhed i mus, der ligger væk fra større organer såsom lever, hjerte og mave. Derfor signalforstyrrelser fra disse store organer er ubetydelig (figur 1a). I mellemtiden, den lavvandede placering interscapular BAT giver flere signaler for at blive taget til fange af påvisning kamera. Endvidere er BAT en koncentreret masse orgel, der begrænser lyssignalet på visse områder. Derudover unikke trekantede fysisk form af BAT gør det let at skelne fra andre væv (figur 1a).
Cerenkov luminescens billeddannelse (CLI), en nyopstået molecular imaging-teknologi 18-26, udnytter luminescens genereres fra + og – henfald af radionuklider såsom 18 F og 131 I i mediet. Den ladet partikel (som + og -) polariserer molekyler, mens det bevæger sig på mellemlang 18-20, og luminescens / lys der udsendes, når polariserede molekyler slappe tilbage til ligevægt. Den udsendte luminescens kaldes Cerenkov Luminescence (CL). De unikke spektrale egenskaber for CL omfatter dets brede spektrum hele ultraviolet (UV) og synligt spektrum 18-20, og dens inverse korrelation mellem intensiteten og kvadratet af bølgelængden (λ 2). Begge UV og synlige områder af det udsendte lys kan anvendes til forskellige anvendelser. UV del af Cerenkov luminescens er blevet anvendt til in vivo fotoaktivering af bur luciferin 21, mens det udsendte lys i længere bølgelængde kan væreanvendes til in vivo optisk billeddannelse 18,27-31.
For små dyreforsøg CLI billeddannelse med et optisk billeddannelse system er hurtigere og mere omkostningseffektive end PET. Desuden kan CLI anvendes til high throughput screening med et billedbehandlingssystem udstyret med high throughput kapacitet. De fordele og ulemper ved denne teknologi er blevet drøftet i flere anmeldelser 25,32,33. 3D tomografi af CLI er blevet intensivt undersøgt i flere grupper 28,34-37, og anvendelser af CLI for endoskopisk billeddannelse og intraoperativ billeddannelse med succes er blevet påvist i mus, samt 30,38. Desuden har Spinelli og Thorek et al. Påvist, at CLI billeddannelse kan anvendes til mennesker, således teknologien har også potentiale til kliniske applikationer 39, 40.
I løbet af genopdagelsen af BAT i mennesker, PET billeder klart tilkendegivet, at enbetydelig mængde af 18 F-FDG akkumuleret i BAT under visse betingelser 2,3,6. Desuden PET-billeddannelse med mus uden tvivl også vist, at BAT kan fremhæves med 18 F-FDG 41 42. I denne rapport, viser vi, hvordan Cerenkov luminescens udsendes fra 18 F-FDG kan udnyttes til billeddannelse BAT i små dyr ved hjælp af et optisk billeddannelse system. Vores tilgang giver en hurtig, billig og bekvem metode til BAT billeddannelse til smådyr. Denne teknik kan anvendes som en alternativ metode til PET-billeddannelse med 18F-FDG, især for laboratorier uden PET faciliteter.
Forskning vedrørende BAT er blevet gennemført i flere årtier. Tidligere havde det været anset for at have nogen væsentlig fysiologisk relevans under human voksenalderen 1. Imidlertid har de seneste storstilet klinisk PET-billeddannelse med 18 F-FDG og andre undersøgelser bekræftet BAT er stadig til stede i den øvre bryst, nakke og andre steder i voksne 2,3. Nylige undersøgelser har kraftigt antydet, at BAT spiller en vigtig rolle i fedme og diabetes 2,6. Anden forskning viser også, at BAT spiller vigtige roller i processen med aldrende 12, og at dets aktivitet kunne styrkes gennem motion 10,44.
Både i de kliniske forsøg med mennesker og prækliniske forskning, PET-billeddannelse med 18 F-FDG er den mest anvendte metode til at studere BAT. Men for prækliniske dyreforsøg PET er generelt meget dyrere end optisk billeddannelse. I denne protokol, viser vi, at CLJeg med 18 F-FDG kan anvendes til optisk billeddannelse BAT i små dyr. Ligesom andre optiske billeddannende teknikker, vævspenetrerende begrænsning og lav følsomhed til dybe mål er iboende begrænsninger CLI 25,32. Ikke desto mindre, for nylig vist, Spinelli m.fl.., At anstændigt CLI signal kunne observeres med 10 mm vævsdybde med 32p 28,43, og Thorek et al. viste, at 16 mm indtrængen kunne opnås i lymfeknuder af patienterne efter 18 F-FDG injektion 39, 40. I forhold til PET-billeddannelse, kan CLI udføres med en relativt lav pris imaging system. For nylig Thorek et al. Viste, at signifikant høj følsomhed kan opnås med CLI så lave mængder af 18F-FDG akkumulerede (ca. 2CI) i kirtler i patienten 39, 40. In vitro forsøg indikerede, at CLIP-signalet fra 0,01 Ci 90Y var detekteres i opløsning 25,32,33 </sop>. Desuden CLI har også potentiale til høj rumlig opløsning og kapacitet til high throughput screening. Derudover er CLI let at lære og bruge.
I løbet af eksperimenter fandt vi, at CLI kontrast af BAT med 18F-FDG er stærkt relateret til injektion metoder. Intravenøs injektion af 18 F-FDG kan levere fremragende kontrast til interscapular BAT, mens intraperitoneal injektion med det samme beløb på 18 F-FDG viste kun en svag kontrast i BAT-området.
Spectral unmixing, en meget praktisk teknik til at adskille to sæt af signaler, har været meget anvendt i fluorescens billeddannelse. Det er velkendt, at optagelsen af 18 F-FDG ikke er stærkt målspecifikt, og forskellige mål / væv har forskellige lys dæmpning egenskaber. Vi fandt toppen af CLI spektrum af BAT er omkring 640 nm, og disse data afspejlede de faktiske sammenhænge af BAT. 3D rekonstruktion af denne PRotocol er meget betjenes, fordi det kan udføres med et kommercielt tilgængeligt optisk billeddannelse baseret på de lette diffusionsprocesser egenskaber af forskellige bølgelængder. Med denne fremgangsmåde kan vi undgå at bruge et specialiseret imaging system, der kræver flere vinkel view billeder for 3D-rekonstruktion.
For både spektral unmixing og 3D-rekonstruktion, er en større mindst 600 fotontællinger fra hvert billede i BAT påkrævet. Til dette formål er stor Binning (bin = 16), lille f-stop (f = 1) og en lang tid erhvervelse (5 min) er nødvendig for hvert billede.
Sammenfattende udnytte den unikke beliggenhed og form af BAT og den markant høj optagelse af 18 F-FDG i BAT, vi viser, hvordan BAT i små dyr kan optisk filmede med 18 F-FDG via CLI teknik. Denne metode kan bruges som pålideligt til billeddannelse BAT og for overvågning af BAT-aktivering. Derudover har vi også vise, at spektrale unmixing og 3D reconstruction er praktisk muligt, og 3D volumen kvantificering er muligt for fremtidige undersøgelser.
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 |