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.
Tejido adiposo marrón (BAT) es un tejido especial para la termogénesis en los mamíferos, y una de sus funciones principales es la de mantener el balance de energía de todo el cuerpo a través de disipar grandes cantidades de productos químicos / energía de los alimentos en forma de calor 1. Características más singulares de BAT incluyen la expresión abundante proteína desacoplante-1 (UCP-1), la abundancia de pequeñas gotitas de aceite, un gran número de mitocondrias en una sola célula, y la vascularización significativa en el tejido 2-5. Estas características únicas se asocian fuertemente con el importante papel de los tejidos en el gasto metabolismo y la energía. BAT se consideraban hasta entonces ya no está presente y no poseer funciones fisiológicas importantes en humanos adultos 1, sin embargo recientes investigaciones de imagen PET / TC han demostrado claramente que BAT sigue presentando en los adultos humanos 2,3,6-9. Una correlación inversa entre la masa BAT y el índice de masa corporal (IMC) se estableció a partir de varios estudios, y reestudios recientes indican que el ejercicio físico podría aumentar la masa de BAT. Estos resultados sugieren fuertemente que la disfunción de BAT está estrechamente asociada con la patología de la obesidad y la diabetes 2,6,10,11. Además, la creciente evidencia indica que la función de BAT está fuertemente relacionado con varias otras patologías tales como enfermedades neurodegenerativas y el cáncer 3,7,12,13.
Activación de BAT, un proceso para aumentar la termogénesis, se puede lograr en diversas condiciones, tales como la exposición al frío, el ejercicio, y el tratamiento de drogas y la manipulación genética 1,14,15. La exposición al frío y el tratamiento norepinefrina son los métodos más utilizados para activar BAT. Fría, que puede ser detectado por varios mecanismos como termoreceptores en la piel, estimula los nervios simpáticos y conduce a la liberación de norepinefrina (NE) de BAT. El NE lanzado desencadena UCP-1 para inicializar la termogénesis para mantener la temperatura normal del cuerpo. Bajo este conditien, la captación de glucosa también aumenta para proporcionar más fuentes de carbono para el aumento del metabolismo en la MTD 1,16,17. Imágenes PET con 18F-FDG ha confirmado que la absorción de la glucosa marcada aumenta en condiciones de frío en los estudios en humanos 6.
En términos de imagen óptica, BAT es un objetivo ideal. El interescapular BAT tiene una ubicación única en ratones, situado lejos de los órganos más grandes, tales como el hígado, el corazón y el estómago. Por lo tanto, la interferencia de señal a partir de estos órganos grandes es insignificante (Figura 1a). Mientras tanto, la localización superficial de BAT interescapular permite más señales para ser capturados por la cámara de detección. Por otra parte, BAT es un órgano masa concentrada, lo que limita la señal de luz en ciertas áreas. Además, la forma física triangular única de BAT hace que sea fácil de distinguir de otros tejidos (Figura 1a).
Imágenes luminiscencia Cerenkov (CLI), un mol recién emergidasla tecnología de imágenes ecular 18-26, aprovecha la luminiscencia generada a partir de la + y – desintegración de los radionucleidos tales como 18 F y 131 I en el medio. La partícula cargada (tal como + y -), mientras que polariza las moléculas que se desplaza en el medio de 18-20, y la luminiscencia / luz se emite cuando las moléculas polarizadas se relajan de nuevo a equilibrio. La luminiscencia emitida se llama Cerenkov Luminiscencia (CL). Las propiedades espectrales únicas de CL incluyen su amplio espectro en todo el ultravioleta (UV) y el espectro visible 18-20, y su correlación inversa entre la intensidad y el cuadrado de la longitud de onda (λ 2). Ambas gamas UV y visible de la luz emitida pueden ser utilizados para diferentes aplicaciones. La porción UV de Cerenkov luminiscencia se ha aplicado para la fotoactivación in vivo de luciferina enjaulado 21, mientras que la luz emitida en la longitud de onda más larga puede serutilizado para in vivo de imágenes ópticas 18,27-31.
Para los estudios en animales pequeños, imágenes CLI con un sistema de imagen óptica es más rápido y más rentable que el PET. Por otra parte, la CLI se puede aplicar para cribado de alto rendimiento con un sistema de imágenes equipado con alta capacidad de rendimiento. Las ventajas y desventajas de esta tecnología se han discutido en varias revisiones 25,32,33. Tomografía 3D de CLI se ha estudiado intensivamente en varios grupos 28,34-37, y las aplicaciones de la CLI para imágenes endoscópicas y las imágenes intraoperatorias han demostrado con éxito en ratones, así 30,38. Además, Spinelli y Thorek et al. Han demostrado que la formación de imágenes CLI se podría aplicar a sujetos humanos, por lo que la tecnología también tiene potencial para aplicaciones clínicas 39, 40.
En el curso de redescubrimiento de BAT en los seres humanos, las imágenes de PET indican claramente que unacantidad significativa de 18 F-FDG se acumula en BAT bajo ciertas condiciones 2,3,6. Además, la PET con ratones también, sin duda, demostró que BAT podría destacó con 18 F-FDG 41 42. En este informe, demuestran cómo Cerenkov luminiscencia emitida de 18 F-FDG puede ser utilizado para BAT imágenes en pequeños animales utilizando un sistema de imagen óptica. Nuestro enfoque proporciona un método rápido, barato y cómodo de imágenes BAT para animales pequeños. Esta técnica se puede utilizar como un método alternativo para la formación de imágenes PET con 18 F-FDG, especialmente para laboratorios sin instalaciones de PET.
La investigación relacionada con BAT se ha llevado a cabo desde hace varias décadas. Anteriormente, se había considerado no tener relevancia fisiológica significativa en la edad adulta humana 1. BAT Sin embargo, recientes imágenes PET clínico a gran escala con 18 F-FDG y otras investigaciones han confirmado todavía está presente en la parte superior del pecho, el cuello y otras ubicaciones en adultos 2,3. Estudios recientes han sugerido fuertemente que BAT juega un papel importante en la obesidad y la diabetes 2,6. Otra investigación también indica que BAT juega un papel importante durante el proceso de envejecimiento de 12 y que su actividad se podría mejorar a través del ejercicio 10,44.
Tanto en los estudios clínicos humanos y la investigación preclínica, la PET con 18 F-FDG es el método más utilizado para estudiar BAT. Sin embargo, para los estudios preclínicos en animales, el PET es en general mucho más caros que la imagen óptica. En este protocolo, se demuestra que CLYo con 18 F-FDG se puede aplicar para ópticamente BAT imágenes en pequeños animales. Al igual que otras técnicas de imagen óptica, la limitación de penetración del tejido y baja sensibilidad para los objetivos de profundidad son las limitaciones intrínsecas de la CLI 25,32. Sin embargo, recientemente Spinelli et al. Demostraron que la señal de CLI decente podría ser observado con 10 mm de profundidad de tejido con 32 P 28,43, y Thorek et al. mostró que 16 mm de penetración se podría lograr en los ganglios linfáticos de pacientes después de 18 F-FDG de inyección 39, 40. En comparación con las imágenes de PET, CLI se puede realizar con un sistema de formación de imágenes relativamente bajo costo. Recientemente, Thorek et al. Demostró que bajas cantidades de 18 F-FDG acumulados (sobre 2Ci) en los nodos de los pacientes 39, que significativamente alta sensibilidad podría lograrse con CLI 40. Prueba in vitro indica que la señal de CLI de 0,01 Ci 90Y fue detectable en solución 25,32,33 </sarriba>. Además, CLI también tiene el potencial para alta resolución espacial y la capacidad de cribado de alto rendimiento. Además, CLI es fácil de aprender y usar.
En el curso de los experimentos, encontramos que contraste CLI de BAT con 18 F-FDG está altamente relacionada con los métodos de inyección. La inyección intravenosa de 18 F-FDG puede proporcionar un excelente contraste para BAT interescapular, mientras que la inyección intraperitoneal con la misma cantidad de 18 F-FDG sólo mostró un contraste débil en el área de BAT.
Desmezcla espectral, una técnica muy práctico para separar dos conjuntos de señales, ha sido ampliamente utilizado en imágenes de fluorescencia. Es bien conocido que la absorción de 18 F-FDG no es muy objetivo específico, y diferentes objetivos / tejidos tienen diferentes propiedades de atenuación de luz. Nos pareció que el pico del espectro de CLI de BAT es de alrededor de 640 nm, y estos datos refleja los contextos reales de BAT. La reconstrucción en 3D de este protocol es muy operable, porque se puede realizar con un sistema de imagen óptico disponible comercialmente basado en las propiedades de difusión de luz de diferentes longitudes de onda. Con este enfoque, podemos evitar el uso de un sistema de imagen especializada que requiere ver imágenes de varios ángulos para la reconstrucción 3D.
Por tanto desmezcla espectral y la reconstrucción 3D, se requiere un mayor mínimo de 600 recuentos de fotones de cada imagen de BAT. Con este fin, gran binning (bin = 16), pequeña parada f (f = 1) y un largo tiempo de adquisición (5 min) se necesitan para cada imagen.
En resumen, el aprovechamiento de la excelente ubicación y la forma de las MTD y la significativamente alta captación de 18 F-FDG en BAT, demostramos cómo BAT en los animales pequeños se pueden obtener imágenes ópticamente con 18 F-FDG a través de la técnica de CLI. Este método puede utilizarse de manera fiable para BAT formación de imágenes y para el seguimiento de la activación BAT. Además, también demuestran que desmezcla espectral y reco 3Dnstruction son practicables y volumen 3D cuantificación es posible que los estudios futuros.
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 |