Визуализация и количественная оценка коричневых и бежевых жировых тканей у мышей с использованием [18F]FDG Micro-PET/MR Визуализация
Summary
Функциональная визуализация и количественное определение термогенных жировых депо у мышей с использованием подхода, основанного на микро-ПЭТ/МР визуализации.
Abstract
Коричневые и бежевые адипоциты в настоящее время признаны потенциальными терапевтическими мишенями для ожирения и метаболических синдромов. Неинвазивные методы молекулярной визуализации необходимы для обеспечения критического понимания этих термогенных жировых депо. Здесь в протоколе представлен метод визуализации ПЭТ/МР для оценки активности коричневых и бежевых адипоцитов в межлопаточной коричневой жировой ткани мыши (iBAT) и паховой подкожной белой жировой ткани (iWAT). Визуализация и количественная оценка термогенных жировых депо были достигнуты с использованием [18F]FDG, неметаболизируемого аналога глюкозы, в качестве радиоиндикатора, в сочетании с точной анатомической информацией, предоставленной МР-визуализацией. Пэт/МР-визуализация проводилась через 7 дней после холодной акклиматизации, а количественное определение сигнала [18F]FDG в различных жировых депо проводилось для оценки относительной мобилизации термогенных жировых тканей. Удаление iBAT существенно увеличивало поглощение [18F]FDG в iWAT мышей.
Introduction
В ответ на изменение потребностей в питании жировая ткань служит энергетическим кэшем для принятия либо хранения липидов, либо режима мобилизации для удовлетворения потребностей организма1. Кроме того, жировая ткань также играет ключевую функцию в терморегуляции с помощью процесса, называемого недрожащим термогенезом, также называемым факультативным термогенезом. Это обычно достигается коричневой жировой тканью (BAT), которая экспрессирует обильный уровень разъединяющего белок мембраны митохондрий 1 (UCP1). В качестве протонного носителя UCP1 генерирует тепло, разъединяя перенос протонов и производство АТФ2. При холодной стимуляции термогенез в БАТ приводится в движение активацией симпатической нервной системы (СНС) с последующим высвобождением норадреналина (NE). NE связывается с β3 адренергическими рецепторами и приводит к повышению внутриклеточного циклического АМФ (цАМФ). Как следствие, цАМФ/ПКК-зависимое вовлечение CREB (белка, связывающего элемент ответа цАМФ), стимулирует транскрипцию Ucp1 посредством прямого связывания с элементами CREB-ответа (CRE)2. В дополнение к BAT, коричневые адипоциты также находятся в белой жировой ткани и поэтому называются бежевыми или бритовыми (коричневыми в белом) клетками1,3. В ответ на специфические раздражители (такие как холод) эти в противном случае покоящиеся бежевые клетки реконструируются, чтобы проявлять множественные коричневые черты, включая многолокулярные липидные капли, плотно упакованные митохондрии и увеличенную экспрессию UCP13,4,5.
Исследования на животных показали, что коричневые и бежевые адипоциты обладают множественными метаболическими преимуществами, помимо их эффекта снижения жира, включая сенсибилизацию к инсулину, снижение уровня липидов, противовоспалительное и антиатеросклерозное 6,7. У людей количество бежевого/бурого жира обратно коррелирует с возрастом, индексом резистентности к инсулину и кардиометаболическими расстройствами8. Кроме того, активация бежевых/коричневых адипоцитов у человека либо путем холодной акклиматизации, либо агониста β3-адренергических рецепторов обеспечивает защиту от ряда метаболических нарушений4,9,10. Эти доказательства в совокупности указывают на то, что индукция коричневой и бежевой жировой ткани является потенциальной терапевтической стратегией для лечения ожирения и связанных с ним медицинских осложнений8.
Интересно, что, хотя они имеют сходную функцию, бежевые и классические коричневые адипоциты получены из разных предшественников и активируются перекрывающимися, но различными механизмами1. Поэтому визуализация in vivo и количественная оценка коричневых и бежевых адипоцитов необходимы для достижения лучшего понимания молекулярного контроля этих жировых тканей. В настоящее время 18F-фтордезоксиглюкоза ([18F]FDG) позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) в сочетании с компьютерной томографией (КТ) остается золотым стандартом для характеристики термогенных коричневых и бежевых клеток в клинических исследованиях8. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует мощные магнитные поля и радиочастотные импульсы для создания подробных анатомических структур. По сравнению с КТ, МРТ генерирует изображения органов и мягких тканей с более высоким разрешением. Здесь представлен протокол для визуализации и количественной оценки функциональных коричневых и бежевых жиров в мышиных моделях после акклиматизации к воздействию холода, распространенный и наиболее надежный способ вызвать потемнение жировой ткани. Этот метод может быть применен для характеристики термогенных жировых депо в моделях мелких животных с высокой точностью.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании была описана визуализация на основе ПЭТ/МРТ и количественная оценка функциональной коричневой и бежевой жировой ткани у мелких животных. Этот метод использует неметаболизируемый аналог глюкозы [18F]FDG в качестве биомаркера визуализации, чтобы идентифицироват?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим за поддержку Национального фонда естественных наук Китая (NSFC) – Фонда отличных молодых ученых (Гонконг и Макао) (81922079), Общего исследовательского фонда Совета по исследовательским грантам Гонконга (GRF 17121520 и 17123419) и Фонда совместных исследований Совета по исследовательским грантам Гонконга (CRF C7018-14E) за эксперименты по визуализации мелких животных.
Materials
| 0.9% sterile saline | BBraun | 0.9% sodium chloride intravenous infusion, 500 mL | |
| 5 mL syringe | Terumo | SS05L | 5 mL syringe Luer Lock |
| Dose Calibrator | Biodex | Atomlab 500 | |
| Eye lubricant | Alcon Duratears | Sterile ocular lubricant ointment, 3.5 g | |
| Insulin syringe | Terumo | 10ME2913 | 1 mL insulin syringe with needle |
| InterView Fusion software | Mediso | Version 3.03 | Post-processing and image analysis software |
| Isoflurane | Chanelle Pharma | Iso-Vet, inhalation anesthetic, 250 mL | |
| Ketamine | Alfasan International B.V. | HK-37715 | Ketamine 10% injection solution, 10 mL |
| Medical oxygen | Linde HKO | 101-HR | compressed gas, 99.5% purity |
| Metacam | Boehringer Ingelheim | 5 mg/mL Meloxicam solution for injection for dogs and cats, 10 mL | |
| nanoScan PET/MR Scanner | Mediso | 3 Tesla MR | |
| Nucline nanoScan software | Mediso | Version 3.0 | Scanner operating software |
| Wound clips | Reflex 7 | 203-100 | 7mm Stainless steel wound clips, 20 clips |
| Xylazine | Alfasan International B.V. | HK-56179 | Xylazine 2% injection solution, 30 mL |
References
- Rosen, E. D., Spiegelman, B. M. What we talk about when we talk about fat. Cell. 156 (1-2), 20-44 (2014).
- Cannon, B., Brown Nedergaard, J. adipose tissue: function and physiological significance. Physiological Review. 84 (1), 277-359 (2004).
- Jal Wu, ., et al. Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cell in mouse and. 150 (2), 366-376 (2012).
- Cypess, A. M., et al. Activation of human brown adipose tissue by a beta3-adrenergic receptor agonist. Cell Metabolism. 21 (1), 33-38 (2015).
- Ishibashi, J., Seale, P. Beige can be slimming. Science. 328 (5982), 1113-1114 (2010).
- Jal Schulz, T., et al. Brown-fat paucity due to impaired BMP signalling induces compensatory browning of white fat. Nature. 495 (7441), 379-383 (2013).
- Pal Cohen, ., et al. Ablation of PRDM16 and beige adipose causes metabolic dysfunction and a subcutaneous to visceral fat switch. Cell. 156 (1-2), 304-316 (2014).
- Mal Cypess, A., et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1509-1517 (2009).
- Aal vander Lans, A., et al. Cold acclimation recruits human brown fat and increases nonshivering thermogenesis. Journal of Clinical Investigation. 123 (8), 3395-3403 (2013).
- Jal Hanssen, M., et al. Short-term cold acclimation improves insulin sensitivity in patients with type 2 diabetes mellitus. Nature Medicine. 21 (8), 863-865 (2015).
- Wang, X., Minze, L. J., Shi, Z. Z. Functional imaging of brown fat in mice with 18F-FDG micro-PET/CT. Journal of Visualized Experiments: JoVE. 69, (2012).
- Greenwood, H. E., Nyitrai, Z., Mocsai, G., Hobor, S., Witney, T. H. High-throughput PET/CT imaging using a multiple-mouse imaging system. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 61 (2), 292-297 (2020).
- Carter, L. M., Henry, K. E., Platzman, A., Lewis, J. S. 3D-printable platform for high-throughput small-animal imaging. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 61 (11), 1691-1692 (2020).
- Jal Andersson, ., et al. Estimating the cold-induced brown adipose tissue glucose uptake rate measured by (18)F-FDG PET using infrared thermography and water-fat separated MRI. Scientific Reports. 9 (18), 12358 (2019).
- Eal Lundstrom, ., et al. Brown adipose tissue estimated with the magnetic resonance imaging fat fraction is associated with glucose metabolism in adolescents. Pediatric Obesity. 14 (9), (2019).
- Eal Lundstrom, ., et al. Magnetic resonance imaging cooling-reheating protocol indicates decreased fat fraction via lipid consumption in suspected brown adipose tissue. PLoS One. 10 (4), 0126705 (2015).
- Nakamura, Y., Yanagawa, Y., Morrison, S. F., Nakamura, K. Medullary reticular neurons mediate neuropeptide Y-induced metabolic inhibition and mastication. Cell Metabolism. 25 (2), 322-334 (2017).
- Jal Fueger, B., et al. Impact of animal handling on the results of 18F-FDG PET studies in mice. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Scoiety of Nuclear Medicine. 47 (6), 999-1006 (2006).
- Vines, D. C., Green, D. E., Kudo, G., Keller, H. Evaluation of mouse tail-vein injections both qualitatively and quantitatively on small-animal PET tail scans. Journal of Nuclear Medicine Technology. 39 (4), 264-270 (2011).
