Summary
Descreve-se um sistema (Maroi) para in vivo quantificação de um marcador fluorescente entregue por saposina C (SAPC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPS) nanovesículas multi-ângulo de rotação de imagem óptica. Utilizando modelos de ratinho de cancro e artrite, é mostrado como a análise da curva de sinal Maroi pode ser utilizado para o mapeamento preciso e caracterização biológica de processos de doença.
Abstract
Descreve-se um sistema (Maroi) para o monitoramento in vivo de processos fisiopatológicos marcadas com um marcador fluorescente multi-ângulo de rotação de imagem óptica. Modelos do rato (tumores e artrite cérebro) foram utilizados para avaliar a utilidade deste método. Saposina C (SAPC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPS) nanovesículas marcados com CellVue Maroon (CVM) fluorophore foram administrados por via intravenosa. Os animais foram, em seguida, colocado no suporte de rotação (MARS) do sistema de imagem in vivo. As imagens foram adquiridas em 10 ° etapas mais de 380 °. A região rectangular de interesse (ROI), foi colocada a toda a largura da imagem completa no local da doença modelo. Dentro do ROI, e para cada imagem, a intensidade de fluorescência média foi calculada após subtração de fundo. Nos modelos de ratos estudados, os nanovesículas marcados foram retomadas em ambos os tumores cerebrais ortotópico e transgênicas, e nos sites artríticas (dedos dos pés e tornozelos). Análise da curva de multi ângulo image ROIs determinado ângulo com o sinal mais elevado. Assim, o ângulo ideal para imagiologia de cada local da doença foi caracterizada. O método Maroi aplicada a imagem de compostos fluorescentes é uma ferramenta não invasiva, econômico, e preciso para in vivo análise quantitativa dos estados de doença nos modelos descritos no mouse.
Introduction
Imagem animal inteiro tornou-se uma ferramenta poderosa no estudo da fisiopatologia animal. Entre os sistemas de imagem atuais, o MS FX PRO permite aos pesquisadores com precisão visualize fluorescente etiquetado (ou luminescente) compostos e / ou tecidos em ratos vivos, e, simultaneamente, obter imagens de raios-X. Com o sistema de rotação de animais recentemente introduzido várias modal (MARS) uma rotação completa e automatizada do mouse é alcançado, a fim de capturar tanto fluorescente / luminescentes e imagens de raios-X em ângulos específicos 1. A aquisição de imagens pode ser programado de tal forma que série de imagens sequenciais podem ser capturados em, ângulos incrementais específicos tão pequenas como 1 °. Isto permite que se identificar a orientação óptima do animal, isto é. aquele em que a distância entre o sinal fluorescente / luminescente gerado internamente e dispositivo de detecção do sistema é o mais curto. Este, por sua vez, facilita o reposicionamento preciso do animal para imagiologia subsequente sissions durante estudos longitudinais.
Neste relatório, nós descrevemos a implementação de um sistema multi-ângulo de rotação de imagem óptica (Maroi) para in vivo a quantificação da intensidade marcador fluorescente. A análise da curva de sinal Maroi pode ser utilizado em estudos longitudinais para correlação directa de distribuição de sinal de fluorescência para mapear precisamente sítios doentes ou processos biológicos de interesse.
Este sistema foi utilizado para monitorizar a absorção de marcação fluorescente nanovesículas SAPC-DOPS por tumores ortotópicos e espontâneos, bem como por focos de artrite, em ratos vivos; forneceu conjuntos de dados multi-espectrais e multimodais derivados de cobertura de rotação completa dos animais. Entre as numerosas sondas fluorescentes atualmente disponíveis para imagem in vivo, aqueles que emitem nas regiões do infravermelho próximo e vermelho-extremo do espectro conferir o menor interferência com a pele e os tecidos, e fornecer os mais altos res de penetração e de imagemlução. Usamos CellVue Maroon (CVM) 2,3, um vinculador célula fluorescente vermelha distante (Ex 647/Em 667), para rotular SAPC-DOPS (SAPC-DOPS-CVM) 4-12.
Protocol
Declaração de ética do uso de animais. Todos os estudos com animais foram aprovados pelo Comitê Institucional Animal Care e Use, da Universidade de Cincinnati (Número IACUC Protocolo: 11-05-05-02) e Fundação do Cincinnati Children Research Hospital (Bem-Estar Animal Número Assurance A3108-01). Todos os experimentos envolvendo ratos seguiu as orientações de cuidados de animais da Universidade de Cincinnati e Fundação de Pesquisa do Hospital Infantil de Cincinnati.
1. Prepare Modelos Animais
Nota: Três diferentes modelos animais descritos abaixo foram usados nos nossos estudos anteriores:
- Ortotópico de tumor no cérebro do rato: Use ratinhos nu / nu atimicos fêmea que foram injectados por via intracraniana com células U87-ΔEGFR-Luc humanos. Estes ratos desenvolver um tumor agressivo, mostrando características típicas de glioblastoma humano.
- Modelos de cérebro de rato tumor geneticamente modificados 13: Raça Mut3 (GFAP-Cre; Nf1loxP / +; Trp53-/ +) camundongos machos com Trp53loxP/loxP; Fêmeas PtenloxP / loxP para gerar camundongos Mut6 (GFAP-Cre; Nf1loxP / +; Trp53-/loxP; PtenloxP / +). Manter camundongos Mut3 em B6CBAF1 / J tensão por meio de cruzamento camundongos machos Mut3 com camundongos B6CBAF1 fêmea / J. Genótipo os ratos entre P9 e P12 e confirmar os genótipos após a colheita seus tecidos.
- Artrite K / BxN: ratos Use C57Bl/6J que foram administrados por via intraperitoneal com 150 mL soros de camundongos F1 KRN x NOD. Estes ratinhos desenvolvem artrite de 24 a 48 horas após a injecção de soro. Imagiologia de ratinhos artríticos é realizada no dia 7 após a administração de soro, um ponto de tempo em que os ratos apresentam artrite macroscópica evidente. Ratos devem ser avaliados com base nos critérios definidos na próxima etapa.
- Avaliação de ratinhos para a artrite macroscópica utilizando um sistema de pontuação do índice de artrite macroscópica como se segue: 0 = nenhuma artrite detectável, 1 = inchaço e / ou vermelhidão da pata ou de um dígito, 2 = duas articulações envolvidas, 3 = três articulações envolvived, e 4 = artrite grave de toda a pata e dígito. O sistema de pontuação artrítica é usado para determinar o número de articulações afectadas e a gravidade da artrite nas patas do rato. Até mesmo os ratos com a maior pontuação possível artrite raramente mostram sinais de imobilidade. No entanto, a artrite é 3x/semana monitorado e camundongos com dor excessiva (como imobilidade severa de patas inchadas que inibe consumo de alimentos e água) são sacrificados.
- Nota: Os fluidos injectados IV na veia da cauda do rato foram mantidas a esterilidade durante todo o experimento. ,, Seringas descartáveis estéreis limpas e frascos são utilizados para a preparação e administração da solução de estudo.
2. Preparação de fluorescência marcado SAPC-DOPS nanovesículas
- SAPC produção de proteína: proteína recombinante SAPC com sequência exata SAPC humano foi produzido em E. células de E. coli, como descrito anteriormente com modificações 4.SAPC foi precipitado com etanol, seguido por purificação cromatografia líquida de alto desempenho. Após liofilização, SAPC seco foi usado e a sua concentração foi determinada pelo seu peso.
- Misturar a proteína SAPC como anteriormente descrito 7,10,11. Mistura DOPS (0,18 mg) e CVM (0,03 mg) em um tubo de vidro e usar gás de azoto para evaporar solventes lipídicos.
- Adicionar SAPC proteína em pó (0,32 mg) à mistura, a suspensão da mistura seca, em 1 ml de tampão PBS e banho de sonicação durante cerca de 15 minutos, como anteriormente descrito 7,10,11. Em seguida, passar a suspensão através de uma coluna de Sephadex G25 (PD-10) para remover o corante CVM livre. Excitação e máximos de emissões do produto final, ou seja, nanovesículas SAPC-DOPS-CVM, são 653 nm e 677 nm, respectivamente.
3. Imagem
- Use tumor cerebral e modelos de artrite de ratinho (descrito acima no Passo 1) para testar o sistema de Maroi. Anestesiar ratos para efectuar com 2% de isoflurano. 1-2% de isoflurano é maintainada por a duração do procedimento de imagiologia. O ar quente é continuamente e suavemente entregue para a câmara de imagiologia para a duração das imagens. Uma pequena gota de lágrimas artificiais estéril pomada é aplicada a cada olho do rato, de modo a cobrir e lubrificar o olho. Coloque ratinhos no sistema MARS posicionando os ratos numa posição supina com a sua coluna, inicialmente dirigido para a câmara (Figura 1). Calibre o filme apoio ° MARS 380 e posicione o mouse usando o software de rotação no separador protocolo Bruker MI. Obtenção de imagens da linha de base de ratinhos antes da administração SAPC-DOPS-CVM da maneira descrita abaixo.
- Injetar 200 mL de SAPC-DOPS-CVM por via intravenosa na veia da cauda do rato. Administrar com ratinhos de controlo e ratos portadores de tumores cerebrais ou artríticas.
- Camundongos Imagem 24 hr pós injeção e novamente em 7-9 dias após a injeção, tomando de fluorescência (25 seg tempo de exposição) e de raios-X (10 seg tempo de exposição) imagos em 10 ° incrementos ao longo de um curso de 380 °, criando uma ligeira sobreposição para garantir que não haja lacunas no conjunto de dados de rotação. Usando o software Bruker MI, sobrepor fluorescente para imagens de raios-X para a localização anatômica.
4. Image Analysis
- Desenhar um ROI rectangular abrangendo a largura do campo de visão (FOV) do local da doença (tumor e artrite). O ROI deve ser grande o suficiente para manter a função da doença dentro do FOV que o animal se move ao longo da rotação de 380 °. Para os ratos com tumor cerebral (modelos ortotópicos e transgênicas), use o mesmo ROI retangular em cada modelo de tumor e suas três (3) camundongos respectivo controle para todos os momentos (basal, 24 hr, e 9 dias). O posicionamento do ROI retangular para cada rato é preservada sobre todos os pontos temporais, utilizando marcos anatômicos em correspondentes imagens de raios-X de cada animal. O marco (s) anatômica identificada no modelo de tumor também deve ser usado para place ROIs retangulares idênticas em seus respectivos controles de cada modelo. Marcos anatômicos identificados nas imagens de raios-X que permitem a colocação de ROI consistente incluem a base do crânio e da face posterior do arco zigomático. Eles são visualizados na direita e à esquerda lateral do crânio na imagem póstero-anterior (PA).
- Depois de fundo automática subtração, determinar a intensidade de fluorescência média para cada imagem. Converta as imagens de fluorescência para fótons / s / mm 2, utilizando software de imagem Bruker MI. Plotar os valores de fluorescência em função dos ângulos de imagem, e aplicar como erro impede o desvio-padrão dos valores médios de fluorescência obtidas de camundongos de controle usando Excel ou outro software gráfico.
Representative Results
Nós demonstramos aqui que nanovesículas SAPC-DOPS marcadas com um corante vermelho-distante (CVM) acumular especificamente em tumores do cérebro do rato ortotópico e espontâneos, bem como nas articulações artríticas de ratinhos K / bxn. Imagens de fluorescência / raios-X em série adquiridos a partir de uma ROI colocado sobre cada local da doença durante rotações completas dos ratos foram submetidos a análise da curva de Maroi, que revelou o ângulo de imagem ideal, com a maior intensidade de fluorescência.
O objectivo principal para o uso do sistema MARS é para determinar o ângulo óptimo de fluorescência de modo a que as medições mais precisas podem ser obtidas. Os resultados representativos de três experimentos com ratos com tumores cerebrais ou artrite são mostrados. Utilizando SAPC-DOPS-CVM e o sistema MARS (Figura 1), a melhor imagem possível ângulo de observação do tumor ou devido a inflamação da artrite foi determinada. As imagens de fluorescência, seguindo-se uma aquisição de raios-X, foi adquirida a cada 10 °durante uma rotação de 380 ° do mouse. Imagens de fluorescência foram sobrepostos nas imagens de raios-X correspondentes para visualização da imagem e geração de filme de rotação.
Os resultados do modelo de tumor cerebral ortotópica são demonstradas na Figura 2. A imagem de fluorescência de um rato portador de tumor ortotópico representante (Ortho1) é mostrado na Figura 2A. O ângulo de imagem ideal para este animal é de 10 °, a posição em que a intensidade de fluorescência de fotões é a maior (Figura 2B). As medidas foram feitas antes da injeção com SAPC-DOPS-CVM (baseline) e 24 horas após a injeção. Os ratos de controlo (tumor livre) receberam um tratamento similar.
A Figura 3 mostra dados comparáveis a partir do modelo de ratinho de tumor cerebral por engenharia genética. As imagens de fluorescência e as medições de fotões foram tomadas antes da injecção com SAPC-DOPS-CVM (linha de base) e 24 h (Figuras 3A e <forte> 3B) e 9 dias (Figura 3C) após a injecção. Estes gráficos mostram que o ângulo de imagem ideal no animal portador de tumor (Tumor Mut49) é de 20 ° 24 hr pós injeção, mas muda para 10 ° 9 dias pós-injeção. Isto sugere que a alteração de sinal de fluorescência correlacionada com alterações morfológicas, provavelmente refletindo o crescimento do tumor.
Como mostrado na Tabela 1, o método Maroi demonstra claramente que o sinal fluorescente diminui por projecções em aumento da rotação fora do ângulo de imagem óptima. Nos tumores do cérebro, uma diminuição média de 7% no sinal de fluorescência foi obtida se a orientação física do animal foi 10 ± compensados a partir do ângulo de imagem óptima °. Uma redução média de 21% no sinal fluorescente foi medida em ± 20 °. Assim, relativamente pequenos deslocamentos do ângulo ideal pode resultar em atenuação do sinal significativo. Utilizando a técnica de Maroi para o posicionamento da imagem permitirá que investigators para produzir dados mais consistentes e confiáveis.
O método Maroi foi finalmente usada para avaliar o direccionamento das articulações artríticas de SAPC-DOPS-CVM 24 horas após a injecção de SAPC-DOPS-CVM. Este animal marcou 3 com três articulações artríticas. Imagens de fluorescência do dedo do pé e tornozelo do rato com artrite são apresentados nas Figuras 4A e 4B. Medições de fótons correspondentes a 10 ° intervalos de rotação são representados graficamente nas Figuras 4C e 4D. Os ângulos de imagem ideais encontrados para o dedo do pé e tornozelo são 140 ° e 120 °, respectivamente.
Em resumo, a combinação do sistema Maroi com fluorescentes nanovesículas SAPC-DOPS representa uma estratégia não invasiva, precisa e altamente sensível para imagens em tempo real, que permite estudos quantitativos de tumor e progressão da artrite em animais de pequeno porte. A possibilidade de aquisição de um conjunto de dados de 360 ° de imagem multimodal improv consideravelmenteanálise e interpretação dos dados es, em comparação com o que é alcançável através de técnicas individuais de imagem de ângulo.
Tabela 1. Ângulos de imagem ideal para cada modelo do rato. As diferenças entre o ângulo de fluorescência fóton máxima (FLR ângulo ideal) eo ângulo anatômica normal (raio-X) podem ser vistos. Quando estes dois ângulos tornado cada vez mais diferentes, o sinal medido muda significativamente. Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Figura 1. Multi-ângulo de rotação do dispositivo de imagem óptica (Maroi). Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Fluorescência sinal vs ângulo Figura 2. Imagem em um modelo de camundongo ortotópico tumor cerebral. (A). Imagem do sinal de pico de fluorescência, com o ângulo de imagem ideal de 10 °. A caixa azul mostra o ROI para quantificar os fótons emitidos. (B). Gráfico do ângulo de imagem contra emissão de fóton. O rato-bearing tumor ortotópico representante (Ortho1) é representada graficamente contra valores de fluorescência média entre ROIs idêntico em três ratos não tumorais. As medidas foram realizadas no início do estudo (antes da injeção) e pós 24 horas injection. As barras de erro representam o desvio padrão. Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Sinal de fluorescência Figura 3. Vs ângulo de imagem em um tumor cerebral espontânea de um modelo de camundongo geneticamente modificado. (A). Imagem do sinal fluorescente pico de ROI 1 (top box azul) no ângulo de imagem ideal de 20 °. (B) e (C). Gráficos do ângulo de imagem contra emissão de fóton de ROI 1. Valores de um representante do rato portador de tumor cerebral espontânea, Tumor-Mut 49, são representados graficamente em relação aos valores médios de três ratos não tumorais. As medidas foram realizadas no início do estudo (antes da injeção) e 24 horas (B) e 9 dias (C) após a injeção. Erro b ars representam Desvio padrão. Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Fluorescência sinal vs ângulo Figura 4. Imagem em um rato com artrite do dedo do pé e tornozelo. (A) e (B). Imagens que mostram o sinal de pico fluorescente para os dedos dos pés (a) e tornozelo (B), dentro dos ROIs mostrados na caixa vermelha. (C). Gráfico do ângulo versus média emissão de fóton para o dedo do pé. Emissão de fóton Peak pode ser visto em um ângulo de 140 ° (D) Gráfico de ângulo versus média emissão de fóton para o tornozelo..; intensidade máxima ocorre com um ângulo de 120 °.target = "_blank"> Clique aqui para ver imagem ampliada.
Discussion
A determinação exata da localização e magnitude de tumores sólidos e focos inflamatórios em doenças reumáticas é fundamental para implementar o tratamento adequado e acompanhamento da progressão da doença ou remissão. Enquanto valiosas, as estratégias atuais de imagem (raios-X; ressonância magnética, ultrassom; tomografia computadorizada de raios-X) fornecer avaliações incompletas do estado da doença. Por exemplo, lesões articulares artrite é comumente avaliada por raios-X, que fornece informações sobre a estrutura óssea, mas não sobre a inflamação dos tecidos moles e destruição, característica dos estágios iniciais da doença. O método aqui apresentado Maroi combina as vantagens de ambos os raios-X e exames de imagem de tecidos moles sofisticadas (por exemplo, ressonância magnética ou ultra-som) em uma plataforma integrada, não-invasivo e mais simples que também permite um mapeamento completo 3D e reconstrução do tecido doente ou órgão pequenos animais, como ratos.
Este método tira vantagem da afinidade selectiva of SAPC-DOPS nanovesículas de resíduos fosfatidilserina expostas, que são abundantes nas membranas de câncer e células inflamatórias. O determinante desta ligação é SAPC, uma proteína lisossómica fusogénico com uma forte afinidade para fosfolípidos aniónicos tais como fosfatidilserina 7,10,11. Quando conjugado com uma sonda fluorescente (CVM), sistemicamente injetado SAPC-DOPS pode ser atribuída a tumor e locais artríticas por imagem de fluorescência.
As limitações deste método estão relacionadas com a sua sensibilidade, que atualmente restringe o seu uso a imagem de pequenos animais, como ratos. Como com outros métodos de imagem, o sinal fluorescente óptima para relação de ruído está restringida pelo tamanho do tumor ou a extensão da artrite, e pode ser comprometida quando imagiologia de tecidos ou órgãos com elevado efeito de fundo (autofluorescência), tais como as orelhas (imagiologia cerebral), intestinos / fezes (imagiologia abdominal) e patas (imagem dos membros posteriores). A este respeito, verificou-se que um corante vermelho distante como CVM próvides melhor separação resolução espectral e no vivo configuração em que as outras sondas fluorescentes na faixa visível.
Outras armadilhas incluem o potencial de movimentação do animal durante o exame, tanto enquanto anestesiado e post mortem (rigor mortis). Posicionamento dos membros posteriores, particularmente, é muitas vezes difícil de estabilizar para evitar o movimento durante a rotação. Em seu estado atual, a técnica também é demorado, com tempos de varredura, enquanto 60 min necessário para completar uma rotação completa e adquirir imagens de alta qualidade.
O método Maroi apresenta um número de vantagens sobre os outros métodos de imagem. A capacidade de um tecido doente de imagem a partir de 38 (ou mais) diferentes ângulos permite a visualização de fluorescência que pode ser impedida quando se avalia que a partir de um único plano; esta é útil em estudos com animais, porque pode ajudar a minimizar o número de falsos negativos que resultam de imagiologia em ângulos apropriados. Por Sobrecargade raios-X ying e imagens de fluorescência, uma localização anatómica precisa do local doente pode ser determinada. Finalmente, a possibilidade de ao vivo (in vivo) de imagem permite estudos longitudinais para ser executada.
Disclosures
Não há nada a divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado em parte pelo NIH / NCI Grants Número 1R01CA158372-01 (para Qi) e New Drug Estado Chave Projeto Grant Número 009ZX09102-205 (para Qi). Escrevendo assistência foi prestada pelo Dr. Judy Racadio, e foi financiado pela Universidade de Cincinnati Departamento de Hematologia e Oncologia. Vontz Núcleo de Imagem Lab (VCIL) na Faculdade de Medicina da Universidade de Cincinnati.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium | Gibco (Grand Island, NY) | 11965 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco (Grand Island, NY) | 16000077 | |
| Penicillin-streptomycin | Hyclone (Logan, Utah) | SV30010 | |
| Dioleoylphosphatidylserine | Avanti Polar Lipids (Alabaster, AL) | 840035C | |
| CellVue Maroon | Molecular Targeting Technologies, Inc. (Exton, PA) | C-1001 | |
| Sephadex G25 column PD-10 | Amersham Pharmacia Biotech, (Piscataway, NJ) | 17-0851-01 | |
| New Standard Stereotaxic for Rats and Mice | Harvard Apparatus (Holliston, MA) | 726335 | |
| Bransonic Ultrasonic Cleaners Model 1510 | Branson Ultrasonics (Danbury, CT) | CPN-952-118 | |
| Multi-spectral FX system | Bruker Corporation (Billerica, MA) | ||
| Multi-angle Rotational Optical Imaging Device | Bruker Corporation (Billerica, MA) |
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