利用微型PET/MR成像方法对小鼠产热性脂肪组织库进行功能成像与定量分析。
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方法文章
使用[18F]FDG微正电子发射断层扫描/磁共振成像对小鼠棕色和米色脂肪组织进行可视化与定量分析
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
棕色和米色脂肪细胞现已被认为是治疗肥胖症和代谢综合征的潜在靶点。无创分子成像方法对于深入了解这些产热型脂肪组织库至关重要。本文所述方案介绍了一种基于正电子发射断层扫描/磁共振成像（PET/MR）的技术，用于评估小鼠肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）和腹股沟皮下白色脂肪组织（iWAT）中棕色及米色脂肪细胞的活性。通过将不可代谢的葡萄糖类似物放射性示踪剂[18F]FDG与磁共振成像提供的精确解剖学信息相结合，实现了对产热型脂肪组织库的可视化与定量分析。PET/MR成像在冷适应7天后进行，并对不同脂肪组织库中[18F]FDG信号进行定量，以评估产热型脂肪组织的相对动员水平。去除iBAT后，小鼠iWAT中由寒冷诱导的[18F]FDG摄取显著增加。
引言
为应对不断变化的营养需求，脂肪组织作为能量储备库，可在脂质储存或动员模式之间转换，以满足机体需求1。此外，脂肪组织还通过一种称为非颤抖性产热（也称兼性产热）的过程，在体温调节中发挥关键作用。这一过程通常由棕色脂肪组织（BAT）实现，其表达大量线粒体膜蛋白解偶联蛋白1（UCP1）。作为质子转运体，UCP1通过解偶联质子转运与ATP生成来产生热量2。在寒冷刺激下，棕色脂肪组织的产热作用由交感神经系统（SNS）激活启动，随后释放去甲肾上腺素（NE）。NE与β3肾上腺素能受体结合，导致细胞内环磷酸腺苷（cAMP）水平升高。由此，cAMP/PKA依赖性激活CREB（cAMP反应元件结合蛋白），并通过直接结合CREB反应元件（CRE）促进Ucp1基因的转录2。除BAT外，白色脂肪组织中也存在类似棕色脂肪的细胞，因此被称为米色或brite（白色脂肪中的棕色样）细胞1,3。在特定刺激（如寒冷）作用下，这些原本静息状态的米色细胞被重塑，表现出多种类似棕色脂肪的特征，包括多房性脂滴、致密排列的线粒体以及UCP1表达的增强3,4,
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方案
下述方案遵循香港大学的动物护理指南。研究中使用的动物为8周龄的C57BL/6J小鼠。
1. 动物手术操作与冷暴露实验
- 进行肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）解剖。
- 通过腹腔注射氯胺酮/赛拉嗪（氯胺酮100 mg/kg体重，赛拉嗪10 mg/kg体重）对小鼠进行麻醉。麻醉后，剃除小鼠从颈部至肩胛骨下方区域的毛发。
- 消毒后将小鼠置于加热垫上，沿背部中线做一条长约2 cm的切口。
- 切除双侧iBAT脂肪垫。假手术组小鼠进行相同切口操作，但保留iBAT脂肪垫完整。
- 待出血停止后，使用7 mm不锈钢伤口夹闭合切口。
- 术后给予小鼠美洛昔康（5 mg/kg，溶于饮用水）连续6天，并将小鼠饲养于重症监护单元（ICU）中14天。伤口愈合后（7–10天）及时拆除伤口夹。
- 小鼠冷刺激实验：将小鼠置于热中性环境（30 °C）中饲养14天。第13天，将动物笼具预先置于低温（6 °C）环境中过夜。第14天，将小鼠转移至环境控制舱内，于6 °C条件下持续暴露7天，每笼放置两只小鼠。
2. 微型PET/MR校准与工作流程设置
注意：微正电子发射断层扫描/磁共振成像（Micro-PET/MR）采用顺序式 PET/M....
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结果
本研究中，三组小鼠（每组 n = 3）接受了微型 PET/MR 成像，这些小鼠分别饲养于热中性环境（30 °C）或冷的（6 °C) 7天。一组小鼠（n = 3）在冷处理前切除肩胛间棕色脂肪组织（iBATx）（图1A）。该方法导致三只小鼠的白色脂肪组织活性均发生改变。特别是，[18使用微型PET/MR成像在iWAT中观察到[18F]FDG摄取图1B- C）。该共配准的成像数据以最大强度投影（MIP）形式展示，其中iWAT被清晰地勾画出来，从而可对[18F]FDG 摄取。一致地，与假手术组相比，iBATx 小鼠的 iWAT 中呈现出更明显的多房脂滴样脂肪细胞，这是米色脂肪细胞的特征性形态。图1D).
为了验证在长期冷刺激下iBAT和iWAT活性的变化是否可通过微型PET/MR成像进行监测，对暴露于30 °C和6 °C环境的小鼠进行了.......
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讨论
本研究描述了一种基于PET/MR的小动物功能性棕色和米色脂肪组织成像与定量方法。该方法采用不可代谢的葡萄糖类似物[18F]FDG作为成像生物标志物，以无创方式识别具有高葡萄糖需求的脂肪组织。MR具有良好的软组织对比度，能够更清晰地区分脂肪组织与邻近的软组织及肌肉。当与PET结合时，可准确地对因高葡萄糖利用而激活的脂肪细胞进行成像和定量。本文所述实验条件突出了使用[18F]FDG PET在活体（in vivo）条件下研究诱导型棕色脂肪组织（iBAT）和诱导型白色脂肪组织（iWAT）上调的可行性，有望用于评估新型候选药物的产热效应。此外，通过使用特制的动物床同时对多只小鼠进行成像，该方案可轻松改造为高通量模式，从而在降低成本和时间的同时，提高成像数据的统计效力和可靠性12,13。
目前，[18F]FDG PET/CT 仍是可视化人类和啮齿类动物棕色脂肪组织（BAT）最常用的方法，且已有成.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
感谢国家自然科学基金优秀青年科学基金（香港和澳门）（81922079）、香港研究资助局一般研究基金（GRF 17121520 和 17123419）以及香港研究资助局协作研究基金（CRF C7018-14E）对小型动物成像实验的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.9% 无菌生理盐水 | BBraun | 0.9% 氯化钠静脉输注液，500 mL | |
| 5 mL 注射器 | Terumo | SS05L | 5 mL 鲁尔锁注射器 |
| 放射性活度计 | Biodex | Atomlab 500 | |
| 眼用润滑剂 | Alcon Duratears | 无菌眼用润滑软膏，3.5 g | |
| 胰岛素注射器 | Terumo | 10ME2913 | 1 mL 带针胰岛素注射器 |
| InterView Fusion 软件 | Mediso | Version 3.03 | 图像后处理与分析软件 |
| 异氟烷 | Chanelle Pharma | Iso-Vet，吸入用麻醉剂，250 mL | |
| 氯胺酮 | Alfasan International B.V. | HK-37715 | 10% 氯胺酮注射液，10 mL |
| 医用氧气 | Linde HKO | 101-HR | 压缩气体，纯度 99.5% |
| 美达佳（Metacam） | Boehringer Ingelheim | 5 mg/mL 美洛昔康注射液（用于犬猫），10 mL | |
| nanoScan PET/MR 扫描仪 | Mediso | 3 特斯拉磁共振 | |
| Nucline nanoScan 软件 | Mediso | Version 3.0 | 扫描仪操作软件 |
| 伤口夹钉 | Reflex 7 | 203-100 | 7 mm 不锈钢伤口夹钉，20 枚 |
| 赛拉嗪 | Alfasan International B.V. | HK-56179 | 2% 赛拉嗪注射液，30 mL |
参考文献
- 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.
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重印与许可
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