使用饮食诱导的非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)小鼠模型,我们描述了一种新型方法的应用 体内 以微计算机断层扫描成像技术作为无创方法评估非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的进展阶段,重点聚焦于肝脏血管网络,因其在NAFLD相关肝功能紊乱中具有重要作用。
方法文章
* These authors contributed equally
使用饮食诱导的非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)小鼠模型,我们描述了一种新型方法的应用 体内 以微计算机断层扫描成像技术作为无创方法评估非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的进展阶段,重点聚焦于肝脏血管网络,因其在NAFLD相关肝功能紊乱中具有重要作用。
非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一种日益严重的全球性健康问题,目前缺乏有效治疗手段进一步加剧了NAFLD的影响。现有技术在时空分辨和无创条件下对肝脏微环境结构进行表征以及对疾病分期进行评分的能力不足,这已成为制约NAFLD及时准确诊断(包括分级)与监测,以及潜在疗法开发的重要限制因素。本研究利用饮食诱导的NAFLD小鼠模型,探讨了 体内 微型计算机断层扫描(CT)成像技术作为一种非侵入性方法,用于评估非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的进展阶段,主要关注肝脏血管网络,因其在NAFLD相关肝功能紊乱中具有重要作用。该成像方法可实现对肝脂肪变性及功能组织摄取的纵向分析,同时可评估相对血容量、门静脉直径以及血管网络密度。通过理解NAFLD进展过程中肝脏血管网络的适应性变化,并将这些变化与该方法所揭示的其他疾病进展特征(如脂肪变性、炎症、纤维化)进行关联分析,有望为小鼠NAFLD研究建立更高效、可重复的新方法。本方案还有望提升临床前动物模型在探究 针对疾病进展的新型疗法的开发。
非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一种代谢性疾病,影响约25%的人群和>80%的病态肥胖者1。据估计,其中约三分之一的患者会发展为非酒精性脂肪性肝炎(NASH),其特征为肝细胞脂肪变性、炎症及纤维化2。NASH是肝硬化和肝细胞癌(HCC)发生风险显著升高的疾病阶段3,4。因此,目前NASH是肝移植的第二大常见原因,并且预计不久将成为肝移植最重要的预测因素5,6,7。尽管该疾病具有较高的发病率和严重性,但目前尚无针对NAFLD的特异性治疗手段,现有疗法仅旨在控制与疾病相关的病理状态,如胰岛素抵抗和高脂血症5,6。
近年来,内皮细胞以及代谢组织(如脂肪组织和肝脏)的血管网络在病理生理学中的作用及其适应性变化在研究中日益受到重视,尤其是在肥胖和代谢紊乱过程中7,8。内皮细胞是一层单层细胞,内衬于血管网络内部,起到功能性和结构性屏障的作用。它还参与多种生理和病理过程,如血栓形成、代谢物转运、炎症反应和血管生成9,10。以肝脏为例,其血管网络的一个显著特征是存在一类高度特化的细胞,称为肝窦内皮细胞(LSECs)。这类细胞缺乏基底膜,并具有多个窗孔结构,有利于血液与肝实质之间底物的快速交换。由于其独特的解剖位置和生物学特性,LSECs在肝脏的病理生理过程中可能发挥关键作用,包括在非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)/非酒精性脂肪性肝炎(NASH)期间肝脏炎症和纤维化的发展。事实上,LSECs在NAFLD进程中发生的病理、分子和细胞层面的适应性改变,促进了疾病的进展11。特别是NAFLD期间由LSECs介导的肝脏血管生成,与炎症的发生以及疾病向NASH甚至肝细胞癌(HCC)的进展密切相关12。此外,与肥胖相关的早期NAFLD表现为LSECs中胰岛素抵抗的发展,这一变化早于肝脏炎症或其他晚期NAFLD征象的出现13。
此外,肝窦内皮细胞(LSECs)最近被发现是多种病因所致肝病过程中肝脏血流和血管网络适应性变化的核心调控者14,15。事实上,慢性肝病的特征是明显的肝内血管收缩以及血流阻力增加,这些因素促进了门静脉高压的形成16。在非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的情况下,多种与LSEC相关的机制参与了这一过程。例如,如上所述,LSEC特异性的胰岛素抵抗与肝血管系统胰岛素依赖性血管舒张功能减弱相关13。此外,在疾病进展过程中,肝脏血管系统对血管收缩因子的敏感性升高,进一步加剧了肝血流障碍,并导致剪切应力的出现,二者共同引起肝窦微循环的紊乱17。这些发现提示,血管系统是肝病中的一个关键作用靶点。然而,目前在NAFLD/NASH的早期诊断与监测以及潜在疗法开发方面仍存在局限性,主要体现在难以对肝脏微环境及(微)血管结构进行一致性的表征,以及难以以时空分辨、无创的方式对疾病分期进行评分。
微型计算机断层扫描(micro-CT)成像是目前用于准确描绘活体生物体内解剖结构信息的无创成像金标准方法。微型CT与磁共振成像(MRI)代表了两种互补的成像技术,能够覆盖广泛的病理类型,并对所成像的结构和组织提供极高的分辨率和丰富的细节。其中,微型CT是一种快速且精确的工具,常用于研究骨疾病及其相关的骨表面改变18、评估肺纤维化随时间的进展19、诊断肺癌及其分期20,甚至用于检查牙科病理变化21,且无需对成像样本进行特殊处理或破坏。
微型计算机断层扫描(micro-CT)成像技术基于不同器官在X射线与物质相互作用过程中表现出的差异性衰减特性。在CT图像中,X射线衰减差异较大的器官可呈现高对比度(例如,肺组织呈暗色,骨骼呈亮色)。而衰减特性非常相似的器官(如不同的软组织)在CT图像上则难以区分22。为克服这一局限性,研究人员已广泛探索了基于碘、金和铋的专用对比剂用于活体(in vivo)成像。这些对比剂可改变其富集组织的衰减特性,从血液循环中清除缓慢,从而实现整个血管系统或特定组织的均匀且稳定的显影23。
在人类疾病诊断中,CT成像及类似技术(如磁共振成像-derived质子密度脂肪分数)已用于测定肝脏脂肪含量24,25。在非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的背景下,高软组织对比度对于准确区分病理性病变或微小血管至关重要。为此,常使用可增强肝脏组织特征对比度的造影剂。此类工具和材料可用于研究多种肝脏特征及可能的病理表现,例如血管网络的结构与密度、脂质沉积/脂肪变性,以及肝脏中功能性组织对脂质(乳糜微粒)的摄取与转运。此外,还可评估肝脏相对血容量和门静脉直径。在极短的扫描时间内,这些参数可提供关于NAFLD评估与进展的不同且互补的信息,有助于建立无创且详细的诊断方法。
本文中,我们提供了一种新型方法的逐步操作方案 体内 采用微计算机断层扫描(micro-CT)成像技术作为无创方法评估非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的进展阶段。利用本方案,可在肝病小鼠模型中对肝脂肪变性程度、组织功能摄取、相对血容量、门静脉直径以及血管网络密度进行纵向分析与评估。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所有实验均由BIOEMTECH的工作人员按照欧洲及国家动物福利法规进行,并获得国家主管部门批准(许可证编号 EL 25 BIOexp 45/PN 49553 21/01/20)。所有实验的设计与报告均遵循ARRIVE指南26。实验小鼠购自希腊雅典的希腊巴斯德研究所。
注意:动物在温度为20–22 °C、相对湿度为50%–60%、12小时光照/12小时黑暗循环(光照时间07:00–19:00)的环境中,饲养于带有通风装置的独立笼具中,笼内配备栏杆和纸板管以丰富环境。采用高脂饮食(HFD)与高果糖玉米糖浆(HFCS)联合干预,后者是一种含果糖和葡萄糖的甜味剂,广泛用于现代富脂饮食中,该组合被用作诱导非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的公认可靠模型。27,28,29,307-8周龄时,雄性C57BL/6小鼠被给予 随意摄取 可选择正常饮食(n = 2),其中10%千卡来自脂肪,或高脂饮食(HFD,n = 2),其中60%千卡来自脂肪,并在饮水中补充5%高果糖玉米糖浆,持续22周。每周使用电子天平测量体重;在实验期间,每隔一天使用评分表监测动物福利状况。成像实验结束后,处死小鼠。 通过 颈椎脱位法
1. 动物准备
注意:成像方案总结于图1中。
2. 扫描前准备
注意:成像分为两个实验阶段进行,以便使第一种对比剂充分从循环系统和组织中清除。第一阶段给予 eXIA(第一种对比剂),第二阶段给予 ExiTron(第二种对比剂),具体操作如下方“成像工作流程”(第 3 节)所述。
3. 成像工作流程
4. 数据提取与分析
注意:本方案中提供的数据提取与分析步骤基于特定的图像处理软件(见材料表)。当使用不同软件时,所述步骤可能需要相应调整。


访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
在本项代表性研究中,无需使用任何对比剂的显微CT成像显示,非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)小鼠的肝脏脂肪百分比高于对照组(表2),证实了其病理特征。通过使用ExiTron对比剂,并结合上述肝脏血管网络结构与密度分析方法,发现NAFLD小鼠肝脏血管网络的总体积密度高于健康对照组(图6,表2)。与对照小鼠相比,NAFLD小鼠的门静脉直径也更大(表2),这一结构改变与肝病过程中门静脉高压相关34,36,37。同样,NAFLD动物的肝脏相对血容量(rBV)计算值也高于健康对照组(表2)。
此外,功能性组织摄取实验的分析表明,与健康对照组小鼠相比,非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)小鼠体内eXIA对比剂的蓄积量更高且...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
目前推荐用于人类非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)诊断与分期的方法是肝活检,该方法存在出血并发症以及取样误差的风险。40相反,在动物模型中,此类诊断通常通过死后组织学检查进行,尽管目前已有关于可存活肝活检的操作方案,并且在研究设计允许的情况下推荐使用41使用死后组织学方法意味着需要大量动物来研究该疾病的进展过程。因此,无法在同一只动物体内动态观察疾病的发展;此外,在比较来自不同动物、不同时间点获取的样本时,预期会存在更高的变异性。本文中,我们提供一种创新的、非侵入性的 体内 micro-CT 方法应用于一种已建立的非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)实验动物模型,可在同一动物体内通过定量分析以下功能参数,实现对疾病进展的纵向评估:肝脂肪变性程度、功能性组织摄取、相对血容量、门静脉直径以及血管网络密度。
目前,显微CT成像是一种非侵入性成像方法的金标准,可准确呈现活体生物体内的解剖学信息。显微CT能够达到很高的空间分辨率,因此是研究多种病理状态下细微结构的有力工具。此外,利用X...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
图1 使用 BioRender.com 制作。本工作由希腊研究与创新基金会(项目号:3222,资助对象:A.C.)资助。Anna Hadjihambi 由肝病学罗杰·威廉姆斯研究所(肝脏研究基金会)提供经费支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| eXIA160 | Binitio Biomedical, Inc. | https://www.binitio.com/?Page=Products | |
| 高脂饮食(60% 千卡热量来自脂肪) | Research Diets, New Brunswick, NJ, USA | D12492 | |
| 高果糖玉米糖浆 | Best flavors, CA | hfcs-1gallon | |
| Lacrinorm 眼用软膏 | Bausch & Lomb | ||
| 正常饮食(10% 千卡热量来自脂肪) | Research Diets, New Brunswick, NJ, USA | D12450 | |
| Viscover ExiTron nano 12000 | Milteny Biotec, Bergisch Gladbach, Germany | 130-095-698 | |
| VivoQuant | Invicro | ||
| X-CUBE | Molecubes, Belgium | https://www.molecubes.com/systems/ |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可