Summary
Мы описываем разными углами вращения оптических изображений (MAROI) системы для количественного в естественных условиях флуоресцентным маркером выступил saposin C (SAPC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPS) nanovesicles. Применение модели мыши рака и артрита, показано, как анализ кривой сигнала MAROI может быть использован для точного отображения и биологической характеристике болезненных процессов.
Abstract
Мы описываем разными углами вращения оптических изображений (MAROI) системы для мониторинга в естественных условиях физиопатологических процессов, меченных флуоресцентным маркером. Модели мыши (опухоли головного мозга и артрит) были использованы для оценки полезности данного метода. Saposin С (SAPC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPS) nanovesicles с меткой CellVue Maroon (МВО) флуорофором вводили внутривенно. Животные были помещены в направлении вращения держателя (MARS) в в естественных условиях системы формирования изображения. Изображения были получены в 10 ° с шагом более 380 °. Прямоугольная область интереса (ROI) был помещен по всей ширине изображения в модели очаг заболевания. В ROI, и для каждого изображения, среднее значение интенсивности флуоресценции был вычислен после вычитания фона. В мышиных моделях исследуемых, меченые nanovesicles были рассмотрены в обоих ортотопических и трансгенных опухолей головного мозга, и в артритом сайтов (пальцев ноги и лодыжек). Анализ Кривая мульти углом ИМАGE трансформирования определяют угол с наибольшим сигналом. Таким образом, оптимальный угол для работы с изображениями каждого сайта болезнь характеризуется. Метод MAROI применяется к визуализации люминесцентных соединений является неинвазивным, экономичный и точный инструмент для в естественных условиях количественного анализа болезненных состояний в описанных моделях мыши.
Introduction
Всего изображений животных стала мощным инструментом в изучении животного физиопатологии. Среди существующих систем визуализации, МС FX PRO позволяет исследователям точно Визуализация флуоресцентно меченных (или люминесцентные) соединения и / или тканей в живых мышей, и одновременно получить рентгеновские снимки. С недавно введенной мультимодальных системы ротации животных (МАРС) полный, автоматизированная ротация мыши достигается с целью захвата как флуоресцентный / люминесцентные и рентгеновские снимки под определенными углами 1. Приобретение изображение может быть запрограммирован таким образом, что последовательное серии изображений может быть захвачен в конкретных, дополнительных углов, как маленький 1 °. Это позволяет определить оптимальную ориентацию животного, то есть. , в котором расстояние между внутренне генерируемого флуоресцентный / люминесцентного сигнала и устройства детектирования системы является кратчайшим. Это, в свою очередь, облегчает точное репозиционирование животного для последующей визуализации себеssions во время продолжительных исследований.
В этом докладе мы описываем реализацию вращения оптических изображений (MAROI) системы нескольких ракурсов для количественного в естественных условиях интенсивности флуоресценции маркера. MAROI анализ кривой сигнал может быть использован в продольных исследований для прямой корреляции флуоресцентного распространения сигнала для точного карте больные участки или биологических процессов, представляющих интерес.
Эта система была использована для контроля за поглощение флюоресцентно меченых SAPC-DOPS nanovesicles по ортотопических и спонтанных опухолей, а также при артрите очагов, в живых мышей; это при условии многоспектральные и мультимодальные наборов данных, полученных из полного вращения охвата животных. Среди многочисленных флуоресцентных зондов в настоящее время на естественных изображений, тех, излучающих в ближней инфракрасной и дальней красной областях спектра придать самую низкую вмешательство кожи и тканей, и обеспечить самые высокие проникновения и графические резЕШЕНИЕ. Мы использовали CellVue Maroon (МВО) 2,3, далеко красный флуоресцентный линкер клеток (Ex 647/Em 667), на этикетке SAPC-DOPS (SAPC-DOPS-МВО) 4-12.
Protocol
Этика заявление использования животных. Все исследования на животных были одобрены Институциональные уходу и использованию животных комитета в Университете Цинциннати (IACUC номер протокола: 11-05-05-02) по и больницы Фонд исследований в Цинциннати Детская (Забота о животных Обеспечение Количество A3108-01). Все эксперименты с мышами в соответствии с руководящими уходу за животными из Университета Цинциннати и больницы Research Foundation Цинциннати Детская.
1. Подготовьте Животные модели
Примечание: Три различных животных моделях, описанные ниже, были использованы в наших предыдущих исследованиях:
- Ортотопическая мозг мыши опухоли: Используйте Nu / Nu Бестимусным самок мышей, которые были интракраниально вводят с человеческими клетками U87-ΔEGFR-Luc. Эти мыши разработке активной опухоли, показывая типичные черты человека глиобластомы.
- Генно-инженерные модели мозга мыши опухоли 13: Порода Mut3 (GFAP-CRE; Nf1loxP / +; Trp53-/ +) мышей-самцов с Trp53loxP/loxP; PtenloxP / LoxP самки для генерации мышей Mut6 (GFAP-CRE; Nf1loxP / +; Trp53-/loxP; PtenloxP / +). Поддерживать мышей Mut3 в B6CBAF1 / J штамма путем селекции самцов мышей Mut3 с внутренней B6CBAF1 / J мышей. Генотип мышей между Р9 и Р12 и подтвердите генотипы после сбора урожая их ткани.
- К / BxN артрит: мыши Использование C57Bl/6J, которые были интраперитонеально с 150 мкл сыворотки от КРН х NOD F1 мышей. Эти мыши развиваться артрит 24 до 48 час после инъекции сыворотки. Визуализация артрита у мышей выполняется на 7-й день после введения сыворотки, время точка, в которой мыши обнаруживают явную макроскопическое артрит. Мыши должны быть оценены с использованием критериев, изложенных в следующей стадии.
- Оценка мышей для макроскопического артрита с использованием суставах индекса макроскопического систему оценки следующим образом: 0 = нет обнаруживается артрит, 1 = опухание и / или покраснение лапу или одна цифра, 2 = два соединения, участвующие, 3 = три суставы involВЭД, и 4 = сильная артрит всей лапой и цифры. Артритом система подсчета очков используется для определения количества суставов, пораженных и тяжесть артрита в лапы мыши. Даже мыши с максимально возможной артритом счетом редко проявляют признаки неподвижности. Тем не менее, артрит контролируется 3x/week и мышей в чрезмерной боли (например, тяжелой неподвижности от опухших лапами, которое ингибирует еду и потребление воды) умерщвляют.
- Примечание: Жидкости вводили внутривенно в хвостовую вену мыши были стерильность сохраняется в течение всего эксперимента. Чистые, стерильные, одноразовые шприцы и флаконы используются для подготовки и проведения раствора исследование.
2. Подготовка Флуоресцентно-меченого SAPC-DOPS Nanovesicles
- SAPC производство белка: рекомбинантный SAPC белок с точным человеческой последовательности SAPC был произведен в Е. кишечной клетки, как описано выше со модификации 4.SAPC осаждали этанолом и затем высокоэффективной жидкостной хроматографии очисток. После лиофилизации сухой SAPC был использован, и его концентрация была определена его веса.
- Смешайте SAPC белок, как описано выше 7,10,11. Mix DOPS (0,18 мг) и CVM (0,03 мг) в стеклянной трубке и использовать газообразный азот испаряется липидов растворители.
- Добавить протеиновый порошок SAPC (0,32 мг) в смеси, приостановить сухую смесь в 1 мл PBS буфера и ванны ультразвуком в течение 15 мин, как описано выше 7,10,11. Затем Суспензию пропускали через колонку Sephadex G25 (PD-10), чтобы удалить свободный CVM краситель. Возбуждение и излучение максимумы конечного продукта, то есть SAPC-DOPS-CVM nanovesicles, являются 653 нм и 677 нм соответственно.
3. Изображений
- Используйте опухоль мозга и моделей артрит мыши (описанный выше в шаге 1) для тестирования системы MAROI. Обезболить мышей, чтобы осуществить с 2% изофлуран. 1-2% изофлуран является maintaIned для длительности процедуры визуализации. Теплый воздух непрерывно и плавно доставлен в камеру формирования изображения для продолжительности обработки изображений. Небольшой шарик стерильной искусственной слезы мазь применяется для каждого глаза мыши так, чтобы покрыть и смазывать глаза. Наведите мышей в систему MARS, поместив мышей в положении лежа на спине с их позвоночника изначально направленной на камеру (рис. 1). Калибровка МАРС 380 ° поддержки пленку и поместите курсор с помощью программного обеспечения вращения на вкладке протокола Bruker MI. Получение исходных изображений мышей перед введением SAPC-DOPS-CVM способом, описанным ниже.
- Введите 200 мкл SAPC-DOPS-МВО внутривенно в хвостовую вену мыши. Администрирование с контрольными мышами и артритом или мозговые опухоли мышей.
- Мыши изображение 24 часа в сутки после инъекции и снова на 7-9 дней после инъекции, принимая флуоресценцию (время экспозиции 25 сек) и рентген (время экспозиции 10 сек) ямаги на 10 ° с шагом более курса 380 °, создавая небольшое перекрытие для обеспечения нет пробелов в вращательного набора данных. Использование ПО Bruker М.И., наложить флуоресцентные на рентгеновских изображений для анатомической локализации.
4. Анализ изображений
- Нарисуйте прямоугольную ROI, охватывающий ширину поля зрения (FOV) сайта заболевания (опухоли и артрит). ROI должна быть достаточно большой, чтобы сохранить функцию заболевания в поле зрения при перемещении животного в процессе вращения 380 °. Для мышей опухоли головного мозга (Ортотопическая и трансгенные модели), использовать тот же прямоугольный ROI на каждой модели опухоли и ее три (3) мышей соответствующего контроля для всех временных точках (базовых, 24 часа в сутки, и 9 дней). Позиционирование прямоугольной ROI для каждой мыши сохраняется в течение всех временных точках, используя анатомические ориентиры на соответствующих рентгеновских снимков каждого животного. Анатомическая вехой (ы) определены на модели опухоли также должны быть использованы для пласе одинаковые прямоугольные трансформирования на каждой модели в соответствующие элементы управления. Анатомические ориентиры, определенные на рентгеновских изображений, позволяющих последовательно размещения ROI включают основание черепа и задней поверхности скуловой дуги. Они отображаются на правой и левой боковой череп в задне-передней (PA) изображения.
- После автоматического вычитания фона, определить среднюю интенсивность флуоресценции для каждого изображения. Преобразование флуоресцентные изображения в фотоны / с / мм 2, используя программное обеспечение обработки изображений Bruker MI. Участок значения флуоресценции как функции углов изображений, а также применять в качестве ошибки бары стандартное отклонение усредненных значений флуоресценции, полученных из контрольных мышей с использованием Excel или другое программное обеспечение графиков.
Representative Results
Мы демонстрируем здесь, что SAPC-DOPS nanovesicles меченные далеко красного красителя (МВО) специально накапливаться в ортотопических и спонтанных опухолей мозга мыши, а также в суставах мышей К / BXN. Последовательные флуоресценции / рентгеновские изображения, полученные от ROI, расположенной над каждой очаг заболевания во время поворотов мышей подвергали анализу кривой MAROI, который показал, оптимальный угол изображений с наивысшим интенсивности флуоресценции.
Основная цель использования системы MARS, чтобы определить оптимальный угол флуоресценции таким образом, чтобы наиболее точные измерения могут быть приняты. Представитель результаты от трех экспериментов на мышах с опухолями головного мозга или артрита показаны. Использование SAPC-DOPS-CVM и системы MARS (рис. 1), лучший возможный угол изображения для наблюдения за опухоль или воспаление из-за артрита была определена. Флуоресцентные изображения, а затем приобретение рентгеновского, были приобретены через каждые 10 °в течение 380 ° вращения мыши. Флуоресцентные изображения были наложены на соответствующие рентгеновских изображений для отображения изображений и вращательного поколения фильма.
Результаты ортотопической модели опухоли головного мозга показаны на рисунке 2. Флуоресценции изображение представительного ортотопической мыши, несущей опухоль (Ortho1) показана на фиг.2А. Оптимальный угол изображение для этого животного составляет 10 °, то положение, при котором интенсивность флуоресценции фотон является наибольшим (фиг. 2В). Измерения проводились перед инъекцией с SAPC-DOPS-МВО (исходное состояние) и 24 часа в сутки после инъекции. Контрольные мыши (опухолевые бесплатно) получил аналогичное лечение.
Рисунок 3 показывает сопоставимые данные из генно-инженерного мозга мышиной модели опухоли. Флуоресцентные изображения и измерения фотонов были взяты перед инъекцией с SAPC-DOPS-МВО (базового) и 24 часа в сутки (рис. 3А и <сильный> 3B) и 9 дней (рис. 3C) после инъекции. Эти графики показывают, что оптимальный угол изображения в опухолевой несущих животного (опухоли Mut49) составляет 20 ° 24 часов после инъекции, но изменения в 10 ° 9 дней после инъекции. Это говорит о том, что сигнал флуоресценции изменение коррелирует с морфологическими изменениями, вероятно, отражающих рост опухоли.
Как показано в таблице 1, способ MAROI ясно демонстрирует, что флуоресцентный сигнал уменьшается для проекций на повышение вращение от оптимального угла изображения. В опухолей головного мозга, что на 7% в среднем снижение флуоресцентного сигнала был получен, если физическое ориентации животного был ± 10 ° смещение от оптимального угла изображения. В среднем 21%-ное снижение флуоресцентного сигнала измеряли при ± 20 °. Таким образом относительно небольшие смещения от оптимального угла может привести к значительному ослаблению сигнала. Используя технику MAROI для имиджевого позиционирования позволит INVEstigators для производства более последовательные и надежные данные.
Метод MAROI был окончательно использоваться для оценки адресности суставах по SAPC-DOPS-CVM 24 часа после SAPC-DOPS-CVM инъекции. Это животное забил 3 с тремя суставах. Флуоресцентные изображения из пальца и голеностопного сустава от артрита мыши представлены на фиг.4А и 4В. Соответствующие измерения фотонов на 10 ° с интервалом вращения графически на рис 4C и 4D. Оптимальные углы визуализации найдено для ног и лодыжки являются 140 ° и 120 °, соответственно.
Таким образом, сочетание системы MAROI с флуоресцентными nanovesicles SAPC-DOPS представляет собой неинвазивную, точную и высокочувствительную стратегию живого изображения, что позволяет количественных исследований опухоли и прогрессии артрита у мелких животных. Возможность приобретения 360 ° мультимодальные изображений набора данных значительно импровизациианализ и интерпретация данных ЭС, по сравнению с тем, что достижимо с помощью одиночных методов угол визуализации.
Таблица 1. Оптимальные углы изображений для каждой модели мыши. Различия между угла максимального флуоресценции фотонов (FLR оптимальный угол) и стандартной анатомической углом (рентгеновского) можно увидеть. Когда эти два угла становится все более разные, измеряемый сигнал существенно изменяется. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 1. Multi-угол поворота оптических изображений (MAROI) устройство. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 2. Сигнал против угол изображения флуоресценции в ортотопической мозга мышиной модели опухоли. (А). Изображение сигнала пик флуоресцентного на оптимальный угол изображения 10 °. Синяя коробка показывает рентабельность инвестиций используется для количественного испускаемых фотонов. (B). График угла изображения по сравнению с испусканием фотона. Представитель ортотопическая мыши опухолью (Ortho1) графически против усредненных значений флуоресценции от идентичного трансформирования в трех неопухолевой мышей. Измерения проводились в начале исследования (перед инъекцией) и 24 ч после Injectioн. Планки погрешностей представляют стандартное отклонение. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 3. Флуоресценции сигнал против угла изображения в спонтанной опухоли мозга генной инженерии мышиной модели. (A). Изображение пикового флуоресцентного сигнала ROI 1 (верхний синий коробка) при оптимальном углу изображения 20 °. (B) и (C). Графики угла изображения по сравнению с испусканием фотонов из ROI 1. Значения от Представитель спонтанное мозга опухолью мышь, опухоли-Мут 49, графически против усредненных значений от трех не мышей опухоли. Измерения проводились в начале исследования (перед инъекцией) и 24 ч (B) и 9 дней (C) после инъекции. Ошибка б ARS представляют стандартное отклонение. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 4. Сигнал против угол изображения флуоресценции в мыши с артритом ног и голеностопных суставов. (A) и (B). Изображения, показывающие пик флуоресцентный сигнал для пальцев (а) и голеностопных суставов (В), в рамках трансформирования, показанных в красной коробке. (C). График углом по отношению означает эмиссию фотонов для ног. Пик излучения фотона можно увидеть под углом 140 ° (Г) График углом по отношению означает эмиссию фотонов для лодыжки..; Максимум интенсивности происходит под углом 120 °.целевых = "_blank"> Нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.
Discussion
Точное определение местоположения и величины солидных опухолей и воспалительных очагов в ревматизме имеет решающее значение для реализации адекватного лечения и последующих мер прогрессирования заболевания или ремиссии. В то время как ценные, нынешние стратегии визуализации (рентген; МРТ; ультразвук; Рентгеновская компьютерная томография) обеспечивают неполные оценки состояния заболевания. Например, артритом повреждения суставов обычно оценивается с помощью рентгеновских лучей, что обеспечивает информацию о структуре кости, но не на воспаление мягких тканей и разрушения, характерной для ранних стадиях заболевания. Метод MAROI представленные здесь сочетает в себе преимущества обоих рентгеновских лучей и сложных мягких методов визуализации ткани (например МРТ или ультразвука) на основе комплексного, неинвазивной и простой платформы, при которой сохраняется отображения полного 3D и реконструкции пораженной ткани или органа в мелкие животные, такие как мыши.
Этот метод использует селективного сродства ое SAPC-DOPS nanovesicles для открытых Фосфатидилсерин остатками, которые в изобилии в мембранах раковых и воспалительных клеток. Определитель это связывание SAPC, слиянию лизосомальных белков с сильным сродством к анионным фосфолипидов, таких как фосфатидилсерином 7,10,11. Когда конъюгирован с флуоресцентного зонда (МВО), системно вводили SAPC-DOPS можно отнести к опухоли и артритом сайтов по визуализации флуоресценции.
Ограничения нашего метода связаны с его чувствительностью, которая в настоящее время ограничивает его использование для визуализации мелких животных, как мыши. Как и в других методах визуализации, оптимальный флуоресцентный сигнал-шум сдерживается размера опухоли или степени артрит, и может быть нарушена при визуализации тканей или органов с высоким фоном (автофлуоресцентной), такие как ушей (визуализации мозга, кишечника) / кал (в животе визуализации) и лапы (задние изображений конечностей). В этом отношении, мы обнаружили, что далеко-красного красителя, таких как МВО профиVides лучше спектральное разделение и разрешение в естественных условиях обстановке в чем другие флуоресцентных зондов в видимом диапазоне.
Другие подводные камни включают потенциального движения животного во время съемки, и в то время как под наркозом и после смерти (трупное окоченение). Hind позиционирование конечности, в частности, часто трудно стабилизировать, чтобы избежать движение во время вращения. В своем нынешнем состоянии техники также отнимает много времени, с времени сканирования, пока 60 мин необходимо завершить полный оборот и получать изображения высокого качества.
Метод MAROI представляет ряд преимуществ по сравнению с другими методами визуализации. Способность изображений пораженной ткани от 38 (или более) под разными углами позволяет визуализировать флуоресценции, что может быть затруднено при оценке его от одной плоскости; это ценный в исследованиях на животных, потому что это может помочь свести к минимуму количество ложных отрицательных что в результате обработки изображений в неподходящее углами. По overlинь рентгеновского и флуоресцентные изображения, точную анатомическую локализацию пораженной сайта может быть определена. Наконец, возможность живого (в естественных условиях) визуализации позволяет продольные исследования должны быть выполнены.
Disclosures
Там нет ничего, чтобы раскрыть.
Acknowledgments
Эта работа была частично поддержана NIH / NCI грантов Количество 1R01CA158372-01 (в Ци) и нового препарата государственный Ки Проект номер гранта 009ZX09102-205 (к Ци). Написание помощь была оказана доктором Джуди Racadio, и финансировалось Университета Цинциннати Департамента гематологии и онкологии. Vontz Ядро изображений Лаборатория (VCIL) в Медицинском колледже при Университете Цинциннати.
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) |
References
- Pizzonia, J., et al. Multimodality animal rotation imaging system (Mars) for in vivo detection of intraperitoneal tumors. Am J Reprod Immunol. 67, 84-90 (2012).
- Al-Mehdi, A. B., et al. Increased depth of cellular imaging in the intact lung using far-red and near-infrared fluorescent probes. Int J Biomed Imaging. , (2006).
- Gertner-Dardenne, J., et al. Lipophilic fluorochrome trackers of membrane transfers between immune cells. Immunol Invest. 36, 665-685 (2007).
- Qi, X., et al. Functional human saposins expressed in Escherichia coli. Evidence for binding and activation properties of saposins C with acid beta-glucosidase. J Biol Chem. 269, 16746-16753 (1994).
- Wang, Y., Grabowski, G. A., Qi, X. Phospholipid vesicle fusion induced by saposin. C. Arch Biochem Biophys. 415, 43-53 (2003).
- Qi, X., Chu, Z.
- Qi, X., et al. Cancer-selective targeting and cytotoxicity by liposomal-coupled lysosomal saposin C protein. Clin Cancer Res. 15, 5840-5851 (2009).
- Kaimal, V., et al. Saposin C coupled lipid nanovesicles enable cancer-selective optical and magnetic resonance imaging. Mol Imaging Biol. 13, 886-897 (2011).
- Lu, K., et al. Toll-like receptor 4 can recognize SapC-DOPS to stimulate macrophages to express several cytokines. Inflamm Res. 60, 153-161 (2011).
- Qi, X., et al. Saposin C coupled lipid nanovesicles specifically target arthritic mouse joints for optical imaging of disease severity. PLoS One. 7, (2012).
- Abu-Baker, S., Chu, Z., Stevens, A. M., Li, J., Qi, X. Cytotoxicity and selectivity in skin cancer by SapC-DOPS nanovesicles. Journal of Cancer Therapy. 3, 321-326 (2012).
- Wojton, J., et al. Systemic delivery of SapC-DOPS has antiangiogenic and antitumor effects against glioblastoma. Mol Ther. 21, 1517-1525 (2013).
- Kwon, C. H., et al. Pten haploinsufficiency accelerates formation of high-grade astrocytomas. Cancer Res. 68, 3286-3294 (2008).
