Summary
Vi beskriver en multi-vinkel roterande optisk avbildning (Maroi) systemet för in vivo kvantifiering av en fluorescerande markör levereras av saposin C (SAPC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPS) nanovesicles. Under användning musmodeller av cancer och artrit, visar vi hur signalkurvan analysen Maroi kan användas för noggrann kartläggning och biologisk karakterisering av sjukdomsprocesser.
Abstract
Vi beskriver en multi-vinkel roterande optisk avbildning (Maroi) system för in vivo-övervakning av fysiopatologiska processer märkta med en fluorescerande markör. Musmodeller (hjärntumör och artrit) användes för att utvärdera nyttan av denna metod. Saposin C (SAPC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPS) nanovesicles taggade med CellVue Maroon (CVM) fluoroforen administrerades intravenöst. Djur placerades sedan i den roterande hållaren (MARS) av in vivo-avbildningssystemet. Bilder förvärvades i 10 ° steg över 380 °. Ett rektangulärt område av intresse (ROI) placerades över den fulla bildens bredd vid modellsjukdomsstället. Inom ROI, och för varje bild, var genomsnittliga fluorescensintensiteten beräknad efter bakgrundssubtraktion. I musmodeller studeras, de märkta nanovesicles upptogs i både de orthotopic och transgena hjärntumörer, och i de artritiska ställen (tår och vrister). Kurva analys av flervinkel imaGE ROI bestämde vinkeln med den högsta signalen. Således var den optimala vinkeln för avbildning av varje sjukdomsstället karaktäriseras. Den Maroi metoden tillämpas för avbildning av fluorescerande föreningar är en icke-invasiv, ekonomiskt, och exakt verktyg för in vivo-kvantitativ analys av sjukdomstillstånd i de beskrivna musmodeller.
Introduction
Hela djur imaging har blivit ett kraftfullt verktyg i studiet av djur physiopathology. Bland aktuella bildsystem, låter MS FX PRO forskare att noggrant visualisera fluorescerande (eller självlysande) föreningar och / eller vävnader i levande möss, och samtidigt få röntgenbilder. Med den nyligen införda multi modal djur rotationssystem (MARS) en komplett, automatiserad rotation av musen uppnås för att fånga både lysrör / självlysande och röntgenbilder vid specifika vinklar 1. Bild förvärv kan programmeras så att sekventiella bildserier kan tas vid specifika, inkrementella vinklar så små som 1 °. Detta tillåter en att identifiera den optimala orienteringen av djuret, dvs. den i vilken avståndet mellan den internt genererade fluorescerande / luminiscent signal och systemets detekteringsanordning är det kortaste. Detta i sin tur underlättar noggrann ompositionering av djuret för efterföljande bildbehandling för sigssions under longitudinella studier.
I denna rapport beskriver vi att genomföra ett flervinkelrotations optisk avbildning (Maroi) systemet för in vivo kvantifiering av fluorescerande markör intensitet. Maroi signalkurva analys kan användas i longitudinella studier för direkt korrelation av fluorescerande signal distribution till exakt kart sjuka webbplatser eller biologiska processer av intresse.
Detta system användes för att övervaka upptaget av fluorescerande SAPC-DOPS nanovesicles genom orthotopic och spontana tumörer, såväl som av artritisk foci, i levande möss; det gav multispektrala och multimodala datamängder som härrör från fullständig rotations täckning av djuren. Bland de många fluorescerande prober för närvarande är tillgängliga för in vivo imaging, de som släpper ut i det nära infraröda och långt röda spektrala regioner ger lägsta störningar med hud och vävnader, och ger den högsta penetrationen och bild resolution. Vi använde CellVue Maroon (CVM) 2,3, ett långt rött fluorescerande celler länkare (Ex 647/Em 667), att märka SAPC-DOPS (SAPC-DOPS-CVM) 4-12.
Protocol
Etik uttalande av djur. Samtliga djurstudier har godkänts av Institutional Animal Care och användning kommittén vid University of Cincinnati (IACUC Protocol Number: 11-05-05-02) och Cincinnati Childrens Hospital Research Foundation (Djurskydd Assurance Nummer A3108-01). Alla försök med möss följde riktlinjerna för djurskötsel vid universitetet i Cincinnati och Cincinnati Childrens Hospital Research Foundation.
1. Förbered Animal Models
Anm: Tre olika djurmodeller som beskrivs nedan har använts i våra tidigare studier:
- Orthotopic hjärntumör mus: Använd Nu / Nu atymiska honmöss som har intrakranialt injicerats med humana U87-ΔEGFR-Luc celler. Dessa möss utvecklar en aggressiv tumör som visar typiska funktioner i den mänskliga glioblastom.
- Genetiskt modifierade modeller hjärntumör mus 13: Breed Mut3 (GFAP-cre; Nf1loxP / +; Trp53-/ +) hanmöss med Trp53loxP/loxP; PtenloxP / loxP-honor för att generera Mut6 möss (GFAP-cre; Nf1loxP / +; Trp53-/loxP; PtenloxP / ^). Behåll Mut3 möss i B6CBAF1 / J-stammen genom avels Mut3 möss med kvinnliga B6CBAF1 / J möss. Genotyp mössen mellan P9 och P12 och bekräfta genotyper efter skörd sina vävnader.
- K / BxN artrit: Användning C57BL/6J-möss som har intraperitonealt administrerade med 150 ^ sera från KRN x NOD F1-möss. Dessa möss utvecklar artrit 24-48 timmar efter sera injektion. Avbildning av den artros möss utförs på dag 7 efter sera administrering kan en tidpunkt vid vilken möss uppvisar overt makroskopisk artrit. Möss bör utvärderas med hjälp av de kriterier som anges i nästa steg.
- Utvärdering av möss för makroskopisk artrit som använder en artros index makroskopisk poängsystem enligt följande: 0 = ingen detekterbar artrit, 1 = svullnad och / eller rodnad i tass eller en siffra, 2 = två leder inblandade, 3 = tre leder involved, och 4 = svår artrit av hela tassen och siffran. The arthritic scoring system används för att bestämma antalet drabbade leder och svårighetsgraden av artrit i mus tassar. Även möss med högsta möjliga artrit poäng visar sällan tecken på orörlighet. Dock är artrit övervakad 3 gånger i veckan och möss i överdriven smärta (såsom allvarlig orörlighet från svullna tassar som hämmar mat och vattenförbrukning) offras.
- OBS: Vätskor injiceras IV i musen svansvenen har sterilitet bibehålls under hela experimentet. Ren, sterila engångssprutor och injektionsflaskor används för beredning och administrering studielösning.
2. Beredning av fluorescensmärkta SAPC-DOPS Nanovesicles
- SAPC proteinproduktion: Rekombinant SAPC protein med exakt human SAPC sekvens i E. coli-celler såsom beskrivits tidigare med modifikationer 4.SAPC utfälldes genom etanol följt av högupplösande vätskekromatografi reningar. Efter lyofilisering tillsattes torr SAPC används och dess koncentration bestämdes genom dess vikt.
- Blanda SAPC-protein såsom beskrivits tidigare 7,10,11. Mix DOPS (0,18 mg) och CVM (0,03 mg) i ett glasrör och använda kvävgas för att avdunsta lipidlösningsmedel.
- Lägg SAPC proteinpulver (0,32 mg) till blandningen, suspendera den torra blandningen i 1 ml PBS-buffert och bad sonikera under ca 15 min, såsom beskrivits tidigare 7,10,11. Sedan passera suspensionen genom en Sephadex G25-kolonn (PD-10) för att ta bort fri CVM färgämne. Excitation och emissionsmaximum för den slutliga produkten, dvs SAPC-DOPS-CVM nanovesicles, är 653 nm och 677 nm, respektive.
3. Imaging
- Använd hjärntumör och modeller artrit mus (beskrivs ovan i steg 1) för att testa Maroi systemet. Söva möss att åstadkomma med 2% isofluran. 1-2% isofluran är maintasökte för varaktigheten av avbildningsproceduren. Varm luft kontinuerligt och försiktigt levereras in i avbildningskammaren för varaktigheten av avbildning. En liten pärla av steril artificiell tårvätska salva appliceras på varje öga hos musen så att den täcker och smörja ögat. Placera möss i MARS-systemet genom att placera mössen i ryggläge med sin ryggrad initialt riktade mot kameran (Figur 1). Kalibrera MARS 380 ° stöd film och placera musen med hjälp av rotations programvara på fliken Bruker MI-protokollet. Erhåll baslinjedata bilder av möss före SAPC-DOPS-CVM administrering på det sätt som beskrivs nedan.
- Injicera 200 pl av SAPC-DOPS-CVM intravenöst i svansvenen på musen. Administrera med kontrollmöss och artritiska eller hjärntumörbärande möss.
- Bild möss 24 timmar efter injektionen och igen vid 7-9 dagar efter injektion genom att ta fluorescens (25 sek exponeringstid) och röntgen (10 sek exponeringstid) imagiker vid 10 ° steg över en kurs av 380 °, vilket skapar en viss överlappning för att säkerställa att det inte finns några luckor i rotations dataset. Använda Bruker MI programvara, lägga på fluorescerande på röntgenbilder för anatomisk lokalisering.
4. Bildanalys
- Rita en rektangulär ROI fattande bredden av synfältet (FOV) av platsen sjukdom (tumör och artrit). ROI måste vara tillräckligt stor för att hålla funktionen sjukdom inom FOV som djuret rör sig i loppet av 380 ° rotation. För hjärntumör möss (orthotopic och transgena modeller), använder samma rektangulära ROI på varje tumör modell och dess tre (3) respektive kontrollmöss för samtliga tidpunkter (baseline, 24 tim, och 9 dagar). Positioneringen av det rektangulära ROI för varje mus bevaras under alla tidpunkter genom att använda anatomiska landmärken på varje djurets motsvarande röntgenbilder. Den anatomiska landmärke (er) identifieras på tumörmodellen ska också användas för att place identiska rektangulära ROI på varje modells respektive kontroller. Anatomiska landmärken identifieras på röntgenbilder som möjliggör konsekvent ROI placering inkluderar basen och den bakre aspekten av zygomatic bågen. De visualiseras på den högra och vänstra laterala skalle i den bakre-främre (PA) bilden.
- Efter automatisk bakgrundssubtraktion, bestämma genomsnittliga fluorescensintensiteten för varje bild. Konvertera fluorescens bilder till fotoner / s / mm 2 med Bruker MI bildbehandlingsprogram. Plotta fluorescens värden som en funktion av bildvinklar, och gäller som fel barer standardavvikelsen för medelvärdes fluorescens värden som erhålls från kontrollmöss som använder Excel eller andra grafiska program.
Representative Results
Vi visar här att SAPC-DOPS nanovesicles märkta med ett långt rött färgämne (CVM) specifikt ackumuleras i orthotopic och spontana mus hjärntumörer, liksom i artritiska leder i K / BxN möss. Serie fluorescens / röntgenbilder som förvärvats från en ROI placeras över varje sjukdoms plats under hela rotationer med mössen utsattes för Maroi kurva analys, som visade den optimala avbildning vinkel med den högsta fluorescensintensiteten.
Det primära syftet för att använda MARS-systemet är att bestämma den optimala vinkeln för fluorescens, så att de mest noggranna mätningar kan tas. Representativa resultat från tre försök med användning av möss med hjärntumörer eller artrit visas. Använda SAPC-DOPS-CVM och MARS-systemet (figur 1), den bästa möjliga bildvinkel för att observera tumör eller inflammation på grund av artrit bestämdes. Fluorescensbilder, följt av en röntgen förvärvet förvärvades var 10: e °under en 380 ° rotation av musen. Fluorescens bilder var överlagras på motsvarande röntgenbilder för bildvisning och rotations film generation.
Resultat från den orthotopic hjärntumör modell demonstreras i figur 2. Fluorescensen bild av en representativ orthotopic tumörbärande möss (Ortho1) visas i fig 2A. Den optimala bildvinkel för detta djur är 10 °, den position vid vilken fluorescensfotonintensiteten är störst (Figur 2B). Mätningar gjordes före injektion med SAPC-DOPS-CVM (baseline) och 24 timmar efter injektionen. Kontrollmöss (tumörfria) mottog en liknande behandling.
Figur 3 visar jämförbara uppgifter från genmanipulerade hjärntumör musmodell. Den fluorescens bilder och foton Mätningarna gjordes före injektion med SAPC-DOPS-CVM (baseline) och 24 h (fig. 3A och <strong> 3B) och 9 dagar (figur 3C) efter injektion. Dessa diagram visar att den optimala avbildnings vinkel i tumörbärande djur (Tumor Mut49) är 20 ° 24 h efter injektion, men ändringar i 10 ° 9 dagar efter injektionen. Detta tyder på att fluorescenssignal förändring korrelerad med morfologiska förändringar, sannolikt återspeglar tumörtillväxt.
Såsom visas i Tabell 1, visar tydligt Maroi metod som den fluorescerande signalen minskar för utsprången vid ökande rotation bort från den optimala avbildnings vinkel. I hjärntumörer, var en 7% genomsnittlig minskning i fluorescenssignal erhålls om djurets fysiska orientering var ± 10 ° förskjutna från den optimala avbildning vinkeln. En genomsnittlig 21% minskning i fluorescenssignalen mättes vid ± 20 °. Alltså relativt små förskjutningar från den optimala vinkeln kan leda till betydande signaldämpning. Använda Maroi tekniken för bildplacering gör att investigators att producera mer konsekventa och tillförlitliga uppgifter.
Den Maroi metoden slutligen används för att bedöma inriktningen av artros leder från SAPC-DOPS-CVM 24 timmar efter SAPC-DOPS-CVM injektion. Detta djur gjorde 3 med tre artritiska leder. Fluorescens bilder av tå och ankel av artritisk mus visas i figurerna 4A och 4B. Motsvarande foton mätningar vid 10 ° rotation intervall plottas i figur 4C och 4D. De optimala avbildningsvinklar hittade för tån och fotled är 140 ° och 120 °, respektive.
I sammanfattning, en kombination av den Maroi systemet med fluorescerande SAPC-DOPS nanovesicles representerar en icke-invasiv, noggrann och mycket känslig strategi för levande avbildning, vilket möjliggör kvantitativa studier av tumör och artrit progression hos små djur. Möjligheten att förvärva en 360 ° multimodal imaging dataset avsevärt Improves dataanalys och tolkning, i jämförelse med vad som kan uppnås med hjälp av enkla vinkelavbildningstekniker.
Tabell 1. Optimala avbildningsvinklar för varje musmodell. Skillnaderna mellan vinkeln för maximal foton fluorescens (FLR optimal vinkel) och standard anatomisk vinkel (röntgen) kan ses. När dessa två vinklar blir allt annorlunda, ändrar den uppmätta signalen avsevärt. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 1. Multi-vinkel roterande optisk avbildning (Maroi) enhet. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 2. Fluorescens signal vs bildvinkeln i en orthotopic hjärntumör musmodell. (A). Foto av toppfluorescenssignalen vid de optimala bildvinkel på 10 °. Den blå rutan visar ROI som används för att kvantifiera de utsända fotonerna. (B). Diagram över bildvinkeln kontra fotonemission. Den representativa orthotopic tumör bärande mus (Ortho1) plottas mot medelvärdesfluorescensvärden från samma ROI i tre nontumor möss. Mätningar togs vid baslinjen (före injektion) och 24 h efter injection. Felstaplar representerar standardavvikelse. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 3. Fluorescens signal kontra bildvinkeln i en spontan hjärntumör av en genetiskt modifierad musmodell. (A). Bild av topp fluorescerande signal av ROI 1 (övre blå ruta) vid en optimal bildvinkel på 20 °. (B) och (C). Grafer av bildvinkeln kontra fotonemission från ROI 1. Värden från en representativ spontan hjärntumör bärande mus, tumör-Mut 49, plottas mot medelvärden från tre icke tumör möss. Mätningar togs vid baslinjen (före injektion) och 24 h (B) och 9 dagar (C) efter injektion. Fel b ars representerar standardavvikelse. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 4. Fluorescens signal vs bildvinkeln i en mus med artrit i tå och fotleder. (A) och (B). Bilder som visar topp fluorescerande signal för tårna (A) och fotleder (B), inom de ROI visas i den röda rutan. (C). Diagram över vinkel kontra betyda fotonemission till tå. Peak fotonemission kan ses vid en vinkel av 140 ° (D) Diagram över vinkel kontra betyda fotonemission för vristen.. maximal intensitet uppträder vid en vinkel av 120 °.target = "_blank"> Klicka här för att visa en större bild.
Discussion
Noggrann bestämning av läget och storleken av solida tumörer och inflammatoriska foci i reumatiska sjukdomar är avgörande för att genomföra adekvat behandling och följa upp sjukdomsprogression eller eftergift. Även värdefulla, bildåtergivningsstrategier (röntgen, MRI, ultraljud, röntgen datortomografi) ger ofullständiga bedömningar av sjukdomsstatus. Till exempel är artros ledskador gemensamt bedöms av röntgenstrålning, som ger information om benstrukturen men inte på mjukvävnad inflammation och förstörelse, karakteristisk för tidiga stadier av sjukdomen. Metoden Maroi presenteras här kombinerar fördelarna med både röntgen och avancerade mjukvävnadsavbildningsmetoder (t.ex. MR eller ultraljud) på ett integrerat, icke-invasiv och enklare plattform som också möjliggör en fullständig 3D-kartläggning och rekonstruktion av den sjuka vävnaden eller organet i små djur, såsom möss.
Denna metod utnyttjar den selektiva affinitet of SAPC-DOPS nanovesicles för utsatta fosfatidylserin rester, som är rikligt förekommande i membranen av cancer och inflammatoriska celler. Det avgörande för denna bindning är SAPC, en fusogen lysosomala protein med en stark affinitet för anjoniska fosfolipider såsom fosfatidylserin 7,10,11. När konjugerat till en fluorescerande prob (CVM), kan systemiskt injicerade SAPC-DOPS spåras till tumören och artros webbplatser genom fluorescens avbildning.
Begränsningar i vår metod är relaterade till dess känslighet, som för närvarande begränsar dess användning till avbildning av små djur som möss. Som med andra avbildningsmetoder, är optimal fluorescerande signal-brusförhållande begränsas av storleken på tumören eller omfattningen av artrit, och kan äventyras när imaging vävnader eller organ med hög bakgrund (autofluorescens) såsom öron (hjärnavbildnings), tarmar / avföring (buken imaging) och tassar (bakbenen imaging). I detta avseende har vi funnit att en långt rött färgämne såsom CVM proger ett bättre spektral separation och upplösning i vivo inställningen i än andra fluorescerande prober i det synliga området.
Andra fallgropar inkluderar potentiell rörelse hos djuret under avbildning, både medan sövda och efter slakt (rigor mortis). Bakbens positionering, bestämt är ofta svår att stabilisera för att undvika rörelse under rotation. I sin nuvarande tekniken är också tidskrävande, med avsökningstider så länge som 60 minuter behövs för att slutföra en fullständig rotation och förvärva bilder med hög kvalitet.
Den Maroi metoden medför ett antal fördelar jämfört med andra avbildningsmetoder. Förmågan att bilden sjuk vävnad från 38 (eller fler) olika vinklar tillåter visualisering av fluorescens som kan hindras vid bedömningen den från ett enda plan; Detta är värdefullt i djurstudier, eftersom det kan hjälpa till att minimera antalet falska negativa resultat som är resultatet av bildbehandling på olämpliga vinklar. Genom övertryckying röntgen och fluorescens bilder, kan en exakt anatomisk lokalisering av den sjuka platsen bestämmas. Slutligen ger möjlighet till levande (in vivo) bildhantering för longitudinella studier som ska utföras.
Disclosures
Det finns inget att lämna ut.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes delvis av NIH / NCI Grants Number 1R01CA158372-01 (till Qi) och New Drug staten Key Project Grant Number 009ZX09102-205 (till Qi). Skriva stöd gavs av Dr Judy Racadio, och har finansierats av University of Cincinnati Institutionen för hematologi och onkologi. Vontz Kärna Imaging Lab (VCIL) vid College of Medicine vid University of 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) |
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).
