Summary
Vi beskriver en multi-vinkel rotasjons optisk imaging (Maroi) system for in vivo kvantifisering av en fluoriserende fargestoff levert av saposin C (SapC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPer) nanovesicles. Anvendelse av musemodeller for kreft og artritt, viser vi hvordan Maroi signalkurve-analyse kan anvendes for nøyaktig kartlegging og biologisk karakterisering av sykdomsprosessene.
Abstract
Vi beskriver en flervinkelrotasjons optisk imaging (Maroi) system for in vivo overvåkning av physiopathological prosesser som er merket med en fluorescerende markør. Musemodeller (hjernesvulst og leddgikt) ble brukt for å vurdere nytten av denne metoden. Saposin C (SapC)-dioleoylphosphatidylserine (DOPS) nanovesicles merket med CellVue Maroon (CVM) Fluoroforen ble administrert intravenøst. Dyrene ble så plassert i rotasjonsholderen (MARS) for in vivo avbildningssystem. Bildene ble kjøpt i 10 ° trinn enn 380 °. Et rektangulært område av interesse (ROI) ble plassert over hele bildebredde på modellen sykdomsstedet. Innenfor ROI, og for hvert bilde, ble gjennomsnittlig fluorescens intensitet beregnet etter bakgrunn subtraksjon. I musemodeller studert, ble de merkede nanovesicles tatt opp i både ortotopiske og transgene hjernesvulster, og i leddgikt nettsteder (tær og ankler). Curve analyse av multi vinkel image ROIs bestemt vinkel med den høyeste signal. Således var den optimale vinkel for å avbilde hver sykdomsstedet karakterisert. Den Maroi metode anvendt til avbildning av fluoriserende forbindelser er en ikke-invasiv, økonomisk og nøyaktig verktøy for in vivo kvantitativ analyse av sykdomstilstander i de beskrevne musemodeller.
Introduction
Hele dyret bildebehandling har blitt et kraftig verktøy i studiet av dyr physiopathology. Blant aktuelle avbildningssystemer, gjør det mulig for MS FX PRO forskere å visualisere nøyaktig fluorescensmerkede (eller selvlysende) forbindelser og / eller vev i levende mus, og samtidig oppnå røntgenbilder. Med den nylig introduserte multi modal dyr rotasjonssystem (MARS) et komplett automatisert rotasjon av musen er oppnådd for å fange opp både fluoriserende / selvlysende og X-ray bilder på bestemte vinkler en. Image oppkjøpet kan programmeres slik at sekvensiell bildeserie kan fanges på bestemte, inkrementelle vinkler så små som 1 °. Dette tillater en å identifisere den optimale orientering av dyret, dvs.. at der avstanden mellom den internt genererte fluorescerende / luminescerende signal og systemets registreringsenhet er den korteste. Dette i sin tur muliggjør nøyaktig posisjonering av dyret for påfølgende avbildning sessions under longitudinelle studier.
I denne rapporten beskriver vi gjennomføringen av en multi-vinkel rotasjons optisk imaging (Maroi) system for in vivo kvantifisering av fluoriserende fargestoff intensitet. Maroi signalkurve analyse kan brukes i longitudinelle studier for direkte korrelasjon av fluorescerende signal distribusjon til nettopp kartlegge syke nettsteder eller biologiske prosesser av interesse.
Dette system ble anvendt for å overvåke absorpsjonen av fluorescensmerkede SapC-DOPS nanovesicles ved ortotopiske og spontane tumorer, så vel som av artrittisk brennpunktene, i levende mus; det ga multispektrale og multimodale datasett avledet fra komplett rotasjons dekning av dyrene. Blant de mange fluorescerende prober for tiden tilgjengelig for in vivo avbildning, som slipper ut i nær-infrarød og langt-røde spektrale regioner konferere den laveste interferens med hud og vev, og gi den høyeste penetrasjon og bilde resolution. Vi brukte CellVue Maroon (CVM) 2,3, et langt rødt fluoriserende celle linker (Ex 647/Em 667), å merke SapC-DOPS (SapC-DOPS-CVM) 4-12.
Protocol
Etikk uttalelse av dyr bruk. Alle dyrestudier ble godkjent av Institutional Animal Care og bruk komité ved University of Cincinnati (IACUC Protocol nummer: 11-05-05-02) og Cincinnati Children Hospital Research Foundation (Animal Welfare Assurance Antall A3108-01). Alle forsøk med mus fulgt retningslinjene fra University of Cincinnati og Cincinnati Children Hospital Research Foundation dyr omsorg.
En. Forbered dyremodeller
Merk: Tre ulike dyremodeller fremkommer nedenfor er brukt i våre tidligere studier:
- Orthotopic hjernesvulst mus: Bruk Nu / Nu atymisk hunnmus som har blitt intracranially injisert med menneskelige U87-ΔEGFR-Luc celler. Disse musene utvikler en aggressiv svulst som viser typiske trekk ved menneskelig glioblastom.
- Genmanipulerte hjernesvulst musemodeller 13: Breed Mut3 (GFAP-cre; Nf1loxP / +; Trp53-/ +) hannmus med Trp53loxP/loxP; PtenloxP / loxP kvinner å generere Mut6 mus (GFAP-CRE, Nf1loxP / +, Trp53-/loxP; PtenloxP / +). Oppretthold Mut3 mus i B6CBAF1 / J belastningen ved avl mannlige Mut3 mus med kvinnelige B6CBAF1 / J mus. Genotype musene mellom P9 og P12 og bekreft genotypene etter høsting sine vev.
- K / BXN artritt: Bruk C57BL/6J mus som har blitt tilført intraperitonealt med 150 mL serum fra KRN x NOD F1 mus. Disse musene utvikler artritt 24-48 timer etter injeksjon sera. Avbilding av den artrittiske mus er utført på dag 7 etter sera administrering, en gang punkt hvor mus oppviser overt makroskopisk artritt. Mus bør evalueres ved hjelp av kriteriene beskrevet i neste trinn.
- Evaluering av mus for makroskopisk leddgikt ved hjelp av en leddgikt indeks makroskopisk scoring system som følger: 0 = ingen påviselig leddgikt, 1 = hevelse og / eller rødhet i labben eller ett siffer, 2 = to leddene som er involvert, 3 = tre leddene involVed, og 4 = alvorlig leddgikt av hele labben og siffer. Den leddgikt scoring system brukes til å bestemme antall ledd påvirkes og alvorlighetsgraden av leddgikt i mus poter. Selv mus med høyest mulig leddgikt poengsum viser sjelden tegn til immobilitet. Imidlertid er artritt overvåket 3x/week og mus i overdreven smerte (for eksempel alvorlig ubevegelighet av svellede labber som hemmer mat-og vannforbruket) blir ofret.
- Merk: Fluider injisert IV inn i musehalevenen har sterilitet opprettholdt gjennom hele forsøket. Rene, sterile engangssprøyter og ampuller brukes til studie løsning forberedelse og administrasjon.
2. Utarbeidelse av fluorescently-merket SapC-DOPS Nanovesicles
- SapC protein produksjon: Rekombinant SapC protein med eksakt menneskelig SapC sekvensen ble produsert i E. coli-celler som tidligere beskrevet i forbindelse med modifiseringer 4..SapC ble utfelt med etanol, etterfulgt av høy ytelse væskekromatografi rensinger. Etter lyofilisering, ble tørr SapC anvendes og dets konsentrasjon ble bestemt ved sin vekt.
- Bland SapC protein som tidligere beskrevet 7,10,11. Mix DOPS (0.18 mg) og CVM (0,03 mg) i et glassrør og bruke nitrogengass for å fordampe lipide oppløsningsmidler.
- Legg SapC protein-pulver (0,32 mg) til blandingen, suspendere den tørre blandingen i 1 ml PBS-buffer og bad sonicate i omtrent 15 min som tidligere beskrevet 7,10,11. Deretter føres suspensjonen gjennom en Sephadex G25-kolonne (PD-10) for å fjerne fritt CVM fargestoff. Eksitasjon og emisjon maxima på sluttproduktet, dvs. SapC-DOPS-CVM nanovesicles, er 653 nm og 677 nm, henholdsvis.
Tre. Imaging
- Bruk hjernesvulst og artritt musemodeller (beskrevet ovenfor i trinn 1) for å teste Maroi system. Anesthetize mus til effekt med 2% isofluran. 1-2% isofluran er maintastilt for varigheten av avbildningsprosedyren. Varm luft blir kontinuerlig og forsiktig tilføres gjennom avbildningskammeret for varigheten av bildebehandling. En liten perle av sterile kunstige tårer salve anvendes på hvert øye av musen for å dekke og smøre øyet. Plasser mus i den MARS systemet ved å plassere musene i liggende stilling med sine ryggraden i utgangspunktet rettet mot kameraet (figur 1). Kalibrere MARS 380 ° støtte film og plasserer muse bruk av rotasjons programvare i protokollen kategorien Bruker MI. Skaff baseline bilder av mus før SapC-DOPS-CVM administrasjon på den måte som er beskrevet nedenfor.
- Injisere 200 mL av SapC-DOPS-CVM intravenøst inn i halen vein av musen. Administrere å styre mus og leddgikt eller hjernesvulst-bærende mus.
- Bilde mus 24 timer etter injeksjonen og igjen på 7-9 dager etter injeksjon ved å ta fluorescens (25 sec eksponeringstiden) og X-ray (10 sec eksponeringstiden) images på trinn 10 ° over en periode på 380 °, noe som skaper en liten overlapping for å sikre at det ikke er noen hull i rotasjons datasett. Bruke Bruker MI programvare, innkopiering fluorescerende på røntgenbilder for anatomisk lokalisering.
4. Bildeanalyse
- Tegn en rektangulær ROI omfatter bredden av synsfeltet (FOV) på sykdomsstedet (tumor-og artritt). ROI må være stor nok til å holde sykdommen funksjonen innenfor FOV som dyret beveger seg i løpet av den 380 ° rotasjon. For hjernesvulst mus (ortotopiske og transgene modeller), kan du bruke den samme rektangulære ROI på hver svulst modell og de tre (3) respektive kontroll mus for alle tidspunkter (baseline, 24 timers, og ni dager). Plasseringen av den rektangulære ROI for hver mus er bevart gjennom alle tidspunkter ved å utnytte anatomiske landemerker på hver dyrets tilsvarende X-ray bilder. Den anatomiske landemerker (e) identifiseres på tumormodell må også brukes til å place identiske rektangulære ROIs på hver modellens respektive kontroller. Anatomiske landemerker identifisert på røntgenbilder som åpner for konsekvent ROI plassering inkluderer bunnen av hodeskallen og bakre del av kinnbuen. De er visualisert på høyre og venstre lateral hodeskalle i posterior-anterior (PA) image.
- Etter automatisk bakgrunns subtraksjon, bestemme midlere fluorescens intensitet for hvert bilde. Konverter fluorescens bildene til fotoner / s / mm 2 bruker Bruker MI bildebehandlingsprogrammer. Plott fluorescens verdiene som en funksjon av imaging vinkler, og gjelder som feilfelt standardavviket av gjennomsnitts fluorescens verdier hentet fra kontroll mus ved hjelp av Excel eller andre grafiske programvare.
Representative Results
Vi viser her at SapC-DOPS nanovesicles merket med en far-rødt fargestoff (CVM) spesifikt akkumuleres i ortotopiske og spontane musehjernesvulster, så vel som i artrittiske leddene i K / BXN mus. Serielle fluorescens / røntgenbilder ervervet fra en ROI plassert over hver sykdomsstedet under fullstendige rotasjoner av musene ble underkastet Maroi kurve analyse, som viste en optimal avbildning vinkel med den høyeste fluorescensintensitet.
Det primære formål ved bruk av MARS systemet er å bestemme den optimale vinkel på fluorescens, slik at de mest nøyaktige målinger kan tas. Representative resultater fra tre eksperimenter med mus med hjernesvulster eller leddgikt vises. Bruke SapC-DOPS-CVM og MARS systemet (figur 1), best mulig bildevinkel for å observere svulst eller betennelse på grunn av leddgikt ble bestemt. Fluorescens bilder, etterfulgt av en X-ray oppkjøpet, ble kjøpt hver 10 °i løpet av en 380 ° rotasjon av mus. Fluorescens bilder ble lagt over de tilsvarende X-ray bilder for bildevisning og rotasjons film generasjon.
Resultater fra orthotopic hjernetumor modellen er vist i figur 2.. Fluorescens-bilde av en representativ orthotopic tumor-bærende mus (Ortho1) er vist i figur 2A. Den optimale bildevinkel for dette dyret er 10 °, den stilling ved hvilken fluorescens fotonintensiteten er den største (figur 2B). Målinger ble tatt før injeksjon med SapC-DOPS-CVM (baseline) og 24 timer etter injeksjon. Kontroll mus (tumor fri) mottok en lignende behandling.
Figur 3 viser sammenlignbare data fra genetisk konstruert hjernesvulst musemodell. Fluorescens bildene og foton målinger ble tatt før injeksjon med SapC-DOPS-CVM (baseline) og 24-timers (Tall 3A og <strong> 3B) og ni dager (Figur 3C) etter injeksjon. Disse grafene viser at den optimale bildevinkel i tumor-bærende dyr (Tumor Mut49) er 20 ° 24 timers post-injeksjon, men endringer i 10 ° ni dager etter injeksjon. Dette tyder på at fluorescens signal endring korrelert med morfologiske endringer, sannsynligvis gjenspeiler tumorvekst.
Som vist i tabell 1, er Maroi metode viser klart at det fluorescerende signal avtar for anslag mot å øke rotasjon bort fra det optimale avbildning vinkel. I hjernetumorer, ble en 7% gjennomsnittlig reduksjon i fluorescerende signal som oppnås hvis dyret fysiske orientering var ± 10 ° forskjøvet i optimal avbildning vinkel. Et gjennomsnitt på 21% reduksjon i fluorescenssignalet målt til ± 20 °. Således relativt små forskyvninger fra den optimale vinkel kan resultere i betydelig signaldempning. Utnytte Maroi teknikk for bilde posisjonering vil tillate investigators å produsere mer konsekvente og pålitelige data.
Den Maroi Metoden ble endelig brukt for å vurdere målretting av leddgikt ledd av SapC-DOPS-CVM 24 timer etter SapC-DOPS-CVM injeksjon. Dette dyret scoret tre med tre leddgikt ledd. Fluorescens bilder av tå-og ankel i den artrittiske mus er vist i figur 4A og 4B. Tilsvarende foton målinger ved 10 ° rotasjon intervaller er tegnet opp i figur 4C og 4D. De optimale bildevinkler som finnes for tåen og ankelen er 140 ° og 120 °, henholdsvis.
I sammendraget, kombinasjonen av Maroi system med fluorescerende SapC-DOPer nanovesicles representerer en ikke-invasiv, nøyaktig og svært sensitive strategi for levende avbildning, som gjør det mulig for kvantitative studier av svulsten og leddgikt progresjon i små dyr. Muligheten for å anskaffe en 360 ° multimodal bildedatasettet betraktelig improves dataanalyse og tolkning, sammenlignet med hva som kan oppnås ved hjelp av enkle vinkelavbildningsteknikker.
Tabell 1 Optimale bildevinkler for hver mus modell. Forskjellene mellom vinkelen maksimal foton fluorescens (FLR optimal vinkel) og standard anatomisk vinkel (X-ray) kan sees.. Når disse to vinkler blitt stadig mer forskjellig, endrer målte signalet betraktelig. Klikk her for å se større bilde .
Figur 1. Multi-vinkel rotasjon optisk imaging (Maroi) enhet. Klikk her for å se større bilde .
Figur 2. Fluorescens signal vs bildevinkel i en orthotopic hjernesvulst mus modell. (A). Bilde av toppen fluorescerende signal på en optimal bildevinkel på 10 °. Den blå boksen viser avkastningen brukes til å kvantifisere de slippes ut fotoner. (B). Graf av bildet vinkel versus foton emisjon. Representanten orthotopic tumor-bærende mus (Ortho1) tegnes mot gjennomsnitts fluorescens verdier fra identisk ROIs i tre nontumor mus. Målingene ble tatt ved baseline (før injeksjon) og 24 timers innlegg injection. Feil søylene representerer standardavvik. Klikk her for å se større bilde .
Figur 3. Fluorescens signal vs bildevinkel i en spontan hjernesvulst av en genmodifisert mus modell. (A). Bilde av toppen fluorescerende signal på en ROI (top box blått) på optimal bildevinkel på 20 °. (B) og (C). Grafer av bildet vinkel i forhold til foton emisjon fra ROI en. Verdier fra en representativ spontan hjernesvulst bærende mus, Tumor-Mut 49, er tegnet opp mot gjennomsnittsverdier fra tre ikke tumor mus. Målinger ble tatt ved utgangspunktet (før injeksjon) og 24 t (B) og 9 dager (C) etter injeksjonen. Feil b ars representerer standardavvik. Klikk her for å se større bilde .
Figur 4. Fluorescens signal vs bildevinkel i en mus med leddgikt av tå og ankel leddene. (A) og (B). Bilder som viser topp fluorescerende signal for tærne (A) og ankelledd (B), i løpet av de ROIs som er vist i den røde boksen. (C). Graf av vinkel versus betyr foton emisjon for tåen. Peak foton emisjon kan sees i en vinkel på 140 ° (D) Diagram over vinkel versus betyr foton emisjon for ankelen..; maksimal intensitet skjer i en vinkel på 120 °.target = "_blank"> Klikk her for å se større bilde.
Discussion
Nøyaktig bestemmelse av plasseringen og omfanget av solide svulster og inflammatoriske foci i revmatiske lidelser er avgjørende for å gjennomføre adekvat behandling og oppfølging sykdomsprogresjon eller remisjon. Mens verdifulle, aktuelle bildebehandlings strategier (røntgen, MR, ultralyd, røntgen computertomografi) gir ufullstendige vurderinger av sykdomsstatus. For eksempel er leddgikt leddskader ofte vurdert av røntgenstråler, som gir informasjon om beinstruktur, men ikke på mykt vev betennelse og ødeleggelse, karakteristisk for tidlige stadier av sykdommen. Den Maroi Metoden som presenteres her kombinerer fordelene med både røntgen og sofistikerte myke vev bildediagnostikk (f.eks MR eller ultralyd) i en integrert, ikke-invasiv og enklere plattform som også gir mulighet for en full 3D kartlegging og gjenoppbygging av sykt vev eller organ i små dyr slik som mus.
Denne fremgangsmåte utnytter den selektive affinitet of SapC-DOPS nanovesicles for utsatte Phosphatidylserine rester, som er rik på membraner av kreft og betennelsesceller. Determinant av denne bindingen er SapC, en fusogenic lysosomal protein med en sterk affinitet for anioniske fosfolipider som fosfatidylserin 7,10,11. Når konjugert til et fluorescerende probe (CVM), kan systemisk injisert SapC-DOPS spores til tumor og leddgikt nettsteder ved fluorescens bildebehandling.
Begrensninger av vår metode er knyttet til dens følsomhet, som i dag begrenser bruken til avbildning av smådyr som mus. Som med andre avbildningsmetoder, er optimal fluorescerende signal til støyforhold begrenset av størrelsen av tumoren eller omfanget av artritt, og kan forringes når imaging vev eller organer med høy bakgrunn (autofluorescens) som ørene (avbildning av hjernen), tarmer / avføring (abdominal avbildning) og labber (hind lem imaging). I denne sammenheng, fant vi at en langt-rødt fargestoff som CVM probringer bedre spektral separasjon og oppløsning i in vivo innstilling enn på andre fluorescerende prober i det synlige området.
Andre fallgruver omfatter potensielle bevegelse av dyret under avbildning, både mens bedøvet og post mortem (rigor mortis). Hind lem posisjonering, spesielt, ofte er vanskelig å stabilisere for å unngå bevegelse under rotasjon. I sin nåværende tilstand teknikken er også tidkrevende, med skanne ganger så lenge som 60 minutter som trengs for å fullføre en full rotasjon og skaffe bilder av høy kvalitet.
Den Maroi metoden presenterer en rekke fordeler fremfor andre bildediagnostikk. Evnen til bilde sykt vev fra 38 (eller flere) forskjellige vinkler tillater visualisering av fluorescens som kan være når man vurderer det fra et enkelt plan hindres; Dette er verdifullt i dyrestudier, fordi det kan bidra til å redusere antall falske negative som følge av bildebehandling på upassende vinkler. Ved å overlying X-ray og fluorescens bilder, kan en presis anatomisk lokalisering av den syke nettstedet bestemmes. Endelig er muligheten for direkte (in vivo) avbildning tillater langsgående undersøkelser som skal utføres.
Disclosures
Det er ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet delvis av NIH / NCI Grants Number 1R01CA158372-01 (til Qi) og New Drug State Key Prosjekt Grant Number 009ZX09102-205 (til Qi). Skrive assistanse ble gitt av Dr. Judy Racadio, og ble finansiert av Universitetet i Cincinnati Institutt for hematologi og onkologi. Vontz Kjerne Imaging Lab (VCIL) i College of Medicine ved 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).
