Summary
Se describe un multi-ángulo de rotación del sistema de formación de imágenes ópticas (Maroi) para la cuantificación in vivo de un marcador fluorescente emitido por saposina C (SAPC)-dioleilfosfatidil serina (DOPS) nanovesículas. El empleo de modelos de ratón de cáncer y la artritis, demostramos cómo el análisis de la curva de la señal de Maroi se puede utilizar para la cartografía precisa y caracterización biológica de los procesos de enfermedad.
Abstract
Se describe un multi-ángulo de rotación del sistema de formación de imágenes ópticas (Maroi) para el seguimiento in vivo de procesos fisiopatológicos marcados con un marcador fluorescente. Se utilizaron modelos de ratón (tumores cerebrales y artritis) para evaluar la utilidad de este método. Saposina C (SAPC)-dioleoilfosfatidilserina (DOPS) nanovesículas etiquetados con CellVue Granate (CVM) fluoróforo se administraron por vía intravenosa. Los animales se colocaron a continuación en el soporte de rotación (MARS) del sistema de imágenes in vivo en. Las imágenes fueron adquiridas en pasos de 10 º sobre 380 °. Una región rectangular de interés (ROI) se coloca a través de la anchura de la imagen completa en el sitio de la enfermedad modelo. En el retorno de la inversión, y por cada imagen, la intensidad media de fluorescencia se calculó después de la sustracción del fondo. En los modelos de ratones estudiados, los nanovesículas marcadas se recogieron en ambos los tumores cerebrales ortotópico y transgénicos, y en los sitios artríticos (dedos de los pies y los tobillos). El análisis de la curva del ángulo de varios image ROI determina el ángulo con la señal más alta. Por lo tanto, se caracterizó el ángulo óptimo para obtener imágenes de cada sitio de la enfermedad. El método de Maroi aplicado a las imágenes de los compuestos fluorescentes es una herramienta no invasiva, económico, y precisa in vivo para el análisis cuantitativo de los estados de enfermedad en los modelos de ratón descritos.
Introduction
De imágenes de animales conjunto se ha convertido en una poderosa herramienta en el estudio de la fisiopatología animal. Entre los sistemas de imágenes actuales, el MS PRO FX permite a los investigadores etiquetados correctamente a visualizar con fluorescencia (o luminiscentes) compuestos y / o tejidos en ratones vivos, y al mismo tiempo obtener imágenes de rayos-X. Con el sistema multimodal recientemente introducido la rotación de los animales (MARS) se logra una rotación completa y automatizada del ratón con el fin de captar tanto fluorescente / luminiscentes y las imágenes de rayos X en ángulos específicos 1. La adquisición de imágenes se puede programar de tal manera que la serie de imágenes secuenciales se puede capturar a, ángulos incrementales específicos tan pequeñas como 1 °. Esto permite una para identificar la orientación óptima del animal, es decir. aquel en el que la distancia entre la señal fluorescente / luminiscente generada internamente y dispositivo de detección del sistema es el más corto. Esto, a su vez, facilita el reposicionamiento preciso del animal para formación de imágenes posterior SEssions durante los estudios longitudinales.
En este reporte se describe la implementación de un sistema de multi-ángulo de imagen óptica de rotación (Maroi) para la cuantificación in vivo de la intensidad marcador fluorescente. Análisis de la curva de la señal de Maroi se puede utilizar en estudios longitudinales para la correlación directa de la distribución de la señal fluorescente para mapear con precisión los sitios enfermos o procesos biológicos de interés.
Este sistema se utiliza para controlar la absorción de la etiqueta fluorescente nanovesículas SAPC-DOPS por tumores ortotópico y espontáneas, así como por focos artrítica, en ratones vivos; proporcionó conjuntos de datos multiespectrales y multimodales derivados de cobertura de rotación completa de los animales. Entre las numerosas sondas fluorescentes disponibles para imágenes in vivo, las que emiten en las regiones espectrales del infrarrojo cercano y rojo lejano confieren la menor interferencia con la piel y los tejidos, y proporcionar los más altos de penetración e imagen reslución. Utilizamos CellVue Granate (CVM) 2,3, un enlazador de células fluorescentes rojo lejano (Ex 647/Em 667), para etiquetar SAPC-DOPS (SAPC-DOPS-CVM) 4-12.
Protocol
Declaración ética del uso de animales. Todos los estudios con animales fueron aprobadas por el Comité de Cuidado de Animales institucional y el empleo de la Universidad de Cincinnati (Número de Protocolo IACUC: 11-05-05-02) y la Fundación de Investigación del Hospital de Niños de Cincinnati (Bienestar Animal Número Aseguramiento A3108-01). Todos los experimentos con ratones siguen las pautas de cuidado de animales de la Universidad de Cincinnati y la Fundación de Investigación del Hospital de Niños de Cincinnati.
1. Preparar Modelos Animales
Nota: Tres modelos animales diferentes se describen a continuación se han utilizado en nuestros estudios previos:
- Ortotópico ratón tumor cerebral: Utilice nu / nu ratones hembra atímicos que han sido intracraneal inyectado con células U87-ΔEGFR-Luc humanos. Estos ratones desarrollan un tumor agresivo que muestra las características típicas de glioblastoma humano.
- Modelos de ratones genéticamente modificados tumor cerebral 13: Breed Mut3 (GFA-cre; Nf1loxP / +; Trp53-/ +) ratones machos con Trp53loxP/loxP; Hembras PtenloxP / loxP para generar ratones mut6 (GFAP-cre; Nf1loxP / +; Trp53-/loxP; PtenloxP / +). Mantener los ratones MUT3 en B6CBAF1 / J cepa criando ratones machos MUT3 con B6CBAF1 hembra / J ratones. Genotipo los ratones entre P9 y P12 y confirmar los genotipos después de cosechar sus tejidos.
- K / BxN artritis: ratones Uso C57Bl/6J que han sido administrados por vía intraperitoneal con 150 l sueros de KRN x NOD ratones F1. Estos ratones desarrollan artritis de 24 a 48 horas después de la inyección sueros. Imágenes de los ratones artríticos se lleva a cabo en el día 7 después de la administración de sueros, un punto de tiempo en el que ratones muestran artritis macroscópica manifiesta. Los ratones deben ser evaluadas según los criterios descritos en el siguiente paso.
- Evaluación de los ratones para la artritis macroscópica utilizando un índice sistema de puntuación macroscópica artrítica de la siguiente manera: 0 = sin artritis detectable, 1 = hinchazón y / o enrojecimiento de la pata o un dígito, 2 = dos articulaciones involucradas, 3 = tres articulaciones INVOLVed, y 4 = artritis severa de toda la pata y dígitos. El sistema de puntuación artrítica se utiliza para determinar el número de articulaciones afectadas y la gravedad de la artritis en las patas de ratones. Incluso los ratones con la puntuación más alta posible artritis rara vez muestran signos de inmovilidad. Sin embargo, la artritis es 3x/semana supervisado y ratones en dolor excesivo (como la inmovilidad severa de las patas hinchadas que inhibe la alimentación y el consumo de agua) son sacrificados.
- Nota: los fluidos inyectados IV en la vena de la cola de ratón han esterilidad mantenido durante todo el experimento. Jeringas limpias, estériles, desechables y viales se utilizan para la preparación y administración de la solución de estudio.
2. Preparación de marcado con fluorescencia SAPC-DOPS nanovesículas
- SAPC producción de proteínas: proteína recombinante SAPC con exacta secuencia SAPC humana fue producida en E. células de E. coli como se describió previamente con modificaciones 4.SAPC se precipitó con etanol seguido de alto rendimiento purificaciones cromatografía líquida. Después de la liofilización, SAPC seco se utiliza y su concentración se determinó por su peso.
- Mezcle proteína SAPC como se describió previamente 7,10,11. Mezcla DOPS (0,18 mg) y CVM (0,03 mg) en un tubo de vidrio y el uso de gas nitrógeno para evaporar disolventes de lípidos.
- Añadir SAPC proteína en polvo (0,32 mg) a la mezcla, suspender la mezcla seca en 1 ml de tampón PBS y se somete a ultrasonidos de baño durante aproximadamente 15 min, como se ha descrito previamente 7,10,11. A continuación, pasar la suspensión a través de una columna de Sephadex G25 (PD-10) para eliminar tinte CVM libre. La excitación y la emisión máxima del producto final, es decir, nanovesículas SAPC-DOPS-CVM, son 653 nm y 677 nm, respectivamente.
3. Imaging
- Utilice tumor cerebral y modelos de artritis de ratón (descrito anteriormente en el paso 1) para probar el sistema de Maroi. Anestesie ratones para efectuar con 2% de isoflurano. 1-2% de isoflurano es maintaINED para la duración del procedimiento de formación de imágenes. El aire caliente se suministra de forma continua y suavemente a la cámara de formación de imágenes durante la duración de formación de imágenes. Una pequeña gota de ungüento lágrimas artificiales estéril se aplica a cada ojo del ratón con el fin de cubrir y lubricar el ojo. Coloque los ratones en el sistema MARS mediante la colocación de los ratones en una posición supina con su columna vertebral dirigido inicialmente hacia la cámara (Figura 1). Calibrar la película de soporte ° 380 MARS y situar el ratón usando el software de rotación en la pestaña protocolo Bruker MI. Obtener imágenes de línea de base de los ratones antes de la administración SAPC-DOPS-CVM en la manera descrita a continuación.
- Inyectar 200 l de SAPC-DOPS-CVM por vía intravenosa en la vena de la cola del ratón. Administrar a los ratones de control y ratones portadores de tumores cerebrales o artríticas.
- Imagen 24 ratones después de la inyección hr y de nuevo en 7-9 días después de la inyección mediante la adopción de fluorescencia (25 seg de tiempo de exposición) y de rayos X (10 seg tiempo de exposición) imagos en incrementos de 10 ° más de un curso de 380 °, creando un ligero solapamiento para garantizar que no haya lagunas en el conjunto de datos de rotación. Uso de software de Bruker MI, superponer fluorescente en las imágenes de rayos X para la localización anatómica.
4. Análisis de Imágenes
- Dibujar un ROI rectangular que abarca la anchura del campo de visión (FOV) de la sitio de la enfermedad (tumor y la artritis). El retorno de la inversión debe ser lo suficientemente grande como para mantener la característica de la enfermedad dentro del campo de visión como el animal se mueve en el curso de la rotación de 380 °. Para los ratones con tumores cerebrales (modelos ortotópico y transgénicos), utilice el mismo ROI rectangular en cada modelo de tumor y sus (3) tres ratones de control respectivo para todos los puntos de tiempo (línea de base, 24 h, y 9 días). El posicionamiento de la ROI rectangular para cada ratón se conserva en todos los puntos de tiempo mediante la utilización de puntos de referencia anatómicos en correspondientes imágenes de rayos X de cada animal. El punto de referencia (s) anatómica identificado en el modelo de tumor también se debe utilizar para place ROIs rectangulares idénticas en los respectivos controles de cada modelo. Puntos de referencia anatómicos identificados en las imágenes de rayos X que permiten la colocación de retorno de la inversión consistente incluyen la base del cráneo y la cara posterior del arco cigomático. Ellos se visualizan a la derecha y la izquierda lateral de cráneo en la imagen posterior-anterior (PA).
- Después de la sustracción automática de fondo, determinar la intensidad media de fluorescencia para cada imagen. Convertir las imágenes de fluorescencia de fotones / s / mm 2, utilizando el software de imágenes Bruker MI. Grafica los valores de fluorescencia en función de los ángulos de imagen, y aplicar en forma de barras de error la desviación estándar de los valores de fluorescencia promediados obtenidos de ratones de control que utilizan Excel u otro software de gráficos.
Representative Results
Se demuestra aquí que nanovesículas SAPC-DOPS marcado con un colorante rojo lejano (CVM) se acumulan específicamente en los tumores de cerebro de ratón ortotópico y espontáneas, así como en las articulaciones artríticas de los ratones K / BxN. Imágenes / fluorescencia de rayos X de serie adquiridos a partir de un retorno de la inversión se coloca sobre cada sitio de la enfermedad durante las rotaciones completas de los ratones se sometieron a análisis de la curva de Maroi, que reveló el ángulo de proyección de imagen óptima con la mayor intensidad de la fluorescencia.
El propósito principal para usar el sistema MARS es para determinar el ángulo óptimo de la fluorescencia de modo que las mediciones más precisas se pueden tomar. Se muestran resultados representativos de tres experimentos con ratones con tumores cerebrales o la artritis. Uso de SAPC-DOPS-CVM y el sistema MARS (Figura 1), el mejor ángulo de imagen posible para observar el tumor o inflamación debido a la artritis se determinó. Las imágenes de fluorescencia, seguido de una adquisición de rayos X, se adquirieron cada 10 °durante una rotación de 380 º del ratón. Imágenes de fluorescencia se superpone a las imágenes de rayos X correspondientes para visualización de imágenes y la generación de película de rotación.
Los resultados del modelo ortotópico tumor cerebral se demuestra en la Figura 2. La imagen de fluorescencia de un ortotópico de ratón portador de tumor representante (Ortho1) se muestra en la Figura 2A. El ángulo de imagen óptima para este animal es 10 °, la posición en la que la intensidad de fotones de fluorescencia es la más grande (Figura 2B). Las mediciones se realizaron antes de la inyección con SAPC-DOPS-CVM (línea de base) y 24 horas después de la inyección. Los ratones de control (sin tumor) recibieron un tratamiento similar.
La Figura 3 muestra los datos comparables del modelo de ratón tumor cerebral mediante ingeniería genética. Las imágenes de fluorescencia y mediciones de fotones se tomaron antes de la inyección con SAPC-DOPS-CVM (línea de base) y 24 h (Figuras 3A y <strong> 3B) y 9 días (Figura 3C) después de la inyección. Estos gráficos muestran que el ángulo de imagen óptima en el animal con tumor (Tumor Mut49) es de 20 ° 24 h después de la inyección, pero los cambios en 10 de inyección ° 9 días después. Esto sugiere que la alteración de la señal de fluorescencia se correlacionó con cambios morfológicos, probablemente reflejando el crecimiento del tumor.
Como se muestra en la Tabla 1, el método de Maroi demuestra claramente que la señal fluorescente disminuye para las proyecciones en el aumento de la rotación de distancia desde el ángulo de formación de imágenes óptima. En los tumores cerebrales, se obtuvo una disminución promedio de 7% en la señal fluorescente si la orientación física del animal fue de ± 10 desplazamiento desde el ángulo de proyección de imagen óptima °. Una disminución promedio del 21% en la señal fluorescente se midió a ± 20 °. Por lo tanto relativamente pequeños desplazamientos desde el ángulo óptimo puede dar lugar a la atenuación de la señal significativa. Utilizando la técnica de Maroi de posicionamiento de imagen permitirá investigators para producir datos más consistentes y fiables.
El método de Maroi finalmente se utiliza para evaluar la focalización de las articulaciones artríticas por SAPC-DOPS-CVM 24 horas después de la inyección SAPC-DOPS-CVM. Este animal anotó 3 con tres articulaciones artríticas. Las imágenes de fluorescencia de dedo del pie y el tobillo del ratón artrítico se muestran en las Figuras 4A y 4B. Mediciones de fotones correspondientes de los intervalos de rotación de 10 ° se representan gráficamente en las figuras 4C y 4D. Los ángulos de imagen óptimos encontrados para el dedo del pie y el tobillo son 140 ° y 120 °, respectivamente.
En resumen, la combinación del sistema de Maroi con fluorescentes nanovesículas SAPC-DOPS representa una estrategia no invasiva, precisa y altamente sensible para la formación de imágenes en vivo, lo que permite estudios cuantitativos de tumor y la progresión de la artritis en animales pequeños. La posibilidad de adquirir un conjunto de datos de imagen multimodal ° 360 improvisación considerablementeanálisis de los datos es Contacto e interpretación, en comparación con lo que se puede lograr mediante técnicas de imagen de ángulo individuales.
Tabla 1. Ángulos de imagen óptima para cada modelo de ratón. Las diferencias entre el ángulo de la fluorescencia máxima de fotones (FLR ángulo óptimo) y el ángulo anatómica estándar (rayos X) se pueden ver. Cuando estos dos ángulos se vuelven cada vez más diferente, la señal medida cambia significativamente. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .
Figura 1. Multi-ángulo de rotación del dispositivo de imagen óptica (Maroi). Haga clic aquí para ver la imagen más grande .
Figura 2. Fluorescencia señal en función del ángulo de imagen en un modelo de ratón ortotópico tumor cerebral. (A). Imagen de la cresta de la señal fluorescente en el ángulo de imagen óptima de 10 °. La caja azul muestra el retorno de la inversión utilizada para cuantificar los fotones emitidos. (B). Gráfico del ángulo de imagen en comparación con la emisión de fotones. El ortotópico ratón portador de tumor representativo (Ortho1) se grafica contra los valores de fluorescencia promediados desde ROIs idénticos en tres ratones no tumoral. Las mediciones se realizaron al inicio del estudio (antes de la inyección) y post 24 hr injection. Las barras de error representan la desviación estándar. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .
Figura 3. Señal de fluorescencia en función del ángulo de imagen en un tumor cerebral espontánea de un modelo de ratón genéticamente modificado. (A). Imagen de la señal fluorescente pico del retorno de la inversión 1 (caja y tapa azul) con el ángulo de imagen óptima de 20 °. (B) y (C). Gráficos de el ángulo de la imagen frente a la emisión de fotones de retorno de la inversión 1. Valores de un representante cerebral espontánea ratón portador de tumor, tumor-Mut 49, se grafican contra los valores promediados de tres ratones no tumorales. Las mediciones se tomaron al inicio del estudio (antes de la inyección) y la inyección de 24 horas (B) y 9 días (C) mensaje. Error b ars representan la desviación estándar. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .
Figura 4. Fluorescencia señal en función del ángulo de imagen en un ratón con artritis en el dedo del pie y tobillos. (A) y (B). Imágenes que muestran el pico de la señal fluorescente para los dedos del pie (A) y las articulaciones del tobillo (B), dentro de las regiones de interés se muestran en el cuadro rojo. (C). Gráfica de ángulo frente significan emisión de fotones para el dedo del pie. Emisión de fotón pico se puede ver en un ángulo de 140 ° (D) Gráfico de ángulo frente significa la emisión de fotones para el tobillo..; intensidad máxima se produce en un ángulo de 120 °.target = "_blank"> Haga clic aquí para ver la imagen más grande.
Discussion
La determinación precisa de la ubicación y la magnitud de los tumores sólidos y focos inflamatorios en enfermedades reumáticas es crítica para poner en práctica un tratamiento adecuado y el seguimiento de la progresión de la enfermedad o la remisión. Mientras valiosas estrategias actuales de imagenología (rayos X, resonancia magnética, ecografía, tomografía computarizada de rayos X) proporcionan evaluaciones incompletas de estado de la enfermedad. Por ejemplo, los daños en las articulaciones artríticas es comúnmente evaluada por los rayos X, que proporciona información sobre la estructura de los huesos, pero no en la inflamación de los tejidos blandos y la destrucción, característico de las primeras etapas de la enfermedad. El método que aquí se presenta Maroi combina las ventajas de ambos rayos X y sofisticadas modalidades de imágenes de tejidos blandos (por ejemplo, resonancia magnética o ecografía) en una plataforma integrada, no invasivo y más simple que también permite un mapeo completo 3D y la reconstrucción del tejido u órgano enfermo en animales pequeños tales como ratones.
Este método se aprovecha de la afinidad selectiva Of SAPC-DOPS nanovesículas para los residuos de fosfatidilserina expuestos, que son abundantes en las membranas de cáncer y células inflamatorias. El determinante de esta unión es SAPC, una proteína lisosómica fusogénico con una fuerte afinidad por los fosfolípidos aniónicos, tales como fosfatidilserina 7,10,11. Cuando conjugado con una sonda fluorescente (CVM), inyectada sistémicamente SAPC-DOPS se puede remontar al tumor y sitios artríticas por imágenes de fluorescencia.
Las limitaciones de este método están relacionadas con su sensibilidad, que en la actualidad limita su uso a las imágenes de los animales pequeños como ratones. Al igual que con otros métodos de imagen, señal fluorescente óptimo a ruido está limitado por el tamaño del tumor o de la medida de la artritis, y puede verse comprometida cuando formación de imágenes tejidos u órganos con alto fondo (autofluorescencia) tales como los oídos (de imágenes del cerebro), los intestinos / heces (imagenología abdominal) y patas (imágenes de las extremidades posteriores). A este respecto, se encontró que un colorante rojo lejano como CVM Proproporciona una mejor separación espectral y la resolución en el ajuste en vivo que otras sondas fluorescentes en el rango visible.
Otros peligros incluyen el potencial movimiento del animal durante la exploración, tanto durante la anestesia y post mortem (rigor mortis). Posicionamiento de la extremidad posterior, en particular, es a menudo difícil de estabilizar para evitar el movimiento durante la rotación. En su estado actual de la técnica es también consume mucho tiempo, con los tiempos de exploración mientras 60 min necesarios para completar una rotación completa y adquirir imágenes de alta calidad.
El método de Maroi presenta un número de ventajas sobre otras modalidades de imágenes. La capacidad de la imagen el tejido enfermo de 38 (o más) diferentes ángulos permite la visualización de la fluorescencia que puede ser obstaculizada cuando se evalúa desde un solo plano; Esto es valioso en estudios con animales, ya que puede ayudar a minimizar el número de falsos negativos que resultan de la formación de imágenes en ángulos inapropiados. Por overlde rayos X Ying y las imágenes de fluorescencia, una localización anatómica precisa del sitio enfermo se puede determinar. Por último, la posibilidad de imágenes en vivo (en vivo) permite que se realicen los estudios longitudinales.
Disclosures
No hay nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado en parte por el NIH / NCI Subvenciones Número 1R01CA158372-01 (Qi) y Nueva Estado clave de Drogas Proyecto Subvención Número 009ZX09102-205 (Qi). Asistencia escritura fue proporcionado por el Dr. Judy Racadio, y fue financiado por la Universidad de Cincinnati Departamento de Hematología y Oncología. Vontz Core Imaging Lab (VCIL) en la Facultad de Medicina de la Universidad de 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
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