Funksjonell Imaging av brunt fett i Mus med FDG micro-PET/CT

Biology

Your institution must subscribe to JoVE's Biology section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Fremgangsmåte av funksjonell avbildning av mus brunt fettvev (BAT) er beskrevet hvori kald-stimulert opptak av 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) i BAT er ikke-invasiv vurderes med en standardisert micro-PET/CT protokoll. Denne metoden er robust og følsom å oppdage forskjeller i BAT aktiviteter i musemodeller.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Wang, X., Minze, L. J., Shi, Z. Z. Functional Imaging of Brown Fat in Mice with 18F-FDG micro-PET/CT. J. Vis. Exp. (69), e4060, doi:10.3791/4060 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Brunt fettvev (BAT) skiller seg fra hvitt fettvev (WAT) ved sin diskrete beliggenhet og en brun-rød farge på grunn av rike vascularization og høy tetthet av mitokondrier. BAT spiller en viktig rolle i energiforbruk og ikke-skjelvende termotilblivelsen hos nyfødte pattedyr samt voksne 1. BAT-mediert termotilblivelsen er nøye regulert av det sympatiske nervesystemet, hovedsakelig via β adrenerg reseptor 2, 3. Nyere studier har vist at BAT aktiviteter i voksne mennesker er negativt korrelert med body mass index (BMI) og andre diabetiske parametere 4-6. BAT har dermed blitt foreslått som et potensielt mål for anti-obesity/anti-diabetes terapi med fokus på modulering av energibalansen 6-8. Mens flere kalde utfordring-baserte positronemisjonstomografi (PET) metoder er etablert for å oppdage menneskelige BAT 9-13, det er egentlig ingen standardisert protokoll for bildebehandling og quantification av BAT i små dyremodeller som mus. Her beskriver vi en robust PET / CT bildebehandling metode for funksjonell vurdering av BAT i mus. Kort, var voksen C57BL/6J mus kaldt behandlet i fastende tilstand for en varighet på 4 timer før de fikk en dose av 18 F-fluorodeoxyglucose (FDG). Musene ble holdt i kulden i en ytterligere time etter FDG injeksjon og deretter skannes med et lite dyr-dedikert micro-PET/CT system. De oppkjøpte PET bildene var co-registrert med CT-bilder for anatomiske referanser og analysert for FDG opptak i interscapular BAT-området for å presentere BAT aktivitet. Denne standardiserte kald-behandling og avbildning protokollen er validert gjennom testing BAT aktiviteter under farmakologiske intervensjoner, for eksempel den undertrykte BAT aktivering ved behandling av β-adrenoreseptorantagonistaktivitet propranolol 14, 15, eller den forbedrede BAT aktivering ved β3 agonist BRL37344 16. Metoden described her kan brukes til skjermen for narkotika / forbindelser som modulerer BAT aktivitet, eller for å identifisere gener / trasé som er involvert i BAT utvikling og regulering i ulike prekliniske og grunnleggende studier.

Protocol

1. Animal Forberedelse og kuldebehandling

  1. Finn og inspisere en 4 ° C kaldt rom som er godkjent for imøtekommende laboratoriet mus.
  2. Pre-chill dyr merdene natten i kjølerommet. Merdene er montert uten fôr og strø, men med en flaske med vann.
  3. I morgen av den eksperimentelle dag, sted mus én etter én i hver av de pre-kjølt merdene på 30 min intervaller. Hver enkeltvis bur mus bør bo i kjølerommet for nesten 4 timer før den transporteres til bildebehandling lab. Sikre musene er faste, men med tilgang til vann.
  4. På 4 timer etter den kalde behandling transport en dyr om gangen hver 30 min til bildebehandling Lab. Dette kan oppnås ved å fylle et Styrofoam beholder med is og plassere en pre-avkjølt boliger bur på toppen av is inni boksen. Løst plassere dekselet på Styrofoam boks.

2. Oppsett Micro-PET/CT Imaging arbeidsflyt

  1. CT Oppkjøp: For en hel kropp CT scan, satt strøm på 500 uA, spenningen ved 80kV, eksponeringstid på 200 msek, og 240 trinn for 240 ° rotasjon. For X-ray detektoren, velger oppløsning på "low system forstørrelse" med 78 mm aksial bildebehandling feltet og enkeltseng modus. Velg "real time rekonstruksjon" ved hjelp av "Common Cone-Beam Reconstruction" metode slik at verts-PC samtaler meden dedikert sanntid gjenoppbygging datamaskin (Cobra) for å initiere oppgaven.
  2. PET Emission Oppkjøp: Set 600 sek (10 min) for "fast scan tid" i "erverve etter tid" alternativet. Velg F-18 som "studie isotopen" og bruke 350-650 keV som "energi nivå".
  3. PET Emission Histogram: Set "dynamisk ramme" som "svart" for å behandle data som en ramme for hele varigheten for å oppnå statisk scan. Velg "3D" som histogrammet type og velg "ingen scatter korrigering".
  4. PET Rekonstruksjon: Bruk 2D Bestilt Subset Expectation Maksimering (OSEM2D) som gjenoppbyggingen algoritmen.

3. Injeksjon av FDG

  1. Bestill en klinisk pakke med 18 F-FDG (10 mCi) fra et regionalt leverandør for sin ankomst til bildebehandling lab ~ 30 min før den planlagte første injeksjon. Følg instituttets sikkerhetsrutiner for å motta og kartlegge pakken inneholder radioaktivt Materials (RAM).
  2. Med beskyttelsen av en L-blokk bordplate skjold, alikvoter den FDG og gjøre fortynninger med sterilisert saltvann. Den fortynnede aktivitet konsentrasjonen av FDG skal være tilgjengelig ved 200-300 μCi/100 ul for hver injeksjon. Tegn FDG løsningen i en 1 ml sprøyte med 26G 1/2 tommers nål, og måle radioaktiviteten av hele sprøyten med en dose kalibrator.
  3. Injisere dyret som bare transporteres fra kjølerommet (se trinn 1.4) med 100 ul FDG løsning via intraperitoneal (ip) rute. Registrere injeksjon tid. Måle residuet radioaktiviteten til sprøyten igjen med dosen kalibrator.
  4. Sette dyr tilbake til den kalde burets indre en Styrofoam kulere opprettholdt med is. Inkuber dyret i kaldt (~ 4 ° C) i 1 time for FDG uptake.
  5. Beregn injiserte FDG aktivitet for hver mus ved hjelp av følgende formel:
    Injisert aktivitet (uCi) = aktivitet i sprøyten før injeksjon- Aktiviteten i sprøyten etter injeksjon

4. Micro-PET/CT Imaging

  1. Den micro-PET/CT avbildning starter 1 hr etter FDG injeksjon eller 5 timer etter den kuldebehandling. Sette dyr i en anestesi induksjon kammer med 3% isofluran i oksygen.
  2. Når anestesi induseres, er dyret flyttet til en mikro-CT pellet (animalsk seng) med hodet hviler innenfor en kjegle ansiktsmaske som kontinuerlig leverer isofluran (2%) ved en strømningshastighet på 2 liter / min. En elektrisk oppvarming pad (BioVet, m2m Imaging Corp) er plassert under dyret å bidra til å opprettholde kroppstemperaturen.
  3. Skyv dyret til inngangen av MM skanneren, aktivere "laser" fra verktøylinjen, og bruke touchpad for å flytte sengen slik at brystet på dyret er på tvers av horisontale og vertikale laserlinjer. I "Laser Juster" vinduet velger du "første skanningen type" som CT scan, og "PET Kjøpet omfattet i arbeidsflyt" som option.
  4. Åpne "Scout View"-vinduet og få en speider visning x-ray røntgenbilde. Bruk IAW å justere posisjonen av dyr sengen slik at sentrum synsfelt CT ligger i sentrum av musen kroppen (lever). Gjenta dette trinnet om nødvendig.
  5. Start "arbeidsflyt" etablert i trinn 2. Når alternativene dukker opp, velger du en passende 3D PET-CT transformasjonsmatrisa filen som skal brukes i CT rekonstruksjon, og velg en nylig opprettet normalisering fil for PET gjenoppbygging uten demping korreksjon. Den IAW vil deretter starte CT og PET skanner sekvensielt som programmert.
  6. Etter hele arbeidsflyten er fullført, noe som kan ta 20-25 min, kort vurdere kvaliteten av de oppkjøpte CT og PET-bilder med ASIPro VM, en mikro-PET analyse programvare co-installert med IAW. Arkiv imaging data til en lagringsenhet eller overføre data via nettverket til et innlegg bildebehandling analyse arbeidsstasjon (se trinn 5) for videre analyse.
  7. ReleaSE dyret fra de bildedannende systemer og plassere den i et rent bolig bur med vanlig mat og vannforsyning for sin utvinning ved romtemperatur. Systemene er nå klar for neste dyret i køen. Legg merke til omsorg og behandling av post-imaging dyr skal følge instituttets regler om "håndtering av forsøksdyr injisert med RAM". Også oppmerksom på at brukte nåler / sprøyter, de absorberende pads, hansker og alt sengetøy og avføring bør vurderes som radioaktivt avfall, og håndteres i henhold til instituttets relevante RAM avfallshåndtering.

5. Post-imaging Analyse

  1. Åpen Inveon Forskning Arbeidsliv (IRW) programvare (Siemens) og manuelt importere både CT og PET datasett. Co-register CT og PET-bilder i "Registrering"-vinduet ved hjelp av verktøy med "Overordnet"-funksjonen, og under "Review"-vinduet sørge for en perfekt justering mellom CT og PET-bilder i alle tre dimensjoner.
  2. Fra "Region of Interest (ROI) Kvantifisering"-vinduet, med referanser levert av co-registrerte CT-bilder, identifisere BAT ved interscapular regionen i nakken, den mest dominerende kaldt induserbar BAT i voksen mus, og trekke volum av interesse (VOI) av BAT over PET datasettet. Velg "Voxel Intensity" som "Kvantifisering Type" og ta middelverdien radioaktivitet i VOI som Bq / ml. En kalibreringsfaktor som konverterer teller / sek til Bq / ml er tidligere etablert ved å skanne et fantom med kjent radioaktivitet.
  3. FDG opptak i BAT kvantifiseres som prosent injisert dose pr gram vev (% ID / g) med forråtnelse korreksjon. Den injiserte dose er resultatet av trinn 3,5 imidlertid konvertert til Becquerel (Bq) enhet (1 uCi = 37.000 Bq), vi anta at 1 ml av vev lik til 1 g.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Et eksempel på micro-PET/CT avbildning av mus BAT er vist i Figur 1. Mens CT avbildning gir anatomisk informasjon, koder PET imaging fordelingen og mengden av 18 F-FDG opptak i hele kroppen. Disse imaging data kan sees separat (1A og 1B), smeltet (1C), eller demonstrert med en 3D-funksjonen som maksimal intensitet projeksjon (MIP, 1D). Med hjelp av en 3D avbildning verktøy, et volum av interesse (VOI), her den interscapular BAT regionen (angitt ved piler i figur 1), blir trukket over PET-bilder og de ​​totale signaler innenfor VOI kan bli omdannet til% ID / g, som representerer den prosentvise injiserte dosen (% ID) per gram vev. I mus viste, er FDG opptak i BAT 19% ID / g. For å kontrollere om denne kald-induksjon og bildebehandling protokollen er følsom nok til å oppdage en endret BAT aktivitet, i begge tilfeller av oppregulering eller nedregulering, brukte vi βadrenoreseptorantagonistaktivitet propranolol for å undertrykke BAT aktivisering 15 og β3 agonist BRL37344 å forbedre BAT induksjon 16, henholdsvis. Disse farmakologiske intervensjoner ble brukt i kuldebehandling og presist, på 30 min før injeksjon av FDG. PET / CT bildebehandling (figur 2A) og analysen (figur 2B) viste at propranolol reduserte betydelig FDG opptak i BAT, mens BRL37344 markert forhøyet opptaket sammenlignet med kjøretøyet kontroll.

Figur 1
Figur 1. Micro-PET/CT avbildning av BAT i en mus etter 5 timers kaldt behandling. (A) En koronale delen av CT bilde. (B) En del av koronale PET-bilde samtidig registrert med CT i "A". (C) En sammensmeltet PET / CT bilde resulterte fra overlagring av "A" og "B". (D) Toppen av intensitet projectipå (MIP) presentasjon av smeltet PET / CT-bilder. Gule piler: areal tilsvarende interscapular brunt fettvev.

Figur 2
Figur 2. Micro-PET/CT demonstrasjon av BAT aktivitet endring av adrenoceptor narkotika. (A) 18 F-FDG PET / CT avbildning av mus behandlet med forskjellige medikamenter. a) PBS (kontroll). b) Propranolol (β antagonist, 5mg/kg, ip). Legg merke til en markant reduksjon av FDG opptak i BAT-området. c) BRL37344 (β3 agonist, 5mg/kg, ip). Obs en betydelig økning i FDG akkumulering i BAT. Gule piler: areal tilsvarende interscapular brunt fettvev. (B) Kvantitativ analyse av FDG opptak i BAT. Verdier av% ID / g (prosentandelen injisert dose per gram vev) er presentert (gjennomsnitt ± SD). n = 10 for PBS-gruppen, n = 5 for både propranolol og BRL37344 grupper. * P <0,05; **,p <0,005, sammenlignet med PBS-gruppen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne studien en micro-PET/CT-based avbildningsmetode er utviklet for å detektere BAT aktiviteter i voksne mus som bare krever en kuldebehandling og en injeksjon av kommersielt tilgjengelig 18 F-FDG. Hele prosedyren kan gjøres på en dag etter en behandling og avbildning sekvens som starter hver 30 minutter inntil alle dyrene behandles og avbildes. Under de eksperimentelle betingelser som er skissert, kan et totalt 10 mus (eller 2 grupper av 5 mus) testes på samme dag med en enkelt avbildning system. Begrensningen til denne type av gjennomstrømming kan løftes hvis 2 eller flere dyr kan skannes samtidig på en spesialdesignet dyr seng som det har tidligere vært rapportert 17. Å fullføre studien vi stole på bruk av en kombinert micro-PET/CT imaging system som tar fordel av den detaljerte anatomisk informasjon gitt av CT. Imidlertid er en frittstående mikro-PET også i stand til å oppfylle den oppgave når en 57 Co overføring scan er lagt til arbeidsflyten før F18 utslipp datainnsamling. De 57 Co overføringsdata kan brukes for demping korrigering under PET-bilde gjenoppbygging og kan også bli rekonstruert for anatomisk lokalisering.

En kritisk trinn av denne protokollen er å optimalisere varigheten av kuldebehandling (f.eks, 5 timer i denne studien). En kortere varighet tid eller eliminering av kulde kan produsere en aktivitet nær bakgrunnen og metoden kan være ufølsom for enhver nedregulering av BAT (gulvet effekt). I kontrast, kan en langstrakt kald eksponering (for eksempel over natten, eller 24 timer) maksimere induksjon og metoden kan bli mettet maskering eventuelle forskjeller i opp-regulering av BAT (taket effekt). De optimaliserte forhold som er beskrevet i denne protokollen har blitt validert gjennom propranolol undertrykkelse og β3 agonist BRL37344 stimulering tester (Figur 2

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å takke Laura Diaz, Kevin Phillips, Willa A. Hsueh, og kong C. Li for sine nyttig kommentarer og teknisk støtte i å utvikle denne metoden.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Micro-PET/CT Imaging System Siemens Medical Solutions USA, Inc. Inveon Dedicated PET System and Inveon Multimodality CT/SPECT System (docked)
Propranolol Sigma P0884
BRL 37344 Sigma B169
18F-FDG Cyclotope Inc.
C57BL/6J Male Mice Jackson Laboratory 000664 3-4 months old

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cypess, A. M., Kahn, C. R. The role and importance of brown adipose tissue in energy homeostasis. Curr. Opin. Pediatr. 22, 478-484 (2010).
  2. Cannon, B., Nedergaard, J. Brown adipose tissue: function and physiological significance. Physiol. Rev. 84, 277-359 (2004).
  3. Collins, S., Surwit, R. S. The beta-adrenergic receptors and the control of adipose tissue metabolism and thermogenesis. Recent Prog. Horm. Res. 56, 309-328 (2001).
  4. Ouellet, V., et al. Outdoor temperature, age, sex, body mass index, and diabetic status determine the prevalence, mass, and glucose-uptake activity of 18F-FDG-detected BAT in humans. J. Clin. Endocrinol. Metab. 96, 1115-1125 (2011).
  5. Cypess, A. M. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. N. Engl. J. Med. 360, 1509-1517 (2009).
  6. Fruhbeck, G., Becerril, S., Sainz, N., Garrastachu, P., Garcia-Velloso, M. J. BAT: a new target for human obesity. Trends Pharmacol. Sci. 30, 387-396 (2009).
  7. Cypess, A. M., Kahn, C. R. Brown fat as a therapy for obesity and diabetes. Curr. Opin. Endocrinol. Diabetes Obes. 17, 143-149 (2010).
  8. Virtanen, K. A., et al. Functional brown adipose tissue in healthy adults. N. Engl. J. Med. 360, 1518-1525 (2009).
  9. van Marken Lichtenbelt, W. D., et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. N. Engl. J. Med. 360, 1500-1508 (2009).
  10. Cohade, C., Mourtzikos, K. A., Wahl, R. L. "USA-Fat": prevalence is related to ambient outdoor temperature-evaluation with 18F-FDG PET/CT. J. Nucl. Med. 44, 1267-1270 (2003).
  11. Garcia, C. A. Reduction of brown fat 2-deoxy-2-[F-18]fluoro-D-glucose uptake by controlling environmental temperature prior to positron emission tomography scan. Mol. Imaging Biol. 8, 24-29 (2006).
  12. Saito, M. High incidence of metabolically active brown adipose tissue in healthy adult humans: effects of cold exposure and adiposity. Diabetes. 58, 1526-1531 (2009).
  13. Agrawal, A., Nair, N., Baghel, N. S. A novel approach for reduction of brown fat uptake on FDG PET. Br. J. Radiol. 82, 626-631 (2009).
  14. Soderlund, V., Larsson, S. A., Jacobsson, H. Reduction of FDG uptake in brown adipose tissue in clinical patients by a single dose of propranolol. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 34, 1018-1022 (2007).
  15. Zhao, J., Cannon, B., Nedergaard, J. Thermogenesis is beta3- but not beta1-adrenergically mediated in rat brown fat cells, even after cold acclimation. Am. J. Physiol. 275, 2002-2011 (1998).
  16. Rowland, D. J., Garbow, J. R., Laforest, R., Snyder, A. Z. Registration of [18F]FDG microPET and small-animal MRI. Nucl. Med. Biol. 32, 567-5672 (2005).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics