Cerenkov Luminescenza Imaging di interscapolare Brown Tessuto adiposo

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Zhang, X., Kuo, C., Moore, A., Ran, C. Cerenkov Luminescence Imaging of Interscapular Brown Adipose Tissue. J. Vis. Exp. (92), e51790, doi:10.3791/51790 (2014).

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Abstract

Introduction

Tessuto adiposo bruno (BAT) è un tessuto speciale per la termogenesi nei mammiferi, e una delle sue principali funzioni è quella di mantenere l'equilibrio energetico di tutto il corpo attraverso dissipare grandi quantità di sostanza chimica / energia degli alimenti sotto forma di calore 1. Caratteristiche più uniche BAT comprendono proteina-1 (UCP-1) espressione abbondante sganciamento, abbondanti piccole goccioline di olio, un gran numero di mitocondri in una singola cella, e significativa vascolarizzazione del tessuto 2-5. Queste caratteristiche uniche associano fortemente con il ruolo importante del tessuto nel metabolismo e l'energia spesa. BAT, considerata in precedenza non essere più presenti e in possesso di significative funzioni fisiologiche negli esseri umani adulti 1, tuttavia recenti studi di imaging PET / CT hanno chiaramente dimostrato che la BAT presenta ancora negli adulti umani 2,3,6-9. Una correlazione inversa tra massa BAT e indice di massa corporea (BMI) è stato istituito da diversi studi, e ristudi cent indicato che esercizi fisici potrebbero aumentare la massa di BAT. Questi risultati suggeriscono che la disfunzione di BAT è strettamente associato con le patologie di obesità e diabete 2,6,10,11. Inoltre, le prove di montaggio indica che la funzione di BAT è fortemente legata a varie altre patologie come le malattie neurodegenerative e il cancro 3,7,12,13.

Attivazione BAT, un processo per aumentare la termogenesi, può essere realizzato in varie condizioni, quali l'esposizione al freddo, esercizio fisico, e il trattamento farmacologico e la manipolazione genetica 1,14,15. Esposizione al freddo e il trattamento noradrenalina sono i metodi più utilizzati per attivare BAT. Freddo, che può essere rilevata da vari meccanismi, come termorecettori nella pelle, stimola nervi simpatici e porta al rilascio di noradrenalina (NE) a BAT. La NE rilasciato innesca UCP-1 per inizializzare la termogenesi per mantenere la temperatura corporea normale. Sotto questo conditi, l'assorbimento di glucosio aumenta anche per fornire ulteriori fonti di carbonio per l'aumento del metabolismo nella BAT 1,16,17. L'imaging PET con 18F-FDG ha confermato che l'assorbimento di glucosio marcato aumentato in condizioni di freddo in studi sull'uomo 6.

In termini di imaging ottico, BAT è un bersaglio ideale. Il interscapolare BAT ha una posizione unica nei topi, situato lontano dagli organi più grandi come il fegato, il cuore e lo stomaco. Pertanto, interferenze di segnale da questi grandi organi è insignificante (Figura 1a). Nel frattempo, la posizione bassa della BAT interscapolare permette più segnali di essere catturato dalla macchina fotografica di rilevazione. Inoltre, BAT è un organo di massa concentrata, che limita il segnale luminoso in alcune zone. Inoltre, l'unica forma fisica triangolare di BAT rende facile da distinguere da altri tessuti (Figura 1a).

Imaging Cerenkov luminescenza (CLI), un mol di recente è emersotecnologia di imaging ecular 18-26, sfrutta la luminescenza generata dal + e - decadimento dei radionuclidi quali 18 F e 131 io nel mezzo. La particella carica (come + e -) polarizza le molecole, mentre viaggia nel medio 18-20, e la luminescenza / luce viene emessa quando le molecole polarizzate rilassarsi di nuovo in equilibrio. La luminescenza emessa si chiama Cerenkov luminescenza (CL). Le proprietà uniche spettrali di CL comprendono il suo ampio spettro tutta la luce ultravioletta (UV) e spettro visibile 18-20, e la sua correlazione inversa tra l'intensità e il quadrato della lunghezza d'onda (λ 2). Entrambe le gamme UV e visibili della luce emessa può essere utilizzato per diverse applicazioni. La porzione UV di Cerenkov luminescenza è stata applicata per in vivo fotoattivazione di luciferina in gabbia 21, mentre la luce emessa nella lunghezza d'onda può essereutilizzato per in vivo imaging ottico 18,27-31.

Per i piccoli studi su animali, CLI di imaging con un sistema di imaging ottico è più veloce e più conveniente rispetto PET. Inoltre, CLI può essere applicato per alta throughput screening con un sistema di imaging dotata di elevata capacità di flusso. I vantaggi e gli svantaggi di questa tecnologia sono stati discussi in diverse recensioni 25,32,33. 3D tomografia di CLI è stato intensamente studiato in diversi gruppi 28,34-37, e le applicazioni di CLI per l'imaging endoscopico e l'imaging intraoperatorio è stato dimostrato con successo nei topi pure 30,38. Inoltre, Spinelli e Thorek et al. Hanno dimostrato che l'imaging CLI potrebbe essere applicato a soggetti umani, così la tecnologia ha anche il potenziale per le applicazioni cliniche 39, 40.

Nel corso della riscoperta di BAT nell'uomo, immagini PET chiaramente indicato che unnotevole quantità di 18 F-FDG accumulata nella BAT, a determinate condizioni 2,3,6. Inoltre, l'imaging PET con i topi anche senza dubbio dimostrato che la BAT può essere evidenziato con 18 F-FDG 41 42. In questo rapporto, si dimostra come Cerenkov luminescenza emessa da 18 F-FDG può essere utilizzato per l'imaging BAT nei piccoli animali con un sistema di imaging ottico. Il nostro approccio fornisce un metodo veloce, comodo ed economico delle BAT di imaging per piccoli animali. Questa tecnica può essere utilizzata come un metodo alternativo per l'imaging PET con 18F-FDG, specialmente per laboratori senza servizi PET.

Protocol

Nota: Tutti gli studi su animali devono essere effettuate secondo protocolli istituzionali approvate e linee guida per la cura degli animali.

1 In Vivo CLI BAT immagini con 18 F-FDG

1.1 Contesto Imaging:

  1. Prima di 18 F-FDG iniezione, posizionare quattro topi nudi in una camera di induzione che è stato collegato con isoflurano bilanciato con l'ossigeno per 5 minuti per indurre l'anestesia. Poi posto le quattro topi anestetizzati nell'apparecchio di imaging.
  2. Acquisire l'immagine di sfondo con i seguenti parametri: Aperto filtro, f = 1, bin = 8, FOV = D, e il tempo di esposizione = 120 sec, temperatura fase = 37 ° C.

1.2 BAT Imaging con 18 F-FGD:

  1. Iniettare i topi anestetizzati con 280 μCi di 18 F-FDG in PBS per via endovenosa nella vena della coda. Dopo l'iniezione, restituire i topi per gabbia dotata di cibo e acqua.
    Nota: è necessario per iniettare per via endovenosa 18 F-FDG per ottenere un contrasto decente intorno all'area BAT. Solo un contrasto molto debole può essere visto con la stessa quantità di 18 F-FDG se si usa un'iniezione intraperitoneale.
  2. Acquisire immagini CLI a 30, 60 e 120 minuti dopo l'iniezione 18 F-FDG con gli stessi parametri come sfondo delle immagini (punto 1.1.2). Per ogni sessione di imaging, permettono 5 min per il reinduzione anestesia.
  3. Per quantificare il rapporto segnale-rumore (S / N), utilizzare l'interfaccia software di imaging per disegnare due ROI uguali dimensioni ellisse sul BAT interscapolare e una zona adiacente alla BAT (area di riferimento) (Figura 1b).

1.3 Convalida della Fonte CLI:

  1. Anestetizzare quattro topi e iniettare i topi con 280 μCi di 18 F-FDG per via endovenosa.
  2. Sacrifica i topi 60 min dopo l'iniezione di 18 F-FDG mediante iniezione di pentobarbital sodio (200 mg / kg, IP). Rimuovere con attenzione lo scin dalla zona interscapolare. Immagine tutti i topi con gli stessi parametri come sopra (1.1.2), allo stesso tempo (Figura 2a).
  3. Rimuovere con attenzione il interscapolare del tessuto adiposo bianco (WAT) e BAT, e quindi l'immagine dei topi sezionati con gli stessi parametri (Figura 2b).
  4. Dalle immagini CLI, calcolare il contributo da BAT utilizzando due ROI con la seguente equazione: R (BAT) = (CLI un -CLI b) (BAT) / (CLI un -CLI b) (BAT-rimosso), in cui il ROI una è per la zona interscapolare e ROI b è per la zona di riferimento (Figura 2b).

2 BAT Imaging Application

2.1 Attivazione Monitoraggio con NE

  1. Dividere topi nudi in due gruppi (n = 4 ciascuno).
  2. Iniettare un gruppo con noradrenalina (NE) (50 ml, 10mM) intraperitoneale. Utilizzare il secondo gruppo come Contro non attivatol. Dopo 30 minuti, anestetizzare entrambi i gruppi con isoflurano per 5 minuti, e poi iniettare per via endovenosa ogni mouse con 18 F-FDG (220 μCi).
    Nota: L'iniezione intraperitoneale di NE dovrebbe essere 30 minuti prima di 18 F-FDG iniezione per evitare di agitare drasticamente i topi.
  3. Immagine topi 60 min dopo 18 F-FDG iniezione utilizzando gli stessi parametri dei protocolli di cui sopra.

Activation 2.2 Monitoraggio Sotto esposizione al freddo

  1. Misurare la temperatura corporea dei topi in camera fredda con un termometro rettale. Le temperature dovrebbero essere di circa 30 ° C.
  2. Immagine topi 60 min dopo 18 F-FDG iniezione utilizzando gli stessi parametri di imaging, come i protocolli di cui sopra. Utilizzare topi che sono conservati a temperatura ambiente (25 ° C) come i controlli, e l'immagine con la stessa.
  3. Per uno studio l'esposizione al freddo, mettere i topi in una stanza fredda (4 ° C) per 4 ore prima di 18 F-FDG iniezione e restituire il mghiaccio per la stanza fredda dopo ogni sessione di imaging e dopo aver recuperato da anestesia.
  4. parametri come sopra.

Disattivazione 2.3 Monitoraggio delle BAT Under lunga anestesia

  1. Per molto tempo l'anestesia (60 - 70 min), iniettare topi per via intraperitoneale con ketamina / xilazina e tenerli sotto anestesia per 60 - 70 minuti a temperatura ambiente.
  2. Una volta che i topi sono anestetizzati, iniettare 18 F-FDG (220 μCi) per via endovenosa attraverso la vena della coda.
  3. Immagine topi 60 min dopo 18 F-FDG iniezione utilizzando gli stessi parametri dei protocolli di cui sopra.

3 Spectral unmixing e multispettrali Cerenkov luminescenza Tomografia Studi

  1. Anestetizzare il mouse per 5 minuti, e poi iniettare 300 μCi 18 F-FDG per via endovenosa. Acquisire immagini multispettrali 60 min dopo 18 F-FDG iniezione dal lato dorsale dell'animale con i seguenti parametri: f = 1, bin = 16, l'acquisizioneTempo = 300 sec per filtro, filtri di emissione = 580, 600, 620, 640, 660 e 680 nm.
  2. Condurre unmixing spettrale con Vivere software Imaging 4.3.1 e selezionare due componenti (BAT e segnali non specifici) e unmixing automatico (Figura 4).
  3. Effettuare la ricostruzione 3D secondo il metodo riportato da Kuo et al. 28,43. Incorporare lo spettro di emissione Cerenkov nella luce modello di propagazione diffusa, applicare Tikhonov regolarizzazione nel NNLS (non negativi minimi quadrati) ottimizzazione dei residui, e generare la tomografia superficie (utilizzato per immagini 3D coregistrazione) dalla luce di imaging struttura (figura 5 ).
    Nota: Per multispettrale unmixing CLI spettrale e tomografia, sono necessari almeno 5 le immagini con filtri diversi.

Representative Results

Nella figura 1, BAT interscapolare (Figura 1a) è stato messo in evidenza in tutti i punti di tempo (30, 60, 120 min), e il contrasto tra BAT e l'area di riferimento può essere facilmente osservato (Figura 1b). In particolare, il contorno dell'immagine riflessa BAT attentamente l'aspetto fisico, che ha un profilo triangolare. I rapporti di segnale tra BAT e l'area di riferimento erano 2.37, 2.49, 2.53 e piega a 30, 60 e 120 minuti dopo l'iniezione (Figura 1a).

Dal esperimento dissezione step-wise, 85% del segnale nel sito interscapolare aveva origine dalla BAT (Figura 2). Tuttavia, c'era ancora qualche segnale residuo si trova vicino al bordo superiore della BAT, che probabilmente origine dal tessuto residuo BAT e altri tessuti adiacenti che includono i vasi sanguigni e muscoli.

E 'stato riportato che l'attivazione BAT può essere realizzato attraversoNoradrenalina (NE) il trattamento e l'esposizione a freddo 3,6. In primo luogo, abbiamo osservato l'attivazione BAT con NE nello stesso gruppo di topi con e senza trattamento di NE in breve (5 min) anestesia isoflurano. I dati hanno mostrato segnale CLI significativamente maggiore sotto la condizione NE-trattati (1,23 volte) rispetto senza trattamento NE (Figura 3a).

Negli studi sull'uomo, l'imaging PET ha mostrato che i soggetti sotto esposizione al freddo avevano molto più alto 18 F-FDG nel BAT di quelli a temperatura ambiente 6. In questo studio i topi, un aumento del 39% nel 18 F-FDG è stata osservata nella BAT degli animali trattati con l'esposizione a freddo (Figura 3b).

Nei topi, l'attività BAT può essere influenzato da anestesia diversi regimi 3,41. Ad esempio, 18 F-FDG nella BAT può essere notevolmente diminuita dopo un'ora di anestesia con ketamina 41. Confrontando il uptak 18 F-FDGe nello stesso gruppo di topi in breve (5 min con isoflurano) e lunga anestesia (70 min con ketamina / xilazina) regimi, una diminuzione del 54% in 18 F-FDG BAT captazione è stata osservata nel gruppo anestetizzato con ketamina / xilazina ( Figura 3c).

E 'ben noto che eme contenenti proteine ​​(come l'emoglobina nel sangue e citocromo c nei mitocondri) può portare ad un significativo assorbimento della luce, e si prevede che le abbondanti vasi sanguigni BAT 1 cambieranno lo spettro di CLI, e la spettrale forma dalla zona BAT sarà diverso da altre aree. In teoria, le tecniche unmixing spettrali ci permettono di separare i due spettri CLI. Dalla Figura 4a, nessun settore particolare è stato evidenziato dall'immagine non miscelato di componente # 1 (Unmix # 1), e lo spettro corrispondente (linea blu nella figura 4d) assomigliava lo spettro di emissione di 18 F nei media puri, in cui il CLI IntensiTy è inversamente correlata con il quadrato della lunghezza d'onda di 18,20. Questi dati suggeriscono che Unmix # 1 ha rappresentato un segnale CLI non specifico, che è probabilmente da profondità molto superficiale, come ad esempio 18 F-FDG accumulo nella pelle. Il picco della mescolate # 2 spettro (linea rossa) è stato di circa 640 nm, suggerendo il segnale era dalla BAT. È interessante notare che, contrariamente alla significativa attenuazione dell'intensità di CLI inferiore a 640 nm, non drammatica riduzione dell'intensità è stata osservata una volta raggiunto il suo picco (linea rossa in figura 4), ​​indicando una migliore penetrazione nel tessuto della luce emessa a lunghezze d'onda maggiori.

Multispettrale Cerenkov luminescenza tomografia (msCLT) è stato utilizzato per la ricostruzione in 3D. msCLT è stata precedentemente riportata da Kuo et al. 28,43, ed è costruito in un set di immagini planari 2D acquisite con una serie di filtri passa-banda stretta (> 5 filtri). Le immagini 3D ricostruiti sono coregistderati con tomografia superficie che è generato dalla luce struttura, e le immagini rivelano che una parte sostanziale del segnale CLI origine da BAT interscapolare (Figura 5). Sorprendentemente, l'immagine coronale (figura 5a) delinea chiaramente i due lobi della BAT, che si avvicinano il contorno triangolo della BAT mostrato in Figura 5e.

Figura 1
Figura 1: (a) profilo triangolare della BAT interscapolare (freccia blu) in un mouse; (A sinistra) BAT è coperta di tessuto adiposo bianco, e (a destra) BAT è esposto. immagini (b) CLI di un mouse a 30 e 60 min dopo 18 F-FDG (280 μCi) iniezione endovenosa. Le immagini illustrano chiaramente il contorno delle BAT. (C) Analisi quantitativa del segnale CLI di intezona BAT rscapular e una zona di riferimento. Ristampa di riferimento 42. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Figura 2: (a) Immagini rappresentative dei topi prima (a sinistra) e dopo (a destra) la rimozione BAT. (B) La quantificazione indica che il> 85% CLI origine da BAT. Ristampa di riferimento 42. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3:(A) immagini Rappresentante CLI di BAT di topi con (a sinistra) e senza (a destra) la stimolazione NE sotto breve anestesia isoflurano. (B) Analisi quantitativa dei segnali CLI dai due gruppi in (a) (n = 4 per ogni gruppo). (C) immagini Rappresentante CLI di BAT di topi con (a sinistra) e senza (a destra) la stimolazione fredda sotto breve anestesia isoflurano. (D) Analisi quantitativa dei segnali CLI dei due gruppi mostrati in (e) (n = 3 - 4 per ciascun gruppo). (e) immagini Rappresentante CLI di BAT a 60 min dopo 18 F-FDG iniezione sotto breve anestesia isoflurano (5 min) (a sinistra) e ketamina / xilazina anestesia (70 min) (a destra). (F) Analisi quantitativa dei segnali CLI dei due gruppi mostrati in (g) (n = 4 per ciascun gruppo). Ristampa di riferimento 42. PleaSE clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4:. Unmixing spettrale per CLI aspecifici e BAT CLI (a) Unmix # 1 mostra che il segnale non specifico CLI da 18 F-FDG è distribuito su tutto il corpo (lo spettro non miscelato per questa immagine è mostrata in (d) (linea blu )). (B) Unmix # 2 indica che la maggioranza dei CLI presso il sito interscapolare è da BAT (lo spettro non miscelato è mostrata in (d) (linea rossa)). Il picco CLI è di circa 640 nm. (C) l'immagine a video di Unmix # 1 e # 2. (D) Gli spettri CLI di Unmix # 1 e # 2. Ristampa di riferimento 42. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. </ P>

Figura 5
Figura 5: multispettrale Cerenkov luminescenza tomografia (a - d) ricostruzione 3D delle immagini.. Interscapolare BAT può essere visto in coronale (a), sagittale (b) e trasversale (c) visite, così come nell'immagine 3D (d); (E) la forma fisica BAT è indicata (freccia blu), che correla con immagini ricostruite. Ristampa e adattare di riferimento 42. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussion

Ricerca nel settore BAT è stata condotta da diversi decenni. In precedenza, era stato considerato di avere alcuna significativa rilevanza fisiologica durante l'età adulta umana 1. BAT Tuttavia, di recente su larga scala di imaging PET clinico con 18 F-FDG e altre indagini hanno confermato è ancora presente nella parte superiore del torace, collo e altre località in adulti 2,3. Studi recenti hanno suggerito che fortemente BAT svolge un ruolo importante nella obesità e diabete 2,6. Altre ricerche indicano anche che la BAT svolge ruoli importanti durante il processo di invecchiamento 12, e che la sua attività potrebbe essere rafforzato attraverso l'esercizio 10,44.

Sia negli studi clinici umani e di ricerca preclinica, l'imaging PET con 18 F-FDG è il metodo più utilizzato per lo studio BAT. Tuttavia, per gli studi preclinici su animali, il PET è generalmente molto più costoso di imaging ottico. In questo protocollo, dimostriamo che CLI con 18 F-FDG può essere applicato per l'imaging ottico BAT nei piccoli animali. Come altre tecniche di imaging ottico, limitazione tessuto penetrante e bassa sensibilità per gli obiettivi profondi sono i limiti intrinseci della CLI 25,32. Tuttavia, recentemente Spinelli et al. Hanno dimostrato che il segnale CLI decente potrebbe essere osservato con 10 mm di profondità di tessuto con 32 P 28,43, e Thorek et al. ha mostrato che 16 millimetri di penetrazione potrebbe essere raggiunto nei linfonodi di pazienti dopo 18 F-FDG iniezione 39, 40. Rispetto al PET, CLI può essere eseguita con un sistema di imaging costo relativamente basso. Recentemente, Thorek et al. Dimostrato che significativamente elevata sensibilità potrebbe essere realizzato con CLI basse quantità di 18 F-FDG accumulati (circa 2Ci) nei nodi di pazienti, 39. In vitro test 40 indica che il segnale CLI da 0,01 Ci 90Y era rilevabile in soluzione 25,32,33

Nel corso di esperimenti, abbiamo scoperto che CLI contrasto di BAT con 18 F-FDG è fortemente legato ai metodi di iniezione. L'iniezione endovenosa di 18 F-FDG in grado di fornire un eccellente contrasto per BAT interscapolare, mentre l'iniezione intraperitoneale con la stessa quantità di 18 F-FDG ha mostrato soltanto un contrasto debole nella zona BAT.

Unmixing spettrale, una tecnica molto pratico per separare due serie di segnali, è stato ampiamente utilizzato in imaging di fluorescenza. E 'ben noto che l'assorbimento di 18 F-FDG non è altamente specifico target, e diversi target / tessuti avere differenti proprietà di attenuazione della luce. Abbiamo trovato il picco dello spettro CLI di BAT è di circa 640 nm, e questo dato riflette i contesti reali di BAT. La ricostruzione 3D di questo protocol è molto operabile, perché può essere eseguita con un sistema di imaging ottico disponibile in commercio basata sulle proprietà diffusive di luce di diverse lunghezze d'onda. Con questo approccio, siamo in grado di evitare l'uso di un sistema di imaging specializzato che richiede multiple angolo di visione immagini per la ricostruzione in 3D.

Per entrambi unmixing spettrale e ricostruzione 3D, è necessario un maggiore minimo di 600 conteggi di fotoni da ogni immagine nella BAT. A tal fine, grande binning (bin = 16), piccola sosta f (f = 1) e un tempo di acquisizione lungo (5 min) sono necessari per ogni immagine.

In sintesi, sfruttando la posizione unica e la forma della BAT e significativamente elevato assorbimento di 18 F-FDG nel BAT, dimostriamo come BAT nei piccoli animali può essere otticamente ripreso con 18 F-FDG tramite la tecnica CLI. Questo metodo può essere utilizzato in modo affidabile per l'imaging BAT e per il controllo di attivazione BAT. Inoltre, abbiamo anche dimostrato che unmixing spettrale e Reco 3Dnstruction sono praticabili e volume 3D quantificazione è possibile per gli studi futuri.

Disclosures

La pubblicazione di questo video-articolo è supportata da Perkin Elmer Società.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Optical Imaging system Perkin Elmer IVIS Spectrum is an optical imaging system that is equiped with very sensitive camera for Cerenkov Luminescence. Some instrumental information is listed below: CCD Sensor: Back thinned, back illuminated
CCD Size: 2.7 cm x 2.7 cm
Pixels: 2048 x 2048
Quantum Efficiency: 85%
Min detectable photons: 70 photons/s/sr/cm 2
Dark Current: <100 electrons/s/cm 2
Lens: f 0.95 50 mm
CCD Cooling: Cooled to 90 degree. 
18F-FDG IBA Molecular
norepinephrine Sigma N5785-250MG
Ketamine/Xylazine Sigma K113-10ML

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