Cerenkov luminescência imagem de Interscapular Brown tecido adiposo

1Molecular Imaging Laboratory, MGH/MIT/HMS Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School, 2Center for Drug Discovery, School of Pharmacy, China Pharmaceutical University, 3Perkin Elmer
Medicine
 

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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

Tecido adiposo marrom (BAT) é um tecido especial para a termogênese em mamíferos, e uma das suas principais funções é manter o equilíbrio energético de todo o corpo por meio de dissipar grandes quantidades de produtos químicos / energia alimentar em forma de calor 1. Características únicas da maior MTD incluem expressão abundante desacoplamento proteína-1 (UCP-1), abundantes pequenas gotículas de óleo, de um grande número de mitocôndrias em uma única célula, e vascularização significativa no tecido 2-5. Estas características únicas associar fortemente com o importante papel do tecido no metabolismo e gasto de energia. BAT foi anteriormente considerada não está mais presente e que não possui funções fisiológicas importantes em humanos adultos 1, no entanto, recentes investigações de imagem PET / CT demonstraram claramente que BAT ainda apresenta em adultos humanos 2,3,6-9. Uma correlação inversa entre a massa BAT e índice de massa corporal (IMC) foi criado a partir de vários estudos e reestudos recentes indicam que exercícios físicos pode aumentar a massa de BAT. Estes resultados sugerem fortemente que a disfunção da BAT está fortemente associado com as patologias da obesidade e diabetes 2,6,10,11. Além disso, evidências crescentes indicam que a função da BAT está fortemente relacionada a várias outras patologias, como doenças neurodegenerativas e câncer 3,7,12,13.

Ativação BAT, um processo para aumentar a termogênese, pode ser alcançado sob várias condições, tais como a exposição ao frio, exercício e tratamento de drogas e manipulação genética 1,14,15. Exposição ao frio e tratamento norepinefrina são os métodos mais usados ​​para ativar BAT. Fria, que pode ser sentida por vários mecanismos, tais como termorreceptores na pele, estimula os nervos simpáticos e leva à liberação de norepinefrina (NE) a BAT. O NE modelo desencadeia UCP-1 para iniciar a termogénese para manter a temperatura corporal normal. Sob esta condicionaon, a captação de glicose aumenta também para fornecer mais fontes de carbono para o aumento do metabolismo em BAT 1,16,17. Imagens de PET com 18F-FDG confirmou que a absorção de glicose marcada aumentada sob condições de frio em estudos humanos 6.

Em termos de imagem óptica, BAT é um alvo ideal. O interescapular BAT tem uma localização única em camundongos, situado longe de órgãos maiores, como o fígado, coração e estômago. Por conseguinte, a interferência de sinal a partir destes grandes órgãos é insignificante (Figura 1a). Enquanto isso, o local de MTD interescapular raso permite mais sinais para ser captada pela câmara de detecção. Além disso, a BAT é um órgão massa concentrada, o que limita o sinal de luz em determinadas áreas. Adicionalmente, a forma física triangular única de MTD torna fáceis de distinguir de outros tecidos (Figura 1a).

Imaging Cerenkov luminescência (CLI), um mol recém-emergidostecnologia de imagem ecular 18-26, aproveita a luminescência gerada a partir do + e - decaimento de radionuclídeos, como 18 F e 131 I no meio. A partícula carregada (tais como + e -) polariza as moléculas enquanto viaja no meio de 18-20, e luminescência / a luz é emitida quando as moléculas polarizadas relaxa de volta ao equilíbrio. A luminescência emitida é chamado de luminescência de Cerenkov (CL). As propriedades espectrais únicas de CL incluem seu amplo espectro de toda a radiação ultravioleta (UV) e espectro visível 18-20, e a sua correlação inversa entre a intensidade e o quadrado do comprimento de onda (λ 2). Ambas as faixas de UV e visível, a luz emitida pode ser utilizado para as diferentes aplicações. A porção UV de Cerenkov luminescência foi aplicada para in vivo fotoativação de luciferina enjaulado 21, enquanto que a luz emitida no comprimento de onda pode serutilizado para imagiologia in vivo óptico 18,27-31.

Para os pequenos estudos com animais, imagens CLI com um sistema de imageamento óptico é mais rápido e mais rentável do que PET. Além disso, o CLI possa ser aplicado para a triagem de alto rendimento com um sistema de imagens equipado com capacidade de produção elevada. As vantagens e desvantagens desta tecnologia têm sido discutidas em vários comentários 25,32,33. Tomografia 3D de CLI tem sido intensamente estudado em vários grupos 28,34-37, e as aplicações de CLI para imagem endoscópica e de imagem intra-operatória foram demonstradas com sucesso em ratos, bem 30,38. Além disso, Spinelli e Thorek et al. Demonstraram que a imagem da CLI poderia ser aplicada a seres humanos, assim, a tecnologia tem também potencial para aplicações clínicas, 39, 40.

No decurso do reencontro do BAT em seres humanos, as imagens de PET indicaram claramente que umquantidade significativa de 18F-FDG acumulada em BAT sob certas condições 2,3,6. Além disso, imagens de PET com ratos também mostraram que, sem dúvida, BAT pode ser destacado com 18 F-FDG 41 42. Neste relatório, demonstramos como Cerenkov luminescência emitida a partir de 18 F-FDG pode ser utilizado para BAT imagem em pequenos animais usando um sistema de imagem óptica. Nossa abordagem oferece um método rápido, barato e conveniente de imagem BAT para pequenos animais. Esta técnica pode ser utilizada como um método alternativo para a imagiologia de PET com 18F-FDG, especialmente para laboratórios sem instalações de PET.

Protocol

Nota: Todos os estudos com animais devem ser realizados ao abrigo de protocolos institucionais aprovados e orientações de cuidados de animais.

1 In Vivo CLI BAT de imagem com 18 F-FDG

1.1 Histórico de imagem:

  1. Antes de 18 de injeção de F-FDG, coloque quatro camundongos nus em uma câmara de indução que tem sido ligado com isoflurano equilibrada com o oxigênio por 5 min para induzir a anestesia. Em seguida, colocar os quatro ratinhos anestesiados para o aparelho de imagem.
  2. Adquirir a imagem de fundo com os seguintes parâmetros: filtro Open, f = 1, bin = 8, FOV = D, e tempo de exposição = 120 segundos, a temperatura fase = 37 ° C.

1.2 Imagem BAT com 18 F-FGD:

  1. Injetar os ratos anestesiados com 280 jiCi de 18 F-FDG em PBS por via intravenosa na veia da cauda. Após a injecção, os ratinhos retornar para uma gaiola equipada com comida e água.
    Nota: É necessário injectar por via intravenosa 18 F-FDG para conseguir um contraste decente em torno da área BAT. Apenas um contraste muito fraco pode ser visto com a mesma quantidade de 18 F-FDG se uma injecção intraperitoneal é usado.
  2. Adquira imagens CLI em 30, 60 e 120 min após a injeção 18 F-FDG com os mesmos parâmetros como imagens de fundo (passo 1.1.2). Para cada sessão de imagens, permitir que 5 min para o reindução anestesia.
  3. Para quantificar a relação sinal-ruído (S / N), use a interface de software de imagem para desenhar dois iguais ROIs porte elipse sobre o BAT interescapular e uma área adjacente à BAT (área de referência) (Figura 1b).

1.3 Validação da Fonte CLI:

  1. Anestesiar quatro camundongos e injetar os ratos com 280 jiCi de 18 F-FDG por via intravenosa.
  2. Sacrifício dos ratinhos de 60 min após a injecção de 18 F-FDG por injecção de pentobarbital de sódio (200 mg / kg, IP). Retire cuidadosamente o skin desde a zona interescapular. Imagem de todos os ratos com os mesmos parâmetros como acima (1.1.2), ao mesmo tempo (Figura 2a).
  3. Cuidadosamente remover o tecido adiposo interescapular branco (WAT) e BAT, e em seguida, a imagem dos ratos dissecados com os mesmos parâmetros (Figura 2b).
  4. A partir das imagens CLI, calcular a contribuição da BAT usando duas ROIs com a seguinte equação: R (BAT) = (CLI a b -cli) (BAT) / (CLI a b -cli) (removido-BAT), onde ROI um é para a região interescapular e ROI b é para a área de referência (Figura 2b).

2 BAT Imaging Application

2.1 Monitoramento de ativação com NE

  1. Divide ratinhos nus em dois grupos (n = 4 cada um).
  2. Injetar um grupo com norepinefrina (NE) (50 mL, 10 mM) por via intraperitoneal. Utilizar o segundo grupo como contro não activadal. Após 30 min, ambos os grupos anestesiar com isoflurano durante 5 min, e em seguida administrar por via intravenosa a cada rato com 18F-FDG (220 uCi).
    Nota: A injecção intraperitoneal de NE deve ser de 30 minutos antes da injecção de 18 F-FDG para evitar agitando os ratinhos dramaticamente.
  3. Imagem dos camundongos 60 min após a injeção 18 F-FDG utilizando os mesmos parâmetros que os protocolos acima.

2.2 Monitoramento de ativação sob exposição a frio

  1. Medem-se as temperaturas do corpo dos ratinhos na câmara fria com um termómetro rectal. As temperaturas devem ser de cerca de 30 ° C.
  2. Imagem murganhos 60 minutos após a injecção de 18 F-FDG utilizando os mesmos parâmetros de imagem como os protocolos acima. Utilizar ratos que são mantidas à temperatura ambiente (25 ° C), como os controlos, e imagem los com o mesmo.
  3. Para um estudo de exposição ao frio, colocar os murganhos numa sala fria (4 ° C) durante 4 horas antes da injecção de 18 F-FDG e voltar a mgelo para o quarto frio após cada sessão de imagens e após a recuperação da anestesia.
  4. parâmetros como acima.

2.3 Acompanhamento Desativação da BAT no longo Anestesia

  1. Para anestesia longo (60 - 70 min), injectar ratinhos intraperitonealmente com cetamina / xilazina e mantê-los sob anestesia por 60 - 70 min à temperatura ambiente.
  2. Uma vez que os ratos são anestesiados, injectar 18F-FDG (220 uCi), por via intravenosa através da veia da cauda.
  3. Imagem murganhos 60 minutos após a injecção de 18 F-FDG utilizando os mesmos parâmetros que os protocolos acima.

3 de Mistura Espectral e multiespectrais Cerenkov luminescência tomografias

  1. Anestesiar um rato por 5 min, e depois injetar 300 jiCi 18 F-FDG por via intravenosa. Adquirir imagens multiespectrais 60 min após 18 F-FDG injeção do lado dorsal do animal com os seguintes parâmetros: f = 1, bin = 16, a aquisiçãot = 300 seg por filtro, os filtros de emissão = 580, 600, 620, 640, 660 e 680 nm.
  2. Realizar separação espectral com Viver Imagem 4.3.1 do software e selecione dois componentes (MTD e sinais inespecíficos) e desmistura automático (Figura 4).
  3. Conduzir a reconstrução 3D de acordo com o método descrito por Kuo et ai. 28,43. Incorporar o espectro de emissão de Cerenkov para o modelo de propagação da luz difusa, aplicar Tikhonov regularização na NNLS (mínimos quadrados não negativos) optimização dos resíduos, e gerar a tomografia superfície (que é utilizada para a imagem coregistration 3D) a partir da imagem de estrutura leve (Figura 5 ).
    Nota: Para multiespectral separação espectral CLI e tomografia, são necessários pelo menos 5 imagens com filtros diferentes.

Representative Results

Na Figura 1, a MTD interescapular (Figura 1A) foi destacada em todos os pontos de tempo (30, 60, 120 min), e o contraste entre a MTD e a área de referência pode ser facilmente observado (Figura 1b). Notavelmente, o contorno da imagem reflectida MTD de perto a sua aparência física, que tem um contorno triangular. As razões de sinal entre MTD e a área de referência foram 2,37, 2,49 e 2,53 vezes a 30, 60, e 120 min após a injecção (Figura 1a).

A partir da experiência dissecção passo a passo, de 85% do sinal no local interescapular procedera da MTD (Figura 2). No entanto, ainda havia algum sinal residual localizado perto da borda superior da BAT, que provavelmente se originou a partir do tecido residual BAT e outros tecidos adjacentes que incluem os vasos sanguíneos e os músculos.

Tem sido relatado que a activação de MTD pode ser realizado por meio deNorepinefrina (NE) tratamento e exposição ao frio 3,6. Em primeiro lugar, observa-se a activação com BAT NE no mesmo grupo de ratinhos, com e sem tratamento NE sob curto (5 min) anestesia de isoflurano. Os dados mostraram sinal CLI significativamente maior sob a condição tratada-NE (1,23 vezes) do que sem o tratamento NE (Figura 3a).

Em estudos humanos, imagens PET mostraram que os indivíduos com menos exposição ao frio tinha muito maior 18 F-FDG na BAT do que aqueles em temperatura ambiente 6. Neste estudo ratos, foi observado um aumento de 39% em 18 F-FDG na BAT dos animais tratados com a exposição ao frio (Figura 3b).

Em ratos, a actividade MTD pode ser influenciado por diferentes regimes anestesia 3,41. Por exemplo, 18 F-FDG na BAT pode ser diminuído consideravelmente após uma hora de anestesia com cetamina 41. Comparando o uptak 18 F-FDGe no mesmo grupo de ratinhos, em curto (5 min com isoflurano) e longa anestesia (70 min com cetamina / xilazina) esquemas, uma diminuição de 54% em 18 F-FDG MTD absorção foi observada no grupo anestesiados com cetamina / xilazina ( Figura 3c).

É bem conhecido que as proteínas (tais como a hemoglobina no sangue e o citocromo c em mitocôndrias) contendo heme pode conduzir à absorção de luz significativa, e espera-se que os vasos sanguíneos abundantes em MTD 1 vai mudar o espectro de CLI e espectral forma da área de MTD será diferente de outras áreas. É concebível, técnicas de separação espectral nos permite separar os espectros de duas CLI. A partir da Figura 4-A, não foi determinada área destacada da imagem sem mistura de componente # 1 (Unmix # 1), e do espectro correspondente (linha azul na Figura 4d) era muito semelhante ao espectro de emissão de 18 M nos meios de comunicação pura, em que a CLI intensificadaty é inversamente correlacionada com o quadrado do comprimento de onda 18,20. Estes dados sugerem que Unmix # 1 representou um sinal CLI inespecífica, o que é, provavelmente, a partir de profundidades muito rasas, como a acumulação de 18 F-FDG na pele. O pico da não misturado # 2 espectro (linha vermelha) estava em torno de 640 nm, o que sugere o sinal era da BAT. Curiosamente, contrariamente ao que a atenuação significativa da intensidade do CLI mais curto do que 640 nm, sem diminuição significativa da intensidade foi observada uma vez que atingiu o seu pico (linha vermelha na Figura 4), ​​indicando uma melhor penetração no tecido da luz emitida nos comprimentos de onda mais longos.

Multispectral Cerenkov luminescência tomografia (msCLT) foi usado para a reconstrução 3D. msCLT foi descrito anteriormente por Kuo et ai. 28,43, e é construído a partir de um conjunto de imagens planares 2D adquiridos com uma série de filtros de banda estreita (> 5 filtros). As imagens 3D reconstruídas são coregistrado com tomografia de superfície que é gerada a partir da luz estrutura, e as imagens revelam que uma porção substancial do sinal originado a partir da CLI MTD interescapular (Figura 5). Notavelmente, a imagem coronal (Figura 5a) define claramente os dois lóbulos do BAT, que lembram de perto o contorno triângulo da BAT mostrado na Figura 5e.

Figura 1
Figura 1: (a) contorno Triangular da BAT interescapular (seta azul) em um rato; BAT (à esquerda) é coberta com tecido adiposo branco, e (à direita) BAT está exposto. imagens (b) CLI de um rato aos 30 e 60 min após 18 F-FDG (280 jiCi) injecção intravenosa. As imagens delinear claramente o contorno da BAT. (C) Análise quantitativa do sinal CLI de inteárea BAT rscapular e uma área de referência. Reimpressão de referência 42. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2: (a) Imagens representativas de camundongos antes (esquerda) e depois (direita) remoção BAT. (B) Quantificação indica que> 85% CLI originado de BAT. Reimpressão de referência 42. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3:(A) imagens representativas CLI do BAT de ratos com (à esquerda) e sem (direita) estimulação NE sob anestesia isoflurano curto. (B) análise quantitativa dos sinais CLI dos dois grupos em (a), (n = 4 para cada grupo). (C) imagens representativas CLI do BAT de ratos com (à esquerda) e sem (direita) estimulação fria sob anestesia isoflurano curto. (D) A análise quantitativa dos sinais CLI dos dois grupos mostrados em (e) (n = 3-4 para cada grupo). (e) imagens representativas CLI do BAT em ​​60 min após injeção de 18 F-FDG sob anestesia isoflurano curto (5 min) (esquerda) e cetamina / xilazina anestesia (70 min) (direita). (F) A análise quantitativa dos sinais CLI dos dois grupos mostrados em (g) (n = 4 para cada grupo). Reimpressão de referência 42. Please, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4:. Separação espectral para CLI inespecíficos e BAT CLI (a) Unmix # 1 mostra que sinal inespecífico CLI a partir de 18 F-FDG é distribuída por todo o corpo (o espectro sem mistura para esta imagem é mostrada em (d) (linha azul )). (B) Unmix # 2 indica que a maioria do CLI no local interescapular é de MTD (o espectro não misturado é mostrado em (d) (linha vermelha)). O pico CLI é de cerca de 640 nm. (C) imagem mesclada de Unmix # 1 e # 2. (D) Os espectros de CLI Unmix # 1 e # 2. Reimpressão de referência 42. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. </ P>

Figura 5
Figura 5: Tomografia Multispectral Cerenkov luminescência (a - d) reconstrução 3D das imagens.. Interscapular MTD pode ser visto em coronal (a), sagital (b), e transversal (c) vista, bem como na imagem 3D (d); (E) forma BAT Física é mostrada (seta azul), que se correlaciona com imagens reconstruídas. Reprint e adaptar a partir da referência 42. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Pesquisa relacionada a BAT tem sido conduzido por várias décadas. Anteriormente, ele havia sido considerado sem relevância fisiológica significativa durante a vida adulta humano 1. BAT No entanto, recentes imagens de PET clínico em grande escala com 18 F-FDG e outras investigações confirmaram ainda está presente na parte superior do tórax, pescoço e outros locais em adultos 2,3. Estudos recentes sugeriram que a MTD desempenha um importante papel na obesidade e diabetes de 2,6. Outra pesquisa também indica que BAT desempenha um papel importante durante o processo de envelhecimento 12 e que a sua actividade pode ser melhorada através de exercício 10,44.

Tanto em estudos clínicos humanos e pesquisa pré-clínica, imagiologia PET com 18 F-FDG é o método mais utilizado para estudar BAT. No entanto, para os estudos em animais pré-clínicos, o PET é geralmente muito mais caro do que a imagiologia óptica. Neste protocolo, demonstramos que o CLEu com 18 F-FDG pode ser aplicado para BAT imagem opticamente em pequenos animais. Como outras técnicas de imagem óptico, limitação tecido penetrante e baixa sensibilidade para alvos profundas são as limitações intrínsecas da CLI 25,32. No entanto, recentemente, Spinelli et al. Demonstraram que o sinal de CLI decente pode ser observada com a profundidade de tecido 10 mm durante 32 P 28,43, e Thorek et al. mostrou que 16 milímetros de penetração pode ser alcançado em linfonodos de pacientes depois de 18 F-FDG injeção 39, 40. Em comparação com imagens de PET, o CLI possa ser realizado com um sistema de imagem relativamente baixo custo. Recentemente, Thorek et al. Demonstrado como pequenas quantidades de 18F-FDG acumulados (cerca 2CI) nos gânglios de pacientes 39, que significativamente alta sensibilidade podem ser alcançados com CLI 40. Em testes in vitro indicaram que o sinal da CLI de 0,01 Ci 90Y foi detectável em solução 25,32,33

No curso de experimentos, descobrimos que contraste CLI do BAT com 18 F-FDG é altamente relacionada com os métodos de injeção. A injecção intravenosa de 18 F-FDG pode fornecer um contraste excelente para BAT interescapular, enquanto que a injecção intraperitoneal com a mesma quantidade de 18F-FDG só mostraram um contraste fraco na área da MTD.

Separação espectral, uma técnica muito prática para separar os dois conjuntos de sinais, tem sido amplamente utilizado em imagiologia por fluorescência. É sabido que a absorção de 18 F-FDG não é altamente alvo-específico, e alvos diferentes / tecidos têm diferentes propriedades de atenuação de luz. Nós encontramos o pico do espectro CLI do BAT é de cerca de 640 nm, e este dado refletiu os contextos reais de BAT. A reconstrução 3D desta protocol é operável muito, porque pode ser realizado com um sistema de imagiologia óptica disponível comercialmente com base nas propriedades difusoras de luz de diferentes comprimentos de onda. Com esta abordagem, podemos evitar o uso de um sistema de imagem especializada que requer de ângulos múltiplos visualizar imagens para a reconstrução 3D.

Para ambos separação espectral e reconstrução 3D, é necessária uma maior mínimo de 600 contagens de fotões a partir de cada imagem em BAT. Para este fim, grande criação de faixas (bin = 16), pequena paragem f (f = 1) e um tempo de aquisição muito tempo (5 minutos) são necessários para cada imagem.

Em resumo, aproveitando a localização privilegiada ea forma da BAT ea significativamente alta absorção de 18 F-FDG na BAT, demonstramos como BAT em ​​pequenos animais podem ser opticamente fotografada com 18 F-FDG através da técnica de CLI. Este método pode ser utilizado de forma confiável para BAT imagem e para o monitoramento de ativação BAT. Além disso, também demonstram que a separação espectral e reco 3Dnstruction são praticáveis ​​e volume 3D quantificação é possível para estudos futuros.

Disclosures

A publicação deste vídeo-artigo é apoiado por Perkin Elmer Company.

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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