Cerenkov Luminiscencia Imaging de interescapular tejido adiposo marrón

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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

Tejido adiposo marrón (BAT) es un tejido especial para la termogénesis en los mamíferos, y una de sus funciones principales es la de mantener el balance de energía de todo el cuerpo a través de disipar grandes cantidades de productos químicos / energía de los alimentos en forma de calor 1. Características más singulares de BAT incluyen la expresión abundante proteína desacoplante-1 (UCP-1), la abundancia de pequeñas gotitas de aceite, un gran número de mitocondrias en una sola célula, y la vascularización significativa en el tejido 2-5. Estas características únicas se asocian fuertemente con el importante papel de los tejidos en el gasto metabolismo y la energía. BAT se consideraban hasta entonces ya no está presente y no poseer funciones fisiológicas importantes en humanos adultos 1, sin embargo recientes investigaciones de imagen PET / TC han demostrado claramente que BAT sigue presentando en los adultos humanos 2,3,6-9. Una correlación inversa entre la masa BAT y el índice de masa corporal (IMC) se estableció a partir de varios estudios, y reestudios recientes indican que el ejercicio físico podría aumentar la masa de BAT. Estos resultados sugieren fuertemente que la disfunción de BAT está estrechamente asociada con la patología de la obesidad y la diabetes 2,6,10,11. Además, la creciente evidencia indica que la función de BAT está fuertemente relacionado con varias otras patologías tales como enfermedades neurodegenerativas y el cáncer 3,7,12,13.

Activación de BAT, un proceso para aumentar la termogénesis, se puede lograr en diversas condiciones, tales como la exposición al frío, el ejercicio, y el tratamiento de drogas y la manipulación genética 1,14,15. La exposición al frío y el tratamiento norepinefrina son los métodos más utilizados para activar BAT. Fría, que puede ser detectado por varios mecanismos como termoreceptores en la piel, estimula los nervios simpáticos y conduce a la liberación de norepinefrina (NE) de BAT. El NE lanzado desencadena UCP-1 para inicializar la termogénesis para mantener la temperatura normal del cuerpo. Bajo este conditien, la captación de glucosa también aumenta para proporcionar más fuentes de carbono para el aumento del metabolismo en la MTD 1,16,17. Imágenes PET con 18F-FDG ha confirmado que la absorción de la glucosa marcada aumenta en condiciones de frío en los estudios en humanos 6.

En términos de imagen óptica, BAT es un objetivo ideal. El interescapular BAT tiene una ubicación única en ratones, situado lejos de los órganos más grandes, tales como el hígado, el corazón y el estómago. Por lo tanto, la interferencia de señal a partir de estos órganos grandes es insignificante (Figura 1a). Mientras tanto, la localización superficial de BAT interescapular permite más señales para ser capturados por la cámara de detección. Por otra parte, BAT es un órgano masa concentrada, lo que limita la señal de luz en ciertas áreas. Además, la forma física triangular única de BAT hace que sea fácil de distinguir de otros tejidos (Figura 1a).

Imágenes luminiscencia Cerenkov (CLI), un mol recién emergidasla tecnología de imágenes ecular 18-26, aprovecha la luminiscencia generada a partir de la + y - desintegración de los radionucleidos tales como 18 F y 131 I en el medio. La partícula cargada (tal como + y -), mientras que polariza las moléculas que se desplaza en el medio de 18-20, y la luminiscencia / luz se emite cuando las moléculas polarizadas se relajan de nuevo a equilibrio. La luminiscencia emitida se llama Cerenkov Luminiscencia (CL). Las propiedades espectrales únicas de CL incluyen su amplio espectro en todo el ultravioleta (UV) y el espectro visible 18-20, y su correlación inversa entre la intensidad y el cuadrado de la longitud de onda (λ 2). Ambas gamas UV y visible de la luz emitida pueden ser utilizados para diferentes aplicaciones. La porción UV de Cerenkov luminiscencia se ha aplicado para la fotoactivación in vivo de luciferina enjaulado 21, mientras que la luz emitida en la longitud de onda más larga puede serutilizado para in vivo de imágenes ópticas 18,27-31.

Para los estudios en animales pequeños, imágenes CLI con un sistema de imagen óptica es más rápido y más rentable que el PET. Por otra parte, la CLI se puede aplicar para cribado de alto rendimiento con un sistema de imágenes equipado con alta capacidad de rendimiento. Las ventajas y desventajas de esta tecnología se han discutido en varias revisiones 25,32,33. Tomografía 3D de CLI se ha estudiado intensivamente en varios grupos 28,34-37, y las aplicaciones de la CLI para imágenes endoscópicas y las imágenes intraoperatorias han demostrado con éxito en ratones, así 30,38. Además, Spinelli y Thorek et al. Han demostrado que la formación de imágenes CLI se podría aplicar a sujetos humanos, por lo que la tecnología también tiene potencial para aplicaciones clínicas 39, 40.

En el curso de redescubrimiento de BAT en los seres humanos, las imágenes de PET indican claramente que unacantidad significativa de 18 F-FDG se acumula en BAT bajo ciertas condiciones 2,3,6. Además, la PET con ratones también, sin duda, demostró que BAT podría destacó con 18 F-FDG 41 42. En este informe, demuestran cómo Cerenkov luminiscencia emitida de 18 F-FDG puede ser utilizado para BAT imágenes en pequeños animales utilizando un sistema de imagen óptica. Nuestro enfoque proporciona un método rápido, barato y cómodo de imágenes BAT para animales pequeños. Esta técnica se puede utilizar como un método alternativo para la formación de imágenes PET con 18 F-FDG, especialmente para laboratorios sin instalaciones de PET.

Protocol

Nota: Todos los estudios con animales se realizan bajo protocolos institucionales aprobados y las directrices de cuidado de animales.

1. En Vivo CLI BAT de imagen con 18 F-FDG

Imaging 1.1 Antecedentes:

  1. Antes de 18 F-FDG inyección, coloque cuatro ratones desnudos en una cámara de inducción que se ha conectado con isoflurano equilibrada con oxígeno durante 5 min para inducir la anestesia. A continuación, coloque los cuatro ratones anestesiados en el aparato de formación de imágenes.
  2. Adquirir la imagen de fondo con los siguientes parámetros: filtro abierto, f = 1, bin = 8, FOV = D, y el tiempo de exposición = 120 seg, temperatura etapa = 37 ° C.

1.2 Imaging BAT con 18 F-FGD:

  1. Inyectar los ratones anestesiados con 280 Ci de 18 F-FDG en PBS por vía intravenosa en la vena de la cola. Después de la inyección, los ratones volver a una jaula equipada con comida y agua.
    Nota: es necesario para inyectar por vía intravenosa 18 F-FDG para lograr un contraste decente por la zona de BAT. Sólo un contraste muy débil puede ser visto con la misma cantidad de 18 F-FDG si se utiliza una inyección intraperitoneal.
  2. Adquirir imágenes de la CLI a los 30, 60, y 120 minutos después de la 18 F-FDG inyección con los mismos parámetros que la imagen de fondo (paso 1.1.2). Para cada sesión de imágenes, permita 5 minutos para la reinducción anestesia.
  3. Para cuantificar la relación señal a ruido (S / N), utilice la interfaz de software de imagen para dibujar dos regiones de interés iguales de tamaño de la elipse más de la BAT interescapular y un área adyacente a la (zona de referencia) BAT (Figura 1b).

1.3 Validación de la Fuente de la CLI:

  1. Anestesiar cuatro ratones e inyectar a los ratones con 280 Ci de 18 F-FDG por vía intravenosa.
  2. Sacrificar los ratones 60 min después de la inyección de 18 F-FDG por inyección de pentobarbital sódico (200 mg / kg, IP). Retire con cuidado el esquín de la zona interescapular. Imagen de todos los ratones con los mismos parámetros que el anterior (1.1.2), al mismo tiempo (Figura 2a).
  3. Retire con cuidado el tejido adiposo blanco interescapular (WAT) y BAT, y luego la imagen de los ratones disecados con los mismos parámetros (Figura 2b).
  4. De las imágenes de la CLI, el cálculo de la contribución de MTD mediante el uso de dos regiones de interés con la siguiente ecuación: R (BAT) = (CLI a b -cli) (BAT) / (CLI a b -cli) (BAT-eliminado), donde ROI una es para la zona interescapular y ROI b es para la zona de referencia (Figura 2b).

2. BAT Imaging Application

2.1 Vigilancia de la activación con NE

  1. Divida ratones desnudos en dos grupos (n = 4 cada uno).
  2. Inyectar un grupo con norepinefrina (NE) (50 l, 10 mM) por vía intraperitoneal. Utilice el segundo grupo en su contro no activadol. Después de 30 min, anestesiar ambos grupos con isoflurano durante 5 min, y luego inyectar por vía intravenosa cada ratón con 18 F-FDG (220 Ci).
    Nota: La inyección intraperitoneal de NE debe ser 30 minutos antes de los 18 F-FDG inyección para evitar agitar drásticamente los ratones.
  3. Imagen de los ratones 60 min después de 18 F-FDG inyección utilizando los mismos parámetros que los protocolos anteriores.

Activación 2.2 Monitoreo Bajo la exposición al frío

  1. Medir la temperatura corporal de los ratones en el cuarto frío con un termómetro rectal. La temperatura debe ser de 30 ° C.
  2. Image los ratones 60 minutos después de la 18 F-FDG por inyección usando los mismos parámetros de imagen como los protocolos anteriores. Utilice los ratones que se mantienen a temperatura ambiente (25 ° C) como los controles, y la imagen con el mismo.
  3. Para un estudio de la exposición al frío, colocar a los ratones en una cámara fría (4 ° C) durante 4 horas antes de los 18 F-FDG inyección y devolver el mhielo a la habitación fría después de cada sesión de imágenes y después de recuperarse de la anestesia.
  4. parámetros que el anterior.

2.3 Monitoreo de Desactivación de BAT So Long Anestesia

  1. Para la anestesia de largo (60 - 70 min), se inyecta por vía intraperitoneal ratones con ketamina / xilazina y mantenerlos bajo anestesia para 60 - 70 min a temperatura ambiente.
  2. Una vez que los ratones se anestesiaron, se inyectan 18 F-FDG (220 Ci) por vía intravenosa a través de la vena de la cola.
  3. Image los ratones 60 minutos después de la 18 F-FDG inyección mediante el uso de los mismos parámetros que los protocolos anteriores.

3. espectral desmezcla y multiespectrales Cerenkov luminiscencia estudios de tomografía

  1. Anestesiar a un ratón durante 5 minutos, y luego inyectar 300 Ci 18 F-FDG por vía intravenosa. Adquirir imágenes multiespectrales de 60 min después de 18 F-FDG inyección de un lado dorsal del animal con los siguientes parámetros: f = 1, bin = 16, la adquisicióntiempo = 300 segundos por filtro, filtros de emisión = 580, 600, 620, 640, 660 y 680 nm.
  2. Realizar desmezcla espectral con Vivir software Imaging 4.3.1 y seleccione dos componentes (señales inespecíficas MTD y) y desmezcla automática (Figura 4).
  3. Llevar a cabo la reconstrucción en 3D de acuerdo con el método descrito por Kuo et al. 28,43. Incorporar el espectro de emisión de Cerenkov en el modelo de propagación de la luz difusa, aplicar Tikhonov regularización en el NNLS (mínimos cuadrados no negativos) optimización de los residuos, y generar la tomografía de superficie (que se utiliza para la imagen 3D coregistration) de formación de imágenes de la estructura de la luz (Figura 5 ).
    Nota: Para multiespectral desmezcla espectral CLI y la tomografía, se necesitan al menos 5 imágenes con diferentes filtros.

Representative Results

En la Figura 1, BAT interescapular (Figura 1a) se puso de relieve en todos los puntos de tiempo (30, 60, 120 min), y el contraste entre MTD y la zona de referencia puede ser fácilmente observado (Figura 1b). En particular, el contorno de la imagen BAT refleja estrechamente su apariencia física, que tiene un contorno triangular. Las relaciones de señal entre MTD y la zona de referencia fueron 2,37, 2,49, y 2,53 veces a las 30, 60 y 120 min después de la inyección (Figura 1a).

A partir de la disección experimento gradual, el 85% de la señal en el lugar interescapular había originado a partir de la BAT (Figura 2). Sin embargo, todavía había una cierta señal residual situada cerca del borde superior de la BAT, que probablemente se originó a partir del tejido residual BAT y otros tejidos adyacentes que incluyen los vasos sanguíneos y los músculos.

Se ha informado de que la activación BAT puede lograrse a travésLa norepinefrina tratamiento (NE) y la exposición al frío 3,6. En primer lugar, se observó la activación de BAT con NE en el mismo grupo de ratones con y sin tratamiento NE en corto (5 min) anestesia con isoflurano. Los datos mostraron significativamente mayor señal de CLI bajo la condición tratada-NE (1,23 veces) que sin tratamiento NE (Figura 3a).

En estudios en humanos, la PET mostraron que los sujetos menores de la exposición al frío tenían mucho más altos 18 F-FDG captación en el BAT que aquellos a temperatura ambiente 6. En este estudio los ratones, se observó un aumento del 39% en 18 F-FDG captación en el BAT de los animales tratados con la exposición al frío (Figura 3b).

En los ratones, la actividad BAT puede ser influenciada por diferentes regímenes de anestesia 3,41. Por ejemplo, 18 F-FDG captación en BAT se puede disminuir considerablemente después de una hora de la anestesia con ketamina 41. Comparando el uptak 18 F-FDGe en el mismo grupo de ratones bajo corto (5 min con isoflurano) y la anestesia de largo (70 min con ketamina / xilazina) regímenes, una reducción del 54% en 18 F-FDG captación BAT se observó en el grupo anestesiados con ketamina / xilazina ( Figura 3c).

Es bien sabido que la hemo-que contiene proteínas (tales como la hemoglobina en la sangre y el citocromo c en las mitocondrias) puede conducir a la absorción de la luz significativa, y se espera que los abundantes vasos sanguíneos en BAT 1 va a cambiar el espectro de la CLI, y lo espectral la forma de la zona de BAT será diferente de otras áreas. Posiblemente, las técnicas de desmezcla espectral nos permiten separar los espectros de dos CLI. De la figura 4a, ningún área en particular se destacó de la imagen sin mezcla de componente # 1 (Deshacer mezcla # 1), y el espectro correspondiente (línea azul en la figura 4d) se parecía mucho al espectro de emisión de 18 F en medios puros, en los que el CLI intensificaciónTy se correlaciona inversamente con el cuadrado de la longitud de onda de 18,20. Estos datos sugieren que Deshacer mezcla # 1 representa una señal inespecífica CLI, que es probablemente de muy poca profundidad, tales como la acumulación de 18 F-FDG en la piel. El pico de la # 2 del espectro sin mezclar (línea roja) fue de alrededor de 640 nm, lo que sugiere que la señal era de la BAT. Curiosamente, a diferencia de la atenuación significativa de la intensidad de la CLI más corta que 640 nm, no se observó disminución dramática de la intensidad una vez que alcanzó su pico (línea roja en la Figura 4), ​​lo que indica una mejor penetración en el tejido de la luz emitida en longitudes de onda más largas.

Multiespectral Cerenkov tomografía de luminiscencia (msCLT) se utilizó para la reconstrucción 3D. msCLT ha informado previamente por Kuo et al. 28,43, y está construido a partir de un conjunto de imágenes planas 2D adquiridos con un número de filtros de paso de banda estrecho (> 5 filtros). Las imágenes en 3D reconstruidas son coregistEred con la tomografía superficie que se genera a partir de la estructura de luz, y las imágenes revelan que una parte sustancial de la señal de CLI originó a partir de BAT interescapular (Figura 5). Sorprendentemente, la imagen coronal (Figura 5a) define claramente los dos lóbulos de BAT, que se parecen mucho al contorno del triángulo de la BAT se muestra en la Figura 5e.

Figura 1
Figura 1: (a) de contorno triangular de BAT interescapular (flecha azul) en un ratón; (Izquierda) BAT se cubre con el tejido adiposo blanco, y (derecha) BAT está expuesto. imágenes (b) de la CLI de un ratón a los 30 y 60 minutos después de la 18 F-FDG (280 Ci) inyección intravenosa. Las imágenes describen claramente el contorno de las MTD. (C) El análisis cuantitativo de la señal de CLI de inteárea BAT rscapular y un área de referencia. Reimpresión de la referencia 42. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2: (a) Imágenes representativas de los ratones antes (izquierda) y después (derecha) de eliminación BAT. (B) La cuantificación indica que> 85% de la CLI se originó de BAT. Reimpresión de la referencia 42. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3
Figura 3:(A) imágenes Representante de la CLI de BAT de ratones con (izquierda) y sin (derecha) estimulación NE bajo anestesia isoflurano corto. (B) Análisis cuantitativo de las señales de la CLI de los dos grupos en (a) (n = 4 para cada grupo). (C) imágenes Representante de la CLI de BAT de ratones con (izquierda) y sin (derecha) de estimulación con frío bajo anestesia isoflurano corto. (D) El análisis cuantitativo de las señales de la CLI de los dos grupos se muestran en (e) (n = 3 - 4 para cada grupo). (e) las imágenes Representante de la CLI de BAT a 60 min después de 18 F-FDG inyección bajo anestesia isoflurano corto (5 min) (izquierda) y la ketamina / xilazina anestesia (70 min) (derecha). (F) El análisis cuantitativo de las señales de la CLI de los dos grupos se muestran en (g) (n = 4 para cada grupo). Reimpresión de la referencia 42. Pleasí, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4:. Desmezcla espectral para CLI inespecíficos y BAT CLI (a) Deshacer mezcla # 1 muestra que la señal de CLI inespecífica de 18 F-FDG se distribuye por todo el cuerpo (el espectro sin mezclar para esta imagen se muestra en (d) (línea azul )). (B) Deshacer mezcla # 2 indica que la mayoría de CLI en el sitio interescapular es de BAT (el espectro sin mezclar se muestra en (d) (línea roja)). El pico CLI es alrededor de 640 nm. (C) imagen fusionada de Deshacer mezcla # 1 y # 2. (D) Los espectros de CLI de Deshacer mezcla # 1 y # 2. Reimpresión de la referencia 42. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. </ P>

Figura 5
Figura 5: multiespectral Cerenkov tomografía luminiscencia (a - d) la reconstrucción 3D de las imágenes.. BAT interescapular se puede ver en coronal (a), sagital (b) y transversal (c) puntos de vista, así como en la imagen en 3D (d); (E) la forma BAT Física se muestra (flecha azul) que se correlaciona con imágenes reconstruidas. Reimpresión y adaptarse de referencia 42. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La investigación relacionada con BAT se ha llevado a cabo desde hace varias décadas. Anteriormente, se había considerado no tener relevancia fisiológica significativa en la edad adulta humana 1. BAT Sin embargo, recientes imágenes PET clínico a gran escala con 18 F-FDG y otras investigaciones han confirmado todavía está presente en la parte superior del pecho, el cuello y otras ubicaciones en adultos 2,3. Estudios recientes han sugerido fuertemente que BAT juega un papel importante en la obesidad y la diabetes 2,6. Otra investigación también indica que BAT juega un papel importante durante el proceso de envejecimiento de 12 y que su actividad se podría mejorar a través del ejercicio 10,44.

Tanto en los estudios clínicos humanos y la investigación preclínica, la PET con 18 F-FDG es el método más utilizado para estudiar BAT. Sin embargo, para los estudios preclínicos en animales, el PET es en general mucho más caros que la imagen óptica. En este protocolo, se demuestra que CLYo con 18 F-FDG se puede aplicar para ópticamente BAT imágenes en pequeños animales. Al igual que otras técnicas de imagen óptica, la limitación de penetración del tejido y baja sensibilidad para los objetivos de profundidad son las limitaciones intrínsecas de la CLI 25,32. Sin embargo, recientemente Spinelli et al. Demostraron que la señal de CLI decente podría ser observado con 10 mm de profundidad de tejido con 32 P 28,43, y Thorek et al. mostró que 16 mm de penetración se podría lograr en los ganglios linfáticos de pacientes después de 18 F-FDG de inyección 39, 40. En comparación con las imágenes de PET, CLI se puede realizar con un sistema de formación de imágenes relativamente bajo costo. Recientemente, Thorek et al. Demostró que bajas cantidades de 18 F-FDG acumulados (sobre 2Ci) en los nodos de los pacientes 39, que significativamente alta sensibilidad podría lograrse con CLI 40. Prueba in vitro indica que la señal de CLI de 0,01 Ci 90Y fue detectable en solución 25,32,33

En el curso de los experimentos, encontramos que contraste CLI de BAT con 18 F-FDG está altamente relacionada con los métodos de inyección. La inyección intravenosa de 18 F-FDG puede proporcionar un excelente contraste para BAT interescapular, mientras que la inyección intraperitoneal con la misma cantidad de 18 F-FDG sólo mostró un contraste débil en el área de BAT.

Desmezcla espectral, una técnica muy práctico para separar dos conjuntos de señales, ha sido ampliamente utilizado en imágenes de fluorescencia. Es bien conocido que la absorción de 18 F-FDG no es muy objetivo específico, y diferentes objetivos / tejidos tienen diferentes propiedades de atenuación de luz. Nos pareció que el pico del espectro de CLI de BAT es de alrededor de 640 nm, y estos datos refleja los contextos reales de BAT. La reconstrucción en 3D de este protocol es muy operable, porque se puede realizar con un sistema de imagen óptico disponible comercialmente basado en las propiedades de difusión de luz de diferentes longitudes de onda. Con este enfoque, podemos evitar el uso de un sistema de imagen especializada que requiere ver imágenes de varios ángulos para la reconstrucción 3D.

Por tanto desmezcla espectral y la reconstrucción 3D, se requiere un mayor mínimo de 600 recuentos de fotones de cada imagen de BAT. Con este fin, gran binning (bin = 16), pequeña parada f (f = 1) y un largo tiempo de adquisición (5 min) se necesitan para cada imagen.

En resumen, el aprovechamiento de la excelente ubicación y la forma de las MTD y la significativamente alta captación de 18 F-FDG en BAT, demostramos cómo BAT en los animales pequeños se pueden obtener imágenes ópticamente con 18 F-FDG a través de la técnica de CLI. Este método puede utilizarse de manera fiable para BAT formación de imágenes y para el seguimiento de la activación BAT. Además, también demuestran que desmezcla espectral y reco 3Dnstruction son practicables y volumen 3D cuantificación es posible que los estudios futuros.

Disclosures

La publicación de este video-artículo es apoyado 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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