كيرينكوف التلألؤ التصوير من الأنسجة الدهنية بين الكتفين براون
Summary
In this video report, we show the application of Cerenkov Luminescence Imaging (CLI) for interscapular brown adipose tissue in mice under activated and depressed conditions.
Abstract
Brown adipose tissue (BAT), widely known as a “good fat” plays pivotal roles for thermogenesis in mammals. This special tissue is closely related to metabolism and energy expenditure, and its dysfunction is one important contributor for obesity and diabetes. Contrary to previous belief, recent PET/CT imaging studies indicated the BAT depots are still present in human adults. PET imaging clearly shows that BAT has considerably high uptake of 18F-FDG under certain conditions. In this video report, we demonstrate that Cerenkov luminescence imaging (CLI) with 18F-FDG can be used to optically image BAT in small animals. BAT activation is observed after intraperitoneal injection of norepinephrine (NE) and cold treatment, and depression of BAT is induced by long anesthesia. Using multiple-filter Cerenkov luminescence imaging, spectral unmixing and 3D imaging reconstruction are demonstrated. Our results suggest that CLI with 18F-FDG is a practical technique for imaging BAT in small animals, and this technique can be used as a cheap, fast, and alternative imaging tool for BAT research.
Introduction
البني الأنسجة الدهنية (BAT) هو الأنسجة خاصة لتوليد الحرارة في الثدييات، واحدة من المهام الرئيسية لها هو الحفاظ على توازن الطاقة في الجسم كله من خلال تشتيت كميات كبيرة من المواد الكيميائية / الطاقة الغذائية في شكل حرارة 1. وتشمل الخصائص BAT الأكثر فريدة وفيرة فك ربط البروتين 1 (UCP-1) التعبير وفرة قطرات النفط الصغيرة، وعدد كبير من الميتوكوندريا في خلية واحدة، والأوعية الدموية كبير في الأنسجة 2-5. هذه الميزات الفريدة المنتسبين بقوة مع الدور المهم الأنسجة في نفقات التمثيل الغذائي والطاقة. اعتبر سابقا أن يكون BAT لم تعد موجودة و لا تملك وظائف فسيولوجية مهمة في البشر البالغين 1، لكن الأخيرة التحقيقات التصوير PET / CT وقد أظهرت بوضوح أن BAT لا يزال يعرض في البالغين البشري 2،3،6-9. أنشئ علاقة عكسية بين كتلة BAT ومؤشر كتلة الجسم (BMI) من عدة دراسات، وإعادةأشارت الدراسات المائة أن التمارين البدنية يمكن أن تزيد كتلة BAT. هذه النتائج تشير بقوة إلى أن الخلل من BAT يرتبط بإحكام مع أمراض السمنة والسكري 2،6،10،11. بالإضافة إلى ذلك، أدلة متزايدة تشير إلى أن وظيفة BAT يرتبط بقوة لمختلف الأمراض الأخرى مثل مرض الاعصاب والسرطان 3،7،12،13.
تفعيل BAT، وهي عملية لزيادة توليد الحرارة، يمكن أن يتحقق في ظل ظروف مختلفة مثل التعرض للبرد، وممارسة، والعلاج من تعاطي المخدرات والتلاعب الجيني 1،14،15. التعرض للبرد والعلاج بافراز هي الأساليب الأكثر استخداما لتفعيل BAT. الباردة، والتي يمكن أن تشعر به آليات مختلفة مثل thermoreceptors في الجلد، ويحفز الأعصاب متعاطفة ويؤدي إلى إطلاق سراح بافراز (NE) إلى BAT. وNE يطلق سراح UCP-1 إلى تهيئة توليد الحرارة للحفاظ على درجة حرارة الجسم العادية. تحت هذا conditiعلى، وامتصاص الجلوكوز يزيد أيضا إلى توفير المزيد من مصادر الكربون لزيادة التمثيل الغذائي في BAT 1،16،17. وأكدت التصوير PET مع 18F-FDG أن امتصاص الجلوكوز وصفت زيادة في ظل الظروف الباردة في الدراسات الإنسانية 6.
من حيث التصوير الضوئي، BAT هو الهدف المثالي. وBAT بين الكتفين بموقع فريد في الفئران، وتقع بعيدا عن الأجهزة الكبيرة مثل الكبد والقلب والمعدة. وبالتالي، تدخل إشارة من هذه الأجهزة غير ذات أهمية كبيرة (الشكل 1A). وفي الوقت نفسه، الموقع الضحلة BAT بين الكتفين يسمح بمزيد من إشارات ليتم التقاطها بواسطة كاميرا الكشف. وعلاوة على ذلك، BAT هو الجهاز الشامل المركزة، والتي تحصر إشارة خفيفة في بعض المناطق. بالإضافة إلى ذلك، الشكل المادي الثلاثي الفريد من BAT يجعل من السهل تمييزها عن الأنسجة الأخرى (الشكل 1A).
التصوير كيرينكوف التلألؤ (CLI)، ومول ظهرت حديثاتكنولوجيا التصوير ecular 18-26، ويسخر التلألؤ المتولدة من + و – تحلل العناصر المشعة مثل 18 F 131 وأنا في المتوسط. الجسيمات المشحونة (مثل + و -) يستقطبه جزيئات بينما يسافر في المتوسط 18-20، وينبعث التلألؤ / الضوء عندما تسترخي الجزيئات المستقطبة العودة إلى التوازن. يسمى التلألؤ المنبعثة كيرينكوف التلألؤ (CL). وتشمل الخصائص الطيفية فريدة من CL الطيف الواسع في جميع أنحاء الأشعة فوق البنفسجية (UV) والطيف المرئي 18-20، ولها علاقة عكسية بين كثافة ومربع الطول الموجي (λ 2). ويمكن استخدام كل من الأشعة فوق البنفسجية والمرئية نطاقات الضوء المنبعث لمختلف التطبيقات. تم تطبيق جزء من الأشعة فوق البنفسجية كيرينكوف التلألؤ في الجسم الحي لتنشيط ضوئي من وسيفيرين قفص 21، في حين أن الضوء المنبعث في الطول الموجي الطويل يمكن أن يكونتستخدم لفي الجسم الحي التصوير الضوئي 18،27-31.
للدراسات الحيوانات الصغيرة، CLI التصوير مع نظام التصوير الضوئي هو أسرع وأكثر فعالية من حيث التكلفة من PET. وعلاوة على ذلك، CLI يمكن تطبيقها لارتفاع الفرز الإنتاجية مع نظام التصوير مجهزة قدرة إنتاجية عالية. وقد تمت مناقشة مزايا وعيوب هذه التقنية في العديد من الاستعراضات 25،32،33. التصوير المقطعي 3D من CLI تمت دراستها بشكل مكثف في عدة مجموعات 28،34-37، وأثبتت تطبيقات CLI للتصوير والتصوير بالمنظار أثناء العملية بنجاح في الفئران فضلا 30،38. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت سبينيلي وThorek آخرون أن CLI التصوير يمكن أن يطبق على بالكائن البشري، وهكذا التكنولوجيا أيضا إمكانية التطبيقات السريرية 39 و 40.
في سياق إعادة اكتشاف BAT في البشر، أشار صور PET بوضوح أنكمية كبيرة من 18 F-FDG تراكمت في ظل ظروف معينة BAT 2،3،6. وبالإضافة إلى ذلك، والتصوير PET مع الفئران كما أظهرت دون شك أن BAT يمكن إبراز مع 18 F-FDG 41 42. في هذا التقرير، علينا أن نظهر كيف كيرينكوف التلألؤ المنبعثة من 18 F-FDG يمكن استخدامها لBAT التصوير في الحيوانات الصغيرة باستخدام نظام التصوير الضوئي. يوفر نهجنا طريقة سريعة ورخيصة ومريحة التصوير BAT للحيوانات الصغيرة. هذه التقنية يمكن استخدامها كطريقة بديلة للتصوير PET مع 18 F-FDG، خاصة بالنسبة للمختبرات دون مرافق PET.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أجريت الأبحاث المتعلقة BAT لعدة عقود. سابقا، كان يعتبر أن لا أهمية فيزيولوجية كبيرة خلال مرحلة البلوغ البشري 1. BAT ومع ذلك، فقد أكد مؤخرا على نطاق واسع التصوير PET السريري مع 18 F-FDG وتحقيقات أخرى لا تزال موجودة في أعلى الصدر والرقبة واماكن اخرى في البالغين 2،3. وقد اقترحت الدراسات الحديثة بشدة أن BAT تلعب دورا هاما في السمنة ومرض السكري 2،6. وتشير أبحاث أخرى أيضا أن BAT تلعب أدوارا هامة خلال عملية الشيخوخة 12، وأنه يمكن تعزيز نشاطها من خلال ممارسة الرياضة 10،44.
سواء في الدراسات الإنسانية السريرية والبحوث قبل السريرية، والتصوير PET مع 18 F-FDG هو الأسلوب الأكثر استخداما لدراسة BAT. ومع ذلك، لدراسات على الحيوانات قبل السريرية، PET بشكل عام أغلى بكثير من التصوير الضوئي. في هذا البروتوكول، ونحن إثبات أن CLأنا مع 18 F-FDG يمكن تطبيقها لBAT التصوير بصريا في الحيوانات الصغيرة. مثل غيرها من التقنيات البصرية والتصوير، واختراق الأنسجة القيد وانخفاض الحساسية للأهداف العميقة هي القيود الجوهرية للCLI 25،32. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة سبينيلي وآخرون أظهرت أن ائقة إشارة CLI يمكن ملاحظة مع 10 ملم عمق الأنسجة مع 32 P 28،43، وThorek وآخرون. أظهرت أن 16 مم ويمكن تحقيق اختراق في الغدد الليمفاوية من المرضى بعد 18 F-FDG حقن 39 و 40. مقارنة التصوير PET، CLI لا يمكن أن يؤديها مع نظام التصوير تكلفة منخفضة نسبيا. مؤخرا، Thorek آخرون أظهرت ويمكن تحقيق ذلك حساسية عالية بشكل كبير مع CLI كميات منخفضة حتى 18 F-FDG المتراكمة (حوالي 2CI) في العقد من 39 مريضا، أشار 40 في التجارب المختبرية التي CLI إشارة من كان 0.01 تسى 90Y كشف في حل 25،32،33 </sتصل>. علاوة على ذلك، CLI أيضا إمكانية التحليل المكاني العالية والقدرة على فحص إنتاجية عالية. بالإضافة إلى ذلك، CLI سهلة التعلم والاستخدام.
في سياق التجارب، وجدنا أن النقيض من CLI BAT مع 18 F-FDG يرتبط إلى حد كبير إلى أساليب الحقن. الحقن في الوريد من 18 F-FDG يمكن أن توفر المقابل ممتازة لBAT بين الكتفين، في حين حقن داخل الصفاق مع نفس الكمية من 18 F-FDG أظهر فقط تباين ضعيفة في منطقة BAT.
unmixing الطيفي، وهي تقنية عملية جدا لفصل مجموعتين من إشارات، وقد استخدم على نطاق واسع في مجال التصوير مضان. ومن المعروف جيدا أن امتصاص 18 F-FDG لا تستهدف محددة للغاية، وأهداف مختلفة / الأنسجة لديها مختلف خصائص ضوء التوهين. وجدنا ذروة الطيف CLI BAT من حوالي 640 نانومتر، وهذه البيانات تعكس السياقات الفعلية للBAT. إعادة الإعمار 3D من هذه العلاقات العامةotocol غير قابلة للتشغيل للغاية، لأنه لا يمكن أن يؤديها مع نظام التصوير الضوئي المتاحة تجاريا على أساس خصائص ناشر الخفيفة من أطوال موجية مختلفة. مع هذا النهج، يمكننا تجنب استخدام نظام التصوير المتخصص الذي يتطلب متعددة زاوية عرض الصور لإعادة الإعمار 3D.
لكل من unmixing الطيفي وإعادة الإعمار 3D، لا بد من الحد الأدنى أكبر من 600 التهم الفوتون من كل صورة في BAT. لهذه الغاية، لا بد binning كبير (بن = 16)، توقف جمعة صغير (F = 1) واكتساب الوقت طويل (5 دقائق) لكل صورة.
باختصار، تسخير بموقع فريد وشكل BAT وامتصاص عالية بشكل ملحوظ من 18 F-FDG في BAT، علينا أن نظهر كيف BAT في الحيوانات الصغيرة يمكن تصوير بصريا مع 18 F-FDG عبر تقنية CLI. هذه الطريقة يمكن استخدامها بشكل موثوق لBAT التصوير ورصد تفعيل BAT. بالإضافة إلى ذلك، ونحن أيضا إثبات أن unmixing الطيفي وريكو 3Dnstruction هي عمليا وحجم 3D الكمي هو ممكن للدراسات المستقبلية.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Perkin Elmer Company for supporting this publication. We also thank Alana Ross, B.S. for proofreading this manuscript.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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: 2.7cm x 2.7cm Pixels: 2048 x 2048 Quantum Efficiency: 85% Min detectable photons: 70 photons/s/sr/cm < sup > 2 < /sup > Dark Current: < 100 electrons/s/cm < sup > 2 < /sup > Lens: f 0.95 50mm CCD Cooling: Cooled to-90 degree. |
|
| 18F-FDG | IBA Molecular | ||
| norepinephrine | Sigma | N5785-250MG | |
| Ketamine/Xylazine | Sigma | K113-10ML |
References
- Cannon, B., Nedergaard, J. Brown adipose tissue: function and physiological significance. Physiol. Rev. 84, 277-359 (2004).
- Cypess, A. M., et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. New Eng. J. Med. 360, 1509-1517 (2009).
- Nedergaard, J., Bengtsson, T., Cannon, B. Unexpected evidence for active brown adipose tissue in adult humans. Amer. J. Physiol. Endocrinol. Metabolism. 293, 444-452 (2007).
- Tseng, Y. H., et al. New role of bone morphogenetic protein 7 in brown adipogenesis and energy expenditure. Nature. 454, 1000-1004 (2008).
- Zhang, H., et al. Cross talk between insulin and bone morphogenetic protein signaling systems in brown adipogenesis. Mol. Cell. Biol. 30, 4224-4233 (2010).
- van Marken Lichtenbelt, W. D., et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. New Eng. J. Med. 360, 1500-1508 (2009).
- Zingaretti, M. C., et al. The presence of UCP1 demonstrates that metabolically active adipose tissue in the neck of adult humans truly represents brown adipose tissue. FASEB J. 23, 3113-3120 (2009).
- Chen, Y. I., et al. Anatomical and Functional Assessment of Brown Adipose Tissue by Magnetic Resonance Imaging. Obesity. 20, 1519-1526 (2012).
- Chen, Y. C., et al. Measurement of human brown adipose tissue volume and activity using anatomic MR imaging and functional MR imaging. J. Nucl. Med. 54, 1584-1587 (2013).
- Bostrom, P., et al. A PGC1-alpha-dependent myokine that drives brown-fat-like development of white fat and thermogenesis. Nature. 481, 463-468 (2012).
- Yoneshiro, T., et al. Age-related decrease in cold-activated brown adipose tissue and accumulation of body fat in healthy humans. Obesity. 19, 1755-1760 (2011).
- Mattson, M. P. Perspective: Does brown fat protect against diseases of aging. Ageing Res. Rev. 9, 69-76 (2010).
- Stephens, M., Ludgate, M., Rees, D. A. Brown fat and obesity: the next big thing. Clin. endocrinol. 74, 661-670 (2011).
- Harms, M., Seale, P. Brown and beige fat: development, function and therapeutic potential. Nat. Med. 19, 1252-1263 (2013).
- Farmer, S. R. Obesity: Be cool, lose weight. Nature. 458, 839-840 (2009).
- Inokuma, K., et al. Uncoupling protein 1 is necessary for norepinephrine-induced glucose utilization in brown adipose tissue. Diabetes. 54, 1385-1391 (2005).
- Isler, D., Hill, H. P., Meier, M. K. Glucose metabolism in isolated brown adipocytes under beta-adrenergic stimulation. Quantitative contribution of glucose to total thermogenesis. Biochem. J. 245, 789-793 (1987).
- Robertson, R., et al. Optical imaging of Cerenkov light generation from positron-emitting radiotracers. Phys. Med. Biol. 54, 355-365 (2009).
- Spinelli, A. E., et al. Cerenkov radiation allows in vivo optical imaging of positron emitting radiotracers. Phys. Med. Biol. 55, 483-495 (2010).
- Liu, H., et al. Molecular optical imaging with radioactive probes. PloS One. 5, e9470 (2010).
- Ran, C., Zhang, Z., Hooker, J., Moore, A. In vivo photoactivation without ‘light’: use of Cherenkov radiation to overcome the penetration limit of light. Mol. Imaging. Biol. 14, 156-162 (2012).
- Dothager, R. S., Goiffon, R. J., Jackson, E., Harpstrite, S., Piwnica-Worms, D. Cerenkov radiation energy transfer (CRET) imaging: a novel method for optical imaging of PET isotopes in biological systems. PloS One. 5, e13300 (2010).
- Ruggiero, A., Holland, J. P., Lewis, J. S., Grimm, J. Cerenkov luminescence imaging of medical isotopes. J. Nucl. Med. 51, 1123-1130 (2010).
- Lewis, M. A., Kodibagkar, V. D., Oz, O. K., Mason, R. P. On the potential for molecular imaging with Cerenkov luminescence. Optics Letters. 35, 3889-3891 (2010).
- Mitchell, G. S., Gill, R. K., Boucher, D. L., Li, C., Cherry, S. R. In vivo Cerenkov luminescence imaging: a new tool for molecular imaging. Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences. 369, 4605-4619 (2011).
- Thorek, D. L., Ogirala, A., Beattie, B. J., Grimm, J. Quantitative imaging of disease signatures through radioactive decay signal conversion. Nat. Med. 19, 1345-1350 (2013).
- Holland, J. P., Normand, G., Ruggiero, A., Lewis, J. S., Grimm, J. Intraoperative imaging of positron emission tomographic radiotracers using cerenkov luminescence emissions. Mol. Imaging. 11, 1-10 (2012).
- Spinelli, A. E., et al. Multispectral Cerenkov luminescence tomography for small animal optical imaging. Optics Express. 19, 12605-12618 (2011).
- Xu, Y., et al. Proof-of-concept study of monitoring cancer drug therapy with cerenkov luminescence imaging. J. Nucl. Med. 53, 312-317 (2012).
- Liu, H., et al. Intraoperative imaging of tumors using cerenkov luminescence endoscopy: a feasibility experimental study. J. Nucl. Med. 53, 1579-1584 (2012).
- Thorek, D. L., et al. Positron lymphography: multimodal, high-resolution, dynamic mapping and resection of lymph nodes after intradermal injection of 18F-FDG. J. Nucl. Med. 53, 1438-1445 (2012).
- Xu, Y., Liu, H., Cheng, Z. Harnessing the power of radionuclides for optical imaging: Cerenkov luminescence imaging. J. Nucl. Med. 52, 2009-2018 (2011).
- Spinelli, A. E., Marengo, M., Calandrino, R., Sbarbati, A., Boschi, F. Optical imaging of radioisotopes: a novel multimodal approach to molecular imaging. Quart. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 56, 280-290 (2012).
- Hu, Z., et al. Experimental Cerenkov luminescence tomography of the mouse model with SPECT imaging validation. Optics Express. 18, 24441-24450 (2010).
- Hu, Z., et al. Cerenkov luminescence tomography of aminopeptidase N (APN/CD13) expression in mice bearing HT1080 tumors. Mol. Imag. 12, 173-181 (2013).
- Zhong, J., et al. Cerenkov luminescence tomography for in vivo radiopharmaceutical imaging. Internatl. J. Biomed. Imaging. 2011, 641618 (2011).
- Zhong, J., Qin, C., Yang, X., Chen, Z., Tian, J. Fast-specific tomography imaging via Cerenkov emission. Mol. Imaging. Biol. 14, 286-292 (2012).
- Kothapalli, S. R., Liu, H., Liao, J. C., Cheng, Z., Gambhir, S. S. Endoscopic imaging of Cerenkov luminescence. Biomed. Optics Express. 3, 1215-1225 (2012).
- Spinelli, A. E., et al. First human Cerenkography. J. Biomed. optics. 18, 20502 (2013).
- Thorek, D. L., Riedl, C., Grimm, J. Clinical Cerenkov Luminescence Imaging of 18F-FDG. J. Nucl. Med. 55, 1345-1350 (2014).
- Fueger, B. J., et al. Impact of animal handling on the results of 18F-FDG PET studies in mice. J. Nucl. Med. 47, 999-1006 (2006).
- Zhang, X., Kuo, C., Moore, A., Ran, C. In vivo optical imaging of interscapular brown adipose tissue with (18)F-FDG via Cerenkov luminescence imaging. PloS One. 8, e62007 (2013).
- Kuo, C., Coquoz, O., Troy, T. L., Xu, H., Rice, B. W. Three-dimensional reconstruction of in vivo bioluminescent sources based on multispectral imaging. J. Biomed. Optics. 12, 024007 (2007).
- Xu, X., et al. Exercise ameliorates high-fat diet-induced metabolic and vascular dysfunction, and increases adipocyte progenitor cell population in brown adipose tissue. Amer. J. Physiol. Regulatory, integrative and comparative physiology. 300, 1115-1125 (2011).
