Niet-invasieve<em> In Vivo</em> Fluorescentie Optische Imaging van Inflammatorische MMP Activiteit Met behulp van een Activateerbare Fluorescerende Imaging Agent
Summary
In dit artikel wordt de toepassing van fluorescerende beeldvorming beschreven met behulp van een activeerbare optische beeldsensor om de in vivo activiteit van belangrijke matrixmetalloproteinasen te visualiseren in twee verschillende experimentele modellen van ontsteking.
Abstract
In dit artikel wordt een niet-invasieve methode beschreven voor het imaging van matrixmetalloproteinasen (MMP) -activiteit door middel van een actieve fluorescentie probe, via in vivo fluorescentie optische beeldvorming (OI), in twee verschillende muizenmodellen van ontsteking: een reumatoïde artritis (RA) en een contact Overgevoeligheidsreactie (CHR) model. Licht met een golflengte in het nabijgelegen infrarood (NIR) venster (650-950 nm) zorgt voor een dieper weefselpenetratie en een minimale signaalabsorptie in vergelijking met golflengten onder 650 nm. De belangrijkste voordelen met behulp van fluorescentie OI is dat het goedkoop, snel en makkelijk te implementeren is in verschillende diermodellen.
Activerbare fluorescerende probes zijn optisch stil in hun geïnactiveerde staten, maar worden zeer fluorescerend wanneer ze worden geactiveerd door een protease. Geactiveerde MMP's leiden tot weefselvernietiging en spelen een belangrijke rol voor ziekteprogressie bij vertraagde overgevoeligheidsreacties (DTHR's) zoals RA en CHR. Bovendien zijn MMP'sde sleutel proteasen kraakbeen en botafbraak en geïnduceerd door macrofagen, fibroblasten en chondrocyten in respons op pro-inflammatoire cytokines. Hier gebruiken we een sonde die wordt geactiveerd door de sleutel MMP's zoals MMP-2, -3, -9 en -13 en beschrijven een beeldvormingsprotocol voor nabij infrarood fluorescentie OI van MMP-activiteit in RA en controlemuizen 6 dagen na ziekte-inductie en zoals in muizen met acute (1x challenge) en chronische (5x challenge) CHR op het rechteroor in vergelijking met gezonde oren.
Introduction
Auto-immuunziekten zoals reumatoïde artritis (RA) of psoriasis vulgaris worden beoordeeld als vertragingstypische overgevoeligheidsreacties (DTHR's). 1 RA is een algemene auto-immuunziekte die wordt gekenmerkt door erosieve synovitis en gewrichtsvernietiging. 2 Inflammede artritische gewrichten demonstreert infiltratie en proliferatie van ontstekingscellen, een verhoogde expressie van pro-inflammatoire cellen die leiden tot pannusvorming, kraakbeen en botvernietigingen. 3 , 4 De splitsing van extracellulaire matrixmoleculen, zoals collageen door matrixmetalloproteinasen (MMP's), is essentieel voor weefselconversie en angiogenese en veroorzaakt weefselvernietigingen. 5 , 6 Contact overgevoeligheidsreacties (CHR) worden gekenmerkt door aggregatie van neutrofielen die leiden tot een oxidatieve uitbarsting. 7 Vergelijkbaar met RA zijn MMP's in CHR betrokkenBij het weefselomzetting, celmigratie en angiogenese om chronische ontsteking te vestigen.
Om RA te onderzoeken, werd het glucose-6-fosfaat-isomerase (GPI) -serum injectiemuismodel gebruikt. 8 Serum van transgene K / BxN muizen die antilichamen tegen GPI bevatten, werd geïnjecteerd in naïeve BALB / c-muizen waarna reumatische ontsteking binnen 24 uur begon te ontwikkelen met een maximale enkelzwelling op dag 6 na GPI-seruminjectie (zie 1.1). Om chronische CHR te analyseren, werden C57BL / 6-muizen gevoelig gemaakt voor trichloorbroombenzeen (TNCB) op de buik. Het rechter oor werd uitgedaagd tot 5 keer vanaf 1 week na sensibilisatie (zie ook 1.1 en 1.2).
Noninvasive small animal OI is een techniek gebaseerd op het in vivo onderzoek van fluorescerende, chemiluminescerende en bioluminescerende signalen, die voornamelijk worden gebruikt in preklinisch onderzoek. De verworven semi-kwantitatieve gegevens geven inzicht in het molecuulUlar mechanismen in de organen en weefsels van gezonde en zieke experimentele diermodellen, en stelt longitudinale opvolgingsmetingen mogelijk ( bijv. Ter beoordeling van therapeutische responsprofielen in vivo ). Een groot voordeel van longitudinale studies is de vermindering van de dierengetallen, aangezien dezelfde dieren in opvolgstudies op verschillende tijdstippen kunnen worden gemeten in plaats van verschillende muizen per tijdspunt te gebruiken. De resolutie van OI laat gedetailleerde functionele beeldvorming van organen en zelfs kleinere weefselstructuren in experimentele dieren toe.
Het gebruik van specifieke excitatie- en emissiefilters met een smal transmissiespectrum, een bescherming tegen verstrooid licht door een lichtdichte "dark box" en een gevoelige geladen-gekoppelde apparaat (CCD) camera, die in veel apparaten wordt gekoeld tot -70 ° C , Maakt zeer specifieke en gevoelige metingen van fluorescentiesignalen mogelijk.
Met behulp van fluorescerende middelen met excitatie- enEmissiespectra in het bijna-infrarood fluorescentievenster (650 – 950 nm), kunnen signaal-ruisverhoudingen aanzienlijk worden verbeterd. Het bijna-infrarood fluorescentievenster wordt gekenmerkt door een relatief lage opname van het signaal door hemoglobine en water, evenals een lage achtergrond-automatische fluorescentie. 9 Dit zorgt voor een doordringingsdiepte van maximaal 2 cm in het weefsel van kleine dieren. OI-probes kunnen een doel direct aanpakken ( bijv. Door een fluorescentie gemerkt antilichaam) of kan worden geactiveerd in het doelweefsel ( bijv. Door proteasen). Activeerbare OI-probes zijn optisch stil in hun geïnactiveerde vorm als gevolg van de voorster-resonantie-energie-overdracht (FRET) naar een blusdeel, die de exciteringsenergie binnen het molecuul overbrengt naar een ander domein. Als de kleurstof gesplitst wordt (bijvoorbeeld door een protease) wordt de energie niet meer binnen het molecuul overgebracht en kan een fluorescentie signaal door OI gedetecteerd worden. Dit maakt het mogelijk om OI-probes met hoge specificiteit te ontwerpeny voor verschillende biologische processen en uitstekende signaal-tot-ruis-verhoudingen.
Het volgende protocol wordt ingegaan op bereiding van de dieren, de OI metingen met een activeerbare facultatief probe voor het MMP-2, -3, -9 en -13 activiteit in vivo en twee experimentele modellen van ontsteking (RA, CHR).
Protocol
Representative Results
Discussion
OI is een zeer nuttig, snel en goedkoop hulpmiddel voor niet-invasieve in vivo moleculaire beeldvorming in preklinisch onderzoek. Een bepaalde kracht van OI is de mogelijkheid om zeer dynamische processen zoals ontstekingsreacties te monitoren. Bovendien maakt OI het mogelijk om gedurende een langere periode de loop van een ziekte te volgen, variërend van dagen tot weken.
OI heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere in vivo beeldvormende modaliteiten zoals posi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken Daniel Bukala, Natalie Altmeyer en Funda Cay voor uitstekende technische ondersteuning. We bedanken Jonathan Cotton, Greg Bowden en Paul Soubiran voor het bewerken van het manuscript. Dit werk werd ondersteund door de Werner Siemens-Stichting en de Medische Faculteit van de Eberhard Karls Universiteit Tübingen ('' Promotionskolleg '') en door de DFG via de CRC 156 (project C3).
Materials
| Cornergel | Gerhard Mann GmbH | 1224635 | ophthalmic ointment |
| Forene | Abbott GmbH | 4831850 | isoflurane |
| U40 insulin syringe | Becton Dickinson and Company | 324876 | |
| Heparin | Sintetica | 6093089 | |
| High-Med-PE 0.28×0.61mm | Reichelt Chemietechnik GmbH+Co | 28460 | polyethylene tubing, inner diameter 0.28 mm, outer diameter 0.61 mm |
| BD Regular Bevel Needles, 30 G | Becton Dickinson & Co. Ltd. | 305106 | 30 G injection cannula |
| RTA-0011 isoflurane vaporizer | Vetland Medical Sales and Services LLC | – | |
| Artagain drawing paper | Strathmore Artist Paper | 446-8 | coal black |
| IVIS Spectrum | Perkin Elmer | 124262 | Optical imaging system |
| BD Regular Bevel Needles, 25 G | Becton Dickinson and Company | 305122 | |
| 2-Chloro-1,3,5-trinitrobenzene | Sigma Aldrich GmbH | 7987456F | TNCB |
| MMPSense 680 | Perkin Elmer | NEV10126 | fluorescent imaging dye |
| Oditest | Koreplin GmbH | C1X018 | mechanical measurment |
| Miglyol 812 | SASOL | – | Oil |
| BALB/C, C57BL/6 | Charles River Laboratories | – | Mice used for experiements |
| PBS | Sigma Aldrich GmbH | For dilution of the RA serum | |
| Pipette (100µl) | Eppendorf | Used for TNCB application | |
| shaver | Wahl | 9962 | Animal hair trimmer |
| Living Image | Perkin Elmer | Imaging software to measure OI |
References
- Veale, D. J., Ritchlin, C., FitzGerald, O. Immunopathology of psoriasis and psoriatic arthritis. Ann Rheum Dis. 64, 26 (2005).
- Harris, E. D. Rheumatoid arthritis. Pathophysiology and implications for therapy. N Engl J Med. 322 (18), 1277-1289 (1990).
- Lee, D. M., Weinblatt, M. E. Rheumatoid arthritis. Lancet. 358 (9285), 903-911 (2001).
- Firestein, G. S. Immunologic mechanisms in the pathogenesis of rheumatoid arthritis. J Clin Rheumatol. 11, S39-S44 (2005).
- Pap, T., et al. Differential expression pattern of membrane-type matrix metalloproteinases in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum. 43 (6), 1226-1232 (2000).
- Firestein, G. S., Paine, M. M. Stromelysin and tissue inhibitor of metalloproteinases gene expression in rheumatoid arthritis synovium. Am J Pathol. 140 (6), 1309-1314 (1992).
- Schwenck, J., et al. In vivo optical imaging of matrix metalloproteinase activity detects acute and chronic contact hypersensitivity reactions and enables monitoring of the antiinflammatory effects of N-acetylcysteine. Mol Imaging. 13, (2014).
- Monach, P. A., Mathis, D., Benoist, C. The K/BxN arthritis model. Curr Protoc Immunol. 15, 22 (2008).
- Zelmer, A., Ward, T. H. Noninvasive fluorescence imaging of small animals. J Microsc. 252 (1), 8-15 (2013).
- Kouskoff, V., et al. Organ-specific disease provoked by systemic autoimmunity. Cell. 87 (5), 811-822 (1996).
- Fuchs, K., et al. In vivo imaging of cell proliferation enables the detection of the extent of experimental rheumatoid arthritis by 3′-deoxy-3′-18f-fluorothymidine and small-animal PET. J Nucl Med. 54 (1), 151-158 (2013).
- Schwenck, J., et al. Fluorescence and Cerenkov luminescence imaging. Applications in small animal research. Nuklearmedizin. 55 (2), 63-70 (2016).
- Mahling, M., et al. A Comparative pO2 Probe and [18F]-Fluoro-Azomycinarabino-Furanoside ([18F]FAZA) PET Study Reveals Anesthesia-Induced Impairment of Oxygenation and Perfusion in Tumor and Muscle. PLoS One. 10 (4), 0124665 (2015).
- Fuchs, K., et al. Oxygen breathing affects 3′-deoxy-3′-18F-fluorothymidine uptake in mouse models of arthritis and cancer. J Nucl Med. 53 (5), 823-830 (2012).
- Fuchs, K., et al. Impact of anesthetics on 3′-[18F]fluoro-3′-deoxythymidine ([18F]FLT) uptake in animal models of cancer and inflammation. Mol Imaging. 12 (5), 277-287 (2013).
- Liu, N., Shang, J., Tian, F., Nishi, H., Abe, K. In vivo optical imaging for evaluating the efficacy of edaravone after transient cerebral ischemia in mice. Brain Res. 1397, 66-75 (2011).
- Sheth, R. A., Maricevich, M., Mahmood, U. In vivo optical molecular imaging of matrix metalloproteinase activity in abdominal aortic aneurysms correlates with treatment effects on growth rate. Atherosclerosis. 212 (1), 181-187 (2010).
- Chen, J., et al. Near-infrared fluorescent imaging of matrix metalloproteinase activity after myocardial infarction. Circulation. 111 (14), 1800-1805 (2005).
- Wallis de Vries, B. M., et al. Images in cardiovascular medicine. Multispectral near-infrared fluorescence molecular imaging of matrix metalloproteinases in a human carotid plaque using a matrix-degrading metalloproteinase-sensitive activatable fluorescent probe. Circulation. 119 (20), e534-e536 (2009).
- Weissleder, R., Tung, C. H., Mahmood, U., Bogdanov, A. In vivo imaging of tumors with protease-activated near-infrared fluorescent probes. Nat Biotechnol. 17 (4), 375-378 (1999).
- Cortez-Retamozo, V., et al. Real-time assessment of inflammation and treatment response in a mouse model of allergic airway inflammation. J Clin Invest. 118 (12), 4058-4066 (2008).
- McIntyre, J. O., et al. Development of a novel fluorogenic proteolytic beacon for in vivo detection and imaging of tumour-associated matrix metalloproteinase-7 activity. Biochem J. 377, 617-628 (2004).
- Scherer, R. L., VanSaun, M. N., McIntyre, J. O., Matrisian, L. M. Optical imaging of matrix metalloproteinase-7 activity in vivo using a proteolytic nanobeacon). Mol Imaging. 7 (3), 118-131 (2008).
- Olson, E. S., et al. In vivo characterization of activatable cell penetrating peptides for targeting protease activity in cancer. Integr Biol (Camb. 1 (5-6), 382-393 (2009).
- Duijnhoven, S. M., Robillard, M. S., Nicolay, K., Grull, H. Tumor targeting of MMP-2/9 activatable cell-penetrating imaging probes is caused by tumor-independent activation). J Nucl Med. 52 (2), 279-286 (2011).
- Schafers, M., Schober, O., Hermann, S. Matrix-metalloproteinases as imaging targets for inflammatory activity in atherosclerotic plaques. J Nucl Med. 51 (5), 663-666 (2010).
- Wagner, S., et al. A new 18F-labelled derivative of the MMP inhibitor CGS 27023A for PET: radiosynthesis and initial small-animal PET studies. Appl Radiat Isot. 67 (4), 606-610 (2009).
- Waschkau, B., Faust, A., Schafers, M., Bremer, C. Performance of a new fluorescence-labeled MMP inhibitor to image tumor MMP activity in vivo in comparison to an MMP-activatable probe. Contrast Media Mol Imaging. 8 (1), 1-11 (2013).
- Vogl, T., et al. Alarmin S100A8/S100A9 as a biomarker for molecular imaging of local inflammatory activity. Nat Commun. 5, 4593 (2014).
