肩胛间褐色脂肪组织的切伦科夫发光成像

摘要

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.

摘要

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.

引言

褐色脂肪组织（BAT）是用于产热的哺乳动物一种特殊的组织，并且其主要功能之一是通过消耗大量的化学/食品能量作为热量¹保持整个身体的能量平衡。英美烟草公司的最独特的特征包括丰富的解偶联蛋白1（UCP-1）的表达，丰富的小油滴，在单个细胞中大量的线粒体，并显著血管的组织^2-5。这些独特的功能强烈的代谢和能量消耗组织的重要作用相关联。英美烟草以前被认为是不再存在，并拥有成人¹人无显著生理功能，但最近的PET / CT显像的调查清楚地表明，英美烟草公司还提出了在人类成人^2,3,6-9。 （BMI）英美烟草质量和身体质量指数呈负相关关系，从一些研究确定，并重新分研究表明，体育锻炼可以增加英美烟草公司的质量。这些结果有力地表明，BAT的功能障碍是紧紧与肥胖症和糖尿病^2,6,10,11的病状相关联。此外，越来越多的证据表明，BAT的功能密切相关的各种其他病症，例如神经变性疾病和癌症^3,7,12,13。

BAT激活，进程，以增加产热，可以在各种条件如冷曝光，锻炼和药物治疗和基因操作^1,14,15下才能实现。冷曝光和去甲肾上腺素的治疗是最常用的方法来激活BAT。冷，这可以通过多种机制来感测诸如在皮肤thermoreceptors，刺激交感神经和导致的去甲肾上腺素（NE）的释放，BAT。所释放的NE触发UCP-1来初始化产热以保持正常体温。在这种conditi上，葡萄糖的摄取也增加，以提供增加的代谢多种碳源中的BAT ^1,16,17。 PET显像与18F-FDG已经确认标记葡萄糖的摄取人体研究⁶寒冷的条件下增加。

在光学成像方面，英美烟草公司是一个理想的目标。该间BAT对小鼠独特的地理位置，位于距较大的器官，如肝脏，心脏和胃。因此，从这些大器官信号干扰忽略不计（ 图1a）。与此同时，肩胛间BAT的浅位置，让更多的信号由检测照相机来捕获。此外，英美烟草公司是一家集中质量的器官，它地限制了光信号在某些领域。此外，英美烟草公司的独特的三角物理形状可以很容易地从其他组织（ 图1a）区别开来。

切伦科夫冷光成像（CLI），新​​发生的摩尔ecular成像技术^18-26，线束从⁺和所产生的发光^-衰变的放射性核素如¹⁸ F和^{131 I}在该介质中。带电粒子（例如⁺和^{- ）}极化分子，而行进的介质^18-20，并且当偏振分子松弛回到平衡状态的发光/光被发射。所发射的荧光被称为切伦科夫发光（CL）。 CL的独特光谱特性包括在整个紫外（UV）的宽光谱和可见光谱^18-20，并且其强度和波长^（λ2）的平方之间的逆相关。所发射的光的UV和可见光范围内可用于不同的应用。切伦科夫发光的紫外部分已用于体内光活化笼萤光素²¹的，而在较长波长发射的光可以是用于体内光学成像^18,27-31。

对于小动物研究中，CLI成像的光学成像系统的速度更快，比PET更高的成本效益。此外，CLI可以用于高通量筛选与具有高吞吐能力的成像系统。这种技术的优点和缺点在一些评论^25,32,33进行了讨论。 CLI的3D断层已被广泛研究的几组^28,34-37和CLI的内窥镜成像和术中成像的应用已经成功地证明了在小鼠和^30,38。此外，斯皮内利和托雷克等人已经证明，CLI成像可应用于人类受试者，从而该技术还具有潜在的临床应用^39，40。

在英美烟草在人类重新发现的过程中，PET图像清楚地表明，一个显著量^18F-FDG在一定的条件下^2,3,6英美烟草积累。此外，PET成像的小鼠也无疑表明，英美烟草公司可以与^{18F-FDG 41 42}突出。在这份报告中，我们将演示如何切伦科夫冷光从^18F-FDG发射可以使用光学成像系统被用于成像英美烟草的小动物。我们的方法提供了一种快速，廉价和方便的英美烟草成像小动物的方法。这种技术可以用作用于PET成像与¹⁸ F-FDG的替代方法，尤其是对于实验室无PET设施。

研究方案

注:所有的动物研究应在批准的机构的协议和动物保健的准​​则来进行。

1 在体内的CLI成像英美烟草公司与^18F-FDG

1.1背景影像:

1. 前¹⁸ F-FDG注射液，放置4裸鼠中已连接与氧异氟烷平衡5分钟，以诱导麻醉的感应腔室。然后把四个麻醉小鼠成成像装置。
2. 获得具有下列参数的背景图像:打开过滤器中，f = 1，仓= 8，FOV = D和曝光时间= 120秒，段温度= 37℃。

1.2 英美烟草成像与¹⁸架F-FGD:

1. 注射麻醉小鼠280微居里的¹⁸ F-FDG在PBS静脉内的尾部静脉。注射后，返回小鼠配备了食物和水的笼子里。
   注意:这是neces萨里市静脉注射^18F-FDG实现英美烟草周围地区一个体面的对比。只有非常弱的对比可以看出与¹⁸ F-FDG的相同量如果腹膜内注射使用。
2. 在30，60取得CLI图象及后¹⁸ F-FDG注射使用相同的参数作为背景图像（步骤1.1.2）120分钟。对于每个成像会议，允许5分钟的麻醉再诱导。
3. 量化的信噪比（S / N），使用图像处理软件接口，以得出两个同等大小的椭圆形的ROI在肩胛间BAT和一个区域相邻的BAT（参照区域）（ 图1b）。

1.3验证CLI的来源:

1. 麻醉四只老鼠，并与280微居里的^18F-FDG静脉注射的小鼠。
2. 通过注射戊巴比妥钠（200毫克/公斤，腹腔注射）牺牲注射¹⁸ F-FDG后的小鼠60分钟。小心地取出滑雪N从肩胛间区。图像中的所有小鼠具有相同的参数如上述（1.1.2），在相同的时间（ 图2a）。
3. 小心地取出肩胛间白色脂肪组织（WAT）和BAT，然后像解剖小鼠相同的参数（ 图2b）。
4. _{R（BAT）=（CLI}中-CLI设定_{二）（BAT）/（CLI}中-CLI设定_{二）（BAT-除去），}其中，ROI:从CLI的图像，通过使用两个ROI下面的公式计算出从BAT的贡献_a是肩胛间区和ROI _b为基准区域（ 图2b）。

2，英美烟草成像中的应用

2.1监测激活与东北

1. 分裸鼠分成两组（每组4个）。
2. 注1组腹腔注射去甲肾上腺素（NE）（50微升，10毫）。使用第二组作为非激活控制手机升。 30分钟后，麻醉两组用异氟烷进行5分钟，然后静脉注射¹⁸ F-FDG（220微居里）注射各小鼠。
   注意:腹膜内注射的NE应在30分钟前¹⁸ F-FDG注射，以避免显着搅动的小鼠。
3. 图像使用相同的参数作为上述协议后¹⁸ F-FDG注射的小鼠60分钟。

2.2监控激活在冷暴露

1. 测量人体温度的小鼠在冷室中以直肠温度计。温度应在约30℃。
2. 图像后¹⁸ F-FDG注射的小鼠60分钟，通过使用相同的摄像参数作为上述协议。使用小鼠被保持在室温（25℃）为对照，并且图象它们具有相同的。
3. 对于感冒暴露研究，将小鼠在冷室（4℃）4小时前^18F-FDG注入和返回米冰给每个成像会议后冷室和麻醉恢复后。
4. 如上面的参数。

英美烟草公司在长期的麻醉监测2.3停用

1. 对于长麻（60 - 70分钟），氯胺酮/甲苯​​噻嗪腹腔注射小鼠，使他们在麻醉状态下进行60 - 在室温下70分钟。
2. 一旦将小鼠麻醉，注射¹⁸ F-FDG（220微居里）通过尾静脉静脉内给药。
3. 图像后¹⁸ F-FDG注射的小鼠60分钟，通过使用相同的参数，如上述的协议。

3，混合光谱和多光谱切伦科夫荧光断层成像研究

1. 麻醉小鼠5分钟，然后注入300微居里^18F-FDG静脉注射。 F = 1，箱= 16，采集:在^18F-FDG注射从动物的背侧使用以下参数获得多光谱影像60分钟每个过滤器，发射器= 580，600，620，640，660和680 nm的时间为300秒。
2. 进行光谱分离与生活影像4.3.1软件，并选择两个组件（英美烟草公司和非特异性信号）和自动解混（ 图4）。
3. 据报道Kuo 等 ^28,43的方法进行三维重建。从结构光成像结合的切伦科夫发光光谱成漫射光的传播模型，应用Tikhonov正则化中的NNLS（非负的最小平方）的残差优化，并产生表面断层扫描（这是用于3D图像配准）（ 图5中 ）。
   注意:对于多光谱CLI光谱分离和断层，至少需要5张不同的过滤器。

结果

在图1中 ，肩胛间BAT（ 图1a）被高亮显示在所有时间点（30，60，120分钟），BAT和参考区域之间的对比度，可容易地观察到（ 图1b）。值得注意的是，蝙蝠的图像的轮廓贴切地反映其外表，它有一个三角形的轮廓。 BAT和参考区域间的信号比分别为2.37，2.49，和2.53倍，在30，60，和注射（ 图1a）后120分钟。

从阶梯状切除的实验中，在肩胛间部位的信号的85％的源自BAT（ 图2）。然而，仍然靠近BAT，这可能源自于BAT残留组织和包括血管和肌肉等邻近组织的上边缘部分的残余信号。

据报道，BAT激活可以通过完成去甲肾上腺素（NE）的治疗和冷暴露^3,6。首先，我们观察到BAT活化与网元中的同一组的小鼠有和没有NE的治疗下短（5分钟），异氟醚麻醉。该NE处理的条件（1.23倍），比没有NE处理（ 图3a）下的数据表明显著更高的CLI信号。

在人类研究中，PET显像表明，在冷暴露者有更高的^18F-FDG摄取的英美烟草公司比在室温^6。在这种小鼠的研究中^，18架F-FDG摄取增加了39％，观察冷曝光（ 图3b）治疗的动物的最佳可行技术。

在小鼠中，英美烟草公司的活动可以由不同的麻醉的影响服法^3,41。例如^，18 F-FDG摄取BAT可以显麻醉一小时后下降用氯胺酮^41。比较^18F-FDG uptakE在小鼠下短（5分钟，用异氟烷）和长麻醉（70分钟用氯胺酮/甲苯噻嗪）的方案，减少了¹⁸ F-FDG的BAT摄取54％同一组观察用氯胺酮/甲苯噻嗪的组中（ 图3c）。

这是众所周知的血红素含有蛋白质（如血液中的血红蛋白和细胞色素c的释放）可导致显著的光吸收，并且因此预 ​​计在血管丰富的BAT ¹将改变CLI的光谱，和频谱从英美烟草区域形状会与其他地区有所不同。可以想象，光谱分离技术，可以让我们分开的两个命令行谱。从图4a中 ，没有特定的区域被从组分＃1（UNMIX＃1），以及相应的光谱（蓝线在图4d）的未混合的图像突出显示非常相似的¹⁸ F在纯介质的发射光谱，其中，所述的CLI的IntensiTY是负相关的波长^18,20的平方。该数据表明，UNMIX＃1表示的非特异性的CLI信号，这可能是从非常浅的深度，例如¹⁸ F-FDG蓄积在皮肤上。未混合＃2光谱（红色线）的峰值大约为640毫微米，表明该信号是从BAT。有趣的是，相反的CLI短于640纳米的强度的显著衰减，强度没有显着降低，观察，一旦它达到峰值（红线图4），这表明在较长的波长所发射的光的更好的组织渗透。

多光谱切伦科夫发光体层摄影术（msCLT）被用于3D重建。 msCLT先前已经报道了Kuo 等^。28,43，和从一组与多个窄的带通滤波器（> 5过滤器）获取的二维平面图像的构造。重建的三维图像coregistERED用从结构光产生表面成像，图像显示有关的CLI的信号的主要部分源自间BAT（ 图5）。值得注意的是，在冠状图像（ 图5a）清楚地概述了两个凸起BAT的，这非常类似于在图5e所示的BAT的三角形轮廓。

图1:间BAT（蓝色箭头）在小鼠（一）三角轮廓; （左）BAT覆盖有白色脂肪组织，和（右）BAT被暴露。在图30（b）的CLI鼠标图像和后^{18F-FDG（280}微居里）静脉注射60分钟。图像清晰地勾勒英美烟草的轮廓。 （三）由INTE的CLI信号的定量分析rscapular英美烟草区和参考区域。从基准42再版。 请点击这里查看该图的放大版本。

图2:（一）小鼠前（左）后（右）英美烟草去除代表性的图像。 （二）定量分析表明> 85％的CLI源自BAT。从基准42再版。 请点击这里查看该图的放大版本。

图3:（一）小鼠英美烟草公司的代表与CLI（左）和无下短异氟醚麻醉（右）东北刺激的图像。 （b）该CLI信号从（a）中的2组（n = 4每组）的定量分析。 （三）小鼠英美烟草公司的代表与CLI（左）和无（右）在短异氟醚麻醉寒冷刺激的图像。 （四）从（e）中所示的两组CLI的信号的定量分析（n = 3时- 4每个组）。 （五）后¹⁸ F-FDG注射下短的异氟醚麻醉（5分钟）代表的CLI BAT的图像，在60分钟（左）和氯胺酮/甲苯噻嗪麻醉的（70分钟）（右）。 （F）从（g）中所示的两组CLI的信号的定量分析（n = 4时为每个组）。从参考42。转载认罪SE点击这里查看该图的放大版本。

图4:混合光谱的非特异性的CLI和BAT CLI（一）UNMIX＃1表明，从¹⁸ F-FDG的非特异性的CLI信号被分布在整个身体（未混合的频谱为这个图像示于（d）（蓝线））。 （二）UNMIX＃2表明，大多数的CLI在肩胛间部位是从BAT（非混合光谱示于（d）（红色线））。 CLI的峰值大约为640纳米。 （ 三）UNMIX＃1和＃2合并后的图像。 （ 四）UNMIX＃1和＃2的CLI谱。从基准42再版。 请点击这里查看该图的放大版本。

图5:多光谱切伦科夫冷光成像 （A - D）的图像的三维重建。间BAT可以在日冕（一），矢状位（B）中可以看出，和横向（C）的意见，以及在3D图像（D）; （五）身体英美烟草形状如图（蓝色箭头），这与相关的重建图像。转载和引用42相适应。 请点击这里查看该图的放大版本。

讨论

研究与英美烟草公司已经进行了几十年。此前，它已被认为具有人的成年期¹中没有显著的生理意义。然而，最近的大规模临床PET成像与¹⁸ F-FDG和其它研究已经证实了BAT中仍存在的上胸部，颈部和成人^2,3等位置。最近的研究强烈暗示BAT起着肥胖和糖尿病^2,6中起重要作用。其它研究也表明，BAT中老化¹²的过程中，它的活性可通过锻炼^10,44增强起着重要的作用。

无论是在人类临床研究和临床前研究，PET显像与^18F-FDG是研究英美烟草公司最常用的方法。然而，对于临床前动物研究中，PET通常比光学成像昂贵得多。在这个协议中，我们证明了发光我跟^18F-FDG可应用于小动物光学成像最佳可行技术。像其他的光学成像技术，组织穿透限制和对纵深目标的低敏感性的CLI ^25,32的内在局限性。尽管如此，最近Spinelli 等。证明体面CLI信号可以观察到10 mm的组织深度用³² P ^28,43，和托雷克等 。表明16毫米渗透可在患者的淋巴结后^18F-FDG注入^39，40来实现。相比于PET成像，CLI可以用相对低的成本的成像系统来执行。最近，托雷克等人证明了显著高灵敏度可以使用CLI来实现的¹⁸ F-FDG作为低量的患者^39，节点积累（大约2 ^Cl）40。 体外试验表明，CLI信号从0.01次90Y是检测溶液中的^25,32,33 。此外，CLI还具有高空间分辨率和高通量筛选的能力的潜力。此外，CLI是很容易学习和使用。

在实验过程中，我们发现BAT的¹⁸ F-FDG的CLI对比度强烈相关的注射方法。静脉注射^18F-FDG可提供出色的对比度间BAT，而腹腔注射的^18F-FDG相同金额仅表现在英美烟草地区弱对比度。

光谱分离，一个非常实用的技术来分离信号两套，目前已广泛应用于荧光成像。这是众所周知的¹⁸ F-FDG的摄取没有高度靶向特异性的，并且不同目标/组织中具有不同的光衰减特性。我们发现BAT的CLI光谱的峰是大约640纳米，并且该数据反映BAT的实际环境。三维重建这个公关otocol是非常可操作的，因为它可以与基于不同波长的光漫射特性的市售光学成像系统中进行。通过这种方法，我们就可以避免使用，需要多视角图像的三维重建一个专门的成像系统。

对于这两种光谱分离和三维重建，从每个图像更大最低600光子计数英美烟草公司是必需的。为此，大量的分级（分级= 16），小F停止中（f = 1）和一个长的采集时间（5分钟），需要针对每个图像。

综上所述，利用英美烟草公司的独特位置和形状与^18F-FDG在英美烟草公司的显著高摄取，我们将演示如何英美烟草小动物可以通过CLI技术进行光学成像与^18F-FDG。该方法可以可靠地用于成像的BAT和监测BAT激活。此外，我们还表明，光谱分离和3D RECOnstruction切实可行和三维体积定量可以为今后的研究。

材料

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