間褐色脂肪組織のチェレンコフ発光イメージング

要約

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.

要約

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.

概要

褐色脂肪組織（BAT）は、哺乳動物における熱発生のための特別な組織であり、その主要な機能の一つは、熱を¹として化学的/食品大量のエネルギーを放散を通して全身のエネルギーバランスを維持することである。 BATの最もユニークな特徴は、豊富な脱共役タンパク質-1（UCP-1）の発現、豊富な小さな油滴、単一細胞内のミトコンドリアの数が多いと組織^2-5の重要な血管新生が含まれる。これらのユニークな特徴は、強く、代謝およびエネルギー消費の組織の重要な役割に関連付ける。 BATが以前にもはや存在しないと考えられ、成人¹に有意な生理機能を有するなかった、しかし、最近のPET / CT撮像の調査は明らかにBATがまだ人間の成人の^2,3,6-9を提示することを明らかにした。 BAT質量及び体格指数（BMI）との間の逆相関は、いくつかの研究は、再から確立されたセントの研究は、物理的なエクササイズは、BATの量を増加させることを示した。これらの結果は、BATの機能不全は、しっかりと、肥満や糖尿病^2,6,10,11の病態と関連していることを示唆している。また、証拠を実装することはBATの機能は、神経変性疾患および癌^3,7,12,13などのさまざまな他の病状に強く関連していることを示している。

BAT活性化、熱発生を増加させるためのプロセスは、寒冷暴露、運動、薬物治療および遺伝子操作^1,14,15などのさまざまな条件下で達成することができる。寒冷暴露やノルエピネフリン治療は、BATを活性化するための最も使用される方法である。そのような皮膚の温度受容としてさまざまなメカニズムによって感知することができる、コールド、交感神経を刺激し、BATにノルエピネフリン（NE）の放出を導く。放出されたNEは、UCP-1は、正常な体温を維持するために、熱発生を初期化するトリガする。このconditiの下で上に、グルコースの取り込みはまた、BAT ^1,16,17増加代謝のための炭素源を提供するために増加する。 18 F-FDGのPETイメージングは標識グルコースの取り込みはヒト試験⁶における低温条件下増加していることを確認しています。

光学イメージングの観点から、BATは、理想的な標的である。肩甲骨間BATは、肝臓、心臓、胃などの大きな臓器から離れて位置してマウスでのユニークな場所を持っています。したがって、これらの大きな器官からの信号干渉はわずか（ 図1a）である。一方、肩甲骨間BATの浅い場所が複数の信号を検出カメラによって捕捉されることを可能にする。また、BATは特定の地域に光信号を閉じ込める集中質量臓器です。また、BATの独特の三角形の物理的形状は、他の組織（ 図1a）と区別することが容易になります。

チェレンコフ発光イメージング（CLI）、新たに出現したモルそのような¹⁸ F及び培地中の¹³¹ Iのような放射性核種の崩壊^- ecularイメージング技術^18-26は、+から生じた発光を活用。荷電粒子は^、（+などと^{- ）}は、培地中^18〜20で走行 ​​中の分子を分極し、偏光分子が戻って平衡にリラックスしたときの発光/発光する。放出された発光は、チェレンコフ発光（CL）と呼ばれている。 CLの固有のスペクトル特性は、その紫外線（UV）を通じて、広いスペクトルおよび可視スペクトル^18〜20、および強度および波長^（λ2）の二乗の間の逆相関があります。放出された光の両方のUV及び可視範囲は、異なる用途に利用することができる。より長い波長で発光した光があってもよいしながらチェレンコフ発光のUV部分が、ケージ化ルシフェリン²¹ のin vivoでの光活性化のために適用されているインビボ光学イメージング^18,27-31に使用。

小動物の研究のために、撮像光学系とCLIイメージングは​​、より速く、PETよりも費用効果的である。また、CLIは、高スループット能力を備えた撮像システムの高スループットスクリーニングに適用することができる。この技術の利点と欠点は、いくつかのレビュー^25,32,33で議論されてきた。 CLIの3D断層撮影集中いくつかのグループ^28,34-37に研究されており、内視鏡的画像化および術中イメージングのためのCLIのアプリケーションが正常にも同様^30,38マウスにおいて実証されている。また、スピネッリとトレックら CLIイメージングは、臨床アプリケーション^39、40の可能性があり、したがって技術、ヒト対象に適用することができることを実証した。

ヒトにおけるBATの再発見の過程において、PET画像は、明らかにすることを示し¹⁸ F-FDGのかなりの量が一定の条件の下で^2,3,6 BATに蓄積された。また、マウスを用いたPETイメージングはまた、間違いなくBATは^、18 F-FDG ^{41 42}で強調表示することができることを示した。本稿では^、18 F-FDGから放出されるチェレンコフ発光は光学イメージングシステムを用いて小動物撮像BATに利用することができる方法を示しています。私たちのアプローチは、小動物用のBATイメージング、高速で安くて便利な方法を提供する。この技術は、特にPET施設なしラボのために^、18 F-FDGのPETイメージングのための代替方法として使用することができる。

プロトコル

注：すべての動物実験は、承認された制度上のプロトコルおよび動物保護ガイドラインの下で行われるべきである。

¹⁸ F-FDGによるインビボのCLIイメージングBAT 1.

1.1背景イメージング：

1. ¹⁸ F-FDG注射の前に、麻酔を誘導するために5分間の酸素とのバランスのとれたイソフルランで接続された誘導チャンバ内で4ヌードマウスを置きます。そして、撮像装置に4麻酔したマウスを置きます。
2. オープンフィルタはf = 1、ビン= 8、FOV = D、及び露光時間= 120秒、ステージ温度= 37°C以​​下のパラメータを使用して背景画像を取得する。

1.2 ¹⁸ F-FGDとBATイメージング：

1. 尾静脈にPBS中^の18 F-FDGの280μCiので麻酔したマウスを注入。注射後、食料や水を装備したケージにマウスを返す。
   注：necesです静脈内にBAT領域の周囲にまともなコントラストを達成するために¹⁸ F-FDGを注入するSARY。腹腔内注射が使用される場合にのみ非常に弱いコントラストは^、18 F-FDG同量のことが分かる。
2. 30、60で、CLIの画像を取得し、背景画像（ステップ1.1.2）と同じパラメータを持つ¹⁸ F-FDG注射後120分。各撮像セッションの場合、麻酔再寛解導入のための5分を可能にします。
3. ノイズ比（S / N）の信号を定量化するために、肩甲骨間BATおよびBAT（基準領域）に隣接する領域（ 図1b）にわたって2つの等しい大きさの楕円のROIを描画するイメージングソフトウェアインターフェイスを使用。

CLI出典1.3検証：

1. 4匹のマウスを麻酔し、静脈内に¹⁸ F-FDGの280μCiのをマウスに注射する。
2. ペントバルビタールナトリウムの注射（200 mgの/ kg、腹腔内）で¹⁸ F-FDGの注射後のマウス、60分を生け贄に捧げる。慎重にスキーを削除肩甲骨間の領域からnまで。イメージ同じパラメータを用いたマウスのすべて（1.1.2）上記と同時に（ 図2a）。
3. 慎重に肩甲骨間の白色脂肪組織（WAT）とBATし、イメージ同じパラメータ（ 図2b）で解剖したマウスを削除します。
4. _{R（BAT）=（CLI} -cli _{b）は（BAT）/（CLI} -cli _{b）は（BAT-除去）し} 、ROI：CLI画像から、以下の式で2つのROIを使用して、BATからの寄与を計算する肩甲骨間の領域のためであり、ROI _bは基準領域（ 図2b）である。

2 BAT用アプリケーション

2.1 NEとアクティベーションのモニタリング

1. 2群（n = 4ずつ）に、ヌードマウスに分割します。
2. 腹腔内にノルエピネフリン（NE）（50μL、10mMの）との一つのグループを注入。活性化されていないコンとして第2のグループを使用してくださいlである。 30分後、5分間イソフルランで両群を麻酔し、その後静脈¹⁸ F-FDG（220μCiの）を各マウスに注射する。
   注^：18 F-FDG注射が劇的にマウスを撹拌避けるために前にNEの腹腔内注射を30分にする必要があります。
3. 上記のプロトコルと同じパラメータを使用して^、18 F-FDG注射後の画像マウス60分。

寒冷暴露下でライセンス認証を監視する2.2

1. 直腸温度計と低温室でマウスの体温を測定します。温度は約30℃であるべきである。
2. イメージ上記のプロトコルと同じ撮像パラメータを用いて^、18 F-FDG注射後のマウス60分。コントロールとして、室温（25℃）に保たれているマウス、および同じの画像に使用してください。
3. 寒冷暴露試験では^、18 F-FDG注射の前に4時間低温室（4℃）にマウスを置き、そしてmを返す各撮像セッションの後に麻酔から回復した後、低温室に氷。
4. 上記のようにパラメータを設定します。

BATの下でロング麻酔の2.3モニタリング無効化

1. 長い麻酔のために（60から70分）、ケタミン/キシラジンで腹腔内にマウスを注入し、60のために麻酔下でそれらを保つ - 室温で70分。
2. マウスを麻酔したら、尾静脈を経由して¹⁸ F-FDG（220μCiの）を注入する。
3. 上記のプロトコルと同じパラメータを使用して^、18 F-FDG注射後の画像マウス60分。

3スペクトルアンミキシングやマルチスペクトルチェレンコフ発光トモグラフィー研究

1. 5分間のマウスを麻酔した後、静脈内に300μCiの¹⁸ F-FDGを注入。 F = 1、ビン= 16、取得：次のパラメータで、動物の背側から^の18 F-FDG注射後のマルチスペクトル画像の60分を取得フィルタ、発光フィルター= 580、600、620、640、660および680nmのあたりの時間= 300秒。
2. リビングイメージング4.3.1ソフトウェアを使用して、スペクトルアンミキシングを行い、二つの成分（BATおよび非特異的シグナル）と自動アンミキシング（ 図4）を選択します。
3. クオら ^28,43によって報告された方法に従って、3D再構成を実施する。構造光画像から（3D画像coregistrationに使用される）、拡散光伝播モデルにチェレンコフ放射スペクトルを組み込むNNLSで残差の最適化（非負最小二乗）チホノフ正則化を適用し、表面トモグラフィーを生成する（ 図5 ）。
   注：マルチスペクトルCLIスペクトルアンミキシングや断層撮影のために、異なるフィルタを有する少なくとも5画像が必要とされている。

結果

図1において、肩甲骨間BAT（ 図1a）は、全ての時点（30分、60分、120分）で強調された、およびBATと参照領域との間のコントラストが容易に（ 図1b）を観察することができる。注目すべきことに、BAT画像の輪郭は、密接に三角形の輪郭を有する、その物理的な外観を反映していた。 BATと参照領域との間の信号比は2.37、2.49、および30で2.53倍、60、および注射（ 図1a）の後120分であった。

段階的な解剖実験から、肩甲骨間の部位でのシグナルの85％はBAT（ 図2）に由来した。しかし、おそらくまだBATの残存組織や血管や筋肉を含む他の隣接組織に由来BATの上縁の近くに位置し、いくつかの残留信号がありました。

これはBAT活性化を介して達成されることが報告されているノルエピネフリン（NE）の治療および寒冷暴露^3,6。まず、短い（5分）、イソフルラン麻酔下で、およびNE処置なしのマウスの同じグループ内のNEでBAT活性化を観察した。データは、NE処理（ 図3a）がない場合よりも、NE処理された条件（1.23倍）の下で有意に高いのCLIシグナルを示した。

ヒトの研究では、PETイメージングは寒冷暴露下での被験者は、室温において⁶よりもBATはるかに高い¹⁸ F-FDG取り込みを有することを示した。このマウスの研究では^、18 F-FDG取り込みの39％の増加は寒冷暴露（ 図3b）で処置した動物のBATにおいて観察された。

マウスでは、BAT活性は、異なる麻酔によって影響され得る^3,41のレジメン。たとえば、BAT内の¹⁸ F-FDGの取り込みは大幅にケタミン⁴¹麻酔の1時間後に減少させることができる。 ¹⁸ F-FDG uptakの比較短い（イソフルランで5分）と長い麻酔レジメン（ケタミン/キシラジンで70分^）、18 F-FDG BATの取り込みの54％の減少下でのマウスの同じグループ内のeは（ケタミン/キシラジンで麻酔群で観察された図3c）。

これはよく（例えば、ミトコンドリアにおける血液およびシトクロムcのヘモグロビンなど）ヘム含有タンパク質が有意な光吸収をもたらすことができることが知られており、それはBAT ¹における豊富な血管がCLIのスペクトル、及びスペクトルを変化することが予想されるBATエリアから形状が他の領域とは異なります。考えられるところでは、スペクトルアンミキシング技術は、私たちは2 CLIスペクトルを分離することができます。 図4aから、特段の領域が密接に純粋な媒体中での¹⁸ Fの発光スペクトルでCLIに似ていたコンポーネント＃1（非混合＃1）と、対応するスペクトル（ 図4dにおける青線）の混合されていない画像から、ハイライト表示されなかったintensiティは、逆波長^18,20の二乗と相関している。このデータは、非混合＃1が非常に浅い深さから、おそらく非特異CLI信号を、皮膚のような¹⁸ F-FDGの集積を表すことを示唆している。混合されていない＃2のスペクトル（赤線）のピークは、信号が、BATからだった示唆し、周りに640であった。それは、より長い波長で放出される光のより良好な組織浸透を示す、そのピーク（ 図4の赤線）に達したら興味深いことに、640 nmより短いCLIの強度の大幅な減衰に反して、強度の劇的な減少が観察されなかった。

マルチスペクトルチェレンコフ発光断層撮影（msCLT）は、3次元再構成のために使用した。 msCLTは、以前クオら ^28,43により報告されており、狭帯域バンドパスフィルタ（> 5フィルタ）の数で取得した2D平面画像のセットから構築される。再構築された3D画像はcoregistです構造光から生成された表面断層撮影法でエレド、画像はCLI信号の実質的な部分は肩甲骨間BAT（ 図5）に由来することを明らかにした。注目すべきことに、コロナル画像（ 図5a）は 、明らかに密接に図5eに示されているBATの三角形の輪郭に似ている、BATの2つのローブを概説する。

図1：マウスにおける肩甲骨間BAT（青矢印）の（a）の三角の輪郭; （左）BATは、白色脂肪組織で覆われている、および（右）BATが露出している。 （b）は、CLI 30におけるマウスの画像および¹⁸ F-FDG（280μCiの）静脈内注射後60分。画像は、明らかに、BATの輪郭を概説しています。 （c）は INTEからのCLI信号の定量分析rscapular BAT領域と参照領域。参照42から転載。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2：（a）から（左）および後（右）のBAT除去前のマウスの代表的な画像。 （b）の定量化は、> 85％のCLIはBATから発生したことを示している。参照42から転載。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3：（A）と（左）と、短いイソフルラン麻酔下（右）NE刺激なしマウスのBATの代表的なCLIの画像。 （b）は （各群についてn = 4）は（a）の両群からのCLI信号の定量分析。 （C）と（左）と、短いイソフルラン麻酔下（右）寒冷刺激のないマウスのBATの代表的なCLIの画像。 （d）は（e）に示した二つのグループからのCLIシグナルの定量的分析（n = 3である-各群4）。 （e）の代表のCLI（左）短いイソフルラン麻酔（5分）の下で¹⁸ F-FDG注射後60分で、BATの画像およびケタミン/キシラジン麻酔（70分）（右）。 （f）と（g）に示した二つのグループからのCLI信号の定量分析を（各群についてn = 4）。参照42から転載。 嘆願SEはこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4：不特定のCLIとBAT CLIのスペクトルアンミキシング（a）の非混合＃1（このイメージの混合されていないスペクトルの（dに示されている^）18 F-FDGから非特異CLI信号は全身に分布していることを示している（青線。 ））。 （b）は、非混合＃2は、肩甲骨間のサイトでのCLIの大半が、BAT（非混合スペクトル（d）は（赤線）に示されている）からのものであることを示しています。 CLIのピークは640nmの程度である。 （c）の非混合＃1と＃2の合成画像。 （d）の非混合＃1と＃2のCLIスペクトル。参照42から転載。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5：マルチスペクトルチェレンコフ発光断層撮影 （ - d）は、画像の3D再構成。肩甲骨間BATは、冠状（a）は 、矢状の（b）、及び横（c）のビューで、ならびに3D画像（d）に見ることができる。 （e）の物理BAT形状が再構成された画像と相関する（青矢印）を示している。転載、参照42から適応する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ディスカッション

BATに関連した研究が数十年にわたって行われてきた。これまでは、ヒト成人^1の間に有意な生理的関連性がないと考えられていた。しかし^、18 F-FDGを用いた最近の大規模臨床PETイメージングおよび他の調査は確認しているBATはまだ上胸部、首、成人^2,3の他の場所に存在する。最近の研究は、強くBATは、肥満症および糖尿病^2,6に重要な役割を果たしていることを示唆している。他の研究はまた、BAT ^12時効処理中に、その活性は、運動^10,44によって増強できることが重要な役割を果たしていることを示している。

どちらの臨床ヒトの研究および前臨床研究に^、18 F-FDGのPETイメージングは、BATを研究するための最も使用される方法です。しかしながら、前臨床動物試験のために、PETは一般にはるかに高価な光学イメージングよりも長い。このプロトコルでは、ことを示しているCL¹⁸ F-FDGとIは、小動物における光学的画像化BATに適用することができる。他の光学イメージング技術、組織貫通の制限と深部標的に対して低感度のようなCLI ^25,32の固有の制限がある。それにもかかわらず、最近スピネッリらまともなCLI信号は^{32、P 28,43}と10ミリメートル組織の深さで観察することができることが実証され、トレックら 。 16ミリメートルの浸透は^、18 F-FDG注射^39、40後の患者のリンパ節で達成できることを示した。 PETイメージングに比べて、CLIは、比較的低コストの撮像システムを用いて行うことができる。最近、トレックらは ^40、著しく高い感度が患者³⁹のノードに（2CI程度）蓄積された¹⁸ F-FDGのCLIのような低量で達成できることを実証した。 インビトロ試験を0.01のC 90YからCLI信号であることが示されたソリューション^25,32,33で検出可能なアップ。また、CLIは、高空間分解能かつ高スループットスクリーニングのための能力の可能性を有している。さらに、CLIは学び、使いやすいです。

実験の過程では^、18 F-FDGとBATのCLIのコントラストを強く注入法に関連して発見した。 ¹⁸ F-FDG同量の腹腔内注射のみBAT領域内の弱いコントラストを示した¹⁸ F-FDGの静脈内注射は、肩甲骨間BATのための優れたコントラストを提供することができる。

スペクトルアンミキシング、信号の2つのセットを分離する非常に実用的な技術は、広く蛍光イメージングで使用されている。これは、ウェル¹⁸ F-FDGの取込みは非常に特異的ターゲティングされず、異なるターゲット/組織は、異なる光減衰特性を有することが知られている。私たちは、BATのCLIスペクトルのピークは約640 nmで発見され、このデータは、BATの実際のコンテキストを反映している。このPRの3D再構成それは、異なる波長の光拡散特性に基づいて、市販の光学イメージングシステムを用いて行うことができるのでotocolは、非常に動作可能である。このアプローチでは、3D再構成のためのマルチアングルビュー画像を必要とする特殊なイメージングシステムの使用を回避することができる。

スペクトルアンミキシングおよび3D再構成の両方について、BATの各画像から600光子カウントより最低でも必要になります。この目的のために、大きなビン（ビン= 16）、小fは停止状態（f = 1）と長い捕捉時間（5分間）は、各画像のために必要とされる。

要約すると、ユニークなロケーションや形状、BATのとBAT ¹⁸ F-FDGの非常に高い取り込みを活かし、私たちは小さな動物では、BATは、光学的にCLI技術により¹⁸ F-FDGを用いて画像化する方法を示しています。この方法では、確実に画像化BATおよびBAT活性化をモニタリングするために使用することができる。さらに、当社はまた、スペクトルアンミキシングおよび3D RECOを実証nstructionは実用的であると3D体積の定量化は、将来の研究のために可能である。

資料

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