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* Estos autores han contribuido por igual
Imágenes funcionales y cuantificación de depósitos adiposos termogénicos en ratones utilizando un enfoque basado en imágenes micro-PET / MR.
Los adipocitos marrones y beige ahora se reconocen como posibles objetivos terapéuticos para la obesidad y los síndromes metabólicos. Los métodos de imágenes moleculares no invasivas son esenciales para proporcionar información crítica sobre estos depósitos adiposos termogénicos. Aquí, el protocolo presenta un método basado en imágenes PET / MR para evaluar la actividad de los adipocitos marrón y beige en el tejido adiposo marrón interescapular de ratón (iBAT) y el tejido adiposo blanco subcutáneo inguinal (iWAT). La visualización y cuantificación de los depósitos adiposos termogénicos se logró utilizando [18F]FDG, el análogo de glucosa no metabolizable, como radiotrazador, cuando se combinó con la información anatómica precisa proporcionada por las imágenes de RM. La imagen PET/MR se realizó 7 días después de que se realizara la aclimatación en frío y la cuantificación de la señal [18F]FDG en diferentes depósitos adiposos para evaluar la movilización relativa de los tejidos adiposos termogénicos. La eliminación de iBAT aumentó sustancialmente la absorción de FDG evocada por frío [18F] en iWAT de los ratones.
En respuesta a las necesidades nutricionales cambiantes, el tejido adiposo sirve como un depósito de energía para adoptar el almacenamiento de lípidos o el modo de movilización para satisfacer las necesidades del cuerpo1. Además, el tejido adiposo también desempeña una función clave en la termorregulación, a través de un proceso llamado termogénesis no temblorosa, también llamada termogénesis facultativa. Esto se logra típicamente por el tejido adiposo marrón (BAT), que expresa un nivel abundante de proteína de desacoplamiento de la membrana mitocondrial proteína 1 (UCP1). Como portador de protones, UCP1 genera calor al desacoplar el transporte de protones y la producción de ATP2. Tras la estimulación en frío, la termogénesis en BAT se pone en marcha mediante la activación del sistema nervioso simpático (SNS), seguida de la liberación de norepinefrina (NE). NE se une a los receptores adrenérgicos β3 y conduce a la elevación del AMP cíclico intracelular (cAMP). Como consecuencia, la participación dependiente de cAMP/PKA de CREB (cAMP response element-binding protein) estimula la transcripción de Ucp1 a través de la unión directa a elementos de respuesta CREB (CRE)2. Además de bat, los adipocitos de color marrón también se encuentran dentro del tejido adiposo blanco y, por lo tanto, se denominan células beige o brite (marrón en blanco)1,3. En respuesta a estímulos específicos (como el frío), estas células beige inactivas se remodelan para exhibir múltiples características similares al marrón, incluidas gotas lipídicas multiloculares, mitocondrias densamente empaquetadas y expresión aumentada de UCP13,4,5.
Estudios en animales han demostrado que los adipocitos marrones y beige poseen múltiples beneficios metabólicos más allá de su efecto reductor de grasa, incluyendo sensibilización a la insulina, hipolipemiante, antiinflamación y antiaterosclerosis6,7. En humanos, la cantidad de grasa beige/marrón se correlaciona inversamente con la edad, el índice de resistencia a la insulina y los trastornos cardiometabólicos8. Además, la activación de los adipocitos beige/marrón en humanos por aclimatación en frío o agonista del receptor adrenérgico β3 confiere protección frente a una serie de trastornos metabólicos4,9,10. Estas evidencias indican colectivamente que la inducción de tejido adiposo marrón y beige es una estrategia terapéutica potencial para el manejo de la obesidad y sus complicaciones médicas relacionadas8.
Curiosamente, aunque comparten una función similar, los adipocitos beige y marrón clásico se derivan de diferentes precursores y se activan por mecanismos superpuestos pero distintos1. Por lo tanto, la imagen in vivo y la cuantificación de los adipocitos marrón y beige son esenciales para lograr una mejor comprensión del control molecular de estos tejidos adiposos. Actualmente, la tomografía por emisión de positrones (PET) con 18F-fluorodesoxiglucosa ([18F]FDG) combinada con tomografía computarizada (TC) sigue siendo el estándar de oro para la caracterización de células termogénicas de color marrón y beige en estudios clínicos8. La resonancia magnética (MRI) utiliza potentes campos magnéticos y pulsos de radiofrecuencia para producir estructuras anatómicas detalladas. En comparación con la tomografía computarizada, la resonancia magnética genera imágenes de órganos y tejidos blandos con una resolución más alta. Aquí se proporciona un protocolo para la visualización y cuantificación de las adiposas funcionales de color marrón y beige en modelos de ratón después de la aclimatación a la exposición al frío, una forma común y más confiable de inducir el pardeamiento adiposo. Este método se puede aplicar para caracterizar los depósitos adiposos termogénicos en modelos de animales pequeños con alta precisión.
El protocolo que se describe a continuación sigue las pautas de cuidado animal de la Universidad de Hong Kong. Los animales utilizados en el estudio fueron ratones C57BL / 6J de 8 semanas de edad.
1. Procedimientos quirúrgicos en animales y desafío al frío
2. Calibraciones micro-PET/MR y configuración del flujo de trabajo
NOTA: Las imágenes micro-PET/MR se realizan utilizando un sistema secuencial PET/MR (ver Tabla de Materiales). Cada ratón se coloca en el lecho de imágenes; primero escanee con la RM para obtener una referencia anatómica (vista de exploración) antes de avanzar al centro del campo de visión (FOV) de PET (FOV) de PET estático [18F], seguido de imágenes de RM para referencia anatómica. Se crea un flujo de trabajo de imágenes en el software que opera el escáner (consulte la Tabla de materiales) para permitir escaneos PET/MR secuenciales automatizados antes de la sesión de imágenes.
3. Inyección de [18F]FDG
4. Adquisición de Micro-PET/MR
5. Análisis post-imagen
Tres grupos de ratones (n = 3 por grupo) se sometieron a imágenes micro-PET / MR en este estudio, donde fueron alojados en termoneutralidad (30 ° C) o frío (6 ° C) durante 7 días. A un grupo de ratones (n = 3) se les extirpó el iBAT (iBATx) antes del tratamiento con frío (Figura 1A). Este método condujo a una alteración de la actividad del tejido adiposo blanco en los tres ratones. En particular, se observó un aumento notable en la captación de [18F]FDG en iWAT utilizando imágenes micro-PET/MR (Figura 1B-C). Estos datos de imágenes co-registrados se demuestran como proyección de intensidad máxima (MIP), donde iWAT se delineó claramente para permitir la cuantificación de la absorción de [18F]FDG. Consistentemente, los adipocitos multiloculares, que son la morfología característica de los adipocitos beige, fueron más pronunciados en iWAT de ratones iBATx, en comparación con el grupo operado simuladamente (Figura 1D).
Para verificar si los cambios en las actividades de iBAT e iWAT en esta inducción prolongada en frío pueden ser monitoreados por imágenes micro-PET / MR, se realizaron estudios de imágenes en los ratones expuestos a 30 ° C y 6 ° C y se compararon los resultados entre los grupos. Las imágenes PET/MR también demostraron que los ratones sometidos a 6 °C han elevado notablemente la captación de [18F]FDG en iBAT en ratones operados simuladamente (Figura 2A), lo que es consistente con la literatura reportada anteriormente11. Los ratones con su iBAT eliminado (iBATx) antes del tratamiento en frío mostraron la mayor absorción de [18F]FDG en el iWAT entre el grupo de 30 °C y 6 °C (Figura 2B). Las imágenes de PET se cuantificaron aún más utilizando un enfoque basado en SUV. En iBAT, la exposición al frío causó un aumento de 7 veces en la absorción de [18F]FDG en comparación con el grupo de 30 °C. En iWAT, la absorción de [18F]FDG fue mayor en ratones iBATx aclimatados al frío que en los grupos restantes (Figura 2C). La eliminación de iBAT en los ratones inducidos por el frío resultó en un aumento de 8 veces en la absorción de iWAT en comparación con los ratones de termoneutralidad, mientras que solo se observó un aumento modesto (2 veces) cuando iBAT estuvo presente en ratones.
Figura 1: Imágenes micro-PET/MR de tejido adiposo blanco inguinal (iWAT) en ratones. Se extirpó quirúrgicamente tejido adiposo marrón interescapular (iBATx). Después de la recuperación, los ratones fueron alojados a 6 °C durante 7 días antes del análisis. (A) Diagrama de flujo para la cirugía y los procedimientos posteriores. (B) Ilustración de la posición del ratón y del escáner PET/MR. (C) Proyección de intensidad máxima (MIP) de imágenes PET/MR co-registradas. Flechas blancas: Ubicación de iWAT. A: L anterior: Izquierda. (D) Tinción de hematoxilina y eosina (HE) de iWAT en ratones simulados e iBATx después de la exposición al frío. Barra de escala = 100 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Absorción representativa in vivo [18F]FDG en tejido adiposo marrón en la región interescapular (iBAT) y tejido adiposo blanco subcutáneo inguinal (iWAT). Los ratones alojados en termoneutralidad (30 °C), aclimatados al frío (6 °C) y aclimatados al frío + iBATx fueron sometidos a imágenes PET/MR [18F]FDG. (A) Sección sagital de imágenes PET/MR que muestran iBAT en ratones. (B) Sección axial de imágenes PET/MR que muestran iWAT bilateral. (C) Análisis cuantitativo de la captación de [18F]FDG en iBAT (izquierda) e iWAT (derecha). Flechas amarillas: Ubicación de iBAT. Flechas blancas: Ubicación de iWAT. n = 3 para cada grupo. Los valores de SUVratio se presentan como media ±SD. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En este estudio, se describió una imagen basada en PET / MR y cuantificación del tejido adiposo marrón y beige funcional en animales pequeños. Este método utiliza el análogo de glucosa no metabolizable [18F]FDG como biomarcador de imagen para identificar los tejidos adiposos con alta demanda de glucosa de una manera no invasiva. La RM ofrece un buen contraste de tejidos blandos y puede diferenciar mejor los tejidos grasos adiposos de los tejidos blandos y músculos vecinos. Cuando se combina con PET, esto permite obtener imágenes y cuantificar los adipocitos activados como resultado de una alta utilización de glucosa de manera precisa. Las condiciones experimentales descritas aquí destacan la viabilidad de usar [18F]FDG PET para estudiar la regulación ascendente de iBAT e iWAT in vivo, y es potencialmente útil para la evaluación del impacto termogénico de nuevos candidatos a fármacos. Además, este protocolo se puede modificar fácilmente en un formato de alto rendimiento mediante la obtención simultánea de imágenes de múltiples ratones utilizando un lecho de animales especialmente diseñado, lo que aumenta el poder estadístico y la confianza en los datos de imágenes a un costo y tiempo reducidos12,13.
Actualmente, [18F]FDG PET/CT sigue siendo el enfoque más común para visualizar las MTD en humanos y roedores y los protocolos estándar han sido bien establecidos8,11. En los últimos años, también hay varios estudios que utilizan imágenes [18F]FDG PET/MR para evaluar la MTD en humanos14,15,16. Por el contrario, no se dispone de una descripción detallada de [18F]FDG PET/MRI para animales pequeños. Aquí se describe un protocolo detallado que se basa en el uso de un sistema combinado de imágenes PET y MR en ratones. Este método aprovecha la mayor resolución de la resonancia magnética, especialmente en la detección de tejidos grasos, lo que los hace fáciles de identificar y segmentar en comparación con el método de TC comúnmente utilizado. Por lo tanto, el enfoque actual permite una mayor precisión de la cuantificación de PET en comparación con el método PET / CT, que es de gran valor para estudios en animales pequeños con depósitos adiposos más delicados. Al analizar los resultados de los tejidos de interés en su captación basal, la resonancia magnética se convierte en una herramienta esencial para dibujar con precisión los VOIs para garantizar la consistencia de sus volúmenes entre ratones y evitar la inclusión de órganos vecinos. Además, el procesamiento preciso de imágenes, como el registro de imágenes y la delineación VOI, es importante para permitir una cuantificación confiable. La ubicación anatómica de la MTD sensible a la glucosa es distinta entre humanos y ratones. Mientras que la MTD funcional se localiza en la región interescapular, el análisis basado en imágenes [18F]FDG PET/MR identifica principalmente la MTD funcional en la región supraclavicular en humanos14,15,16.
El estado de ayuno o alimentación de los ratones también debe tenerse en cuenta al realizar el experimento de absorción de [18F]FDG. En algunos estudios, los ratones son ayunados durante varias horas o incluso durante la noche antes del experimento de absorción, ya que se supone que la glucosa endógena competirá con [18F]FDG. En el protocolo, se midió el [18F]FDG en estado alimentado y aún se observó una fuerte señal de absorción tanto en iBAT como en iWAT. Esto, por lo tanto, demuestra que no es necesario poner a los ratones en un estado de ayuno para señales de captación robustas, que es menos relevante fisiológicamente. En realidad, se debe tener precaución al examinar los adipocitos BAT y beige en animales en ayunas, ya que un hallazgo anterior ha informado que la señal de hambre mediada por el neuropéptido hipotalámico Y (NPY) actúa sobre los sistemas motores medulares para inhibir la termogénesis BAT al reducir la inervación simpática17. Consistentemente, en humanos, se sugiere que en dietas altas en calorías, los adipocitos termogénicos queman calorías adicionales para mantener el equilibrio energético. Por el contrario, tras la privación de nutrientes, se activan mecanismos de contrarregulación para suprimir el desperdicio de energía.
Otra consideración para las imágenes pet [18F]FDG involucra las rutas para la administración de radiotrazadores en ratones. Las técnicas intraperitoneales e intravenosas son dos formas comunes de inyectar [18F]FDG en ratones, y ambos métodos dan como resultado una biodistribución relativamente similar de [18F]FDG en ratones 60 min después de la inyección18. Si bien el método intraperitoneal es relativamente fácil de realizar y la inyección se puede realizar rápidamente para evitar el estrés no deseado impuesto a los ratones, la inyección directa accidentalmente en el intestino es común y no se identifica de inmediato, lo que lleva a resultados de PET poco confiables19. El método intravenoso es el método preferido y empleado en este estudio. La inyección exitosa de la vena de la cola se puede determinar cuando se observa un flashback sanguíneo visible antes de la infusión, lo que indica que la aguja está colocada correctamente dentro de la vena para la infusión. Una limitación de esta técnica es la dificultad para notar un flashback sanguíneo visible, potencialmente debido a la presión arterial baja y la presencia de vello oscuro en las colas. Esto se puede superar calentando la cola con un paño caliente para aumentar el flujo sanguíneo, mejorando así la visibilidad de la vena para la inserción de la aguja.
Un escáner preciso y un equipo relevante son otros factores importantes para una cuantificación confiable de imágenes PET. Es imperativo realizar exámenes de control de calidad de rutina en los componentes PET y MR del escáner. El control de calidad de RM implica la evaluación de la relación señal-ruido en diferentes secuencias ponderadas en T1 y T2, que debe realizarse semanalmente según lo recomendado por el fabricante del escáner. Para el PET, la precisión de la actividad debe determinarse utilizando una jeringa que contenga una concentración conocida de radiactividad semanalmente o antes del inicio de un estudio importante. Esta prueba de control de calidad también permite determinar el registro conjunto de imágenes PET y MR. La calibración debe realizarse si la actividad recuperada cae fuera del rango recomendado o se encuentra un registro incorrecto entre las imágenes PET y MR. Además, el calibrador de dosis debe calibrarse regularmente de acuerdo con las pautas del fabricante, ya que esta es una herramienta importante para el control de calidad del escáner, así como para la medición de la radiactividad para imágenes PET.
Este estudio muestra que la activación de los depósitos adiposos tanto en iBAT como en iWAT en ratones se puede visualizar y cuantificar utilizando imágenes PET/MR [18F]FDG tras la exposición a temperaturas frías. Sin embargo, el estudio actual está limitado por el hecho de que la absorción de [18F]FDG en iWAT fue relativamente baja a menos que no haya iBAT. Esto indica que, en comparación con el iBAT que se activa fácilmente por el estímulo frío, los adipocitos beige son relativamente reacios a ser movilizados y actúan más como un depósito termogénico de respaldo de iBAT en ratones. Se identificarán métodos más eficientes para inducir la señal [18F]FDG en el iWAT y / u otros depósitos adiposos en ratones normales, como el uso de activadores específicos de beige o una condición de desafío de frío más fuerte, que está más allá del alcance del estudio actual.
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Agradecemos el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) - Excellent Young Scientists Fund (Hong Kong y Macao) (81922079), Hong Kong Research Grants Council General Research Fund (GRF 17121520 y 17123419) y Hong Kong Research Grants Council Collaborative Research Fund (CRF C7018-14E) para experimentos de imágenes en animales pequeños.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.9% sterile saline | BBraun | 0.9% sodium chloride intravenous infusion, 500 mL | |
5 mL syringe | Terumo | SS05L | 5 mL syringe Luer Lock |
Dose Calibrator | Biodex | Atomlab 500 | |
Eye lubricant | Alcon Duratears | Sterile ocular lubricant ointment, 3.5 g | |
Insulin syringe | Terumo | 10ME2913 | 1 mL insulin syringe with needle |
InterView Fusion software | Mediso | Version 3.03 | Post-processing and image analysis software |
Isoflurane | Chanelle Pharma | Iso-Vet, inhalation anesthetic, 250 mL | |
Ketamine | Alfasan International B.V. | HK-37715 | Ketamine 10% injection solution, 10 mL |
Medical oxygen | Linde HKO | 101-HR | compressed gas, 99.5% purity |
Metacam | Boehringer Ingelheim | 5 mg/mL Meloxicam solution for injection for dogs and cats, 10 mL | |
nanoScan PET/MR Scanner | Mediso | 3 Tesla MR | |
Nucline nanoScan software | Mediso | Version 3.0 | Scanner operating software |
Wound clips | Reflex 7 | 203-100 | 7mm Stainless steel wound clips, 20 clips |
Xylazine | Alfasan International B.V. | HK-56179 | Xylazine 2% injection solution, 30 mL |
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