Method Article
* Эти авторы внесли равный вклад
Функциональная визуализация и количественное определение термогенных жировых депо у мышей с использованием подхода, основанного на микро-ПЭТ/МР визуализации.
Коричневые и бежевые адипоциты в настоящее время признаны потенциальными терапевтическими мишенями для ожирения и метаболических синдромов. Неинвазивные методы молекулярной визуализации необходимы для обеспечения критического понимания этих термогенных жировых депо. Здесь в протоколе представлен метод визуализации ПЭТ/МР для оценки активности коричневых и бежевых адипоцитов в межлопаточной коричневой жировой ткани мыши (iBAT) и паховой подкожной белой жировой ткани (iWAT). Визуализация и количественная оценка термогенных жировых депо были достигнуты с использованием [18F]FDG, неметаболизируемого аналога глюкозы, в качестве радиоиндикатора, в сочетании с точной анатомической информацией, предоставленной МР-визуализацией. Пэт/МР-визуализация проводилась через 7 дней после холодной акклиматизации, а количественное определение сигнала [18F]FDG в различных жировых депо проводилось для оценки относительной мобилизации термогенных жировых тканей. Удаление iBAT существенно увеличивало поглощение [18F]FDG в iWAT мышей.
В ответ на изменение потребностей в питании жировая ткань служит энергетическим кэшем для принятия либо хранения липидов, либо режима мобилизации для удовлетворения потребностей организма1. Кроме того, жировая ткань также играет ключевую функцию в терморегуляции с помощью процесса, называемого недрожащим термогенезом, также называемым факультативным термогенезом. Это обычно достигается коричневой жировой тканью (BAT), которая экспрессирует обильный уровень разъединяющего белок мембраны митохондрий 1 (UCP1). В качестве протонного носителя UCP1 генерирует тепло, разъединяя перенос протонов и производство АТФ2. При холодной стимуляции термогенез в БАТ приводится в движение активацией симпатической нервной системы (СНС) с последующим высвобождением норадреналина (NE). NE связывается с β3 адренергическими рецепторами и приводит к повышению внутриклеточного циклического АМФ (цАМФ). Как следствие, цАМФ/ПКК-зависимое вовлечение CREB (белка, связывающего элемент ответа цАМФ), стимулирует транскрипцию Ucp1 посредством прямого связывания с элементами CREB-ответа (CRE)2. В дополнение к BAT, коричневые адипоциты также находятся в белой жировой ткани и поэтому называются бежевыми или бритовыми (коричневыми в белом) клетками1,3. В ответ на специфические раздражители (такие как холод) эти в противном случае покоящиеся бежевые клетки реконструируются, чтобы проявлять множественные коричневые черты, включая многолокулярные липидные капли, плотно упакованные митохондрии и увеличенную экспрессию UCP13,4,5.
Исследования на животных показали, что коричневые и бежевые адипоциты обладают множественными метаболическими преимуществами, помимо их эффекта снижения жира, включая сенсибилизацию к инсулину, снижение уровня липидов, противовоспалительное и антиатеросклерозное 6,7. У людей количество бежевого/бурого жира обратно коррелирует с возрастом, индексом резистентности к инсулину и кардиометаболическими расстройствами8. Кроме того, активация бежевых/коричневых адипоцитов у человека либо путем холодной акклиматизации, либо агониста β3-адренергических рецепторов обеспечивает защиту от ряда метаболических нарушений4,9,10. Эти доказательства в совокупности указывают на то, что индукция коричневой и бежевой жировой ткани является потенциальной терапевтической стратегией для лечения ожирения и связанных с ним медицинских осложнений8.
Интересно, что, хотя они имеют сходную функцию, бежевые и классические коричневые адипоциты получены из разных предшественников и активируются перекрывающимися, но различными механизмами1. Поэтому визуализация in vivo и количественная оценка коричневых и бежевых адипоцитов необходимы для достижения лучшего понимания молекулярного контроля этих жировых тканей. В настоящее время 18F-фтордезоксиглюкоза ([18F]FDG) позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) в сочетании с компьютерной томографией (КТ) остается золотым стандартом для характеристики термогенных коричневых и бежевых клеток в клинических исследованиях8. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует мощные магнитные поля и радиочастотные импульсы для создания подробных анатомических структур. По сравнению с КТ, МРТ генерирует изображения органов и мягких тканей с более высоким разрешением. Здесь представлен протокол для визуализации и количественной оценки функциональных коричневых и бежевых жиров в мышиных моделях после акклиматизации к воздействию холода, распространенный и наиболее надежный способ вызвать потемнение жировой ткани. Этот метод может быть применен для характеристики термогенных жировых депо в моделях мелких животных с высокой точностью.
Протокол, описанный ниже, следует руководящим принципам по уходу за животными Университета Гонконга. Животные, использованные в исследовании, были 8-недельными мышами C57BL / 6J.
1. Хирургические процедуры для животных и холод
2. Калибровка Micro-PET/MR и настройка рабочего процесса
ПРИМЕЧАНИЕ: Микро-ПЭТ/МР визуализация выполняется с использованием последовательной системы ПЭТ/МРТ (см. Таблицу материалов). Каждая мышь помещается на кровать для визуализации; сначала сканирование с помощью MR для анатомической ссылки (скаутский вид), прежде чем перейти к центру поля зрения ПЭТ (FOV) для статического [18F]FDG ПЭТ-получения, а затем МР-визуализация для анатомической ссылки. Рабочий процесс визуализации создается в программном обеспечении, работающем со сканером (см. Таблицу материалов), для обеспечения автоматизированного последовательного сканирования ПЭТ/МРТ до сеанса визуализации.
3. Инъекция [18F]FDG
4. Приобретение микро-ПЭТ/МР
5. Поствизуальный анализ
Три группы мышей (n = 3 на группу) прошли микро-ПЭТ/МР визуализацию в этом исследовании, где они были размещены либо при термонейтральности (30 ° C), либо при холоде (6 ° C) в течение 7 дней. У одной группы мышей (n = 3) был удален iBAT (iBATx) до лечения холодом (рисунок 1A). Этот метод привел к изменению активности белой жировой ткани у всех трех мышей. В частности, наблюдалось заметное увеличение поглощения [18F]FDG в iWAT с использованием микро-ПЭТ/МР визуализации (рисунок 1B-C). Эти совместно зарегистрированные данные визуализации демонстрируются как проекция максимальной интенсивности (MIP), где iWAT был четко очерчен, чтобы позволить количественно оценить поглощение [18F] FDG. Последовательно, мультилокулярные адипоциты, которые являются характерной морфологией для бежевых адипоцитов, были более выражены в iWAT у мышей iBATx по сравнению с фиктивной управляемой группой (рисунок 1D).
Чтобы проверить, могут ли изменения активности iBAT и iWAT после этой длительной индукции холода контролироваться с помощью микро-ПЭТ/МР-визуализации, на мышах, подвергшихся воздействию 30 °C и 6 °C, были проведены визуальные исследования, и были сопоставлены результаты между группами. ПЭТ/МР-визуализация также продемонстрировала, что мыши, подвергшиеся воздействию 6 °C, имели заметно повышенное поглощение [18F]FDG на iBAT у мышей, управляемых фиктивным путем (рисунок 2A), что согласуется с предыдущей опубликованной литературой11. Мыши с удаленным iBAT (iBATx) до холодного лечения показали самое высокое поглощение [18F]FDG в iWAT среди группы 30 °C и 6 °C (рисунок 2B). Изображения ПЭТ были дополнительно количественно определены с использованием подхода на основе внедорожников. В iBAT воздействие холода вызвало 7-кратное увеличение поглощения [18F] FDG по сравнению с группой 30 ° C. В iWAT поглощение [18F]FDG было выше у холодноакклиматизированных мышей iBATx, чем у остальных групп (рисунок 2C). Удаление iBAT у мышей, индуцированных холодом, привело к 8-кратному увеличению поглощения iWAT по сравнению с мышами с термонейтральностью, тогда как при наличии iBAT у мышей наблюдалось лишь незначительное увеличение (в 2 раза).
Рисунок 1: Микро-ПЭТ/МР Визуализация паховой белой жировой ткани (iWAT) у мышей. Межлопастная коричневая жировая ткань была удалена хирургическим путем (iBATx). После выздоровления мышей размещали при температуре 6 °C в течение 7 дней до анализа. (A) Блок-схема для хирургических и последующих процедур. (B) Иллюстрация положения мыши и сканера ПЭТ/МР. (C) Проекция максимальной интенсивности (MIP) совместно зарегистрированных изображений ПЭТ/МРТ. Белые стрелки: Расположение iWAT. О: Передний L: Слева. (D) Окрашивание гематоксилина и эозина (HE) iWAT у мышей sham и iBATx после воздействия холода. Шкала = 100 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Репрезентативное поглощение in vivo [18F]FDG в коричневой жировой ткани в межлопаточной области (iBAT) и паховой подкожной белой жировой клетчатке (iWAT). Мыши, размещенные при термонейтральности (30 °C), холодно-акклиматизированные (6 °C) и холодно-акклиматизированные + iBATx, подвергались визуализации [18F]FDG PET/MR. (A) Сагиттальный участок изображений ПЭТ/МРТ, показывающих iBAT у мышей. (B) Осевая секция изображений ПЭТ/МРТ, показывающих двусторонний iWAT. (C) Количественный анализ поглощения [18F]FDG в iBAT (слева) и iWAT (справа). Желтые стрелки: Расположение iBAT. Белые стрелки: Расположение iWAT. n = 3 для каждой группы. Значения SUVratio представлены как среднее ±SD. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В этом исследовании была описана визуализация на основе ПЭТ/МРТ и количественная оценка функциональной коричневой и бежевой жировой ткани у мелких животных. Этот метод использует неметаболизируемый аналог глюкозы [18F]FDG в качестве биомаркера визуализации, чтобы идентифицировать жировые ткани с высоким спросом на глюкозу неинвазивным способом. MR предлагает хороший контраст мягких тканей и может лучше дифференцировать жировые ткани от соседних мягких тканей и мышц. В сочетании с ПЭТ это позволяет точно визуализировать и количественно оценивать активированные адипоциты в результате высокого уровня использования глюкозы. Экспериментальные условия, изложенные здесь, подчеркивают возможность использования [18F] FDG PET для изучения повышения регуляции iBAT и iWAT in vivo и потенциально полезны для оценки термогенного воздействия новых лекарств-кандидатов. Кроме того, этот протокол может быть легко модифицирован в формат с высокой пропускной способностью путем одновременной визуализации нескольких мышей с использованием специально разработанной кровати животных, тем самым повышая статистическую мощность и достоверность данных визуализации при меньших затратах и времени12,13.
В настоящее время [18F]FDG ПЭТ/КТ остается наиболее распространенным подходом к визуализации НИМ у людей и грызунов, и стандартные протоколы хорошо известны8,11. В последние годы также было проведено несколько исследований с использованием пэт/МР-визуализации [18F]FDG для оценки НИМ у людей14,15,16. Напротив, нет подробного описания по [18F]FDG ПЭТ/МРТ для мелких животных. Здесь описан подробный протокол, который опирается на использование комбинированной системы визуализации ПЭТ и МРТ у мышей. Этот метод использует преимущества более высокого разрешения МРТ, особенно при обнаружении жировых тканей, что позволяет легко идентифицировать и сегментировать их по сравнению с широко используемым методом КТ. Таким образом, нынешний подход позволяет повысить точность количественной оценки ПЭТ по сравнению с методом ПЭТ/КТ, что имеет большое значение для исследований на мелких животных с более деликатными жировыми депо. При анализе результатов тканей, представляющих интерес при их исходном поглощении, МРТ становится важным инструментом для точного рисования ВОИ, чтобы обеспечить согласованность их объемов между мышами и избежать включения соседних органов. Кроме того, точная обработка изображений, такая как регистрация изображений и разграничение VOI, важна для обеспечения надежной количественной оценки. Анатомическое расположение ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО к глюкозе BAT отличается между людьми и мышью. В то время как функциональный НИМ находится в межлопаточной области, [18F]FDG ПЭТ/МР-анализ на основе визуализации в основном идентифицирует функциональный НИМ в надключичной области у людей14,15,16.
Статус голодания или кормления мышей также следует принимать во внимание при выполнении эксперимента по поглощению [18F] FDG. В некоторых исследованиях мышей голодают в течение нескольких часов или даже ночи перед экспериментом по поглощению, поскольку предполагается, что эндогенная глюкоза будет конкурировать с [18F] FDG. В протоколе измерялся [18F]FDG в состоянии питания, и сильный сигнал поглощения все еще наблюдался как в iBAT, так и в iWAT. Это, таким образом, демонстрирует, что нет необходимости переводить мышей в состояние голодания для надежных сигналов поглощения, что менее физиологически значимо. На самом деле, следует соблюдать осторожность при изучении BAT и бежевых адипоцитов у голодающих животных, поскольку в предыдущем открытии сообщалось, что гипоталамический нейропептид Y (NPY)-опосредованный сигнал голода действует на медуллярные двигательные системы, чтобы ингибировать термогенез BAT путем снижения симпатической иннервации17. Последовательно, у людей, предполагается, что при высококалоригенных диетах термогенные адипоциты сжигают лишние калории, чтобы поддерживать энергетический баланс. Напротив, при лишении питательных веществ активируются контррегуляторные механизмы для подавления потерь энергии.
Другое соображение для [18F]FDG ПЭТ-визуализации включает пути введения радиоиндикатора мышам. Внутрибрюшинные и внутривенные методы являются двумя распространенными способами введения [18F]FDG мышам, и оба метода приводят к относительно аналогичному биораспределению [18F]FDG у мышей через 60 мин после инъекции18. В то время как внутрибрюшинный метод относительно прост в выполнении, и инъекция может быть сделана быстро, чтобы избежать нежелательного стресса, наложенного на мышей, прямая инъекция случайно в кишечник является распространенной и не сразу идентифицируется, что приводит к ненадежным результатам ПЭТ19. Внутривенный метод является предпочтительным методом и используется в данном исследовании. Успешная инъекция хвостовой вены может быть определена, когда перед инфузией наблюдается видимое воспоминание крови, что указывает на то, что игла правильно расположена внутри вены для инфузии. Одним из ограничений этого метода является трудность заметить видимое воспоминание крови, потенциально из-за низкого кровяного давления и наличия темных волос на хвостах. Это можно преодолеть, согрев хвост теплой мочалкой, чтобы увеличить кровоток, следовательно, улучшая видимость вены для введения иглы.
Точный сканер и соответствующее оборудование являются другими важными факторами для надежной количественной оценки ПЭТ-изображения. Крайне важно проводить регулярные проверки качества компонентов ПЭТ и МРТ сканера. Контроль качества MR включает в себя оценку соотношения сигнал/шум на различных T1- и T2-взвешенных последовательностях, которая должна выполняться еженедельно в соответствии с рекомендациями производителя сканера. Для ПЭТ точность активности должна определяться с помощью шприца, содержащего известную концентрацию радиоактивности на еженедельной основе или до начала важного исследования. Этот тест контроля качества также позволяет определить совместную регистрацию изображений ПЭТ и МРТ. Калибровка должна быть выполнена, если восстановленная активность выходит за пределы рекомендуемого диапазона или обнаружена неправильная регистрация между изображениями ПЭТ и МРТ. Кроме того, калибратор дозы должен регулярно калиброваться в соответствии с рекомендациями производителя, поскольку это важный инструмент для контроля качества сканера, а также измерения радиоактивности для визуализации ПЭТ.
Это исследование показывает, что активация жировых депо как в iBAT, так и в iWAT у мышей может быть визуализирована и количественно определена с использованием [18F]FDG ПЭТ/МР визуализации при воздействии холодной температуры. Однако текущее исследование ограничено тем фактом, что поглощение [18F]FDG в iWAT было относительно низким, за исключением отсутствия iBAT. Это указывает на то, что по сравнению с iBAT, который легко активируется холодным стимулом, бежевые адипоциты относительно неохотно мобилизуются и действуют больше как резервное термогенное депо iBAT у мышей. Необходимо выявить более эффективные методы индуцирования сигнала [18F]FDG в iWAT и/или других жировых депо у нормальных мышей, такие как использование бежевых активаторов или более сильное состояние холодного вызова, что выходит за рамки текущего исследования.
У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.
Мы благодарим за поддержку Национального фонда естественных наук Китая (NSFC) - Фонда отличных молодых ученых (Гонконг и Макао) (81922079), Общего исследовательского фонда Совета по исследовательским грантам Гонконга (GRF 17121520 и 17123419) и Фонда совместных исследований Совета по исследовательским грантам Гонконга (CRF C7018-14E) за эксперименты по визуализации мелких животных.
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены