使用[18F]FDG微正电子发射断层扫描/磁共振成像对小鼠棕色和米色脂肪组织进行可视化与定量分析
2021年7月1日
利用微型PET/MR成像方法对小鼠产热性脂肪组织库进行功能成像与定量分析。
PET/MR 成像技术能够在活体动物中对这些代谢活跃的棕色和米色脂肪细胞进行定性和定量测量，从而以功能为基础评估这些所谓产热型脂肪细胞的活性。该技术的主要优势在于，可在同一受试个体上获取并整合 PET 与 MRI 扫描数据，实现对小型动物不同脂肪储存部位中产热型脂肪细胞的精确定位和同步采集。该方法可轻松应用于任何临床前系统，或通过同时成像多只小鼠改造为高通量模式，从而在降低成本和时间的同时，提高成像数据的统计效力。
为了收获肩胛间棕色脂肪组织，将一只8周龄的C57 Black 6小鼠麻醉后置于加热垫上，沿背部中线做一条2厘米长的切口。从肩胛间区域取出iBAT脂肪组织。待出血停止后，使用7毫米不锈钢伤口夹闭合切口。
当收集完所有肩胛间棕色脂肪组织后，将小鼠饲养在重症监护室中14天。连续6天每天给予小鼠每千克体重5毫克的美洛昔康，并在伤口愈合后及时拆除缝合夹。为了在成像前实现自动化的连续PET/MR扫描，需将PET采集的工作流程设置如下：甄别阈值设为400至600千电子伏特，置信模式设为1-3，扫描时间设为20分钟，研究用同位素设为F-18。
为了获取用于衰减校正的T1加权磁共振图像，需设置梯度回波-3D参数。为了获取作为解剖参考的T2加权磁共振图像，需设置快速自旋回波-2D参数。为实现PET图像的重建，应使用Tera-Tomo 3D算法，将符合模式设为1-3，并启用衰减、死时间、随机、衰减和散射校正，以生成总体体素大小为0.3立方毫米的图像。
在开始成像研究以检查PET定量准确性的前一天，穿戴适当的个人防护装备，按照制造商建议，用5毫升注射器抽取F18-FDG。使用活度计记录注射器的放射性活度，并记录测量时间。在软件中，使用插值椭圆ROI在注射器的重建图像上勾画感兴趣体积，将恢复的活度值与活度计测得的数值进行比较。
在成像实验当天，使用镊子将18F-FDG原液小瓶小心放置于L型屏蔽块后方，并取适量放射性同位素溶于100至150微升无菌生理盐水中，使其总放射性活度浓度为200至250微居里。用带有针头的1毫升注射器抽取18F-FDG溶液，并如示例所示使用剂量校准仪测量其放射性活度。在将18F-FDG溶液注入小鼠尾静脉之前，记录待成像小鼠的体重。
记录注射时间以及注射器中残留的放射性活度，以便进行衰变校正。然后将小鼠放回笼中静置 60 分钟。计算注入的 18F-FDG 活度时，用注射前测得的活度减去注射后注射器中的活度。
放射性同位素摄取期结束时，打开micro-PET/MR扫描仪小鼠床的空气加热器。将注射了FDG并处于麻醉状态的小鼠放置在扫描仪床的呼吸垫上，并进行定位扫描以确定小鼠位置。调整小鼠床的位置，确保可观察到整个小鼠身体，并使MRI视野中心与小鼠身体中心重合。
在 PET 采集下，选择“使用上一次采集的扫描范围”以利用定位像位置，然后单击“准备”将动物床从 MR 移动到 PET。单击“确定”以启动 PET 扫描。在放射性药物编辑器中记录给予 18F-FDG 前后测量的注射剂量和时间，并在“受试者信息”菜单下输入小鼠的体重。
完成PET扫描后，选择“准备”以进入MR成像，并在研究列表窗口中完成所有MR扫描序列。点击“确定”以开始MR扫描。整个工作流程完成后，在后处理软件中简要评估所获取MR图像的质量，然后点击“主页”将鼠床从MR设备移回原始位置。
当所有小鼠均完成成像后，在原始扫描菜单中进行数据重建时，选择 PET 采集以加载已完成的 PET 扫描，并选择 T1 加权 MR 采集，以便生成物质图。随后使用 Tera-Tomo 3D 算法对数据进行重建，如图所示。在冷处理前移除肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）会改变肩胛间白色脂肪组织（iWAT）的活性，这一点可通过微小动物 PET/MR 成像观察到 iWAT 中 18F-FDG 摄取量显著增加而得以证实。
此外，在去除iBAT后的小鼠iWAT中，多房脂肪细胞（通常在米色脂肪组织中观察到）比假手术小鼠iWAT中的脂肪细胞形态更为显著。经冷处理的假手术小鼠在iBAT中表现出明显升高的18F-FDG摄取。而在冷处理前已去除iBAT的小鼠，其iWAT中的18F-FDG摄取水平最高。
事实上，假手术小鼠在寒冷暴露后，其肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）的18F-FDG摄取量增加七倍，而在寒冷诱导的小鼠中切除iBAT后，其18F-FDG摄取量相比处于热中性环境的小鼠增加八倍——后者仅观察到适度的两倍增加。在进行该操作时，每次进行PET/MRI扫描时将每只小鼠置于相同位置，对于改善不同区域棕色和米色脂肪细胞的可视化与定量分析至关重要。结合该方法及其他MRI技术（如扩散成像或温度测定），可进一步深入了解小鼠体内棕色和米色脂肪细胞的空间分布与存在情况，这些研究结果未来有望转化为人类应用。
该方法使研究人员能够研究这些产热性棕色和米色脂肪细胞的功能。因此，在研究非经典产热途径时尤为有效，因为在这些途径中，经典标志物并未发生改变或上调。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文介绍了一种利用PET/MR成像技术评估小鼠肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）和腹股沟皮下白色脂肪组织（iWAT）中棕色和米色脂肪细胞活性的详细实验方案。该方法采用[18F]FDG作为放射性示踪剂，对产热性脂肪组织进行可视化和定量分析，同时提供解剖与功能信息。该技术可用于评估冷适应及手术干预后脂肪组织的动员情况。
关键研究组成部分
科学领域
- 分子成像
- 代谢生理学
- 脂肪组织生物学
背景
- 棕色和米色脂肪细胞对产热至关重要，并且是肥胖症和代谢综合征潜在的治疗靶点。
- 无创成像对于研究这些脂肪组织在体内的功能和分布至关重要。
- PET/MR 成像结合了功能与解剖学数据，有助于加强对小型动物模型的研究。
- [18F]FDG 是一种不可代谢的葡萄糖类似物，常作为 PET 放射性示踪剂使用。
研究目的
- 建立一种PET/MR成像方案，用于评估小鼠棕色和米色脂肪细胞的活性。
- 定量分析冷适应和诱导型棕色脂肪组织（iBAT）切除对产热性脂肪组织活性的影响。
- 提供一种可重复的方法，用于可视化和测量脂肪库的动员情况。
使用的方法
- 对麻醉小鼠进行iBAT手术切除，随后进行恢复和镇痛处理。
- 成像前对小鼠进行冷适应驯化。
- 制备并静脉注射[18F]FDG，需精确校准剂量并进行衰变校正。
- 采用标准化的采集与重建参数进行连续的PET和MR成像。
- 对iBAT和iWAT组织中[18F]FDG摄取进行定量分析。
主要结果
- PET/MR 成像能够精确可视化并定量活体小鼠中棕色和米色脂肪细胞的活性。
- 去除肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）后，诱导型白色脂肪组织（iWAT）在寒冷刺激下对[18F]FDG的摄取显著增加，表明存在代偿性激活。
- 与热中性对照组相比，假手术小鼠的iBAT在寒冷暴露下对[18F]FDG的摄取增加七倍，而iBAT切除小鼠的iWAT摄取则增加八倍。
- 在去除iBAT后，iWAT中出现更多具有多房脂滴结构的脂肪细胞，这是米色脂肪组织的典型特征。
结论
- PET/MR 成像是一种强大且无创的方法，可用于体内研究产热性脂肪组织的功能。
- 该方案可对棕色和米色脂肪细胞的活性进行定性和定量评估。
- 该方法可适用于高通量研究，并有望转化应用于人体研究。
常见问题
行业重要性概述
对小鼠棕色和米色脂肪组织进行定量PET/MR成像，可实现对产热型脂肪库活性的精确、无创评估，有助于早期代谢靶点的验证。该方法通过提供肥胖症及代谢综合征研究所需的关键功能与解剖学数据，增强了临床前模型的预测可靠性。整合此类成像结果可为研发管线决策提供依据，并降低代谢类治疗药物转化开发的风险。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 可在体内对产热性脂肪组织活性进行功能学检测。
- 通过量化特定脂肪库的代谢反应，支持生物学风险评估。
- 利用定量成像终点，促进代谢性疾病通路中靶点的有效性验证。
- 在棕色脂肪组织切除后，可提供关于米色脂肪细胞代偿性激活机制的深入见解。
筛选与检测方法开发
- 建立经过验证的成像方案，用于可重复地定量分析脂肪库活性。
- 标准化动物体位和成像参数，以确保检测的一致性。
- 提供适用于代谢研究中化合物比较评价的定量读数。
- 通过多只动物的高通量成像潜力，实现研究的可扩展性。
转化与临床前研究
- 将临床前影像结果与代谢性疾病转化生物标志物策略相整合。
- 通过将功能影像与特定脂肪库结局关联，支持从发现到临床前验证的连续性研究。
- 提供经风险校正的数据，推动代谢靶点进入临床开发阶段。
- 通过将影像学发现与脂肪细胞形态学变化相关联，增强预测性降风险评估能力。
流程与工作流整合
该PET/MR成像方案适用于代谢性疾病研究中从早期发现到临床前验证的连续过程，能够实现对靶点的可靠评估和机制层面的风险排除。
- 发现生物学：通过量化产热活性和脂肪库动员，阐明代谢通路的参与情况。
- 筛选：提供标准化、可重复的成像检测方法，用于候选干预措施的功能评估。
- 分析：生成定量的[18F]FDG摄取数据，用于实验组间的统计学比较。
- 转化研究：在数据支持下，将临床前成像结果与人类代谢生物标志物策略相衔接。
- 企业级复用：提供可转移的成像工作流程，可适应多种代谢疾病模型和干预研究。
运营与企业影响
- 科学价值：提高代谢靶点验证的预测可信度，降低机制上的不确定性。
- 操作价值：提供标准化、可扩展的成像方案，以生成可重复的数据。
- 战略价值：为代谢疾病研发项目中的“推进/终止”决策提供依据，并优化资源配置。
- 项目组合影响：支持对代谢治疗候选物进行基于风险调整的优先排序与推进。
实施注意事项
- 需要具备小动物PET/MR成像和放射性示踪剂操作的专业知识。
- 需要配备经过校准的PET/MR仪器以及用于定量分析的分析软件。
- 要求在不同研究之间严格标准化动物体位和成像参数。
- 应用于其他临床前模型时，可能需要根据解剖和代谢差异优化实验方案。
- 通过同时扫描多只动物，可提高成像通量和统计效能。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:05
Introduction
1:10
Interscapular Brown Adipose Tissue (iBAT) Dissection
1:52
Micro-Positron Emission Tomography (PET)/Magnetic Resonance (MR) Setup
2:53
Micro-PET/MR Calibration and [18F]FDG Injection
4:28
Micro-PET/MR Acquisition
6:11
Results: [18F]FDG Uptake in iBAT and Inguinal White Adipose Tissue (iWAT) After Cold Treatment
7:21
Conclusion
