[논문 리뷰] Label-free metabolic imaging of non-alcoholic-fatty-liver-disease (NAFLD) liver by volumetric dynamic optical coherence tomography

Pradipta Mukherjee, Shin‐ichi Fukuda외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 18.

Liver Disease Diagnosis and Treatment참고 문헌 72인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 표준 속도의 동적 광간섭단층촬영(OCT) 시스템(50,000 A-line/s)을 사용하여 메티오닌-코린-결핍(MCD) 다이어트로 유도된 비알코올성간지방간질환(NAFLD) 모델에서 외부 표지제 없이 3차원 부피 대사 영상 촬영을 수행한다. 로그 강도 분산(LIV) 분석을 적용하여 간 내 지방소체 축적과 염증과 연관된 대사 활동을 생체 내에서 비침습적으로 시각화함으로써, 정상, 1주차, 2주차 MCD 다이어트 간에서 고유한 3차원 대사 구조를 규명하였다.

ABSTRACT

Label-free metabolic imaging of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) mouse liver is demonstrated ex vivo by dynamic optical coherence tomography (OCT). The NAFLD mouse is a methionine choline-deficient (MCD)-diet model, and two mice fed MCD diet for 1 and 2 weeks are involved in addition to a normal-diet mouse. The dynamic OCT is based on repeating raster scan and logarithmic intensity variance (LIV) analysis which enables volumetric metabolic imaging with a standard-speed (50,000 A-lines/s) OCT system. Metabolic domains associated with lipid droplet accumulation and inflammation are clearly visualized three-dimensionally. Particularly, the normal-diet liver exhibits highly metabolic vessel-like structures of peri-vascular hepatic zones. The 1-week MCD-diet liver shows ring-shaped highly metabolic structures formed with lipid droplets. The 2-week MCD-diet liver exhibits fragmented vessel-like structures associated with inflammation. These results imply that volumetric LIV imaging is useful for visualizing and assessing NAFLD abnormalities.

연구 동기 및 목표

• 외부 대조제 없이 비침습적이고 표지제 없는 간 조직의 3차원 대사 영상 촬영을 가능하게 하여 NAFLD의 병태생리학을 연구한다.
• 기존 영상 기법의 한계—저해상도, 낮은 대사 감도 또는 침습적 절차—를 극복하기 위해 깊은 조직의 대사 평가를 위해 동적 OCT를 활용한다.
• 표준 속도의 OCT 시스템을 사용하여 초기 단계의 NAFLD에서 지방소체 축적과 염증과 관련된 대사 활동을 시각화하고 구별한다.
• MCD 다이어트를 1주와 2주 동안 투여한 마우스 간의 간에서 구조적 및 대사적 변화를 조사한다. 이는 간 지방간과 지방성간염을 모델링한다.
• LIV 기반 동적 OCT가 조직 내 대사 이질성을 감지할 수 있으며, 특히 혈관 주변 영역과 염증 부위에서 고해상도의 공간 및 시간 해상도로 이를 확인함을 검증한다.

제안 방법

• 1.3 µm 파장의 표준 속도 스위프트-소스 존스-매트릭스 OCT 시스템(50,000 A-line/s)을 사용하여 고체 마우스 간 조직의 부피 영상 촬영을 수행하였다.
• 시간 순서의 OCT B-스캔에 로그 강도 분산(LIV) 분석을 적용하여 강도 변동에 민감한 동적 대비를 추출하였으며, 이는 세포소기관 수준의 운동과 대사 활동에 민감하다.
• 각 위치에서 16프레임을 확보하여 3차원 부피 LIV 맵핑을 가능하게 하였으며, 고속 시스템이 필요 없이 몇 초 내에 조직의 동적 특성을 신속하게 평가할 수 있었다.
• 횡단면 시각화에 비해 투영 아티팩트를 줄이기 위해 엔페이스 및 부피 렌더링 LIV 투영도를 사용하여 3차원 대사 구조의 시각화를 향상시켰다.
• OCT 강도와 LIV 간의 비교 분석을 수행하여 강도 기반 아티팩트를 배제하고, 고LIV 신호가 진정된 동적 활동을 반영한다는 것을 확인하였다.
• 세 가지 그룹(정상 다이어트 대조군, 1주차 MCD 다이어트, 2주차 MCD 다이어트)을 포함한 통제된 실험 설계와 조직학적 관련성 분석을 통해 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIV 기반 동적 OCT는 표지제 없이 NAFLD 마우스 간에서 대사 이질성을 감지할 수 있는가?
• RQ2 정상 다이어트와 MCD 다이어트로 유도된 NAFLD 모델 간의 1주차와 2주차 간에서 대사 구조는 어떻게 다를까?
• RQ3 고LIV 영역과 지방소체 축적 또는 염증 세포 침윤 사이의 형태학적 및 공간적 관계는 어떠한가?
• RQ4 표준 속도의 OCT 시스템이 LIV 분석을 통해 3차원 대사 영상 촬영을 얼마나 잘 수행할 수 있으며, 고속 시스템과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ5 횡단면 영상에서 관찰된 수직 고LIV 신호는 아티팩트인지, 지방소체 또는 혈류와 관련된 진정된 동적 구조를 나타내는가?

주요 결과

• 정상 다이어트 마우스 간에서는 혈관 유사한 구조가 혈관 주변 영역에서 매우 높은 동적 특성을 보이며, 이는 경변연과 경위상부 영역에서 높은 대사 활동을 의미한다.
• 1주차 MCD 다이어트 간에서는 고리형 고LIV 구조가 나타났으며, 이는 중심정맥 주변에 농축된 대사 활성 지방소체가 둥근 패턴을 형성한 것으로 해석되었다.
• 2주차 MCD 다이어트 간에서는 파편화되고 매우 높은 동적 특성을 띤 혈관 유사한 구조가 관찰되어 염증 세포의 침윤과 미세순환 장애를 시사하였다.
• 횡단면 LIV 영상에서의 수직 고LIV 신호는 OCT 강도와 상관관계가 없었으며, 강도 영상에서는 관찰되지 않았다. 이는 표면 조직의 동적 특성에서 기인한 투영 아티팩트일 가능성이 높다.
• 엔페이스 및 부피 렌더링 LIV 영상에서는 1주차 모델에서 매크로스코픽한 고리형 대사 유량과 2주차 모델에서 파편화된 대사 패atters를 확인하였으며, 횡단면 시각화보다 더 명확하게 해석 가능하였다.
• LIV 영상 촬영은 표지제 없이 정상, 초기 지방간(1주차), 지방성간염(2주차)의 세 그룹 간의 대사 표현형을 성공적으로 구별하였다.