Significance: Three-dimensional (3D) vascular and metabolic imaging (VMI) of whole organs in rodents provides critical and important (patho)physiological information in studying animal models of vascular network. Aim: Autofluorescence metabolic imaging has been used to evaluate mitochondrial metabolites such as nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and flavine adenine dinucleotide (FAD). Leveraging these autofluorescence images of whole organs of rodents, we have developed a 3D vascular segmentation technique to delineate the anatomy of the vasculature as well as mitochondrial metabolic distribution. Approach: By measuring fluorescence from naturally occurring mitochondrial metabolites combined with light-absorbing properties of hemoglobin, we detected the 3D structure of the vascular tree of rodent lungs, kidneys, hearts, and livers using VMI. For lung VMI, an exogenous fluorescent dye was injected into the trachea for inflation and to separate the airways, confirming no overlap between the segmented vessels and airways. Results: The kidney vasculature from genetically engineered rats expressing endothelial-specific red fluorescent protein TdTomato confirmed a significant overlap with VMI. This approach abided by the “minimum work” hypothesis of the vascular network fitting to Murray’s law. Finally, the vascular segmentation approach confirmed the vascular regression in rats, induced by ionizing radiation. Conclusions: Simultaneous vascular and metabolic information extracted from the VMI provides quantitative diagnostic markers without the confounding effects of vascular stains, fillers, or contrast agents.

中文翻译：

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使用倒置自发荧光的三维血管和代谢成像

意义：啮齿动物整个器官的三维（3D）血管和代谢成像（VMI）为研究血管网络的动物模型提供了关键和重要的（病理）生理信息。目的：自体荧光代谢成像已被用于评估线粒体代谢物，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)。利用啮齿动物整个器官的这些自发荧光图像，我们开发了一种 3D 血管分割技术来描绘脉管系统的解剖结构以及线粒体代谢分布。方法：通过测量天然线粒体代谢物的荧光以及血红蛋白的光吸收特性，我们使用 VMI 检测了啮齿动物肺、肾、心脏和肝脏的血管树的 3D 结构。对于肺 VMI，将外源性荧光染料注入气管进行充气并分离气道，确认分段血管和气道之间没有重叠。结果：来自表达内皮特异性红色荧光蛋白 TdTomato 的基因工程大鼠的肾脏血管系统证实了与 VMI 的显着重叠。这种方法遵循符合默里定律的血管网络的“最小功”假设。最后，血管分割方法证实了电离辐射诱导的大鼠血管退化。结论：同时从 VMI 中提取的血管和代谢信息提供了定量诊断标志物，而没有血管染色剂、填充剂或造影剂的混杂影响。将外源性荧光染料注入气管进行充气并分离气道，确认分段的血管和气道之间没有重叠。结果：来自表达内皮特异性红色荧光蛋白 TdTomato 的基因工程大鼠的肾脏血管系统证实了与 VMI 的显着重叠。这种方法遵循符合默里定律的血管网络的“最小功”假设。最后，血管分割方法证实了电离辐射诱导的大鼠血管退化。结论：同时从 VMI 中提取的血管和代谢信息提供了定量诊断标志物，而没有血管染色剂、填充剂或造影剂的混杂影响。将外源性荧光染料注入气管进行充气并分离气道，确认分段的血管和气道之间没有重叠。结果：来自表达内皮特异性红色荧光蛋白 TdTomato 的基因工程大鼠的肾脏血管系统证实了与 VMI 的显着重叠。这种方法遵循符合默里定律的血管网络的“最小功”假设。最后，血管分割方法证实了电离辐射诱导的大鼠血管退化。结论：同时从 VMI 中提取的血管和代谢信息提供了定量诊断标志物，而没有血管染色剂、填充剂或造影剂的混杂影响。确认分割的血管和气道之间没有重叠。结果：来自表达内皮特异性红色荧光蛋白 TdTomato 的基因工程大鼠的肾脏血管系统证实了与 VMI 的显着重叠。这种方法遵循符合默里定律的血管网络的“最小功”假设。最后，血管分割方法证实了电离辐射诱导的大鼠血管退化。结论：同时从 VMI 中提取的血管和代谢信息提供了定量诊断标志物，而没有血管染色剂、填充剂或造影剂的混杂影响。确认分割的血管和气道之间没有重叠。结果：来自表达内皮特异性红色荧光蛋白 TdTomato 的基因工程大鼠的肾脏血管系统证实了与 VMI 的显着重叠。这种方法遵循符合默里定律的血管网络的“最小功”假设。最后，血管分割方法证实了电离辐射诱导的大鼠血管退化。结论：同时从 VMI 中提取的血管和代谢信息提供了定量诊断标志物，而没有血管染色剂、填充剂或造影剂的混杂影响。这种方法遵循符合默里定律的血管网络的“最小功”假设。最后，血管分割方法证实了电离辐射诱导的大鼠血管退化。结论：同时从 VMI 中提取的血管和代谢信息提供了定量诊断标志物，而没有血管染色剂、填充剂或造影剂的混杂影响。这种方法遵循符合默里定律的血管网络的“最小功”假设。最后，血管分割方法证实了电离辐射诱导的大鼠血管退化。结论：同时从 VMI 中提取的血管和代谢信息提供了定量诊断标志物，而没有血管染色剂、填充剂或造影剂的混杂影响。