Summary
Здесь мы представляем протокол для количественной оценки физиологической значимости влияния активности бурой жировой ткани (BAT) на метаболизм человека. Это достигается сочетанием углеводной нагрузки и непрямой калориметрии с измерениями надключичных изменений температуры. Этот новый подход может помочь разработать фармакологическую мишень для термогенеза БАТ у людей.
Abstract
У млекопитающих бурая жировая ткань (БАТ) быстро активируется в ответ на холод, чтобы поддерживать температуру тела. Несмотря на то, что НДТ был широко изучен на мелких животных, трудно измерить активность НДТ у людей. Таким образом, мало что известно о тепловыделяющей способности и физиологическом значении НДТ для человека, в том числе о степени, в которой компоненты диеты могут активировать НДТ. Это связано с ограничениями наиболее используемого в настоящее время метода оценки активации меченной радиоактивным изолятором глюкозы (фтордезоксиглюкозы или 18ФДГ), измеренной с помощью позитронно-эмиссионной томографии-компьютерной томографии (ПЭТ-КТ).
Этот метод обычно выполняется натощак, так как кормление индуцирует поглощение глюкозы мышцами, что может маскировать поглощение глюкозы в BAT. В этой статье описывается подробный протокол количественной оценки общего расхода энергии человека и использования субстрата в термогенезе НДТ путем сочетания непрямой калориметрии, инфракрасной термографии и мониторинга уровня глюкозы в крови у взрослых мужчин с углеводной нагрузкой. Для характеристики физиологической значимости НДТ решающее значение имеют показатели влияния активности НДТ на здоровье человека. Мы демонстрируем протокол для достижения этой цели, сочетая углеводную нагрузку и непрямую калориметрию с измерениями надключичных изменений температуры. Этот новый подход поможет понять физиологию и фармакологию термогенеза БАТ у людей.
Introduction
Коричневая жировая ткань (BAT) наиболее заметно отличается от белой жировой ткани (WAT) своим митохондриальным содержанием, симпатической иннервацией, мультилокулярными липидными каплями, тепловыделяющей способностью и анатомическим распределением. Считалось, что НДТ существует только у младенцев и мелких млекопитающих до подтверждения его присутствия у взрослых людей в 2009 году 1,2,3. Таким образом, до относительно недавнего времени роль НДТ в физиологии человека и метаболическом гомеостазе была плохо изучена. Обширные исследования на мелких животных показали, что во время воздействия холода более половины метаболизма происходит из-за недрожащей термогенной способности BAT4. Несколько исследований показали, что при умеренном воздействии холода (17-18 °C) увеличение расхода энергии и поглощения глюкозы в НДТ сильно коррелирует с термогенезом НДТ у людей 5,6,7. Кроме того, термогенез НДТ может способствовать до 10% расхода энергии в состоянии покоя у людей во время воздействия холода (обзор см. Van Schaik et al.8). Изучение физиологии и влияния НДТ на здоровье и болезни человека в настоящее время ограничено протокольными ограничениями. Поэтому важно иметь точный метод измерения истинного метаболического воздействия НДТ, чтобы лучше понять влияние термогенеза НДТ на ожирение и его метаболические осложнения у людей.
Анатомическое распределение НДТ человека затрудняет получение точных измерений БАТ. У людей НДТ распределяется внутри депо WAT в брюшной полости, грудной клетке и, в первую очередь, в шее9. Вскрытие и трупные исследования были использованы для анатомической характеристики БАТ10,11, но эти методы не могут предоставить функциональную информацию. Трудно отличить BAT с помощью обычных методов визуализации из-за одинаковой плотности WAT и BAT8. Дополнительная проблема заключается в том, что бежевые жировые депо также расположены в тех же узких слоях фасции или в определенных депо с WAT8, что затрудняет различение с использованием обычных методов визуализации.
Чтобы преодолеть эту проблему, объем BAT обычно измеряется путем сочетания позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и компьютерной томографии (КТ). Радиоактивно меченный аналог глюкозы 18 F-флууродезоксиглюкоза (18F-ФДГ) является наиболее распространенным индикатором, используемым для изучения БАТ 12. Тем не менее, он страдает от ряда ограничений, таких как воздействие ионизирующего излучения на субъектов, а также инвазивность и дороговизна. Кроме того, самым большим ограничением индикатора 18F-FDG является то, что он измеряет поглощение аналога глюкозы, что не идеально, учитывая, что свободные жирные кислоты являются предпочтительными субстратами для термогенезаBAT 13. Метод 18F-FDG PET/CT не измеряет поглощение свободных жирных кислот в качестве субстрата для термогенеза и, следовательно, не измеряет физиологическую важность термогенеза BAT. Существуют альтернативные методы, используемые для оценки НДТ человека, которые включают измерение поглощения меченой кислородом-15 воды (15O-O 2) 14,11 C-ацетата 15, длинноцепочечной жирной кислоты (18 F-фтор-6-тиа-гептадекановой кислоты)16 или аденозина 17, а также магнитно-резонансную спектроскопию 18 и магнитно-резонансную томографию 19, но они по-прежнему чрезвычайно дороги и подвергают субъектов воздействию ионизирующего излучения. Таким образом, отсутствует надежный, недорогой и, что немаловажно, безопасный золотой стандарт для количественной оценки НДТ человека.
Инфракрасная термография (IRT) - это альтернативный неинвазивный метод визуализации20,21, который измеряет температуру кожи, накладывающуюся на известное депо BAT. Хотя это подразумевает повышенный расход энергии, если измеренная температура не превышает внутреннюю температуру, то нельзя определить, является ли измеренное изменение температуры просто следствием измененного кровотока. Кроме того, измеренное повышение локальной температуры не дает значений измененного расхода энергии, что часто является желаемой конечной точкой. Ряд исследовательских групп использовали IRT для измерения повышения температуры в складах НДТ человека после вмешательства кофеина или холодового стимула; Этим депо является надключичная ямка 22,23,24,25,26,27.
Однако неясно, является ли действие кофеина на BAT прямым или опосредованным через нейронные схемы. Существуют доказательства того, что кофеин индуцирует признаки потемнения в адипоцитах in vitro22, и предыдущая работа показала, что кофеин (100 мг) увеличивает вариабельность сердечного ритма, что может быть показателем системного увеличения симпатического нервного драйва в организме27. Это согласуется с данными на грызунах, у которых кофеин через центральную нервную систему увеличивает термогенез без неблагоприятного кардиодинамического воздействия28.
Поскольку предпочтительным субстратом для термогенеза НДТ являются свободные жирные кислоты, полученные из триглицеридов13, и активные секвестраторы НИМ циркулирующих липидов для поддержания термогенеза29, меры использования субстрата важны для оценки физиологической активации НДТ. Коэффициент дыхательного обмена (RER) - это отношение объема потребляемого кислорода (V̇O 2) и производимого углекислого газа (V̇CO2)30. RER 0,7 указывает на метаболизм жирных кислот, а RER 1,0 указывает на углеводный обмен31. Таким образом, свидетельства предпочтения использования жирных кислот по сравнению с увеличением расхода энергии являются ключевым коррелятом термогенеза НДТ.
Кроме того, учитывая, что поглощение глюкозы является известным коррелятом активности БАТ (см. Выше), падение уровня глюкозы в крови параллельно с изменением использования субстрата являются ключевыми коррелятами термогенеза БАТ. Предыдущие исследования, в которых использовалась только непрямая калориметрия или вместе с регистрацией температуры у голодающих, сообщили о незначительных или отсутствующих резких изменениях в использовании субстрата32,33. Поскольку это, вероятно, маскируется состоянием голодания (когда преабсорбционный метаболизм способствует утилизации жира), мы предлагаем сочетать IRT и непрямую калориметрию с углеводной нагрузкой.
Эта статья направлена на то, чтобы предоставить пошаговый подход, который клинические исследователи могут использовать для надежной и, что важно, безопасной количественной оценки физиологической важности НДТ для людей путем объединения IRT, непрямой калориметрии и уровней глюкозы в крови. Этот метод лучше всего использовать после того, как субъекты были загружены углеводами и подверглись воздействию фармакологических агентов BAT или стимулов окружающей среды. Результаты этого подхода могут быть использованы для изучения активности НДТ, использования субстрата и расхода энергии после активации НДТ у отдельных испытуемых27.
Protocol
Все участники (n = 8) дали письменное информированное согласие, и все эксперименты были одобрены Комитетом по этике человека университета; данные были получены из Van Schaik et al.27.
1. Установка оборудования и программного обеспечения
- Измерьте жировую массу с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии (DXA) в соответствии с Van Schaik et al.27.
- Оцените использование субстрата и расход энергии из выдыхаемого газа; Измерьте это с помощью анализатора дыхательных газов в соответствии с рекомендациями производителя.
- Соберите образцы крови с помощью пальцевой (капиллярной) пункции и определите уровень глюкозы в крови с помощью глюкометра в соответствии с рекомендациями производителя.
- Используйте бесконтактный инфракрасный термометр для определения внутренней температуры тела в соответствии с рекомендациями производителя (погрешность этого устройства составляет ±0,2 °C).
2. Процедуры, предшествующие визитам участников
- Проверьте всех участников на состояние их здоровья.
- Установите следующие критерии исключения: индекс массы тела >30 кг/м2 (из-за обратной корреляции активности БАТ с ожирением34,35), участники, принимающие назначенные лекарства, и сахарный диабет.
- До или после сеанса тестирования убедитесь, что участники прошли сканирование DXA для измерения их жировой массы, так как активность BAT обратно коррелирует с ожирением34,35.
- В течение 24 часов до прибытия на исследование убедитесь, что участники воздерживаются от любых напряженных упражнений или деятельности и голодают на воде в течение 10 часов до прибытия в лабораторию.
3. Процедуры в учебный день
- Убедитесь, что комнатная температура, при которой собираются данные, установлена на постоянную температуру, чтобы свести к минимуму внешние искажения из-за различий в комнатной температуре.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это может привести к неправильным тепловым или метаболическим измерениям. Для целей этого эксперимента использовалось помещение с контролируемой температурой, поддерживаемое на уровне 22 °C в термонейтральных условиях. - Попросите участников прибыть в лабораторию в 08:00 утра, чтобы отчитаться о ежедневных гормональных ритмах.
- Измерьте рост и вес участников.
- Попросите участников полежать на постаменте не менее 30 минут, прежде чем будут проведены базовые измерения.
- В течение 120 минут измеряйте IRT, непрямую калориметрию участников, уровень глюкозы в крови и температуру тела каждые 15 минут после взятия проб O 2 и CO2с истекшим сроком годности(рис. 1).
- После исходных измерений убедитесь, что участники загружены углеводами путем потребления трех углеводных гелей (по 90 г глюкозы каждый) между временными точками от 0 до 15 минут.
- Убедитесь, что участники проглотили лечение через 45 минут после углеводной нагрузки. Чтобы следовать этому протоколу, используйте 100 мг капсул кофеина в качестве вмешательства27.
ПРИМЕЧАНИЕ: Между вмешательством и плацебо требуется период вымывания в 7 дней, то есть между лечением кофеином и плацебо требуется период в 7 дней.
4. Непрямая калориметрия
- Оцените затраты энергии и значения использования субстрата из выдыхаемого газа, измеренные с помощью анализатора дыхательных газов. Завершите калибровку анализатора дыхательных газов в соответствии с инструкциями производителя.
- Прикрепите холодную стерилизованную силиконовую маску к участнику, чтобы обеспечить доставку воздуха в помещение и сбор метаболических данных. Убедитесь, что маска оснащена предварительно стерилизованным недыхательным клапаном (двусторонний недыхательный клапан), закрепите его на лице участника с помощью сетчатой насадки и проверьте наличие утечек.
- Убедитесь, что трубки для вдоха и выдоха соединены.
- Экспортируйте файл цифровых данных в формате электронной таблицы.
- Возьмите пробы O 2 и CO2 с истекшим срокомгодности со средним значением 5 с. Это измеряет расход энергии и коэффициент дыхательного обмена (рис. 1). Снимите маску для лица, чтобы завершить дополнительные меры.
- Рассчитайте скорости окисления субстрата (окисление углеводов и липидов) и общий расход энергии, используя небелковые уравнения Вейра 1-331,36:
Скорость окисления жиров (г/мин−1) = (1,695 VO 2) - (1,701 VCO2) (1)
Скорость окисления углеводов (г/мин−1) = (4,585 VCO2) -(3,226 VO2) (2)
Расход энергии (ккал/мин) = (3.94 × ВО 2)+ (1.1 × ГУН2) (3)
5. Измерение уровня глюкозы в плазме крови
- Проводите измерения уровня глюкозы в крови с помощью укола пальца и глюкометра после каждого раунда измерений выдохненного газа (рис. 2).
6. Внутренняя температура
- Записывайте внутреннюю температуру (Tcore) после каждого раунда измерений выдохненного газа. В идеале измеряйте температуру ядра ректально или внутриаурально (рис. 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Благодаря безопасным методам COVID-19 сведите к минимуму контакты между людьми. - Убедитесь, что участники лежат на спине, а их голова находится в нейтральном положении. Последовательно направляйте бесконтактный термометр к центру лба участника.
7. Инфракрасная термография
- Проводите IRT после каждого раунда измерений выдыхаемого газа (рис. 2).
- Попросите участников сесть в вертикальное положение, глядя прямо перед собой, обнажив область от груди до шеи (рисунок 3).
- Используйте тепловизионную камеру для получения инфракрасных изображений передней части шеи и верхней части грудной клетки.
- Расположите камеру на штативе на уровне шеи в 1 м от лица объекта (рис. 4D). Используйте следующие настройки: тип детектора = неохлаждаемый микроболометр; шаг детектора = 17 мкм; спектральный диапазон камеры = 7,5-14,0 мкм; термическая чувствительность = 20 мК при 30 °C; линзы = 36 мм; разрешение = 1,024 x 768 пикселей.
- Включите камеру.
- Отрегулируйте фокусировку камеры, вращая кольцо фокусировки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Очень важно правильно настроить фокусировку. Неправильная регулировка фокусировки влияет на измерение температуры. - Направьте лазерную указку на среднюю линию шеи участника.
- Сделайте снимок.
ПРИМЕЧАНИЕ: Изображение будет сохранено автоматически, если используется карта памяти.
8. Анализ изображений
- Для анализа температуры поверхности выберите три области передней грудной клетки и шеи: двустороннюю кожу, перекрывающую БАТ в надключичной ямке (SCF) и латеральную область шеи, при этом область грудины рассматривается как контрольная точка отсчета (Tref), поскольку эта область не содержит BAT (рис. 4A-C).
- Поместите треугольные области интереса (ROI) в левую и правую области SCF и круговую ROI над стернальной областью.
- После перекрестного расположения необходимых областей убедитесь, что программное обеспечение отображает среднее значение и стандартное отклонение температуры для каждой выбранной области.
9. Анализ данных
- Используйте двойной слепой подход для анализа вмешательств с использованием описанных методов. Попросите исследователя, не участвующего в сборе или анализе данных, закодировать вмешательства в целом.
- Проведите статистический анализ.
- Рассчитайте средние значения для данных IRT, внутренней температуры и уровня глюкозы в крови из измеренного единого момента времени.
- Рассчитайте средние значения для RER, окисления жиров, окисления углеводов и расхода энергии за 10-минутные эпохи.
- Что касается расхода энергии, суммируйте норму расхода энергии для каждой группы и разделите ее на до и после вмешательства.
ПРИМЕЧАНИЕ: См. Van Shaik et al. для статистических тестов для анализа данных27.
Representative Results
На рисунках 1 и 2 представлена блок-схема дизайна исследования. Изображения настройки протокола представлены на рисунке 3. С характеристиками участников можно ознакомиться в таблице 1. На рисунке 4D представлены репрезентативные примеры IRT изображений участника, включая исходный уровень (рис. 4A), постуглеводную нагрузку (рис. 4B) и 60 минут после приема добавок кофеина (рис. 4C), с репрезентативным изображением настройки камеры. Примечательно, что на рисунке 4A-C представлено визуальное представление изменений температуры надключичной ямки (Tscf) после вмешательства; различия в температуре особенно заметны между рисунками 4B и 4C.
На рисунке 5A-C результаты Van Schaik et al. показывают Tscf (рис. 5A), температуру контрольной точки (Tref; Рисунок 5C) и температура ядра (Tcore; Рисунок 5В) от исходного уровня (0 мин) до завершения сбора данных (120 мин). Данные показывают вмешательство кофеина по сравнению с плацебо27. Результаты, описанные в этой рукописи, являются чисто репрезентативными для данной опубликованной статьи. Кроме того, данные по Tscf не показывают группового эффекта. Статистические данные можно найти в дополнительных данных Van Schaik et al.27.
Заметное повышение надключичной температуры совпадает с изменениями в использовании субстрата и быстрым снижением уровня глюкозы в крови после вмешательства, как показано на рисунке 6. Эти результаты в сочетании с отсутствием изменения температуры для температур Трефа и Ткора (рис. 5B, C) свидетельствуют о термогенезе НДТ. Кроме того, по мере увеличения расхода энергии (рис. 6E) RER уменьшается (рис. 6A), что совпадает с увеличением окисления жиров (рис. 6B) после вмешательства.
Рисунок 1: Схема измерений со временем выполнения за каждые 15 минут. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Блок-схема, схема дизайна исследования. Экспериментальный процесс. Черный квадрат = время углеводной нагрузки; черный круг = время вмешательства. Сокращения: IRT = инфракрасная термография; BGL = уровень глюкозы в крови. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Репрезентативные изображения протокола. (A) Установка без присутствия участника; b) сбор данных об участниках на исходном уровне; (C) компьютер непрямой калориметрии; (D) участник, потребляющий углеводную нагрузку после исходных показателей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Репрезентативные примеры IRT и настройки камеры. Тепловые изображения от участника, на (A) исходном уровне, (B) после углеводной нагрузки и (C) через 60 минут после введения кофеина, с (D) репрезентативным изображением настройки камеры. Аббревиатура: IRT = инфракрасная термография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Влияние вмешательства на температурные показатели. Исходные необработанные изменения температуры (A) Tscf, (B) Tcore и (C) Tref у участников после углеводной нагрузки (временная точка = 0) и введения кофеинового вмешательства или капсулы плацебо (время = от 45 до 120 минут)27. Эта цифра изменена из Van Schaik et al.27. (А-С) Светло-серая рамка 1 = время углеводной нагрузки; вставка 2 = предварительное вмешательство; темно-серая рамка 3 = после вмешательства; синие круги = кофеиновое вмешательство; Черные треугольники = плацебо. Данные выражаются от минимального до максимального, при этом все точки показаны на графиках прямоугольника и усов. Дисперсия выражается как среднее значение ± SD, n = 8 на вмешательство; * представляет собой эффект взаимодействия кофеина (*p < 0,05). Значения данных были проанализированы с использованием трехстороннего дисперсионного анализа повторных измерений. Сокращения: Tscf = температура в надключичной ямке; Tcore = температура ядра; Tref = контрольная контрольная точка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Влияние вмешательства на метаболические показатели. Изменения (A) RER, (B) скорости окисления жиров, (C) скорости окисления углеводов, (D) уровня глюкозы в крови и (E) расхода энергии у участников после углеводной нагрузки (время = 0) и введения капсулы кофеина или капсулы плацебо (время = от 45 до 120 минут). Светло-серая рамка 1 = время углеводной нагрузки; вставка 2 = предварительное вмешательство; темно-серая рамка 3 = после вмешательства; синие круги = кофеиновое вмешательство; Черные треугольники = плацебо. Данные выражаются от минимального до максимального, при этом все точки показаны на графиках прямоугольника и усов. (E) до и после проведения мероприятий; серая полоса = плацебо; Синяя полоса = кофеиновое вмешательство. Дисперсия выражается как среднее значение ± SD, n = 8 на вмешательство; * представляет собой эффект взаимодействия кофеина (*p < 0,05). Значения данных были проанализированы с использованием трехстороннего дисперсионного анализа повторных измерений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Все участники | |
| n | 8 |
| Возраст, лет | 22 ± 2 |
| Высота, см | 176 ±5 |
| Масса, кг | 74 ± 8 |
| ИМТ, кг/м2 | 23 ±2 |
| Жировые отложения, % | 20 ± 8 |
Таблица 1: Демография участников. Значения являются средними ± SD, если не указано иное. Эта таблица взята из Van Schaik et al.27.
Discussion
Метод, который мы показали здесь, является технически простым, безопасным и экономически эффективным протоколом для измерения термогенеза НДТ у людей. Протокол решает проблемы, связанные с надежностью использования IRT сам по себе для различения локального потепления из-за изменения кожного кровотока и более глубокого потепления из-за термогенеза путем корреляции IRT как с показателями расхода энергии (EE), так и с использованием субстрата. Поскольку этот метод не использует ионизирующее излучение, он позволяет проводить анализ повторных измерений, что невозможно при использовании методов визуализации ПЭТ. Наконец, хотя методы ПЭТ-визуализации могут идентифицировать активацию BAT, они не сообщают о физиологических результатах (повышенная температура и EE), которые измеряет этот протокол.
Сила описанного здесь протокола заключается в том, что существует четыре линии доказательств, подтверждающих вывод о вызванном термогенезе НИМ: (1) увеличение измеренного Tscf параллельно с неизменной внутренней температурой и стабильной температурой кожи над соседней эталонной областью; (2) повышенный расход энергии; (3) изменение использования субстрата; и (4) падение уровня глюкозы в крови. Все сходящиеся наблюдения согласуются с предсказанными результатами термогенеза НИМ. Существенной частью протокола является углеводная нагрузка участников для обеспечения углеводного обмена перед вмешательством. Термогенез НДТ переключает субстратный метаболизм с углеводов на свободные жирные кислоты, о чем свидетельствует падение RER. В то время как предпочтительным субстратом для термогенеза НДТ являются свободные жирные кислоты, значительное поглощение глюкозы в активную БАТ хорошо известно 5,6,7. Таким образом, мы наблюдаем падение уровня глюкозы в крови одновременно с термогенезом БАТ. Невозможно было бы наблюдать взаимный сдвиг в использовании субстрата (RER) и падение уровня глюкозы в крови натощак.
Предыдущие исследования пришли к выводу, что повышенный Tscf (измеренный IRT) достаточен для вывода о термогенезе BAT. Однако этот вывод достоверен только в том случае, если Tscf превышает внутреннюю температуру. Если Tscf меньше или равен внутренней температуре, то нельзя исключать локальное изменение температуры из-за усиления кожного кровотока. Систематический обзор пришел к выводу, что IRT сам по себе не может определить, связано ли повышение надключичной температуры кожи с термогенезомBAT 37. В обзоре отмечено, что наиболее распространенный метод (18F-FDG ПЭТ/КТ) измеряет поглощение глюкозы в BAT37. Однако предпочтительным субстратом для термогенеза НДТ являются жирные кислоты13. Эта методологическая проблема препятствует какому-либо значимому сравнению между данными ПЭТ/КТ при проверке данных IRT, поскольку ни одна из этих мер сама по себе не является подходящей мерой истинной метаболической активности НДТ, поскольку она не может указывать на изменение расхода энергии и использования субстрата из-за термогенеза НДТ. Тем не менее, с помощью протокола, описанного здесь, мы можем не только количественно оценить изменение температуры, но и подтвердить увеличение расхода энергии - ключевой физиологический результат термогенеза БАТ. IRT - это бесконтактный, неинвазивный и относительно недорогой метод измерения температуры и изменений температуры, связанных с термогенезом BAT. Напротив, ПЭТ-КТ является дорогостоящей и подвергает людей воздействию ионизирующего излучения, что ограничивает применимость этого метода небольшими ретроспективными анализами клинических исследований визуализации. Применение нынешнего протокола к крупномасштабным рандомизированным клиническим испытаниям было бы относительно простым и экономически эффективным.
Важно отметить, что снижение окисления углеводов после вмешательства кофеина можно объяснить переключением использования субстрата в результате увеличения термогенеза БАТ из-за вмешательства. Измерения передачи сигналов инсулина сделают результаты этого исследования более надежными. Однако на основании результатов этого исследования неясно, повлияет ли кофеин на передачу сигналов инсулина посредством действия на БАТ или падение уровня глюкозы в крови является результатом того, что БАТ поглощает больше энергетических субстратов.
Метод 18F-FDG PET/CT имеет ряд неотъемлемых ограничений, когда он используется для количественной оценки и измерения физиологической активности НИМ, особенно при исследовании влияния питательных веществ или пищевых ингредиентов на активность НДТ. Метод 18ПЭТ/КТ F-FDG требует, чтобы испытуемые голодали, чтобы избежать увеличения поглощения глюкозы мышечной тканью, вызванного кормлением, что может значительно снизить обнаружение как BAT, так и функцииBAT 38. Кроме того, этот метод сам по себе не может измерить физиологическое воздействие или степень активации BAT. Кроме того, использование ионизирующего излучения в исследованиях ПЭТ-визуализации является этическим препятствием, а также препятствием для здоровья и безопасности при разработке перекрестных исследований с повторными измерениями. Кроме того, 18F-FDG представляет собой только поглощение глюкозы, что не то же самое, что измерение метаболизма глюкозы. Этот метод загрузки углеводами испытуемых перед измерением температуры BAT и сочетание уровней глюкозы в крови с косвенной калориметрией позволяет нам строго измерить физиологическое воздействие термогенеза и измененного использования субстрата, которое в противном случае было бы недоступно в состоянии натощак.
Сильные и слабые стороны
Этот протокол имеет более широкие последствия, чем просто изучение НДТ. У участников с углеводной нагрузкой до вмешательства могут наблюдаться колебания уровня глюкозы в крови в ответ как на углеводную нагрузку, так и на кофеиновое вмешательство, а также изменения в использовании субстрата. Таким образом, этот метод может быть использован для улучшения исследований непрямой калориметрии человека и метаболических показателей. Пока неизвестно, могут ли результаты этого исследования быть воспроизведены после других вмешательств, таких как воздействие холода или адренергическая стимуляция. Тем не менее, результаты этого исследования были воспроизведены после вмешательства с другим диетическим ингредиентом, а именно Capsicum annuum27. Дополнительная строгость и уверенность в результатах могут быть достигнуты с помощью двойного слепого подхода к анализу вмешательств с использованием описанных методов, и это может быть легко реализовано27.
Потенциальная путаница с различной комнатной температурой не имеет значения в этом протоколе, поскольку комнатная температура поддерживалась стабильной от участника к участнику. Дополнительно учитывалась влажность при калибровке анализатора дыхательных газов. Это подразумевается при настройке этого оборудования, так как калибровка выполняется в соответствии с инструкциями производителя.
Временные интервалы для измерения и лечения были определены после небольшого пилотного исследования, в ходе которого было проведено устранение неполадок протокола. По сути, временные интервалы для измерения были определены на основе времени, необходимого исследователю для выполнения измерений, и для комфорта участника. Время вмешательства было определено на основе времени, необходимого для того, чтобы произошел углеводный обмен после углеводной нагрузки, чтобы исследовать, увеличивает ли вмешательство окисление свободных жирных кислот (т.е. термогенез BAT) и снижает ли окисление углеводов.
Примечательно, что существуют различия между капиллярным и венозным уровнями глюкозы39. Однако в контексте внебольничной помощи наиболее распространенным способом измерения уровня глюкозы в крови является образец крови капиллярного происхождения, анализируемый с помощью портативного глюкометра40 в месте оказания медицинской помощи. Кроме того, у здоровых людей (аналогичных тем, которые включены в этот протокол) в доклинических условиях существует статистически значимая, но не клинически значимая разница между уровнями глюкозы в капиллярной и венозной крови при измерении с помощью капиллярного глюкометра41 в месте оказания медицинской помощи. В этом контексте отбор проб капилляров останется оптимальным подходом в связи с тем, что большинство глюкометров в местах оказания медицинской помощи, доступных на рынке, предназначены для анализа образцов капиллярной крови41. С клинической точки зрения можно утверждать, что уровень глюкозы в венозной крови является лучшим методом анализа. Однако забор венозной крови не только дорог и требует специализированного оборудования (там же), но и является инвазивным. Этические соображения увеличения риска нежелательных явлений во время протокола должны быть сбалансированы с опубликованной литературой, показывающей высокую корреляцию и надежность уровня глюкозы в капиллярной крови в качестве косвенного показателя уровня глюкозы в венозной крови42. Ключевым моментом здесь, конечно, является то, что мы намеревались не диагностировать диабет, а измерять изменения уровня глюкозы в крови, для чего капиллярный мониторинг уровня глюкозы в крови является более чем подходящим протоколом.
Глюкоза может индуцировать термогенез, а однократные приемы пищи могут активировать BAT43. Однако, что весьма важно, данные, включенные в эту рукопись, не показывают существенного влияния нагрузки глюкозой в группе вмешательства или группе плацебо. Кроме того, данные, включенные в рукопись, были получены из результатов Van Schaik et al., которые включали третье вмешательство (Capsicum annuum), и нагрузка глюкозой не оказала существенного влияния на показатели27.
Следует отметить, что этот протокол использовался только у участников мужского пола с низким содержанием жира в организме и активной БАТ (для уменьшения количества контролируемых переменных женщины были исключены из исследования). Существует известная обратная корреляция между ожирением и массой НДТ у людей44. Кроме того, известно, что ранее страдающие ожирением люди, которые похудели с помощью диеты и физических упражнений, имеют более низкую базальную скорость метаболизма и должны потреблять низкокалорийные диеты для поддержания нормального веса45,46. Кроме того, активность НДТ может стимулировать ростНДТ 8. Метод, описанный здесь, позволит проводить долгосрочные исследования для изучения изменений активности BAT, связанных с метаболическими заболеваниями, способом, недоступным для других методов.
Заключение
В заключение мы демонстрируем подход к измерению количественной оценки активности бурой жировой ткани человека с использованием IRT и непрямой калориметрии после углеводной нагрузки. Критические шаги включают в себя: 1) углеводную загрузку участников, которые находятся в состоянии голодания до измерения температуры ВАТ, при сочетании косвенной калориметрии и уровней глюкозы в крови, чтобы позволить количественно оценить физиологическую степень термогенеза БАТ и измененное использование субстрата; 2) оценка соответствующих депо ИРТ НДТ и температур от контрольной точки и внутренней температуры, чтобы продемонстрировать любое увеличение Tscf, которое будет указывать на активацию НДТ на основе анатомического расположения. Мы считаем, что эти количественные измерения позволяют более точно оценить вклад НДТ в энергетический обмен и терморегуляцию взрослого человека. Этот тщательный подход должен быть использован исследователями для изучения физиологии БАТ и служить новым стандартом для разработки подходов к активации БАТ человека в будущем.
Disclosures
У авторов нет конфликтов интересов, которые необходимо раскрывать.
Acknowledgments
Мы хотели бы поблагодарить всех добровольцев исследования за их участие в нашем исследовании. Эта работа была поддержана Исследовательской инициативой Холсуорта, Университетом Ла Троб и Институтом оборонных наук (DSI, Австралия).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Automated Sphygmomanometer | Omron SEM-2 advanced, Omron, Kyoto, Japan | ||
| Dual-energy X-ray absorptiometry scanner | Hologic Horizon, Hologic Inc., Bedford, MA, USA | ||
| ECG electrodes | Ambu Blue Sensor R, Malaysia | ||
| Five lead ECG | Medilog AR12 plus; Schiller, Germany | ||
| FLIR E60 camera | FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia | ||
| FLIR Research Studio Professional Edition | FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia | ||
| Freestyle Optium Xceed | Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada | ||
| Glucose Gel | Winners Sports Nutrition, Mt Martha, Victoria, Australia | ||
| MaskA cold-sterilized silicone mask | 7400 series Oro-Nasal Mask, Hans Rudolph | ||
| Medilog Darwin2 software | Professional; Schiller, Germany | ||
| Non-contact Infrared Thermometer | Berrcom, JXB-178, Guangdong, China | ||
| Optium Glucose Strip Xceed | Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada | ||
| ParvoMedics TrueOne 2400 respiratory gas analyser | ParvoMedics Inc, East Sandy, UT, USA | ||
| Pre-sterilized Non-rebreathing Valve | Two-way non-rebreathing valve T-Shape configuration, 2600 Medium or 2700 Large, Hans Rudolph |
References
- Cypess, A. M., et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. The New England. Journal of Medicine. 360 (15), 1509-1517 (2009).
- van Marken Lichtenbelt, W. D., et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. The New England Journal of Medicine. 360 (15), 1500-1508 (2009).
- Virtanen, K. A., et al. Functional brown adipose tissue in healthy adults. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1518-1525 (2009).
- Abreu-Vieira, G., Xiao, C., Gavrilova, O., Reitman, M. L. Integration of body temperature into the analysis of energy expenditure in the mouse. Molecular Metabolism. 4 (6), 461-470 (2015).
- Orava, J., et al. Different metabolic responses of human brown adipose tissue to activation by cold and insulin. Cell Metabolism. 14 (2), 272-279 (2011).
- Chen, K. Y., et al. Brown fat activation mediates cold-induced thermogenesis in adult humans in response to a mild decrease in ambient temperature. Journal of Clinical Endocrinology Metabolism. 98 (7), 1218-1223 (2013).
- Ouellet, V., et al. Brown adipose tissue oxidative metabolism contributes to energy expenditure during acute cold exposure in humans. The Journal of Clinical Investigation. 122 (2), 545-552 (2012).
- Van Schaik, L., Kettle, C., Green, R., Irving, H., Rathner, J. Effects of caffeine on brown adipose tissue thermogenesis and metabolic homeostasis: A review. Frontiers in Neuroscience. 15, 54 (2021).
- Lee, P., et al. Temperature-acclimated brown adipose tissue modulates insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (11), 3686 (2014).
- Heaton, J. M. The distribution of brown adipose tissue in the human. Journal of Anatomy. 112 (1), 35-39 (1972).
- Sievers, W., et al. Innervation of supraclavicular adipose tissue: A human cadaveric study. PLoS One. 15 (7), 0236286 (2020).
- Chondronikola, M., Beeman, S. C., Wahl, R. L. Non-invasive methods for the assessment of brown adipose tissue in humans. The Journal of Physiology. 596 (3), 363-378 (2018).
- Carpentier, A. C., et al. Brown adipose tissue energy metabolism in humans. Frontiers in Endocrinology. 9, 447 (2018).
- Raiko, J., et al. Human brown adipose tissue [15O] O2 PET imaging in the presence and absence of cold stimulus. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 43 (10), 1878-1886 (2016).
- Blondin, D. P., et al. Selective impairment of glucose but not fatty acid or oxidative metabolism in brown adipose tissue of subjects with type 2 diabetes. Diabetes. 64 (7), 2388-2397 (2015).
- Blondin, D. P., et al. Dietary fatty acid metabolism of brown adipose tissue in cold-acclimated men. Nature Communications. 8, 14146 (2017).
- Lahesmaa, M., et al. Regulation of human brown adipose tissue by adenosine and A2A receptors-studies with [15O] H2O and [11C] TMSX PET/CT. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 46 (3), 743-750 (2019).
- Koskensalo, K., et al. Human brown adipose tissue temperature and fat fraction are related to its metabolic activity. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 102 (4), 1200-1207 (2017).
- Gifford, A., Towse, T. F., Walker, R. C., Avison, M. J., Welch, E. B. Characterizing active and inactive brown adipose tissue in adult humans using PET-CT and MR imaging. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism. 311 (1), 95-104 (2016).
- Law, J., et al. Thermal imaging is a noninvasive alternative to PET/CT for measurement of brown adipose tissue activity in humans. Journal of Nuclear Medicine. 59 (3), 516-522 (2018).
- Brasil, S., et al. A systematic review on the role of infrared thermography in the brown adipose tissue assessment. Reviews in Endocrine and Metabolic Disorders. 21 (1), 37-44 (2020).
- Velickovic, K., et al. Caffeine exposure induces browning features in adipose tissue in vitro and in vivo. Scientific Reports. 9 (1), 9104 (2019).
- Pérez, D. I. V., et al. Physically active men with high brown adipose tissue activity showed increased energy expenditure after caffeine supplementation. Journal of Thermal Biology. 99, 103000 (2021).
- Symonds, M. E., et al. Thermal imaging to assess age-related changes of skin temperature within the supraclavicular region co-locating with brown adipose tissue in healthy children. The Journal of Pediatrics. 161 (5), 892-898 (2012).
- Salem, V., et al. Glucagon increases energy expenditure independently of brown adipose tissue activation in humans. Diabetes, Obesity and Metabolism. 18 (1), 72-81 (2016).
- Lee, P., et al. Hot fat in a cool man: Infrared thermography and brown adipose tissue. Diabetes, Obesity and Metabolism. 13 (1), 92-93 (2011).
- Van Schaik, L., et al. Both caffeine and Capsicum annuum fruit powder lower blood glucose levels and increase brown adipose tissue temperature in healthy adult males. Frontiers in Physiology. 13, 870154 (2022).
- Van Schaik, L., et al. but not anxiogenic, doses of caffeine act centrally to activate interscapular brown adipose tissue thermogenesis in anesthetized male rats. Scientific Reports. 11 (1), 113 (2021).
- McNeill, B. T., Morton, N. M., Stimson, R. H. Substrate utilization by brown adipose tissue: What's hot and what's not. Frontiers in Endocrinology. 11, 571659 (2020).
- Schmidt-Nielsen, K. Animal Physiology: Adaptation and Environment. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (1997).
- Peronnet, F., Massicotte, D. Table of nonprotein respiratory quotient: An update. Canadian Journal of Sport Sciences. 16 (1), 23-29 (1991).
- Galgani, J. E., Ryan, D. H., Ravussin, E. Effect of capsinoids on energy metabolism in human subjects. British Journal of Nutrition. 103 (1), 38-42 (2010).
- Ohnuki, K., et al. CH-19 sweet, a non-pungent cultivar of red pepper, increased body temperature and oxygen consumption in humans. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 65 (9), 2033-2036 (2001).
- Wang, Q., et al. Brown adipose tissue activation is inversely related to central obesity and metabolic parameters in adult human. PLoS One. 10 (4), 0123795 (2015).
- Vijgen, G. H., et al. Brown adipose tissue in morbidly obese subjects. PLoS One. 6 (2), 17247 (2011).
- Cunningham, J. Calculation of energy expenditure from indirect calorimetry: Assessment of the Weir equation. Nutrition. 6 (3), 222-223 (1990).
- Jimenez-Pavon, D., et al. Infrared thermography for estimating supraclavicular skin temperature and BAT activity in humans: A systematic review. Obesity. 27 (12), 1932-1949 (2019).
- Roman, S., et al. Brown adipose tissue and novel therapeutic approaches to treat metabolic disorders. Translational Research. 165 (4), 464-479 (2015).
- Sirohi, R., Singh, R. P., Chauhan, K. A comparative study of venous and capillary blood glucose in a tertiary care hospital. Indian Journal of Public Health Research and Development. 11 (7), 740 (2020).
- Funk, D. L., Chan, L., Lutz, N., Verdile, V. P. Comparison of capillary and venous glucose measurements in healthy volunteers. Prehospital Emergency Care. 5 (3), 275-277 (2001).
- Topping, J., et al. A comparison of venous versus capillary blood samples when measuring blood glucose using a point-of-care, capillary-based glucometer. Prehospital and Disaster Medicine. 34 (5), 506-509 (2019).
- Akinbami, F., et al. Tale of two sites: capillary versus arterial blood glucose testing in the operating room. The American Journal of Surgery. 203 (4), 423-427 (2012).
- Saito, M., Matsushita, M., Yoneshiro, T., Okamatsu-Ogura, Y. Brown adipose tissue, diet-induced thermogenesis, and thermogenic food ingredients: from mice to men. Frontiers in Endocrinology. 11, 222 (2020).
- Yoneshiro, T., et al. Age-related decrease in cold-activated brown adipose tissue and accumulation of body fat in healthy humans. Obesity. 19 (9), 1755-1760 (2011).
- Fothergill, E., et al. Persistent metabolic adaptation 6 years after "The Biggest Loser" competition. Obesity. 24 (8), 1612-1619 (2016).
- Hall, K. D. Energy compensation and metabolic adaptation: "The Biggest Loser" study reinterpreted. Obesity. 30 (1), 11-13 (2021).
