Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Brug af en kombination af indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkerniveauer til måling af brun fedtvævstermogenese hos mennesker

Published: June 2, 2023 doi: 10.3791/64451
Automatic Translation
1,3, 1, 1, 1, 1,2
1La Trobe Institute for Molecular Science, Department of Rural Clinical Sciences, La Trobe University, 2School of Biomedical Sciences, Department of Physiology, The University of Melbourne, 3Melbourne Medical School, Department of Rural Health, The University of Melbourne

Summary

Her præsenterer vi en protokol til kvantificering af den fysiologiske betydning af virkningen af brunt fedtvæv (BAT) aktivitet på menneskelig metabolisme. Dette opnås ved at kombinere kulhydratbelastning og indirekte kalorimetri med målinger af supraklavikulære temperaturændringer. Denne nye tilgang kan hjælpe med at udvikle et farmakologisk mål for BAT-termogenese hos mennesker.

Abstract

Hos pattedyr aktiveres brunt fedtvæv (BAT) hurtigt som reaktion på kulde for at opretholde kropstemperaturen. Selvom BAT er blevet undersøgt meget i små dyr, er det vanskeligt at måle aktiviteten af BAT hos mennesker. Derfor er der lidt kendt om BAT's varmegenererende kapacitet og fysiologiske betydning hos mennesker, herunder i hvilken grad komponenter i kosten kan aktivere BAT. Dette skyldes begrænsningerne i den aktuelt mest anvendte metode til vurdering af aktiveringen af BAT-radioaktivt mærket glucose (fluorodeoxyglucose eller 18FDG) målt ved positronemissionstomografi-computeriseret tomografi (PET-CT).

Denne metode udføres normalt hos fastende forsøgspersoner, da fodring inducerer glukoseoptagelse i musklerne, hvilket kan maskere glukoseoptagelsen i BAT. Dette papir beskriver en detaljeret protokol til kvantificering af totalkroppens menneskelige energiforbrug og substratudnyttelse fra BAT-termogenese ved at kombinere indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkerovervågning hos kulhydratbelastede voksne mænd. For at karakterisere den fysiologiske betydning af BAT er målinger af virkningen af BAT-aktivitet på menneskers sundhed kritiske. Vi demonstrerer en protokol for at opnå dette ved at kombinere kulhydratbelastning og indirekte kalorimetri med målinger af supraklavikulære temperaturændringer. Denne nye tilgang vil hjælpe med at forstå fysiologien og farmakologien af BAT-termogenese hos mennesker.

Introduction

Brunt fedtvæv (BAT) adskiller sig især fra hvidt fedtvæv (WAT) i dets mitokondrieindhold, sympatisk innervering, multilokulære lipiddråber, varmegenererende evne og anatomisk fordeling. BAT blev anset for kun at eksistere hos spædbørn og små pattedyr indtil bekræftelsen af dets tilstedeværelse hos voksne mennesker i 2009 1,2,3. Indtil relativt nylig er BAT's rolle i human fysiologi og metabolisk homeostase således blevet dårligt forstået. Omfattende undersøgelser af små dyr har vist, at under kuldeeksponering skyldes mere end halvdelen af stofskiftet BAT4's ikke-rystende termogene evne. Flere undersøgelser har vist, at ved mild kuldeeksponering (17-18 °C) korrelerer stigninger i energiforbrug og glukoseoptagelse i BAT stærkt med BAT-termogenese hos mennesker 5,6,7. Desuden kan BAT-termogenese bidrage med op til 10% af hvileenergiforbruget hos mennesker under kold eksponering (for en gennemgang, se Van Schaik et al.8). Undersøgelse af BAT's fysiologi og indvirkning på menneskers sundhed og sygdom er i øjeblikket begrænset af protokolbegrænsninger. Det er derfor vigtigt at have en nøjagtig metode til måling af den sande metaboliske virkning af BAT for bedre at forstå virkningen af BAT-termogenese på fedme og dens metaboliske komplikationer hos mennesker.

Den anatomiske fordeling af human BAT gør det udfordrende at opnå nøjagtige målinger af BAT. Hos mennesker fordeles BAT inde i depoterne hos WAT i maven, brystkassen og især halsen9. Obduktion og kadaveriske undersøgelser er blevet brugt til at karakterisere BAT anatomisk10,11, men disse metoder kan ikke give funktionel information. Det er en udfordring at skelne mellem BAT ved hjælp af konventionelle billeddannelsesteknikker på grund af de tilsvarende tætheder af WAT og BAT8. Et yderligere forvirrende problem er, at beige fedtdepoter også er placeret inden for de samme smalle lag af fascia eller i visse depoter med WAT8, hvilket gør det udfordrende at skelne ved hjælp af konventionelle billeddannelsesteknikker.

For at løse dette problem måles BAT-volumenet typisk ved at kombinere positronemissionstomografi (PET) og computertomografi (CT). Den radioaktivt mærkede glukoseanalog 18 F-fluourodeoxyglucose (18F-FDG) er det mest almindelige sporstof, der anvendes til undersøgelse af BAT12. Det lider dog flere begrænsninger, såsom at udsætte emner for ioniserende stråling og være invasiv og dyr. Derudover er den største begrænsning ved 18F-FDG-sporstoffet, at det måler optagelsen af en glukoseanalog, hvilket ikke er ideelt, da frie fedtsyrer er de foretrukne substrater for BAT-termogenese13. 18F-FDG PET/CT-teknikken måler ikke optagelsen af frie fedtsyrer som substrat for termogenese og måler derfor ikke den fysiologiske betydning af BAT-termogenese. Der er alternative teknikker, der anvendes til at vurdere human BAT, som omfatter måling af optagelsen af ilt-15-mærket vand (15O-O2) 14,11 C-acetat 15, en langkædet fedtsyre (18 F-fluor-6-thia-heptadecansyre)16 eller adenosin 17 samt magnetisk resonansspektroskopi 18 og magnetisk resonansbilleddannelse 19, men disse er stadig ekstremt dyre og udsætter forsøgspersoner for ioniserende stråling. Derfor mangler der en pålidelig, billig og vigtigst sikker guldstandard til kvantificering af human BAT.

Infrarød termografi (IRT) er en alternativ ikke-invasiv billeddannelsesteknik20,21, der måler hudtemperaturen over et kendt BAT-depot. Mens dette udleder øget energiforbrug, hvis den målte temperatur ikke overstiger kernetemperaturen, kan det ikke bestemmes, om den målte temperaturændring simpelthen er en konsekvens af ændret blodgennemstrømning. Desuden giver en målt stigning i lokal temperatur ikke værdier for ændret energiforbrug, hvilket ofte er det ønskede endepunkt. En række forskergrupper har brugt IRT til at måle en stigning i temperaturen i depoter af human BAT efter en koffeinintervention eller kold stimulus; Dette depot er den supraklavikulære fossa 22,23,24,25,26,27.

Det er imidlertid ikke klart, om virkningen af koffein på BAT er direkte eller medieret via neurale kredsløb. Der er tegn på, at koffein inducerer bruningsfunktioner i adipocytter in vitro22, og tidligere arbejde har vist, at koffein (100 mg) øger hjertefrekvensvariationen, hvilket kan være en indikator for en stigning i sympatisk nervedrev systemisk i kroppen27. Dette er i overensstemmelse med beviser hos gnavere, hvor koffein via centralnervesystemet øger termogenesen uden en negativ kardiodynamisk indvirkning28.

Da det foretrukne substrat for BAT-termogenese er frie fedtsyrer afledt af triglycerider13 og aktive BAT-sekvestrere, der cirkulerer lipider for at opretholde termogenese29, er målinger af substratudnyttelse vigtige for vurderingen af den fysiologiske aktivering af BAT. Respirationsudvekslingsforholdet (RER) er forholdet mellem mængden af forbrugt ilt (V̇O2) og produceret kuldioxid (V̇CO2)30. En RER på 0,7 er vejledende for fedtsyremetabolisme, og en RER på 1,0 er vejledende for kulhydratmetabolisme31. Derfor er bevis for en præference for fedtsyreudnyttelse ud over en stigning i energiforbruget et centralt korrelat af BAT-termogenese.

Da optagelsen af glucose er et kendt korrelat af BAT-aktivitet (se ovenfor), er et fald i blodglukose parallelt med ændringen i substratudnyttelse desuden nøglekorrelater af BAT-termogenese. Tidligere undersøgelser, der anvender indirekte kalorimetri alene eller sammen med temperaturregistrering hos fastende individer, har rapporteret ringe eller ingen akut ændring i substratudnyttelsen32,33. Da dette sandsynligvis maskeres af fastende tilstand (hvor præabsorptiv metabolisme favoriserer fedtudnyttelse), foreslår vi at kombinere IRT og indirekte kalorimetri med kulhydratbelastning.

Denne artikel har til formål at give en trinvis tilgang, som kliniske forskere kan bruge til pålideligt og vigtigt sikkert at kvantificere den fysiologiske betydning af BAT hos mennesker ved at kombinere IRT, indirekte kalorimetri og blodsukkerniveauer. Denne teknik bruges bedst, efter at forsøgspersoner er blevet kulhydratbelastet og udsat for enten farmakologiske BAT-midler eller miljømæssige stimuli. Resultaterne af denne fremgangsmåde kan bruges til at studere BAT-aktivitet, substratudnyttelse og energiforbrug efter aktivering af BAT hos individuelle forsøgspersoner27.

Protocol

Alle deltagere (n = 8) gav skriftligt informeret samtykke, og alle eksperimenter blev godkendt af universitetets humanetiske komité; data blev afledt af Van Schaik et al.27.

1. Installation af udstyr og software

  1. Mål fedtmassen via røntgenabsorptiometri med dobbelt energi (DXA) i henhold til Van Schaik et al.27.
  2. Anslå substratudnyttelsen og energiforbruget fra udløbet gas; Mål dette ved hjælp af en åndedrætsgasanalysator i henhold til producentens retningslinjer.
  3. Indsaml blodprøver via finger (kapillær) punktering, og bestem blodsukkerniveauet ved hjælp af et glucometer i henhold til producentens retningslinjer.
  4. Brug et berøringsfrit infrarødt termometer til at bestemme målinger af kernekropstemperaturen i henhold til producentens retningslinjer (fejlen på denne enhed er ±0,2 ° C).

2. Procedurer forud for deltagerbesøgene

  1. Screene alle deltagerne for deres sundhedsstatus.
  2. Indstil følgende udelukkelseskriterier: et kropsmasseindeks på >30 kg / m2 (på grund af at BAT-aktivitet er omvendt korreleret med fedme34,35, deltagere, der bruger ordineret medicin og diabetes mellitus.
  3. Før eller efter testsessionen skal du sikre dig, at deltagerne gennemgår en DXA-scanning for at måle deres fedtmasse, da BAT-aktivitet er omvendt korreleret med fedme34,35.
  4. I 24 timer før du ankommer til undersøgelsen, skal du sikre dig, at deltagerne afholder sig fra enhver anstrengende øvelse eller aktivitet og vandfaster i 10 timer, før de ankommer til laboratoriet.

3. Procedurer på studiedagen

  1. Sørg for, at rumtemperaturen, hvor dataene indsamles, er indstillet til en konstant temperatur for at minimere eksterne forstyrrelser på grund af forskelle i stuetemperatur.
    BEMÆRK: Dette kan resultere i forkerte termiske eller metaboliske målinger. Til dette forsøg blev der anvendt et temperaturkontrolleret rum opretholdt ved 22 °C under termiske neutrale forhold.
  2. Bed deltagerne om at ankomme til laboratoriet kl. 08:00 for at redegøre for daglige hormonrytmer.
  3. Mål deltagernes højde og vægt.
  4. Bed deltagerne om at ligge på en sokkel i mindst 30 minutter, før baselinemålingerne tages.
  5. Over en periode på 120 minutter måles deltagernes IRT, indirekte kalorimetri, blodsukker og kernetemperatur hvert 15. minut efter udløbetO2- og CO2-prøveudtagning (figur 1).
  6. Efter baseline-målingerne skal du sikre dig, at deltagerne er kulhydratbelastede gennem indtagelse af tre kulhydratgeler (90 g glukose hver) mellem tidspunkterne 0 min og 15 min.
  7. Sørg for, at deltagerne indtager behandlingen 45 min efter kulhydratbelastningen. For at følge denne protokol, bruge 100 mg koffein kapsler som intervention27.
    BEMÆRK: Der kræves en udvaskningsperiode på 7 dage mellem intervention og placebo, hvilket betyder, at der kræves en periode på 7 dage mellem koffein og placebobehandling.

4. Indirekte kalorimetri

  1. Anslå energiforbruget og substratudnyttelsesværdierne fra den udløbne gas, målt ved hjælp af en respiratorisk gasanalysator. Fuldfør kalibreringen af åndedrætsgasanalysatoren ved at følge fabrikantens anvisninger.
  2. Monter den koldsteriliserede silikonemaske til deltageren for at tillade levering af rumluft og erhvervelse af metaboliske data. Sørg for, at masken er udstyret med en præsteriliseret ikke-genindåndingsventil (tovejs ikke-genindåndingsventil), og fastgør den på deltagerens ansigt med en maskefastgørelse, og kontroller for lækager.
  3. Sørg for, at de inspirerende og ekspiratoriske rør er forbundet.
  4. Eksporter den digitale datafil i regnearksformat.
  5. Prøve den udløbneO2 og CO2med 5 s gennemsnit. Dette måler energiforbruget og respirationsudvekslingsforholdet (figur 1). Fjern ansigtsmasken for at fuldføre de yderligere foranstaltninger.
  6. Beregn substratoxidationshastighederne (kulhydrat- og lipidoxidation) og det samlede energiforbrug ved hjælp af ikke-protein-Weir-ligningerne 1-331,36:
    Fedtoxidationshastighed (g / min-1) = (1,695 VO 2)-(1,701 VCO2) (1)
    Kulhydratoxidationshastighed (g / min-1) = (4,585 VCO 2) -(3,226 VO 2) (2)
    Energiforbrug (kcal/min) = (3,94 × VO 2)+ (1,1 × VCO2) (3)

5. Plasma-blodsukkermålinger

  1. Udfør blodsukkermålinger via fingerprik og et glucometer efter hver runde af udløbne gasmålinger (figur 2).

6. Kernetemperatur

  1. Kernetemperaturen (Tcore) registreres efter hver runde af udløbne gasmålinger. Ideelt set måles kernetemperaturen enten rektalt eller intraauralt (figur 2).
    BEMÆRK: På grund af COVID-19-sikker praksis skal du minimere person-til-person-kontakt.
  2. Sørg for, at deltagerne ligger på ryggen og hovedet er i neutral position. Ret konsekvent det berøringsfri termometer mod midten af deltagerens pande.

7. Infrarød termografi

  1. IRT udføres efter hver runde af udløbne gasmålinger (figur 2).
  2. Bed deltagerne om at sidde op i oprejst stilling og se lige frem med brystområdet til halsregionen udsat (figur 3).
  3. Brug et termisk billedkamera til at få infrarøde billeder af den forreste hals og øvre brystregion.
    1. Placer kameraet på et stativ i niveau med halsen 1 m fra motivets ansigt (figur 4D). Brug følgende indstillinger: detektortype = ukølet mikrobolometer; detektorhøjde = 17 μm; kameraspektralområde = 7,5-14,0 μm; termisk følsomhed = 20 mK ved 30 °C linser = 36 mm; opløsning = 1.024 pixels x 768 pixels.
    2. Tænd kameraet.
    3. Juster kameraets fokus ved at dreje fokusringen.
      BEMÆRK: Det er meget vigtigt at justere fokus korrekt. Forkert fokusjustering påvirker temperaturmålingen.
    4. Ret laserpegepinden mod midterlinjen af deltagerens hals.
    5. Tag billedet.
      BEMÆRK: Billedet gemmes automatisk, hvis der bruges et hukommelseskort.

8. Billedanalyse

  1. Vælg tre områder af den forreste thorax og hals til analyse af overfladetemperaturen: bilateralt huden over BAT i supraklavikulær fossa (SCF) og den laterale region af halsen, med brystområdet betragtet som et kontrolreferencepunkt (Tref), da dette område ikke indeholder BAT (figur 4A-C).
  2. Placer trekantede interesseområder (ROI'er) i venstre og højre SCF-områder og et cirkulært ROI over brystregionen.
  3. Når de krævede regioner er blevet tværplaceret, skal du bekræfte, at softwaren viser gennemsnits- og standardafvigelsen for temperaturen for hvert valgt område.

9. Analyse af data

  1. Brug en dobbeltblind tilgang til analyse af interventionerne ved hjælp af de beskrevne teknikker. Få en forsker, der ikke er involveret i dataindsamlingen eller analysen, til at kode interventionerne generisk.
  2. Udfør den statistiske analyse.
    1. Beregn gennemsnit for IRT, kernetemperatur og blodsukkerdata fra det målte enkelttidspunkt.
    2. Beregn gennemsnit for RER, fedtoxidation, kulhydratoxidation og energiforbrug i 10 minutters epoker.
    3. For energiudgifter summeres energiudgiftssatsen for hver gruppe, og den opdeles i før og efter intervention.
      BEMÆRK: Se Van Shaik et al. for statistiske tests for at analysere dataene27.

Representative Results

Figur 1 og figur 2 viser et rutediagram over undersøgelsesdesignet. Billeder af protokolopsætningen er vist i figur 3. Deltagerkarakteristika findes i tabel 1. Repræsentative eksempler på IRT af billederne af en deltager, herunder baseline (figur 4A), postkulhydratbelastning (figur 4B) og 60 minutter efter koffeintilskud (figur 4C) med et repræsentativt billede af kameraopsætningen, er vist i figur 4D. Især figur 4A-C giver en visuel repræsentation af ændringerne i supraklavikulær fossatemperatur (Tscf) efter interventionen; temperaturforskellene er særligt markante mellem figur 4B og figur 4C.

I figur 5A-C viser resultaterne fra Van Schaik et al. Tscf (figur 5A), temperaturen på et referencepunkt (Tref; Figur 5C) og kernetemperaturen (Tcore; Figur 5B) fra baseline (0 min) til afslutning af dataindsamlingen (120 min). Dataene viser en koffeinintervention sammenlignet med placebo27. Resultaterne beskrevet i dette manuskript er rent repræsentative for denne offentliggjorte artikel. Derudover viser dataene om Tscf ikke en gruppeeffekt. Statistikkerne findes i de supplerende data fra Van Schaik et al.27.

Den markante stigning i supraklavikulær temperatur falder sammen med ændringer i substratudnyttelse og hurtig sænkning af blodglukoseniveauerne efter interventionen, som vist i figur 6. Disse resultater kombineret med den manglende temperaturændring for Tref- og Tcore-temperaturerne (figur 5B, C) er tegn på BAT-termogenese. Når energiforbruget stiger (figur 6E), falder RER desuden (figur 6A), hvilket falder sammen med stigende fedtoxidation (figur 6B) efter interventionen.

Figure 1
Figur 1: Skematisk oversigt over foranstaltninger med tid til gennemførelse i hver 15 minutters periode. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Rutediagramskema for undersøgelsesdesignet. Eksperimentel proces. Sort firkant = tid for kulhydratbelastning; sort cirkel = tidspunkt for intervention. Forkortelser: IRT = infrarød termografi; BGL = blodsukkerniveau. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Repræsentative billeder af protokollen. (A) Opsætning uden deltagerens tilstedeværelse; B) dataindsamling af deltagerne ved baseline C) computer med indirekte kalorimetri D) deltager, der indtager kulhydratbelastningen efter baseline-målingerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Repræsentative eksempler på IRT- og kameraopsætning. Termiske billeder fra en deltager ved (A) baseline, (B) efter kulhydratbelastning og (C) 60 minutter efter intervention af koffein med (D) et repræsentativt billede af kameraopsætningen. Forkortelse: IRT = infrarød termografi. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Interventionens virkninger på temperaturmålingerne. Baseline rå temperaturændringer af (A) Tscf, (B) Tcore og (C) Tref hos deltagere efter en kulhydratbelastning (timepoint = 0) og administration af en koffeinintervention eller en placebokapsel (tid = 45 min til 120 min)27. Dette tal er ændret fra Van Schaik et al.27. (A-C) Lysegrå kasse 1 = tidspunkt for kulhydratbelastning; Tekstboks 2 = præintervention mørkegrå boks 3 = efter intervention; blå cirkler = koffeinintervention; sorte trekanter = placebointervention. Dataene udtrykkes som minimum til maksimum, med alle punkter vist i boksen og whisker plots. Variansen udtrykkes som gennemsnit ± SD, n = 8 pr. intervention; * repræsenterer koffeininteraktionseffekten (*p < 0,05). Dataværdierne blev analyseret ved hjælp af en trevejsanalyse af varians med gentagne målinger. Forkortelser: Tscf = temperatur i supraklavikulær fossa; Tcore = kernetemperatur; Tref = kontrolreferencepunkt. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Interventionens virkninger på metaboliske foranstaltninger. Ændringer i (A) RER, (B) fedtoxidationshastigheden, (C) kulhydratoxidationshastigheden, (D) blodsukkerniveauer og (E) energiforbrug hos deltagere efter en kulhydratbelastning (tid = 0) og administration af en koffeinkapsel eller en placebokapsel (tid = 45 min til 120 min). Lysegrå kasse 1 = tidspunkt for kulhydratbelastning; Tekstboks 2= præintervention mørkegrå boks 3 = efter intervention; blå cirkler = koffeinintervention; sorte trekanter = placebointervention. Dataene udtrykkes som minimum til maksimum, med alle punkter vist i boksen og whisker plots. E) før og efter administration af interventionerne grå bjælke = placebointervention; blå bjælke = koffeinintervention. Variansen udtrykkes som gennemsnit ± SD, n = 8 pr. intervention; * repræsenterer koffeininteraktionseffekten (*p < 0,05). Dataværdierne blev analyseret ved hjælp af en trevejsanalyse af varians med gentagne målinger. Klik her for at se en større version af denne figur.

Alle deltagere
n 8
Alder, år 22 ± 2
Højde, cm 176 ± 5
Vægt, kg 74 ± 8
BMI, kg/m2  23 ± 2
Kropsfedt, % 20 ± 8

Tabel 1: Demografi for deltagere. Værdierne er middel ± SD, medmindre andet er angivet. Denne tabel er fra Van Schaik et al.27.

Discussion

Den metode, vi har vist her, er en teknisk enkel, sikker og omkostningseffektiv protokol til måling af BAT-termogenese hos mennesker. Protokollen adresserer bekymringer relateret til pålideligheden af at bruge IRT alene til at skelne mellem lokal opvarmning på grund af ændret hudblodgennemstrømning og dybere opvarmning på grund af termogenese ved at korrelere IRT med både mål for energiforbrug (EE) og substratudnyttelse. Da denne teknik ikke bruger ioniserende stråling, tillader den analyse af gentagne foranstaltninger, hvilket ikke er muligt med PET-billeddannelsesteknikker. Endelig, mens PET-billeddannelsesteknikker kan identificere BAT-aktivering, rapporterer de ikke om de fysiologiske resultater (øget temperatur og EE), som denne protokol måler.

Styrken ved den her beskrevne protokol er, at der er fire bevislinjer, der understøtter konklusionen af fremkaldt BAT-termogenese: (1) øget målt Tscf parallelt med uændret kernetemperatur og stabil hudtemperatur over det tilstødende referenceområde; 2) øgede energiudgifter (3) en ændring i substratudnyttelsen; og (4) et fald i blodsukkerniveauet. De konvergerende observationer er alle i overensstemmelse med de forudsagte resultater for BAT-termogenese. Den væsentlige del af protokollen er deltagernes kulhydratbelastning for at sikre kulhydratmetabolisme før intervention. BAT-termogenese skifter substratmetabolisme fra kulhydrater til frie fedtsyrer, som det fremgår af faldet i RER. Mens det foretrukne substrat for BAT-termogenese er frie fedtsyrer, er en signifikant optagelse af glucose i aktiv BAT veletableret 5,6,7. Derfor observerer vi et fald i blodsukkerniveauet samtidig med BAT-termogenese. Det ville ikke være muligt at observere det gensidige skift i substratudnyttelse (RER) og faldet i blodsukkerniveauet i fastende tilstand.

Tidligere undersøgelser har konkluderet, at øget Tscf (målt ved IRT) er tilstrækkelig til at konkludere BAT-termogenese. Denne konklusion er dog kun sikker, hvis Tscf overstiger kernetemperaturen. Hvis Tscf er mindre end eller lig med kernetemperaturen, kan en lokal temperaturændring på grund af øget blodgennemstrømning i huden ikke udelukkes. En systematisk gennemgang konkluderede, at IRT alene ikke er i stand til at afgøre, om stigninger i supraklavikulær hudtemperatur skyldes BAT-termogenese37. Gennemgangen bemærkede, at den mest almindelige metode (18F-FDG PET/CT) måler optagelsen af glukose i BAT37. Det foretrukne substrat for BAT-termogenese er imidlertid fedtsyrer13. Dette metodologiske problem forhindrer enhver meningsfuld sammenligning mellem PET/CT-data ved validering af IRT-data, da ingen af disse mål alene er et passende mål for BAT's sande metaboliske aktivitet, da det ikke kan indikere ændringen i energiforbrug og substratudnyttelse som følge af BAT-termogenese. Ikke desto mindre kan vi med protokollen beskrevet her ikke kun kvantificere temperaturændringen, men vi kan også bekræfte en stigning i energiforbruget - et vigtigt fysiologisk resultat af BAT-termogenese. IRT er en kontaktfri, ikke-invasiv og relativt billig metode til måling af temperatur- og temperaturændringer forbundet med BAT-termogenese. I modsætning hertil er PET-CT dyrt og udsætter enkeltpersoner for ioniserende stråling, hvilket begrænser anvendeligheden af denne metode til små retrospektive analyser af kliniske billeddannelsesundersøgelser. Anvendelsen af den nuværende protokol på store, randomiserede kliniske forsøg ville være relativt enkel og omkostningseffektiv.

Det er vigtigt at bemærke, at faldet i kulhydratoxidation efter koffeinintervention kan forklares ved skiftet i substratudnyttelse som følge af øget BAT-termogenese på grund af interventionen. Målinger af insulinsignalering ville gøre resultaterne af denne undersøgelse mere robuste. Det er imidlertid ikke klart baseret på resultaterne af denne undersøgelse, om koffein vil påvirke insulinsignalering via virkning på BAT, eller om faldet i blodsukker er et resultat af, at BAT optager flere energisubstrater.

18F-FDG PET/CT-metoden har flere iboende begrænsninger, når den bruges til at kvantificere og måle den fysiologiske aktivitet af BAT, især når man undersøger næringsstoffers eller diætingrediensers indflydelse på BAT-aktivitet. 18F-FDG PET/CT-metoden kræver, at forsøgspersonerne fastes for at undgå fodringsinducerede stigninger i glukoseoptagelsen i muskelvævet, hvilket kan reducere påvisningen af både BAT- og BAT-funktionenbetydeligt 38. Desuden kan denne teknik alene ikke måle den fysiologiske virkning eller omfanget af BAT-aktivering. Derudover er brugen af ioniserende stråling i PET-billeddannelsesundersøgelser en etisk og sundheds- og sikkerhedsmæssig hindring for design af gentagne foranstaltninger cross-over-undersøgelser. Derudover repræsenterer 18F-FDG kun glukoseoptagelse, hvilket ikke er det samme som måling af glukosemetabolisme. Denne metode til kulhydratbelastningsemner inden måling af BAT-temperaturen og kombination af blodsukkerniveauer med indirekte kalorimetri giver os mulighed for nøje at måle den fysiologiske virkning af termogenese og ændret substratudnyttelse, som ellers ikke ville være tilgængelig i fastende tilstand.

Styrker og begrænsninger
Denne protokol har bredere implikationer end blot at studere BAT. Ved kulhydratbelastende deltagere før intervention kan svingningen af blodglukoseniveauer som reaktion på både kulhydratbelastning og koffeininterventionen samt ændringer i substratudnyttelse observeres. Derfor kan denne teknik bruges til at forbedre humane indirekte kalorimetriundersøgelser og metaboliske foranstaltninger. Det vides endnu ikke, om resultaterne fra denne undersøgelse kan replikeres efter andre interventioner, såsom kuldeeksponering eller adrenerg stimulering. Resultaterne af denne undersøgelse er imidlertid blevet gentaget efter intervention med en anden kostingrediens, nemlig Capsicum annuum27. Yderligere stringens og tillid til resultaterne kunne opnås ved hjælp af en dobbeltblind tilgang til analyse af interventioner ved hjælp af de beskrevne teknikker, og dette kunne let implementeres27.

Den potentielle forvirring af varieret stuetemperatur er ikke relevant i denne protokol, da rumtemperaturen blev holdt stabil fra deltager til deltager. Derudover blev fugtigheden taget i betragtning under kalibreringen af åndedrætsgasanalysatoren. Dette udledes i opsætningen af dette udstyr, da kalibrering udføres i henhold til producentens anvisninger.

Tidsintervallerne for måling og behandling blev bestemt efter en lille pilotundersøgelse, hvor fejlfinding af protokollen blev udført. I det væsentlige blev tidsintervallerne for måling bestemt ud fra den tid, der var nødvendig for forskeren at udføre målingerne og for deltagerens komfort. Tiden for interventionen blev bestemt ud fra den tid, det tog for kulhydratmetabolismen at forekomme efter kulhydratbelastningen for at undersøge, om interventionen øgede fri fedtsyreoxidation (dvs. BAT-termogenese) og sænkede kulhydratoxidation.

Især er der forskelle mellem kapillære og venøse glukoseniveauer39. I forbindelse med pleje uden for hospitalet er den mest almindelige måde, hvorpå blodsukkerniveauet måles, imidlertid via en blodprøve af kapillær oprindelse analyseret af et håndholdt, point-of-care glucometer40. Derudover er der hos raske individer (svarende til dem, der er inkluderet i denne protokol) i en ikke-klinisk indstilling en statistisk signifikant, men ikke klinisk signifikant forskel mellem kapillære og venøse blodglukoseniveauer, når de måles ved hjælp af et point-of-care, kapillærbaseret glucometer41. I denne sammenhæng vil kapillærprøvetagning fortsat være den optimale tilgang, fordi de fleste point-of-care glucometre, der er tilgængelige på markedet, er konstrueret til at analysere kapillære blodprøver41. Fra et klinisk perspektiv kan det hævdes, at venøs blodglukose er den overlegne analysemetode. Venøs blodprøvetagning er imidlertid ikke kun dyr og kræver specialudstyr (ibid), men det er også invasivt. De etiske overvejelser om at øge risikoen for bivirkninger under forsøgsprotokollen skal afvejes mod den rapporterede litteratur, der viser den høje korrelation og pålidelighed af kapillært blodglukose som et proxymål for venøs blodglucose42. Nøglen her er naturligvis, at vi ikke har sat os for at diagnosticere diabetes, men at måle ændringer i blodsukkerniveauet, for hvilket kapillær blodsukkerovervågning er en mere end passende protokol.

Glukose kan fremkalde termogenese, og enkeltmåltider kan aktivere BAT43. Imidlertid, og temmelig vigtigt, viser dataene i dette manuskript ingen signifikant effekt af glukosebelastning i interventionsgruppen eller placebogruppen. Desuden stammer dataene i manuskriptet fra resultaterne af Van Schaik et al., som omfattede en tredje intervention (Capsicum annuum), og glukosebelastningen havde ingen signifikant indvirkning på foranstaltningerne27.

Det skal bemærkes, at denne protokol kun er blevet anvendt til mandlige deltagere med lavt kropsfedt og aktiv BAT (for at reducere antallet af kontrollerbare variabler blev kvinder ekskluderet fra undersøgelsen). Der er en kendt omvendt korrelation mellem fedme og BAT-masse hos mennesker44. Derudover er det kendt, at tidligere overvægtige mennesker, der har tabt sig gennem kost og motion, har en lavere basal metabolisk hastighed og skal forbruge diæter med lavere kalorieindhold for at opretholde en normal vægt45,46. Desuden kan BAT-aktivitet stimulere BAT-vækst8. Den her beskrevne metode vil gøre det muligt for langtidsundersøgelser at undersøge ændringer i BAT-aktiviteten i forbindelse med metaboliske sygdomme på en måde, der ikke er muliggjort af andre teknikker.

Konklusion
Afslutningsvis demonstrerer vi en målemetode til kvantificering af human brun fedtvævsaktivitet ved hjælp af IRT og indirekte kalorimetri efter en kulhydratbelastning. De kritiske trin inkluderer 1) kulhydratbelastning af deltagerne, der er i fastende tilstand, inden måling af BAT-temperaturen, samtidig med at indirekte kalorimetri og blodglukoseniveauer kombineres for at muliggøre kvantificering af det fysiologiske omfang af BAT-termogenese og ændret substratudnyttelse; 2) vurdering af relevante IRT BAT-depoter og temperaturer fra et referencepunkt og kernetemperatur for at påvise enhver stigning i Tscf, der ville være tegn på BAT-aktivering baseret på den anatomiske placering. Vi mener, at disse kvantitative målinger giver mulighed for en mere nøjagtig evaluering af BAT's bidrag til voksnes menneskelige energimetabolisme og termoregulering. Denne grundige tilgang bør bruges af forskere til at studere BAT-fysiologi og tjene som en ny standard for udvikling af humane BAT-aktiveringsmetoder i fremtiden.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter at oplyse.

Acknowledgments

Vi vil gerne takke alle undersøgelsens frivillige for deres deltagelse i vores undersøgelse. Dette arbejde blev støttet af Holsworth Research Initiative, La Trobe University og Defence Science Institute (DSI, Australien).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Virtanen, K. A., et al. Functional brown adipose tissue in healthy adults. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1518-1525 (2009).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Lee, P., et al. Temperature-acclimated brown adipose tissue modulates insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (11), 3686 (2014).
  10. Heaton, J. M. The distribution of brown adipose tissue in the human. Journal of Anatomy. 112 (1), 35-39 (1972).
  11. Sievers, W., et al. Innervation of supraclavicular adipose tissue: A human cadaveric study. PLoS One. 15 (7), 0236286 (2020).
  12. 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).
  13. Carpentier, A. C., et al. Brown adipose tissue energy metabolism in humans. Frontiers in Endocrinology. 9, 447 (2018).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Blondin, D. P., et al. Dietary fatty acid metabolism of brown adipose tissue in cold-acclimated men. Nature Communications. 8, 14146 (2017).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Velickovic, K., et al. Caffeine exposure induces browning features in adipose tissue in vitro and in vivo. Scientific Reports. 9 (1), 9104 (2019).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Schmidt-Nielsen, K. Animal Physiology: Adaptation and Environment. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (1997).
  31. Peronnet, F., Massicotte, D. Table of nonprotein respiratory quotient: An update. Canadian Journal of Sport Sciences. 16 (1), 23-29 (1991).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Vijgen, G. H., et al. Brown adipose tissue in morbidly obese subjects. PLoS One. 6 (2), 17247 (2011).
  36. Cunningham, J. Calculation of energy expenditure from indirect calorimetry: Assessment of the Weir equation. Nutrition. 6 (3), 222-223 (1990).
  37. 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).
  38. Roman, S., et al. Brown adipose tissue and novel therapeutic approaches to treat metabolic disorders. Translational Research. 165 (4), 464-479 (2015).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. Fothergill, E., et al. Persistent metabolic adaptation 6 years after "The Biggest Loser" competition. Obesity. 24 (8), 1612-1619 (2016).
  46. Hall, K. D. Energy compensation and metabolic adaptation: "The Biggest Loser" study reinterpreted. Obesity. 30 (1), 11-13 (2021).

Tags

Medicin udgave 196 Substratudnyttelse respiratorisk udvekslingsforhold (RER)
Brug af en kombination af indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkerniveauer til måling af brun fedtvævstermogenese hos mennesker
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Van Schaik, L., Kettle, C., Green,… More

Van Schaik, L., Kettle, C., Green, R. A., Irving, H. R., Rathner, J. A. Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans. J. Vis. Exp. (196), e64451, doi:10.3791/64451 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter