Waiting
Login processing...

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

Medicine

Ved hjelp av en kombinasjon av indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkernivå for å måle brun fettvevstermogenese 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 presenterer vi en protokoll for å kvantifisere den fysiologiske betydningen av virkningen av brunt fettvev (BAT) aktivitet på menneskelig metabolisme. Dette oppnås ved å kombinere karbohydratbelastning og indirekte kalorimetri med målinger av supraklavikulære temperaturendringer. Denne nye tilnærmingen kan bidra til å utvikle et farmakologisk mål for BAT-termogenese hos mennesker.

Abstract

Hos pattedyr aktiveres brunt fettvev (BAT) raskt som respons på kulde for å opprettholde kroppstemperaturen. Selv om BAT har blitt studert sterkt hos små dyr, er det vanskelig å måle aktiviteten til BAT hos mennesker. Derfor er lite kjent om varmegenererende kapasitet og fysiologisk betydning av BAT hos mennesker, inkludert i hvilken grad komponenter i dietten kan aktivere BAT. Dette skyldes begrensningene i den for tiden mest brukte metoden for å vurdere aktivering av BAT-radiomerket glukose (fluorodeoksyglukose eller 18FDG) målt ved positronemisjonstomografi-datastyrt tomografi (PET-CT).

Denne metoden utføres vanligvis hos fastende personer, da fôring induserer glukoseopptak av musklene, noe som kan maskere glukoseopptaket i BAT. Denne rapporten beskriver en detaljert protokoll for kvantifisering av totale kropps menneskelige energiforbruk og substratutnyttelse fra BAT-termogenese ved å kombinere indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkermåling hos karbohydratbelastede voksne menn. For å karakterisere den fysiologiske betydningen av BAT, er tiltak av virkningen av BAT-aktivitet på menneskers helse kritiske. Vi demonstrerer en protokoll for å oppnå dette ved å kombinere karbohydratbelastning og indirekte kalorimetri med målinger av supraklavikulære temperaturendringer. Denne nye tilnærmingen vil bidra til å forstå fysiologien og farmakologien til BAT-termogenese hos mennesker.

Introduction

Brunt fettvev (BAT) skiller seg spesielt fra hvitt fettvev (WAT) i dets mitokondrielle innhold, sympatisk innervering, multilokulære lipiddråper, varmegenererende evne og anatomisk fordeling. BAT ble ansett å eksistere bare hos spedbarn og små pattedyr til bekreftelsen av sin tilstedeværelse hos voksne mennesker i 2009 1,2,3. Således, inntil relativt nylig, har BATs rolle i menneskelig fysiologi og metabolsk homeostase blitt dårlig forstått. Omfattende studier på små dyr har vist at under kald eksponering skyldes mer enn halvparten av metabolismen den ikke-rystende termogene evnen til BAT4. Flere studier har vist at ved mild kuldeeksponering (17-18 °C) korrelerer økning i energiforbruk og glukoseopptak i BAT sterkt med BAT-termogenese hos mennesker 5,6,7. Videre kan BAT-termogenese bidra med opptil 10% av hvileenergiforbruket hos mennesker under kald eksponering (for en gjennomgang, se Van Schaik et al.8). Studier av fysiologi og innvirkning av BAT på menneskers helse og sykdom er for tiden begrenset av protokollbegrensninger. Det er derfor viktig å ha en nøyaktig metode for å måle den sanne metabolske effekten av BAT for bedre å forstå virkningen av BAT-termogenese på fedme og dens metabolske komplikasjoner hos mennesker.

Den anatomiske fordelingen av human BAT gjør det utfordrende å oppnå nøyaktige målinger av BAT. Hos mennesker er BAT fordelt inne i depotene til WAT i magen, thorax, og spesielt halsen9. Obduksjon og kadaveriske studier har blitt brukt for å karakterisere BAT anatomisk10,11, men disse metodene kan ikke gi funksjonell informasjon. Det er utfordrende å skille BAT ved hjelp av konvensjonelle avbildningsteknikker på grunn av de samme tetthetene til WAT og BAT8. Et ytterligere forvirrende problem er at beige fettdepoter også ligger innenfor de samme smale lagene av fascia eller i visse depoter med WAT8, noe som gjør det utfordrende å skille ved hjelp av konvensjonelle bildebehandlingsteknikker.

For å overvinne dette problemet måles BAT-volumet vanligvis ved å kombinere positronutslippstomografi (PET) og computertomografi (CT). Den radiomerkede glukoseanalogen 18 F-fluourodeoksyglukose (18F-FDG) er det vanligste sporstoffet som brukes til å studere BAT 12. Imidlertid lider det av flere begrensninger, for eksempel å utsette for ioniserende stråling og være invasiv og dyr. I tillegg er den største begrensningen til 18F-FDG-sporstoffet at det måler opptaket av en glukoseanalog, noe som ikke er ideelt gitt at frie fettsyrer er de foretrukne substratene for BAT-termogenese13. 18F-FDG PET/CT-teknikken måler ikke opptaket av frie fettsyrer som substrat for termogenese, og måler derfor ikke den fysiologiske betydningen av BAT-termogenese. Det finnes alternative teknikker som brukes til å vurdere human BAT, som inkluderer måling av opptaket av oksygen-15 merket vann (15 O-O2) 14,11 C-acetat 15, en langkjedet fettsyre (18 F-fluor-6-thia-heptadecanoic syre) 16 eller adenosin 17, samt magnetisk resonans spektroskopi 18 og magnetisk resonans imaging 19, men disse er fortsatt ekstremt dyre og utsetter for ioniserende stråling. Derfor mangler en pålitelig, billig og viktigere, sikker gullstandard for kvantifisering av menneskelig BAT.

Infrarød termografi (IRT) er en alternativ ikke-invasiv bildebehandlingsteknikk20,21 som måler hudtemperaturen over et kjent BAT-depot. Selv om dette medfører økt energiforbruk, hvis den målte temperaturen ikke overstiger kjernetemperaturen, kan det ikke bestemmes om den målte temperaturendringen bare er en konsekvens av endret blodstrøm. Videre gir en målt økning i lokal temperatur ikke verdier for endret energiforbruk, som ofte er det ønskede endepunktet. En rekke forskningsgrupper har brukt IRT til å måle en økning i temperaturen i depoter av human BAT etter en koffeinintervensjon eller kuldestimulus; Dette depotet er den supraklavikulære fossa 22,23,24,25,26,27.

Det er imidlertid ikke klart om virkningen av koffein på BAT er direkte eller mediert via nevrale kretser. Det er tegn på at koffein induserer bruningsegenskaper i adipocytter in vitro22, og tidligere arbeid har vist at koffein (100 mg) øker hjertefrekvensvariabiliteten, noe som kan være en indikator på en økning i sympatisk nervedrift systemisk i kroppen27. Dette er i tråd med evidens hos gnagere, der koffein via sentralnervesystemet øker termotilblivelsen uten uheldig kardiodynamisk påvirkning28.

Siden det foretrukne substratet for BAT-termogenese er frie fettsyrer avledet fra triglyserider13, og aktive BAT-sekvestrere som sirkulerer lipider for å opprettholde termogenese29, er tiltak for substratutnyttelse viktig for å vurdere den fysiologiske aktiveringen av BAT. Respiratorisk utvekslingsforhold (RER) er forholdet mellom volumet av oksygen som forbrukes (V̇O 2) og karbondioksid produsert (V̇CO2) 30. En RER på 0,7 indikerer fettsyremetabolismen, og en RER på 1,0 indikerer karbohydratmetabolismen31. Derfor er bevis på en preferanse for fettsyreutnyttelse utover en økning i energiforbruket et nøkkelkorrelat for BAT-termogenese.

I tillegg, gitt at opptaket av glukose er et kjent korrelat av BAT-aktivitet (se ovenfor), er et fall i blodsukker parallelt med endringen i substratutnyttelse nøkkelkorrelater for BAT-termogenese. Tidligere studier som bruker indirekte kalorimetri alene, eller sammen med temperaturregistrering hos fastende individer, har rapportert liten eller ingen akutt endring i substratutnyttelse32,33. Siden dette sannsynligvis maskeres av den fastende tilstanden (hvor preabsorberende metabolisme favoriserer fettutnyttelse), foreslår vi å kombinere IRT og indirekte kalorimetri med karbohydratbelastning.

Denne artikkelen tar sikte på å gi en trinnvis tilnærming som kliniske forskere kan bruke til pålitelig og, viktigere, trygt kvantifisere den fysiologiske betydningen av BAT hos mennesker ved å kombinere IRT, indirekte kalorimetri og blodsukkernivå. Denne teknikken brukes best etter at forsøkspersoner har blitt karbohydratbelastet og utsatt for enten farmakologiske BAT-midler eller miljøstimuli. Resultatene av denne tilnærmingen kan brukes til å studere BAT-aktivitet, substratutnyttelse og energiforbruk etter aktivering av BAT hos individuelle studiepersoner27.

Protocol

Alle deltakerne (n = 8) ga skriftlig informert samtykke, og alle eksperimenter ble godkjent av Universitetet Human Ethics Committee; data ble hentet fra Van Schaik et al.27.

1. Installasjon av utstyr og programvare

  1. Mål fettmassen via dual-energy røntgenabsorptiometri (DXA) i henhold til Van Schaik et al.27.
  2. Estimere substratutnyttelse og energiforbruk fra utgått gass; Mål dette ved hjelp av en respiratorisk gassanalysator i henhold til produsentens retningslinjer.
  3. Samle blodprøver via finger (kapillær) punktering, og bestem blodsukkernivået ved hjelp av et glukometer i henhold til produsentens retningslinjer.
  4. Bruk et berøringsfritt infrarødt termometer for å bestemme målinger av kroppstemperatur i henhold til produsentens retningslinjer (feilen på denne enheten er ±0,2 °C).

2. Rutiner før deltakerbesøkene

  1. Screene alle deltakerne for deres helsestatus.
  2. Sett følgende eksklusjonskriterier: en kroppsmasseindeks på >30 kg / m2 (på grunn av at BAT-aktivitet er omvendt korrelert med fett34,35, deltakere som bruker foreskrevne medisiner og diabetes mellitus.
  3. Før eller etter testøkten, sørg for at deltakerne gjennomgår en DXA-skanning for å måle fettmassen, da BAT-aktivitet er omvendt korrelert med fett34,35.
  4. I 24 timer før du kommer til studien, sørg for at deltakerne avstår fra anstrengende trening eller aktivitet og er vannfaste i 10 timer før de kommer til laboratoriet.

3. Prosedyrer på studiedagen

  1. Sørg for at romtemperaturen som dataene samles inn ved, er satt til en konstant temperatur for å minimere eksterne forstyrrelser på grunn av forskjeller i romtemperatur.
    MERK: Dette kan føre til feil termiske eller metabolske målinger. I dette forsøket ble det brukt et temperaturkontrollert rom ved 22 °C under varmenøytrale forhold.
  2. Be deltakerne om å ankomme laboratoriet klokken 08:00 for å redegjøre for daglige hormonrytmer.
  3. Mål deltakernes høyde og vekt.
  4. Be deltakerne om å ligge på en sokkel i minst 30 minutter før basismålingene tas.
  5. I løpet av en periode på 120 minutter måles deltakernes IRT, indirekte kalorimetri, blodsukker og kjernetemperatur hvert 15. minutt etter utløpt O 2 og CO2-prøvetaking(figur 1).
  6. Etter basismålingene, sørg for at deltakerne blir karbohydratbelastet gjennom inntak av tre karbohydratgeler (90 g glukose hver) mellom tidspunktene på 0 min og 15 min.
  7. Sørg for at deltakerne får i seg behandlingen 45 min etter karbohydratbelastningen. For å følge denne protokollen, bruk 100 mg koffein kapsler som intervensjon27.
    MERK: En utvaskingsperiode på 7 dager mellom intervensjon og placebo er nødvendig, noe som betyr at en periode på 7 dager er nødvendig mellom koffein- og placebobehandling.

4. Indirekte kalorimetri

  1. Beregn verdiene for energiforbruk og substratutnyttelse fra den utgåtte gassen, målt ved hjelp av en respiratorisk gassanalysator. Fullfør kalibreringen av respiratorisk gassanalysator i henhold til produsentens instruksjoner.
  2. Monter den kaldsteriliserte silikonmasken til deltakeren for å tillate levering av romluft og oppkjøp av metabolske data. Forsikre deg om at masken er utstyrt med en presterilisert ikke-rebreathing ventil (toveis ikke-rebreathing ventil) og fest den på deltakerens ansikt med et maskefeste og sjekk for lekkasjer.
  3. Forsikre deg om at inspiratoriske og ekspiratoriske rør er koblet til.
  4. Eksporter den digitale datafilen i regnearkformat.
  5. Prøv utløpt O 2 og CO2med 5 s gjennomsnitt. Dette måler energiforbruket og respirasjonsutvekslingsforholdet (figur 1). Fjern munnbindet for å fullføre tilleggstiltakene.
  6. Beregn substratoksidasjonshastighetene (karbohydrat og lipidoksidasjon) og totalt energiforbruk ved hjelp av ikke-protein Weir-ligningene 1-331,36:
    Fettoksidasjonshastighet (g/min−1) = (1,695 VO 2)-(1,701 VCO2) (1)
    Karbohydratoksidasjonshastighet (g/min−1) = (4,585 VCO 2) -(3,226 VO 2) (2)
    Energiforbruk (kcal/min) = (3,94 × VO 2)+ (1,1 × VCO2) (3)

5. Plasma blodsukkermålinger

  1. Gjennomfør blodsukkermålinger via stikk i fingeren og glukometer etter hver runde med utgåtte gassmålinger (figur 2).

6. Kjernetemperatur

  1. Registrer kjernetemperaturen (Tcore) etter hver runde med utgåtte gassmålinger. Mål gjerne kjernetemperaturen rektalt eller intraoperativt (figur 2).
    MERK: På grunn av sikker praksis for COVID-19, minimer kontakt mellom personer.
  2. Sørg for at deltakerne ligger på ryggen og at hodet er i nøytral stilling. Rett konsekvent termometeret uten kontakt mot midten av deltakerens panne.

7. Infrarød termografi

  1. Utfør IRT etter hver runde med utgåtte gassmålinger (figur 2).
  2. Be deltakerne om å sitte oppreist og se rett frem, med brystområdet til nakkeregionen eksponert (figur 3).
  3. Bruk et varmesøkende kamera til å ta infrarøde bilder av fremre hals og øvre brystregion.
    1. Plasser kameraet på et stativ i nakkehøyde 1 m fra motivets ansikt (figur 4D). Bruk følgende innstillinger: detektortype = ukjølt mikrobolometer; detektorstigning = 17 μm; kameraspektralområde = 7, 5-14, 0 μm; termisk følsomhet = 20 mK ved 30 °C; linser = 36 mm; oppløsning = 1,024 piksler x 768 piksler.
    2. Slå på kameraet.
    3. Juster fokuset på kameraet ved å dreie fokusringen.
      MERK: Det er veldig viktig å justere fokuset riktig. Feil fokusjustering påvirker temperaturmålingen.
    4. Pek laserpekeren mot midtlinjen i nakken til deltakeren.
    5. Ta bildet.
      MERK: Bildet lagres automatisk hvis et minnekort brukes.

8. Bildeanalyse

  1. Velg tre regioner av fremre thorax og hals for analyse av overflatetemperaturen: bilateralt huden overliggende BAT i supraklavikulær fossa (SCF) og lateral region i nakken, med sternalområdet betraktet som et kontrollreferansepunkt (Tref), da dette området ikke inneholder BAT (figur 4A-C).
  2. Plasser trekantede interesseområder (ROI) i venstre og høyre SCF-område og en sirkulær avkastning over sternalområdet.
  3. Når de nødvendige områdene er krysslokalisert, bekrefter du at programvaren viser gjennomsnittet og standardavviket for temperaturen for hvert valgte område.

9. Analyse av data

  1. Bruk en dobbeltblind tilnærming for analyse av tiltakene ved hjelp av teknikkene som er beskrevet. Få en forsker som ikke er involvert i datainnsamlingen eller analysen til å kode tiltakene generisk.
  2. Utfør den statistiske analysen.
    1. Beregn gjennomsnitt for IRT, kjernetemperatur og blodsukkerdata fra det målte enkelttidspunktet.
    2. Beregn gjennomsnitt for RER, fettoksidasjon, karbohydratoksidasjon og energiforbruk i 10 minutters epoker.
    3. For energiforbruk, summer satsen for energiforbruk for hver gruppe, og skill den inn i før og etter intervensjon.
      MERK: Se Van Shaik et al. for statistiske tester for å analysere dataene27.

Representative Results

Figur 1 og figur 2 presenterer et flytskjema over studiedesignet. Bilder av protokolloppsettet er representert i figur 3. Deltakerkarakteristika finnes i tabell 1. Representative eksempler på IRT av bildene av en deltaker, inkludert baseline (figur 4A), postkarbohydratbelastning (figur 4B) og 60 minutter etter koffeintilskudd (figur 4C), med et representativt bilde av kameraoppsettet, er presentert i figur 4D. Spesielt gir figur 4A-C en visuell fremstilling av endringene i supraklavikulær fossatemperatur (Tscf) etter intervensjonen; temperaturforskjellene er særlig markante mellom figur 4B og figur 4C.

I figur 5A-C viser resultater fra Van Schaik et al. Tscf (figur 5A), temperaturen til et referansepunkt (Tref; Figur 5C), og kjernetemperaturen (Tcore; Figur 5B) fra baseline (0 min) til fullføring av datainnsamlingen (120 min). Dataene viser en koffeinintervensjon sammenlignet med placebo27. Resultatene beskrevet i dette manuskriptet er rent representative for denne publiserte artikkelen. I tillegg viser ikke dataene på Tscf en gruppeeffekt. Statistikken finnes i tilleggsdataene til Van Schaik et al.27.

Den markerte økningen i supraklavikulærtemperatur sammenfaller med endringer i substratutnyttelse og rask senking av blodsukkernivået etter intervensjonen, som vist i figur 6. Disse resultatene, kombinert med mangelen på temperaturendring for Tref- og Tcore-temperaturene (figur 5B,C), indikerer BAT-termogenesen. I tillegg, etter hvert som energiforbruket øker (figur 6E), reduseres RER (figur 6A), som sammenfaller med at fettoksidasjonen øker (figur 6B) etter intervensjonen.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk over tiltak med tid til å fullføre i hver 15 min periode. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Flytskjema over studiedesignet. Eksperimentell prosess. Svart firkant = tid for karbohydratbelastning; svart sirkel = tidspunkt for inngrep. Forkortelser: IRT = infrarød termografi; BGL = blodsukkernivå. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Representative bilder av protokollen. (A) Oppsett uten deltaker til stede; (B) datainnsamling av deltakerne ved baseline; (C) indirekte kalorimetri datamaskin; (D) deltaker som forbruker karbohydratbelastningen etter baseline-tiltak. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Representative eksempler på IRT og kameraoppsett. Termiske bilder fra en deltaker, ved (A) baseline, (B) etter karbohydratbelastning og (C) 60 minutter etter inngrep av koffein, med (D) et representativt bilde av kameraoppsettet. Forkortelse: IRT = infrarød termografi. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Tiltakets virkninger på temperaturmålene. Baseline rå temperaturendringer på (A) Tscf, (B) Tcore og (C) Tref hos deltakere etter en karbohydratbelastning (tidspunkt = 0) og administrering av en koffeinintervensjon eller en placebokapsel (tid = 45 minutter til 120 min) 27. Denne figuren er modifisert fra Van Schaik et al.27. (AC) Lys grå boks 1 = tid for karbohydratbelastning; ramme 2 = preintervensjon; mørkegrå boks 3 = etter intervensjon; blå sirkler = koffeinintervensjon; svarte trekanter = placebointervensjon. Dataene er uttrykt som minimum til maksimum, med alle punkter vist i boksen og whisker-plottene. Variansen uttrykkes som gjennomsnitt ± SD, n = 8 per intervensjon; * representerer koffein interaksjon effekt (*p < 0,05). Dataverdiene ble analysert ved hjelp av en treveis variansanalyse med gjentatte målinger. Forkortelser: Tscf = temperatur i supraklavikulære fossa; Tcore = kjernetemperatur; Tref = kontrollreferansepunkt. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Effekter av intervensjonen på metabolske tiltak. Endringer i (A) RER, (B) fettoksidasjonshastigheten, (C) karbohydratoksidasjonshastigheten, (D) blodsukkernivået og (E) energiforbruket hos deltakerne etter en karbohydratbelastning (tid = 0) og administrering av en koffeinkapsel eller en placebokapsel (tid = 45 minutter til 120 min). Lys grå boks 1 = tid for karbohydratbelastning; Ramme 2= pre-intervensjon; mørkegrå boks 3 = etter intervensjon; blå sirkler = koffeinintervensjon; svarte trekanter = placebointervensjon. Dataene er uttrykt som minimum til maksimum, med alle punkter vist i boksen og whisker-plottene. e) før og etter administrering av intervensjonene, grå bar = placebointervensjon; blå bar = koffein intervensjon. Variansen uttrykkes som gjennomsnitt ± SD, n = 8 per intervensjon; * representerer koffein interaksjon effekt (*p < 0,05). Dataverdiene ble analysert ved hjelp av en treveis variansanalyse med gjentatte målinger. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Alle deltakere
n 8
Alder, år 22 ± 2
Høyde, cm 176 ± 5
Vekt, kg 74 ± 8
BMI, kg/m2  23 ± 2
Kroppsfett, % 20 ± 8

Tabell 1: Deltakerdemografi. Verdiene er midler ± SD med mindre annet er angitt. Denne tabellen er fra Van Schaik et al.27.

Discussion

Metoden vi har vist her er en teknisk enkel, sikker og kostnadseffektiv protokoll for måling av BAT-termogenese hos mennesker. Protokollen adresserer bekymringer knyttet til påliteligheten av å bruke IRT alene for å skille mellom lokal oppvarming på grunn av endret blodstrøm i huden og dypere oppvarming på grunn av termogenese ved å korrelere IRT med både målinger av energiforbruk (EE) og substratutnyttelse. Siden denne teknikken ikke bruker ioniserende stråling, tillater den analyse av gjentatte tiltak, noe som ikke er mulig med PET-bildebehandlingsteknikker. Til slutt, mens PET-bildebehandlingsteknikker kan identifisere BAT-aktivering, rapporterer de ikke om de fysiologiske resultatene (økt temperatur og EE) som denne protokollen måler.

Styrken til protokollen beskrevet her er at det er fire bevislinjer som støtter konklusjonen av fremkalt BAT-termogenese: (1) økt målt Tscf, parallelt med uendret kjernetemperatur og stabil hudtemperatur over det tilstøtende referanseområdet; (2) økt energiforbruk; (3) en endring i substratutnyttelse; og (4) et fall i blodsukkernivået. De konvergerende observasjonene er alle konsistente med de forutsagte resultatene for BAT-termogenese. Den essensielle delen av protokollen er karbohydratbelastningen til deltakerne for å sikre karbohydratmetabolismen før intervensjon. BAT-termogenese bytter substratmetabolisme fra karbohydrater til frie fettsyrer, som vist ved fallet i RER. Mens det foretrukne substratet for BAT-termogenese er frie fettsyrer, er et signifikant opptak av glukose i aktiv BAT veletablert 5,6,7. Derfor observerer vi et fall i blodsukkernivået samtidig med BAT-termogenesen. Det ville ikke være mulig å observere det gjensidige skiftet i substratutnyttelse (RER) og fallet i blodsukkernivået i fastende tilstand.

Tidligere studier har konkludert med at økt Tscf (målt ved IRT) er tilstrekkelig til å konkludere med BAT-termogenese. Denne konklusjonen er imidlertid bare sikker hvis Tscf overskrider kjernetemperaturen. Hvis Tscf er mindre enn eller lik kjernetemperaturen, kan en lokal temperaturendring på grunn av økt blodgjennomstrømning i huden ikke utelukkes. En systematisk oversikt konkluderte med at IRT alene ikke er i stand til å avgjøre om økning i supraklavikulær hudtemperatur skyldes BAT-termogenese37. Gjennomgangen bemerket at den vanligste metoden (18F-FDG PET / CT) måler opptaket av glukose i BAT37. Imidlertid er det foretrukne substratet for BAT-termogenese fettsyrer13. Dette metodologiske problemet forhindrer enhver meningsfull sammenligning mellom PET/CT-data ved validering av IRT-data, da noen av disse målingene alene ikke er et egnet mål på den sanne metabolske aktiviteten til BAT, da det ikke kan indikere endringen i energiforbruk og substratutnyttelse på grunn av BAT-termogenese. Likevel, med protokollen beskrevet her, kan vi ikke bare kvantifisere temperaturendringen, men vi kan også bekrefte en økning i energiforbruket - et viktig fysiologisk resultat av BAT-termogenese. IRT er en kontaktfri, ikke-invasiv og relativt billig metode for måling av temperatur- og temperaturendringer forbundet med BAT-termogenese. I motsetning til dette er PET-CT dyrt og utsetter individer for ioniserende stråling, og begrenser dermed anvendeligheten av denne metoden til små retrospektive analyser av kliniske bildestudier. Anvendelsen av dagens protokoll på store, randomiserte kliniske studier vil være relativt enkel og kostnadseffektiv.

Det er viktig å merke seg at reduksjonen i karbohydratoksidasjon etter koffeinintervensjon kan forklares av bryteren i substratutnyttelse som følge av økt BAT-termogenese på grunn av intervensjonen. Tiltak av insulinsignalering vil gjøre resultatene av denne studien mer robuste. Det er imidlertid ikke klart basert på resultatene av denne studien om koffein vil påvirke insulinsignalering via virkning på BAT eller om fallet i blodsukker er et resultat av at BAT tar opp flere energisubstrater.

18F-FDG PET/CT-metoden har flere iboende begrensninger når den brukes til å kvantifisere og måle den fysiologiske aktiviteten til BAT, spesielt når man undersøker påvirkningen av næringsstoffer eller diettingredienser på BAT-aktivitet. 18F-FDG PET/CT-metoden krever at forsøkspersonene fastes for å unngå fôringsinduserte økninger i glukoseopptak i muskelvevet, noe som kan redusere deteksjonen av både BAT- og BAT-funksjonenbetydelig 38. Videre kan denne teknikken alene ikke måle den fysiologiske effekten eller omfanget av BAT-aktivering. I tillegg er bruken av ioniserende stråling i PET-bildestudier en etisk og helse- og sikkerhetshindring for å designe gjentatte tiltak cross-over-studier. I tillegg representerer 18F-FDG kun glukoseopptak, noe som ikke er det samme som å måle glukosemetabolismen. Denne metoden for karbohydratbelastende personer før måling av BAT-temperaturen og kombinasjon av blodsukkernivåer med indirekte kalorimetri gjør at vi grundig kan måle den fysiologiske effekten av termogenese og endret substratutnyttelse, som ellers ikke ville være tilgjengelig i fastende tilstand.

Styrker og begrensninger
Denne protokollen har bredere implikasjoner enn bare å studere BAT. Ved karbohydratladende deltakere før intervensjon kan svingning av blodsukkernivåer som respons på både karbohydratbelastning og koffeinintervensjon, samt endringer i substratutnyttelse, observeres. Derfor kan denne teknikken brukes til å forbedre menneskelige indirekte kalorimetristudier og metabolske tiltak. Det er ennå ikke kjent om resultatene fra denne studien kan replikeres etter andre tiltak, for eksempel kald eksponering eller adrenerg stimulering. Resultatene av denne studien har imidlertid blitt replikert etter intervensjon med en annen diettingrediens, nemlig Capsicum annuum27. Ytterligere strenghet og tillit til resultatene kan oppnås ved hjelp av en dobbeltblind tilnærming for analyse av tiltak ved hjelp av teknikkene som er beskrevet, og dette kan lett implementeres27.

Den potensielle konfunderingen av variert romtemperatur er ikke relevant i denne protokollen, da romtemperaturen ble holdt stabil fra deltaker til deltaker. I tillegg ble fuktigheten tatt i betraktning under kalibreringen av respiratorisk gassanalysator. Dette utledes i oppsettet av dette utstyret, da kalibreringen er fullført i henhold til produsentens instruksjoner.

Tidsintervallene for måling og behandling ble bestemt etter en liten pilotstudie der feilsøking av protokollen ble gjennomført. I hovedsak ble tidsintervallene for måling bestemt basert på tiden det tok for forskeren å utføre målingene og for deltakerens komfort. Tidspunktet for intervensjonen ble bestemt basert på tiden det tok før karbohydratmetabolismen inntraff etter karbohydratbelastningen for å undersøke om intervensjonen økte fri fettsyreoksidasjon (dvs. BAT-termogenese) og senket karbohydratoksidasjon.

Spesielt er det forskjeller mellom kapillære og venøse glukosenivåer39. Imidlertid, i sammenheng med behandling utenfor sykehus, er den vanligste måten blodsukkernivået måles på via en blodprøve av kapillær opprinnelse analysert av et håndholdt, point-of-care glucometer40. I tillegg er det hos friske individer (tilsvarende de som er inkludert i denne protokollen) i en ikke-klinisk setting, en statistisk signifikant, men ikke klinisk signifikant forskjell mellom kapillære og venøse blodsukkernivåer målt ved hjelp av et pasientnært, kapillærbasert glukometer41. I denne sammenheng vil kapillær prøvetaking forbli den optimale tilnærmingen på grunn av det faktum at de fleste point-of-care glukometre tilgjengelig på markedet er konstruert for å analysere kapillære blodprøver41. Fra et klinisk perspektiv kan det hevdes at venøst blodsukker er den overlegne analysemetoden. Venøs blodprøvetaking er imidlertid ikke bare dyrt og krever spesialutstyr (ibid), men det er også invasivt. De etiske vurderingene om å øke risikoen for uønskede hendelser under protokollen må balanseres mot rapportert litteratur som viser den høye korrelasjonen og påliteligheten av kapillær blodsukker som et proxy-mål for venøs blodsukker42. Nøkkelen her er selvfølgelig at vi ikke har satt ut for å diagnostisere diabetes, men å måle endringer i blodsukkernivå, for hvilken kapillær blodsukkermåling er en mer enn egnet protokoll.

Glukose kan indusere termogenese, og enkeltmåltider kan aktivere BAT43. Imidlertid, og ganske viktig, viser dataene inkludert i dette manuskriptet ingen signifikant effekt av glukosebelastning i intervensjonsgruppen eller placebogruppen. Videre var dataene i manuskriptet hentet fra resultatene til Van Schaik og medarbeidere, som inkluderte et tredje inngrep (Capsicum annuum), og glukosebelastningen ga ingen signifikant effekt på tiltakene27.

Det skal bemerkes at denne protokollen bare har blitt brukt hos mannlige deltakere med lavt kroppsfett og aktiv BAT (for å redusere antall kontrollerbare variabler ble kvinner ekskludert fra studien). Det er en kjent invers korrelasjon mellom adipositet og BAT-masse hos mennesker44. I tillegg er det kjent at tidligere overvektige mennesker som har gått ned i vekt gjennom kosthold og mosjon, har en lavere basal metabolsk hastighet og må konsumere lavere kalori dietter for å opprettholde en normal vekt45,46. Videre kan BAT-aktivitet stimulere BAT-vekst8. Metoden beskrevet her vil tillate langsiktige studier for å undersøke endringer i BAT-aktivitet forbundet med metabolske sykdommer på en måte som ikke er gitt av andre teknikker.

Konklusjon
Avslutningsvis demonstrerer vi en målemetode for å kvantifisere human brun fettvevsaktivitet ved bruk av IRT og indirekte kalorimetri etter en karbohydratbelastning. De kritiske trinnene inkluderer 1) karbohydratbelastning av deltakerne som er i fastende tilstand før måling av BAT-temperaturen, mens de kombinerer indirekte kalorimetri og blodsukkernivå for å tillate kvantifisering av den fysiologiske utstrekningen av BAT-termogenese og endret substratutnyttelse; 2) vurdere relevante IRT BAT-depoter og temperaturer fra et referansepunkt og kjernetemperatur for å demonstrere enhver økning i Tscf som kan indikere BAT-aktivering basert på den anatomiske plasseringen. Vi tror at disse kvantitative målingene tillater en mer nøyaktig evaluering av bidraget fra BAT til voksen menneskelig energimetabolisme og termoregulering. Denne grundige tilnærmingen bør brukes av forskere til å studere BAT-fysiologi og tjene som en ny standard for å utvikle menneskelige BAT-aktiveringstilnærminger i fremtiden.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter å opplyse.

Acknowledgments

Vi vil takke alle frivillige i studien for deres deltakelse i studien vår. Dette arbeidet ble støttet av Holsworth Research Initiative, La Trobe University og Defence Science Institute (DSI, Australia).

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

Medisin utgave 196 Substratutnyttelse respiratorisk utvekslingsforhold (RER)
Ved hjelp av en kombinasjon av indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkernivå for å måle brun fettvevstermogenese 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