Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att kvantifiera den fysiologiska betydelsen av effekten av brun fettvävnadsaktivitet (BAT) på mänsklig metabolism. Detta uppnås genom att kombinera kolhydratbelastning och indirekt kalorimetri med mätningar av supraklavikulära temperaturförändringar. Detta nya tillvägagångssätt kan bidra till att utveckla ett farmakologiskt mål för BAT-termogenes hos människa.
Abstract
Hos däggdjur aktiveras brun fettvävnad (BAT) snabbt som svar på kyla för att bibehålla kroppstemperaturen. Även om BAT har studerats mycket på små djur är det svårt att mäta BAT-aktiviteten hos människor. Därför är lite känt om BAT:s värmealstrande kapacitet och fysiologiska betydelse hos människor, inklusive i vilken grad kostkomponenter kan aktivera bästa tillgängliga teknik. Detta beror på begränsningarna i den för närvarande mest använda metoden för att bedöma aktiveringen av BAT-radioaktivt märkt glukos (fluorodeoxiglukos eller 18FDG) mätt med positronemissionstomografi-datortomografi (PET-CT).
Denna metod utförs vanligtvis på fastande personer, eftersom utfodring inducerar glukosupptag av musklerna, vilket kan maskera glukosupptaget i BAT. Detta dokument beskriver ett detaljerat protokoll för kvantifiering av människans totala energiförbrukning och substratutnyttjande från BAT-termogenes genom att kombinera indirekt kalorimetri, infraröd termografi och blodsockerövervakning hos kolhydratladdade vuxna män. För att karakterisera den fysiologiska betydelsen av bästa tillgängliga teknik är mått på BAT-aktivitetens inverkan på människors hälsa avgörande. Vi demonstrerar ett protokoll för att uppnå detta genom att kombinera kolhydratbelastning och indirekt kalorimetri med mätningar av supraklavikulära temperaturförändringar. Detta nya tillvägagångssätt kommer att bidra till att förstå fysiologin och farmakologin för BAT-termogenes hos människor.
Introduction
Brun fettvävnad (BAT) skiljer sig framför allt från vit fettvävnad (WAT) i sitt mitokondriella innehåll, sympatisk innervation, multilokulära lipiddroppar, värmegenererande förmåga och anatomisk fördelning. BAT ansågs endast förekomma hos spädbarn och små däggdjur fram till bekräftelsen av dess förekomst hos vuxna människor 2009 1,2,3. Fram till relativt nyligen har BAT:s roll i humanfysiologi och metabolisk homeostas därför varit dåligt förstådd. Omfattande studier på små djur har visat att mer än hälften av metabolismen under kall exponering beror på BAT4:s icke-frossande termogena förmåga. Flera studier har visat att vid mild exponering för kyla (17–18 °C) korrelerar ökningar av energiförbrukning och glukosupptag i BAT starkt med BAT-termogenesen hos människa 5,6,7. Dessutom kan BAT-termogenes bidra med upp till 10 % av energiförbrukningen i vila hos människor vid kall exponering (för en genomgång, se Van Schaik et al.8). Studier av BAT:s fysiologi och inverkan på människors hälsa och sjukdomar begränsas för närvarande av protokollbegränsningar. Det är därför viktigt att ha en korrekt metod för att mäta den verkliga metaboliska effekten av BAT för att bättre förstå effekten av BAT-termogenes på fetma och dess metaboliska komplikationer hos människor.
Den anatomiska fördelningen av humant BAT gör det svårt att få noggranna mätningar av BAT. Hos människor fördelas BAT inuti WAT:s depåer i buken, bröstkorgen och, framför allt, halsen9. Obduktions- och kadaveriska studier har använts för att karakterisera BAT anatomiskt10,11, men dessa metoder kan inte ge funktionell information. Det är svårt att särskilja BAT med konventionella avbildningstekniker på grund av liknande densiteter för WAT och BAT8. En ytterligare förvirrande fråga är att beige fettdepåer också ligger inom samma smala lager av fascia eller i vissa depåer med WAT8, vilket gör det svårt att skilja med konventionella bildtekniker.
För att lösa detta problem mäts BAT-volymen vanligtvis genom att kombinera positronemissionstomografi (PET) och datortomografi (CT). Den radioaktivt märkta glukosanalogen 18 F-fluourodeoxiglukos (18F-FDG) är det vanligaste spårämnet som används för att studera BAT 12. Det lider emellertid av flera begränsningar, som att utsätta ämnen för joniserande strålning och vara invasiv och dyr. Dessutom är den största begränsningen hos spårämnet 18F-FDG att det mäter upptaget av en glukosanalog, vilket inte är idealiskt med tanke på att fria fettsyror är de föredragna substraten för BAT-termogenes13. 18F-FDG PET/CT-tekniken mäter inte upptaget av fria fettsyror som substrat för termogenes och mäter därför inte den fysiologiska betydelsen av BAT-termogenesen. Det finns alternativa tekniker som används för att bedöma human BAT, som inkluderar mätning av upptaget av syre-15-märkt vatten (15O-O2) 14,11 C-acetat 15, en långkedjig fettsyra (18 F-fluor-6-tia-heptadekansyra)16 eller adenosin 17, samt magnetisk resonansspektroskopi 18 och magnetisk resonanstomografi 19, men dessa är fortfarande extremt dyra och utsätter ämnen för joniserande strålning. Därför saknas en tillförlitlig, billig och viktigare, säker guldstandard för kvantifiering av humant BAT.
Infraröd termografi (IRT) är en alternativ icke-invasiv bildteknik20,21 som mäter hudtemperaturen över en känd BAT-depå. Även om detta leder till ökad energiförbrukning, om den uppmätta temperaturen inte överstiger kärntemperaturen, kan det inte bestämmas om den uppmätta temperaturförändringen helt enkelt är en följd av förändrat blodflöde. Vidare ger en uppmätt ökning av lokal temperatur inte värden på förändrad energiförbrukning, vilket ofta är den önskade slutpunkten. Ett antal forskargrupper har använt IRT för att mäta en temperaturökning i depåer av human BAT efter en koffeinintervention eller kall stimulans; Denna depå är supraklavikulär fossa 22,23,24,25,26,27.
Det är dock inte klart om koffeinets verkan på BAT är direkt eller medierad via neurala kretsar. Det finns bevis för att koffein inducerar brunfärgningsegenskaper i adipocyter in vitro22, och tidigare arbete har visat att koffein (100 mg) ökar hjärtfrekvensvariationen, vilket kan vara en indikator på en ökning av sympatisk nervdrift systemiskt i kroppen27. Detta är i linje med bevis hos gnagare, där koffein via centrala nervsystemet ökar termogenesen utan en negativ hjärtdynamisk inverkan28.
Eftersom det föredragna substratet för BAT-termogenes är fria fettsyror härledda från triglycerider13 och aktiva BAT-sekvestrar som cirkulerar lipider för att upprätthålla termogenes29, är mått på substratutnyttjande viktiga vid bedömning av fysiologisk aktivering av BAT. Andningsutbytesförhållandet (RER) är förhållandet mellan volymen syre som förbrukas (V̇O2) och producerad koldioxid (V̇CO2)30. En RER på 0,7 indikerar fettsyrametabolism, och en RER på 1,0 indikerar kolhydratmetabolism31. Därför är bevis på en preferens för fettsyrautnyttjande utöver en ökning av energiförbrukningen ett viktigt korrelat för BAT-termogenesen.
Dessutom, med tanke på att upptaget av glukos är ett känt korrelat till BAT-aktivitet (se ovan), är en minskning av blodglukos parallellt med förändringen i substratutnyttjande viktiga korrelat för BAT-termogenesen. Tidigare studier som enbart använt indirekt kalorimetri, eller tillsammans med temperaturregistrering hos fastande individer, har rapporterat liten eller ingen akut förändring i substratutnyttjande32,33. Eftersom detta sannolikt maskeras av fastande tillstånd (där preabsorptiv metabolism gynnar fettutnyttjande), föreslår vi att man kombinerar IRT och indirekt kalorimetri med kolhydratbelastning.
Denna artikel syftar till att tillhandahålla en steg-för-steg-metod som kliniska forskare kan använda för att på ett tillförlitligt och, viktigare, säkert kvantifiera den fysiologiska betydelsen av BAT hos människor genom att kombinera IRT, indirekt kalorimetri och blodsockernivåer. Denna teknik används bäst efter att försökspersonerna har blivit kolhydratladdade och exponerats för antingen farmakologiska BAT-medel eller miljöstimuli. Resultaten av denna metod kan användas för att studera BAT-aktivitet, substratanvändning och energiförbrukning efter aktivering av BAT hos enskilda försökspersoner27.
Protocol
Alla deltagare (n = 8) gav skriftligt informerat samtycke, och alla experiment godkändes av universitetets mänskliga etikkommitté; data härleddes från Van Schaik et al.27.
1. Installation av utrustning och programvara
- Mät fettmassan via röntgenabsorptiometri med dubbel energi (DXA) enligt Van Schaik et al.27.
- Uppskatta substratutnyttjandet och energiförbrukningen från utgången gas; Mät detta med hjälp av en andningsgasanalysator enligt tillverkarens riktlinjer.
- Samla blodprover via finger (kapillär) punktering och bestäm blodsockernivån med hjälp av en glukometer enligt tillverkarens riktlinjer.
- Använd en beröringsfri infraröd termometer för att bestämma mätningar av kärnkroppstemperaturen enligt tillverkarens riktlinjer (felet på denna enhet är ±0,2 ° C).
2. Förfaranden före deltagarbesöken
- Screena alla deltagare för deras hälsostatus.
- Ange följande uteslutningskriterier: ett BMI på >30 kg/m2 (på grund av att BAT-aktivitet är omvänt korrelerad med fetma34,35, deltagare som använder receptbelagda läkemedel och diabetes mellitus.
- Före eller efter testsessionen, se till att deltagarna genomgår en DXA-skanning för att mäta sin fettmassa, eftersom BAT-aktiviteten är omvänt korrelerad med adipositet34,35.
- För 24 timmar innan du anländer till studien, se till att deltagarna avstår från någon ansträngande träning eller aktivitet och är vattenfasta i 10 timmar innan de anländer till labbet.
3. Förfaranden på studiedagen
- Se till att rumstemperaturen vid vilken data samlas in är inställd på en konstant temperatur för att minimera externa störningar på grund av skillnader i rumstemperatur.
OBS: Detta kan resultera i felaktiga termiska eller metaboliska mätningar. För detta experiment användes ett temperaturkontrollerat rum som hölls vid 22 °C under termiska neutrala förhållanden. - Be deltagarna att anlända till labbet klockan 08:00 för att redogöra för dagliga hormonrytmer.
- Mät deltagarnas längd och vikt.
- Be deltagarna att ligga på en sockel i minst 30 minuter innan baslinjemätningarna tas.
- Under en 120-minutersperiod mäter deltagarnas IRT, indirekta kalorimetri, blodsocker och kärntemperatur var 15: e minut efter utgångenO2- och CO2-provtagning(figur 1).
- Efter baslinjemätningarna, se till att deltagarna är kolhydratladdade genom konsumtion av tre kolhydratgeler (90 g glukos vardera) mellan tidpunkterna 0 min och 15 min.
- Se till att deltagarna får i sig behandlingen 45 min efter kolhydratbelastningen. För att följa detta protokoll, använd 100 mg koffeinkapslar som intervention27.
OBS: En wash-out period på 7 dagar mellan intervention och placebo krävs, vilket innebär att en period på 7 dagar krävs mellan koffein och placebobehandling.
4. Indirekt kalorimetri
- Uppskatta energiförbrukningen och substratutnyttjandevärdena från den utgångna gasen, mätt med hjälp av en andningsgasanalysator. Slutför kalibreringen av andningsgasanalysatorn enligt tillverkarens instruktioner.
- Montera den kallsteriliserade silikonmasken på deltagaren för att möjliggöra leverans av rumsluft och förvärv av metaboliska data. Se till att masken är utrustad med en försteriliserad ventil som inte återandas (tvåvägs icke-andningsventil) och fäst den på deltagarens ansikte med ett nätfäste och kontrollera om det finns läckor.
- Se till att inandningsrören och utandningsrören är anslutna.
- Exportera den digitala datafilen i kalkylbladsformat.
- Prova utgångnaO2 och CO2med 5 s i genomsnitt. Detta mäter energiförbrukningen och andningsutbytesförhållandet (figur 1). Ta bort ansiktsmasken för att slutföra de ytterligare åtgärderna.
- Beräkna substratoxidationshastigheterna (kolhydrat- och lipidoxidation) och den totala energiförbrukningen med hjälp av de icke-protein-Weir ekvationerna 1-331,36:
Fettoxidationshastighet (g/min−1) = (1,695 VO 2)-(1,701 VCO 2) (1)
Kolhydratoxidationshastighet (g/min−1) = (4,585 VCO 2) -(3,226 VO 2) (2)
Energiförbrukning (kcal/min) = (3,94 × VO 2)+ (1,1 × VCO2) (3)
5. Mätningar av blodglukos i plasma
- Utför blodsockermätningar via fingerstick och en glukometer efter varje omgång av utgångna gasmätningar (figur 2).
6. Kärntemperatur
- Registrera kärntemperaturen (Tcore) efter varje omgång mätningar av utgångna gaser. Mät helst kärntemperaturen antingen rektalt eller intra-auralt (figur 2).
OBS: På grund av COVID-19-säkra metoder, minimera person-till-person-kontakt. - Se till att deltagarna ligger liggande och huvudet är i ett neutralt läge. Rikta konsekvent den kontaktfria termometern mot mitten av deltagarens panna.
7. Infraröd termografi
- Utför IRT efter varje omgång mätningar av utgångna gaser (figur 2).
- Be deltagarna att sitta upp i upprätt ställning och titta rakt fram, med bröstområdet mot nackregionen exponerat (figur 3).
- Använd en värmekamera för att få infraröda bilder av den främre nacken och övre bröstområdet.
- Placera kameran på ett stativ i höjd med halsen 1 m från motivets ansikte (bild 4D). Använd följande inställningar: detektortyp = okyld mikrobolometer; detektorns stigning = 17 μm; kamerans spektralområde = 7,5-14,0 μm; värmekänslighet = 20 mK vid 30 °C, linser = 36 mm; upplösning = 1 024 pixlar x 768 pixlar.
- Slå på kameran.
- Justera kamerans fokus genom att vrida på fokusringen.
OBS: Det är mycket viktigt att justera fokus korrekt. Felaktig fokusjustering påverkar temperaturmätningen. - Rikta laserpekaren mot mittlinjen i deltagarens hals.
- Ta bilden.
OBS: Bilden sparas automatiskt om ett minneskort används.
8. Bildanalys
- Välj tre områden i främre bröstkorgen och halsen för analys av yttemperaturen: bilateralt huden som ligger över BAT i den supraklavikulära fossan (SCF) och den laterala regionen av halsen, med sternalområdet betraktat som en kontrollreferenspunkt (Tref), eftersom detta område inte innehåller BAT (figur 4A–C).
- Placera triangulära regioner av intresse (ROI) i vänster och höger SCF-områden och en cirkulär ROI över sternalregionen.
- När de önskade regionerna har korslokaliserats, bekräfta att programvaran visar medel- och standardavvikelsen för temperaturen för varje vald region.
9. Analys av data
- Använd en dubbelblind metod för analys av interventionerna med hjälp av de beskrivna teknikerna. Låt en forskare som inte är involverad i datainsamlingen eller analysen koda interventionerna generellt.
- Utför den statistiska analysen.
- Beräkna medelvärden för IRT, kärntemperatur och blodsockerdata från den uppmätta enskilda tidpunkten.
- Beräkna medelvärden för RER, fettoxidation, kolhydratoxidation och energiförbrukning i 10 minuters epoker.
- För energiförbrukning, summera energiförbrukningsgraden för varje grupp och dela upp den i före och efter intervention.
OBS: Se Van Shaik et al. för statistiska tester för att analysera data27.
Representative Results
Figur 1 och figur 2 presenterar ett flödesschema över studiedesignen. Bilder av protokollinställningarna visas i figur 3. Deltagarnas egenskaper finns i tabell 1. Representativa exempel på IRT av bilder av en deltagare, inklusive baslinje (figur 4A), postkolhydratbelastning (figur 4B) och 60 minuter efter koffeintillskott (figur 4C), med en representativ bild av kamerainställningen, presenteras i figur 4D. I synnerhet ger figur 4A-C en visuell representation av förändringarna i supraklavikulär fossatemperatur (Tscf) efter interventionen; Temperaturskillnaderna är särskilt markanta mellan figur 4B och figur 4C.
I figur 5A-C visar resultat från Van Schaik et al. Tscf (figur 5A), temperaturen på en referenspunkt (Tref; Figur 5C) och kärntemperaturen (Tcore; Figur 5B) från baslinjen (0 min) till slutförandet av datainsamlingen (120 min). Data visar en koffeinintervention jämfört med placebo27. Resultaten som beskrivs i detta manuskript är rent representativa för denna publicerade artikel. Dessutom visar data om Tscf ingen gruppeffekt. Statistiken finns i kompletterande uppgifter från Van Schaik m.fl.27.
Den markanta ökningen av supraklavikulär temperatur sammanfaller med förändringar i substratutnyttjande och snabb sänkning av blodsockernivåerna efter interventionen, som visas i figur 6. Dessa resultat, i kombination med avsaknaden av temperaturförändring för Tref- och Tcore-temperaturerna (figur 5B,C), tyder på BAT-termogenes. Dessutom, när energiförbrukningen ökar (figur 6E), minskar procentsatsen för kvarstående fel (figur 6A), vilket sammanfaller med att fettoxidationen ökar (figur 6B) efter interventionen.
Figur 1: Schematisk bild av åtgärder med tid att slutföra under varje 15-minutersperiod. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Flödesschema schematiskt över studiedesignen. Experimentell process. Svart kvadrat = tid för kolhydratbelastning; svart cirkel = tid för ingripande. Förkortningar: IRT = infraröd termografi; BGL = blodsockernivåer. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Representativa bilder av protokollet. (A) Inställning utan deltagarens närvaro; b) Datainsamling av deltagarna vid utgångsvärdet. c) Dator med indirekt kalorimetri. (D) Deltagare som konsumerar kolhydratbelastningen efter baslinjeåtgärder. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 4: Representativa exempel på IRT och kamerainställningar. Värmebilder från en deltagare, vid (A) baslinje, (B) efter kolhydratbelastning och (C) 60 minuter efter intag av koffein, med (D) en representativ bild av kamerainställningen. Förkortning: IRT = infraröd termografi. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Interventionens effekter på temperaturåtgärderna. Baslinjeförändringar av rå temperatur på (A) Tscf, (B) Tcore och (C) Tref hos deltagare efter en kolhydratbelastning (tidpunkt = 0) och administrering av en koffeinintervention eller en placebokapsel (tid = 45 min till 120 min)27. Denna siffra är modifierad från Van Schaik et al.27. (A–C) Ljusgrå ruta 1 = tid för kolhydratbelastning; Fält 2 = Före intervention. mörkgrå fält 3 = efter intervention, blå cirklar = koffeinintervention; Svarta trianglar = placebointervention. Uppgifterna uttrycks som minimum till maximum, med alla punkter som visas i rutan och whisker-diagrammen. Variansen uttrycks som medelvärde ± SD, n = 8 per intervention; * representerar koffeininteraktionseffekten (*p < 0,05). Datavärdena analyserades med hjälp av en trevägsanalys av variansen med upprepade mått. Förkortningar: Tscf = temperatur i supraklavikulär fossa; Tcore = kärntemperatur; Tref = kontrollreferenspunkt. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Interventionens effekter på metaboliska åtgärder. Förändringar i (A) RER, (B) fettoxidationshastigheten, (C) kolhydratoxidationshastigheten, (D) blodsockernivåer och (E) energiförbrukning hos deltagare efter en kolhydratbelastning (tid = 0) och administrering av en koffeinkapsel eller en placebokapsel (tid = 45 min till 120 min). Ljusgrå ruta 1 = tid för kolhydratbelastning; Fält 2= före intervention, mörkgrå fält 3 = efter intervention, blå cirklar = koffeinintervention; Svarta trianglar = placebointervention. Uppgifterna uttrycks som minimum till maximum, med alla punkter som visas i rutan och whisker-diagrammen. E) Före och efter administrering av interventionerna. grå stapel = placebointervention; blå stapel = koffeinintervention. Variansen uttrycks som medelvärde ± SD, n = 8 per intervention; * representerar koffeininteraktionseffekten (*p < 0,05). Datavärdena analyserades med hjälp av en trevägsanalys av variansen med upprepade mått. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Alla deltagare | |
| n | 8 |
| Ålder, år | 22 ± 2 |
| Höjd, cm | 176 ± 5 |
| Vikt, kg | 74 ± 8 |
| BMI, kg/m2 | 23 ± 2 |
| Kroppsfett, % | 20 ± 8 |
Tabell 1: Deltagardemografi. Värdena är medelvärden ± SD om inget annat anges. Denna tabell är från Van Schaik et al.27.
Discussion
Metoden vi har visat här är ett tekniskt enkelt, säkert och kostnadseffektivt protokoll för mätning av BAT-termogenes hos människor. Protokollet behandlar farhågor relaterade till tillförlitligheten av att använda IRT på egen hand för att skilja mellan lokal uppvärmning på grund av förändrat hudblodflöde och djupare uppvärmning på grund av termogenes genom att korrelera IRT med både mått på energiförbrukning (EE) och substratutnyttjande. Eftersom denna teknik inte använder joniserande strålning tillåter den analys av upprepade åtgärder, vilket inte är möjligt med PET-avbildningstekniker. Slutligen, medan PET-avbildningstekniker kan identifiera BAT-aktivering, rapporterar de inte om de fysiologiska resultaten (ökad temperatur och EE) som detta protokoll mäter.
Styrkan i det protokoll som beskrivs här är att det finns fyra bevislinjer som stöder slutsatsen av framkallad BAT-termogenes: (1) ökad uppmätt Tscf, parallellt med oförändrad kärntemperatur och stabil hudtemperatur över det angränsande referensområdet; (2) ökade energiutgifter; (3) en förändring i substratutnyttjandet; och (4) en minskning av blodsockernivån. De konvergerande observationerna överensstämmer alla med de förväntade resultaten för BAT-termogenesen. Den väsentliga delen av protokollet är deltagarnas kolhydratbelastning för att säkerställa kolhydratmetabolism före intervention. BAT-termogenes växlar substratmetabolism från kolhydrater till fria fettsyror, vilket framgår av minskningen av RER. Medan det föredragna substratet för BAT-termogenes är fria fettsyror, är ett signifikant upptag av glukos till aktiv BAT väl etablerat 5,6,7. Därför observerar vi en minskning av blodsockernivån samtidigt med BAT-termogenesen. Det skulle inte vara möjligt att observera den ömsesidiga förändringen i substratutnyttjande (RER) och fallet i blodsockernivån i fastande tillstånd.
Tidigare studier har dragit slutsatsen att förhöjt Tscf (mätt med IRT) är tillräckligt för att dra slutsatsen om BAT-termogenesen. Denna slutsats är dock endast säker om Tscf överstiger kärntemperaturen. Om Tscf är mindre än eller lika med kärntemperaturen, kan en lokal temperaturförändring på grund av ökat hudblodflöde inte uteslutas. En systematisk genomgång drog slutsatsen att IRT ensamt inte kan avgöra om ökningar av supraklavikulär hudtemperatur beror på BAT-termogenes37. I granskningen noterades att den vanligaste metoden (18F-FDG PET/CT) mäter upptaget av glukos i BAT37. Det föredragna substratet för BAT-termogenes är dock fettsyror13. Detta metodologiska problem förhindrar en meningsfull jämförelse mellan PET/CT-data vid validering av IRT-data, eftersom inget av dessa mått ensamt är ett lämpligt mått på BAT:s verkliga metaboliska aktivitet eftersom det inte kan indikera förändringen i energiförbrukning och substratanvändning på grund av BAT-termogenesen. Men med det protokoll som beskrivs här kan vi inte bara kvantifiera temperaturförändringen, utan vi kan också bekräfta en ökning av energiförbrukningen – ett viktigt fysiologiskt resultat av BAT-termogenesen. IRT är en beröringsfri, icke-invasiv och relativt billig metod för att mäta temperatur- och temperaturförändringar i samband med BAT-termogenes. Däremot är PET-CT dyrt och utsätter individer för joniserande strålning, vilket begränsar tillämpligheten av denna metod till små retrospektiva analyser av kliniska avbildningsstudier. Tillämpningen av det nuvarande protokollet på storskaliga, randomiserade kliniska prövningar skulle vara relativt enkel och kostnadseffektiv.
Det är viktigt att notera att minskningen av kolhydratoxidation efter koffeinintervention kan förklaras av förändringen i substratutnyttjande som ett resultat av ökad BAT-termogenes på grund av interventionen. Åtgärder av insulinsignalering skulle göra resultaten av denna studie mer robusta. Baserat på resultaten av denna studie är det dock inte klart om koffein skulle påverka insulinsignalering via verkan på BAT eller om sänkningen av blodsockret är ett resultat av att BAT tar upp fler energisubstrat.
18F-FDG PET/CT-metoden har flera inneboende begränsningar när den används för att kvantifiera och mäta den fysiologiska aktiviteten hos bästa tillgängliga teknik, särskilt när man undersöker näringsämnens eller dietingrediensers inverkan på BAT-aktiviteten. 18F-FDG PET/CT-metoden kräver att försökspersonerna fastar för att undvika utfodringsinducerade ökningar av glukosupptaget i muskelvävnaden, vilket avsevärt kan minska detekteringen av både BAT- och BAT-funktionen38. Dessutom kan denna teknik inte ensam mäta den fysiologiska effekten eller omfattningen av BAT-aktivering. Dessutom är användningen av joniserande strålning i PET-avbildningsstudier ett etiskt hinder och hälso- och säkerhetshinder för att utforma cross-over-studier med upprepade åtgärder. Dessutom representerar 18F-FDG endast glukosupptag, vilket inte är detsamma som att mäta glukosmetabolism. Denna metod för kolhydratbelastning av försökspersoner före mätning av BAT-temperaturen och kombination av blodsockernivåer med indirekt kalorimetri gör det möjligt för oss att noggrant mäta den fysiologiska effekten av termogenes och förändrat substratutnyttjande, vilket annars inte skulle vara tillgängligt i fastande tillstånd.
Styrkor och begränsningar
Detta protokoll har större konsekvenser än att bara studera bästa tillgängliga teknik. Genom kolhydratbelastningsdeltagare före intervention kan oscillationen av blodsockernivåer som svar på både kolhydratbelastning och koffeinintervention, liksom förändringar i substratutnyttjande, observeras. Därför kan denna teknik användas för att förbättra humana indirekta kalorimetristudier och metaboliska åtgärder. Det är ännu inte känt om resultaten från denna studie kan replikeras efter andra ingrepp, såsom kall exponering eller adrenerg stimulering. Emellertid, resultaten av denna studie har replikerats efter intervention med en annan kosten ingrediens, nämligen Capsicum annuum27. Ytterligare noggrannhet och förtroende för resultaten skulle kunna uppnås med hjälp av en dubbelblind metod för analys av insatser med hjälp av de beskrivna teknikerna, och detta skulle lätt kunna genomföras27.
Den potentiella förvirringen av varierad rumstemperatur är inte relevant i detta protokoll, eftersom rumstemperaturen hölls stabil från deltagare till deltagare. Dessutom beaktades fuktigheten under kalibreringen av andningsgasanalysatorn. Detta antyds i installationen av denna utrustning, eftersom kalibreringen slutförs enligt tillverkarens instruktioner.
Tidsintervallen för mätning och behandling bestämdes efter en mindre pilotstudie där felsökning av protokollet genomfördes. I huvudsak bestämdes tidsintervallen för mätning utifrån den tid som behövs för forskaren att utföra mätningarna och för deltagarens komfort. Tidpunkten för interventionen bestämdes utifrån den tid det tog för kolhydratmetabolism att inträffa efter kolhydratbelastningen för att undersöka om interventionen ökade oxidationen av fria fettsyror (dvs BAT-termogenesen) och sänkte kolhydratoxidationen.
I synnerhet finns det skillnader mellan kapillär- och venösa glukosnivåer39. Men i samband med vård utanför sjukhus är det vanligaste sättet att mäta blodsockernivån via ett blodprov av kapillärursprung analyserat av en handhållen, patientnära glukometer40. Dessutom, hos friska individer (liknande de som ingår i detta protokoll) i en icke-klinisk miljö, finns det en statistiskt signifikant, men inte kliniskt signifikant, skillnad mellan kapillär- och venösa blodsockernivåer mätt med hjälp av en kapillärbaserad glukometer41. I detta sammanhang skulle kapillärprovtagning förbli det optimala tillvägagångssättet på grund av att de flesta patientnära glukometrar som finns tillgängliga på marknaden är konstruerade för att analysera kapillärblodprover41. Ur ett kliniskt perspektiv kan man hävda att venöst blodsocker är den överlägsna analysmetoden. Venös blodprovtagning är dock inte bara dyr och kräver specialutrustning (ibid), men det är också invasivt. De etiska övervägandena om att öka risken för biverkningar under protokollet måste vägas mot den rapporterade litteraturen som visar den höga korrelationen och tillförlitligheten hos kapillärblodglukos som ett proxymått på venöst blodsocker42. Nyckeln här är naturligtvis att vi inte har föresatt oss att diagnostisera diabetes utan att mäta förändringar i blodsockernivåer, för vilka kapillär blodsockerövervakning är ett mer än lämpligt protokoll.
Glukos kan inducera termogenes och enstaka måltider kan aktivera BAT43. Emellertid, och snarare viktigt, visar data som ingår i detta manuskript ingen signifikant effekt av glukosbelastning i interventionsgruppen eller placebogruppen. Dessutom härrörde uppgifterna i manuskriptet från resultaten från Van Schaik m.fl., som omfattade en tredje intervention (Capsicum annuum), och glukosbelastningen hade ingen signifikant effekt på åtgärderna27.
Det bör noteras att detta protokoll endast har använts hos manliga deltagare med lågt kroppsfett och aktiv BAT (för att minska antalet kontrollerbara variabler uteslöts kvinnor från studien). Det finns en känd omvänd korrelation mellan fetthalt och BAT-massa hos människa44. Dessutom är det känt att tidigare överviktiga människor som har gått ner i vikt genom kost och motion har en lägre basal ämnesomsättning och måste konsumera dieter med lägre kalorier för att bibehålla en normal vikt45,46. Dessutom kan BAT-aktivitet stimulera BAT-tillväxt8. Den metod som beskrivs här kommer att möjliggöra långtidsstudier för att undersöka förändringar i BAT-aktivitet i samband med metabola sjukdomar på ett sätt som inte ges av andra tekniker.
Slutsats
Sammanfattningsvis demonstrerar vi en mätmetod för att kvantifiera human brun fettvävnadsaktivitet med hjälp av IRT och indirekt kalorimetri efter en kolhydratbelastning. De kritiska stegen inkluderar 1) kolhydratbelastning av deltagarna som är i fastande tillstånd före mätning av BAT-temperaturen samtidigt som indirekta kalorimetri- och blodsockernivåer kombineras för att möjliggöra kvantifiering av den fysiologiska omfattningen av BAT-termogenes och förändrat substratutnyttjande; 2) bedöma relevanta BAT-depåer och temperaturer för IRT från en referenspunkt och kärntemperatur för att påvisa varje ökning av Tscf som skulle tyda på BAT-aktivering baserat på den anatomiska platsen. Vi anser att dessa kvantitativa mätningar möjliggör en mer exakt utvärdering av BAT:s bidrag till människans energimetabolism och termoregulering hos vuxna. Detta grundliga tillvägagångssätt bör användas av forskare för att studera BAT-fysiologi och fungera som en ny standard för utveckling av humana BAT-aktiveringsmetoder i framtiden.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter att avslöja.
Acknowledgments
Vi vill tacka alla studievolontärer för deras deltagande i vår studie. Detta arbete stöddes av Holsworth Research Initiative, La Trobe University och 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 |
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).
