红外热成像技术用于检测棕色脂肪组织活性变化

摘要

本文介绍了一种用于测量人类和实验动物餐后棕色脂肪组织活性的实验方案。

摘要

通过正电子发射断层扫描计算机断层成像（PET-CT）测量棕色脂肪组织（BAT）活性 通过 积累的 ¹⁸餐后或在肥胖及糖尿病患者中，氟脱氧葡萄糖（FDG）显像作为首选方法常会失败。其主要原因是 ¹⁸F-FDG 与餐后升高的血糖浓度竞争 BAT 细胞膜上的同一葡萄糖转运体。此外，BAT 也利用脂肪酸作为能量来源，而这一点在 PET-CT 中无法显示，并且可能随着肥胖和糖尿病患者体内葡萄糖浓度的变化而改变。因此，为评估 BAT 在动物和人类中的生理重要性，近期研究文献中采用了一种新的红外热成像方法。

在过夜禁食后，通过红外热成像技术测量人类志愿者和 雌性野生型小鼠进食前后棕色脂肪组织（BAT）的活性。相机软件利用与物体的距离、皮肤发射率、环境反射温度、空气温度和相对湿度来计算物体温度。在小鼠中，将棕色脂肪组织上方剃毛区域作为感兴趣区域，测量其平均温度和最高温度。雌性小鼠动情周期的阶段通过实验后采集阴道涂片并用焦油紫（0.1%）染色液染色确定。在健康志愿者中，选择颈部两个皮肤区域：锁骨上区（锁骨上方，存在BAT细胞）和锁骨间区（双侧锁骨之间，无BAT组织分布）。BAT活性通过这两个区域温度值的差值确定。此外，可在动物和人类受试者中测定皮肤区域的平均温度和最高温度。

通过红外热成像技术（一种非侵入性且更敏感的方法）测量餐后棕色脂肪组织（BAT）活性的变化，已在实验动物中显示出与性别、年龄及动情周期阶段的依赖性。作为饮食诱导性产热的一部分，人类BAT的激活也被证实与性别、年龄及体重指数相关。进一步明确餐后BAT活性的病理生理变化，对于血糖浓度较高的受试者（如肥胖和2型糖尿病患者）以及不同类型的实验动物（如基因敲除小鼠）具有重要意义。该方法还可作为评估潜在激活药物能否恢复BAT活性的有效工具。

引言

棕色脂肪组织（BAT）与白色脂肪组织（WAT）不同，其并不储存能量，而是消耗能量。在交感神经刺激下，BAT利用脂肪酸和葡萄糖，通过激活解偶联蛋白1（UCP1）产生热量。UCP1的功能是利用线粒体内膜两侧的H⁺梯度产生热量，而非生成ATP。BAT的功能是在寒冷条件下增加产热，从而提高能量消耗¹。寒冷刺激后，皮肤的感觉传入信号会抑制下丘脑视前区（POA）中正中视前核（MnPO）的温敏神经元，从而减弱POA神经元对头端缝际苍白核（rRPa）的抑制作用。rRPa神经元的激活会增强交感神经活动，进而导致BAT活性升高^2,3。寒冷诱导的BAT激活可改善人体的胰岛素敏感性⁴，而该活性在体重指数（BMI）较高及年龄较大的人群中有所降低^1,5,6,7。

除了在冷诱导产热中的作用外，在偏瘦的男性人群中，餐后棕色脂肪组织（BAT）的葡萄糖摄取量也会增加，从而促进饮食诱导的产热（DIT），且在BAT阳性男性受试者中....

方案

所有涉及实验动物的实验程序均经国家伦理委员会和农业部批准（EP 185/2018）。实验实施过程遵循克罗地亚实验动物科学学会伦理守则以及ARRIVE指南。所有涉及人类受试者的研究操作均遵循《赫尔辛基宣言》，并经萨格勒布大学医学院伦理委员会批准（UP/I-322-01/18-01/56）。本研究展示了三名女性受试者的研究结果（BMI：29 kg/m² ± 5 kg/m²）。所有人类志愿者均已知情同意参与本研究，并同意其数据被用于展示。

1. 测量餐后人类棕色脂肪组织的激活

注意：实验应在夏季进行，此时每日温度不低于 22 °C，以尽可能保持基础棕色脂肪组织（BAT）活性处于较低水平。

1. 在估计病理性条件下的棕色脂肪组织（BAT）活性时，应谨慎选择对照健康参与者，因为BAT活性受性别、年龄、体重指数（BMI）以及动情周期阶段的影响。
   1. 为了估算女性参与者的月经周期阶段，请询问她们平均月经周期的长度以及上次月经第一天的日期。切记记录实验日期。
      注意：在临床研究中，正确选择匹配的对照受试者是最困难的部分，因为健康对照者与患有病理状况的受试者应尽可能相似，仅在所研究的疾病方面存在差异。
2. 要求参与者充分休息，禁食（禁食期间不摄入任何热量），于上午时段....

结果

确定棕色脂肪组织（BAT）活性最简单的方法是测量人体进食前后BAT区域皮肤最高温度的差值。更准确的BAT活性计算方法是选择两个感兴趣区域：一个为位于锁骨上区域的BAT上方皮肤区域，另一个为人体内无BAT组织分布的锁骨间皮肤区域，后者根据PET-CT结果设定为参考区域（图1）。BAT活性可通过这两个区域温度的差值简便地确定。如图1所示，BAT活性测定值为1.8 °C。为确定进食后BAT的激活情况，需在进食后设定的时间点重复测量¹²。本研究中，我们对三名女性参与者进行了实验。参与者1和参与者2的体重指数（BMI）分别为23 kg/m²和34 kg/m²，其结果相似。参与者3的BMI最低（18 kg/m²），但进食后BAT活性升高最为显著（图1B，左）。仅采用锁骨上区域皮肤最高温度并不能准确反映BAT活性，因为即使在进食3小时后，皮肤温度并未下降（

讨论

近期研究越来越多地揭示了棕色脂肪组织（BAT）活性在成人及动物肥胖症和糖尿病发生发展中的生理调节作用及其重要性。此外，通过外源性激活剂激活BAT的可能性正成为制药公司的研究靶点。为了准确评估BAT在这些严重疾病中的生理调节作用和病理生理学意义，并探索潜在的治疗策略，红外热成像技术正逐渐成为首选方法。尽管红外（IR）技术正作为一种新兴手段被广泛用于测量BAT活性^{12,13,14,15,17}，但研究中更应关注的并非检测方法本身，而是BAT激活的生理学特性。在人类受试者和实验动物中，需特别注意性别、年龄、动情周期阶段、摄食状态以及可能存在的应激因素。

在人类和实验动物中，餐后棕色脂肪组织（BAT）活性增加的测量结果非常相似¹²

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
0.1% 醋酸焦油紫	常用化学试剂
测量空气温度和湿度的装置	Kesterl	Kestrel 4200	符合性证书
外部数据存储	至少 1 TB 的硬盘驱动器
玻璃显微镜载玻片	常用
小型棉签	尿道拭子
用于分析的软件	FLIR Systems，美国俄勒冈州威尔逊维尔	FLIR Tools
用于测量的软件	FLIR Systems，美国俄勒冈州威尔逊维尔	ResearchIR 软件	FLIR ResearchIR Max，版本 4.40.12.38（64 位）
Thermac 相机	FLIR Systems，美国俄勒冈州威尔逊维尔	FLIR T-1020