Name: 使用间接量热法、红外热成像和血糖水平的组合来测量人类棕色脂肪组织的产热 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-02T13:30:00.000+00:00
Duration: 4 min 54 s
Description: 学习使用间接量热法、红外热成像和血糖监测相结合的方法来评估人体棕色脂肪组织的产热活性。该方案通过碳水化合物负荷与咖啡因干预，安全无创地量化BAT功能，为代谢疾病治疗提供新靶点。

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我们感谢所有研究志愿者参与本研究。本工作由霍尔斯沃思研究计划、拉筹伯大学以及澳大利亚国防科学研究所（DSI，澳大利亚）提供资助。

所有参与者（n =&#160;8）均签署了书面知情同意书，所有实验均经大学人类伦理委员会批准；数据来源于 Van Schaik 等人27。
1. 设备与软件安装
<ol>
	<li>测量脂肪质量 通过 根据 Van Schaik 等人的方法进行双能 X 射线吸收测定法（DXA）27.</li>
	<li>根据制造商的说明，使用呼吸气体分析仪通过分析呼出气体来估算底物利用和能量消耗。</li>
	<li>采集血样 通过 指尖（毛细血管）穿刺，并按照血糖仪制造商的说明测定血糖水平。</li>
	<li>使用非接触式红外线体温计，按照制造商的说明测量核心体温（该设备的误差为±0.2 °C）。</li>
</ol>
2. 受试者访视前的准备工作
<ol>
	<li>对所有参与者进行健康状况筛查。</li>
	<li>设定以下排除标准：体重指数 &#62;30 kg/m2（由于棕色脂肪组织活性与体脂含量呈负相关34,35）、正在使用处方药物者以及患有糖尿病者。</li>
	<li>在测试前或测试后，确保参与者接受双能X线吸收测定法（DXA）扫描以测量其体脂质量，因为棕色脂肪组织活性与体脂含量呈负相关34,35。</li>
	<li>在参与研究前24小时内，确保参与者避免任何剧烈运动或体力活动，并在到达实验室前进行10小时的禁水禁食。</li>
</ol>
3. 研究当天的操作步骤
<ol>
	<li>确保数据采集时的室温保持恒定，以尽量减少因室温差异导致的外部干扰。 
	注意：室温变化可能导致热力学或代谢测量结果不准确。本实验在温度控制为22 °C且处于热中性条件的环境中进行。</li>
	<li>要求受试者于上午08:00到达实验室，以考虑昼夜激素节律的影响。</li>
	<li>测量受试者的身高和体重。</li>
	<li>要求受试者在开始基线测量前至少平卧于检查台30分钟。</li>
	<li>在120分钟内，每隔15分钟测量一次受试者的红外热成像（IRT）、间接热量测定、血糖和核心体温，测量时间点与呼出的O2和CO2采样同步（图1）。</li>
	<li>完成基线测量后，确保受试者在0至15分钟时间点之间摄入三支碳水化合物凝胶（每支含90 g葡萄糖），以实现碳水化合物负荷。</li>
	<li>确保受试者在碳水化合物负荷后45分钟摄入干预物质。按照本方案，使用100 mg咖啡因胶囊作为干预手段27。 
	注意：干预与安慰剂之间需设置7天的洗脱期，即咖啡因与安慰剂处理之间应间隔7天。</li>
</ol>
4. 间接测热法
<ol>
	<li>使用呼吸气体分析仪测量呼出气体，估算能量消耗和底物利用值。按照制造商的说明完成呼吸气体分析仪的校准。</li>
	<li>为受试者佩戴已进行冷灭菌处理的硅胶面罩，以输送室内空气并采集代谢数据。确保面罩配备预灭菌的非重复呼吸阀（双向非重复呼吸阀），并通过网状固定装置将面罩固定在受试者面部，并检查是否存在漏气。</li>
	<li>确保吸气管和呼气管已正确连接。</li>
	<li>将数字数据文件导出为电子表格格式。</li>
	<li>对呼出的 O2 和 CO2 进行采样，采用 5 秒平均值。此步骤用于测量能量消耗和呼吸交换比（图 1）。移除面罩以完成其他测量。</li>
	<li>使用非蛋白 Weir 公式 1–331,36 计算底物氧化速率（碳水化合物和脂质氧化）及总能量消耗： 
	脂肪氧化速率 (g/min−1) = (1.695 VO2)-(1.701 VCO2)&#160; &#160;(1) 
	碳水化合物氧化速率 (g/min−1) = (4.585 VCO2) - (3.226 VO2)&#160; &#160;(2) 
	能量消耗 (kcal/min) = (3.94 × VO2)+ (1.1 × VCO2)&#160; &#160;(3)</li>
</ol>
5.&#160;血浆血糖测量
<ol>
	<li>进行血糖检测 通过 每次呼出气体测量结束后进行指尖采血，并使用血糖仪检测血糖水平（图2).</li>
</ol>
6. 核心温度
<ol>
	<li>每次完成呼出气体测量后，记录核心体温（Tcore）。理想情况下，通过直肠或耳内方式测量核心体温（图2）。 
	注意：由于需遵循新冠疫情防控的安全操作规范，应尽量减少人员之间的直接接触。</li>
	<li>确保受试者处于仰卧位，头部保持中立位置。使用非接触式体温计时，应始终对准受试者前额中央区域进行测量。</li>
</ol>
7. 红外热成像
<ol>
	<li>每次完成呼出气体测量后，进行红外热成像检测（图2）。</li>
	<li>要求受试者保持坐姿，身体直立，目视前方，暴露胸部至颈部区域（图3）。</li>
	<li>使用红外热成像相机采集颈部前侧及上胸部区域的红外图像。
	<ol>
		<li>将相机安装在三脚架上，置于受试者面部前方1米处，高度与颈部齐平（图4D）。使用以下参数设置：探测器类型 = 非制冷微测辐射热计；探测器间距 = 17 µm；相机光谱范围 = 7.5–14.0 µm；热灵敏度 = 30 °C时为20 mK；镜头 = 36 mm；分辨率 = 1,024像素 × 768像素。</li>
		<li>打开相机电源。</li>
		<li>通过旋转对焦环调整相机对焦。 
		注意：正确对焦极为重要，对焦不当会影响温度测量结果。</li>
		<li>将激光指示器对准受试者颈部中线。</li>
		<li>拍摄图像。 
		注意：若使用存储卡，图像将自动保存。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 图像分析
<ol>
	<li>选择前胸和颈部三个区域用于分析体表温度：双侧锁骨上窝（SCF）处覆盖棕色脂肪组织（BAT）的皮肤区域以及颈部侧区，以胸骨区作为对照参考点（Tref），因为该区域不含棕色脂肪组织（图4A-C）。</li>
	<li>在左侧和右侧SCF区域放置三角形感兴趣区（ROIs），在胸骨区域放置圆形感兴趣区（ROI）。</li>
	<li>当完成所需区域的交叉定位后，确认软件显示每个选定区域的温度平均值和标准差。</li>
</ol>
9. 数据分析
<ol>
	<li>使用所述技术对干预措施进行分析时，采用双盲法。由未参与数据收集或分析的研究人员对干预措施进行通用编码。</li>
	<li>进行统计分析。
	<ol>
		<li>计算单个时间点测得的红外热成像温度（IRT）、核心温度和血糖数据的平均值。</li>
		<li>计算每10分钟时间段内的呼吸交换率（RER）、脂肪氧化、碳水化合物氧化和能量消耗的平均值。</li>
		<li>对于能量消耗，分别对每组的能量消耗速率进行求和，并将其分为干预前和干预后两部分。 
		注：有关数据分析的统计检验方法，请参考 Van Shaik 等人的研究27。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

本文所展示的方法是一种技术上简单、安全且经济有效的用于测量人体棕色脂肪组织（BAT）产热的实验方案。该方案通过将红外热成像（IRT）与能量消耗（EE）及底物利用的测量指标相关联，解决了单独使用IRT时难以区分皮肤血流改变引起的局部升温与产热引起的深层升温的可靠性问题。由于该技术不使用电离辐射，因此允许进行重复测量分析，而正电子发射断层扫描（PET）成像技术则无法实现这一点。最后，尽管PET成像技术能够识别BAT的激活状态，但它无法反映本方案所测量的生理学结果（如温度升高和能量消耗增加）。
本方案的优势在于有四条证据支持诱导性棕色脂肪组织（BAT）产热的结论：（1）测量到的皮下温度（Tscf）升高，同时核心体温保持不变，邻近参考区域的皮肤温度稳定；（2）能量消耗增加；（3）底物利用方式发生改变；（4）血糖水平下降。这些一致的观察结果均符合BAT产热所预期的生理反应。该方案的关键步骤是对受试者进行碳水化合物负荷，以确保干预前处于碳水化合物代谢状态。BAT产热会促使底物代谢从碳水化合物转向游离脂肪酸，这一点通过呼吸交换率（RER）的下降得以证实。尽管BAT产热的首选底物是游离脂肪酸，但已有充分证据表明，活跃的BAT会显著摄取葡萄糖5,6,7。因此，我们观察到BAT产热的同时伴随血糖水平下降。若处于空腹状态，则无法观察到底物利用方式（RER）的同步转变以及血糖水平的降低。
既往研究认为，Tscf升高（通过IRT测量）足以得出BAT产热的结论。然而，只有当Tscf超过核心体温时，这一结论才是确定的。如果Tscf小于或等于核心体温，则不能排除由于皮肤血流量增加引起的局部温度变化。一项系统综述指出，仅凭IRT无法确定锁骨上区皮肤温度的升高是否源于BAT产热37。该综述指出，最常用的方法（18F-FDG PET/CT）测量的是葡萄糖在BAT中的摄取37。然而，BAT产热的首选底物是脂肪酸13。这一方法学上的局限性导致在利用PET/CT数据验证IRT数据时无法进行任何有意义的比较，因为单独使用这两种方法均不能准确反映BAT真实代谢活性，也无法指示BAT产热所引起的能量消耗和底物利用的变化。然而，通过本研究中描述的方案，我们不仅能够量化温度变化，还能确认能量消耗的增加——这是BAT产热的关键生理结果。IRT是一种非接触、非侵入性且相对经济的测量与BAT产热相关温度及其变化的方法。相比之下，PET-CT成本高昂，并使受试者暴露于电离辐射，因此该方法的应用仅限于对临床影像研究的小规模回顾性分析。将本方案应用于大规模、随机化的临床试验将相对简便且具有成本效益。
需要注意的是，咖啡因干预后碳水化合物氧化减少的现象，可通过干预引起棕色脂肪组织（BAT）产热增加所导致的底物利用转换来解释。对胰岛素信号传导进行检测将有助于增强本研究结果的可靠性。然而，根据本研究的结果尚无法明确咖啡因是否会影响胰岛素信号传导。 通过 是棕色脂肪组织（BAT）的作用，还是由于BAT摄取了更多的能量底物导致血糖下降。
的 18F-FDG PET/CT 方法在定量和测量棕色脂肪组织（BAT）生理活性时存在若干固有局限性，尤其是在研究营养物质或膳食成分对 BAT 活性影响时。 18F-FDG PET/CT 方法要求受试者禁食，以避免进食引起的肌肉组织葡萄糖摄取增加，后者会显著降低对棕色脂肪组织（BAT）及其功能的检测能力38此外，该技术本身无法测量棕色脂肪组织（BAT）激活的生理影响或激活程度。另外，在PET成像研究中使用电离辐射为设计重复测量的交叉研究带来了伦理及健康安全方面的障碍。此外， 18F-FDG 仅表示葡萄糖摄取，而非测量葡萄糖代谢。在测量棕色脂肪组织（BAT）温度前对受试者进行碳水化合物负荷，并结合血糖水平与间接热量测定法，可严格评估产热作用的生理影响及底物利用的变化，这些信息在空腹状态下无法获得。
优势与局限性 
本方案的意义不仅限于对棕色脂肪组织（BAT）的单纯研究。通过在干预前对受试者进行碳水化合物负荷，可以观察到碳水化合物负荷和咖啡因干预所引起的血糖水平波动，以及底物利用的变化。因此，该技术可用于改进人体间接测热法研究及代谢指标的测定。目前尚不清楚本研究的结果是否能在其他干预措施（如冷暴露或肾上腺素能刺激）后得到重复。然而，已有研究表明，在使用另一种膳食成分——Capsicum annuum27进行干预后，本研究的结果得到了重现。若采用双盲方法分析本研究所述技术的干预效果，可进一步提高研究的严谨性和结果的可信度，且该方法易于实施27。
在本实验方案中，室温变化可能带来的混杂因素并不相关，因为每位受试者的实验环境室温均保持稳定。此外，在呼吸气体分析仪的校准过程中已考虑了湿度因素。这一点可从该设备的设置中推断得出，因为校准是严格按照制造商的说明完成的。
测量和干预的时间间隔是根据一项小型预试验确定的，在该预试验中对实验方案进行了故障排查。实际上，测量时间点的选择基于研究人员完成测量所需的时间以及受试者的舒适度。干预时间的选择则基于摄入碳水化合物后碳水化合物代谢所需的时间，以评估干预是否能够增加游离脂肪酸氧化（即棕色脂肪组织产热）并降低碳水化合物氧化。
值得注意的是，毛细血管血糖水平与静脉血糖水平之间存在差异39然而，在院外急救的背景下，测量血糖水平最常用的方法是 通过 通过手持式床旁血糖仪分析的毛细血管来源血样40此外，在非临床环境下，对健康个体（与本方案所纳入者相似）使用基于毛细血管血的床旁血糖仪进行检测时，毛细血管血与静脉血的血糖水平之间存在统计学上的显著差异，但无临床显著性差异。41在此情况下，毛细血管采样仍然是最佳方法，因为市面上大多数即时检测血糖仪均设计用于分析毛细血管血液样本41从临床角度来看，静脉血糖检测可能是更优的分析方法。然而，静脉采血不仅成本较高且需要专用设备（ibid），还具有侵入性。在研究方案实施过程中，增加不良事件风险所涉及的伦理问题，需与已有文献报道的毛细血管血糖作为静脉血糖替代指标所展现出的高相关性和可靠性之间进行权衡。42关键在于，我们并非旨在诊断糖尿病，而是测量血糖水平的变化，而毛细血管血糖监测对此而言是一种完全合适的方案。
葡萄糖可诱导产热效应，单次进食亦可激活棕色脂肪组织（BAT）43。然而，更重要的是，本文稿中所包含的数据表明，在干预组或安慰剂组中，葡萄糖负荷并未产生显著影响。此外，本文稿中的数据来源于 Van Schaik 等人的研究结果，该研究包含第三种干预（Capsicum annuum），而葡萄糖负荷对各项检测指标均未产生显著效应27。
需要注意的是，本方案仅在体脂率较低且具有活跃棕色脂肪组织（BAT）的男性受试者中使用过（为减少可控变量的数量，研究中排除了女性）。已知在人类中，脂肪含量与棕色脂肪组织质量之间存在负相关关系44。此外，已知通过饮食和运动减重的既往肥胖人群其基础代谢率较低，必须摄入更低热量的饮食才能维持正常体重45,46。进一步地，棕色脂肪组织的活性可促进其自身增生8。本文所述方法将有助于开展长期研究，以探索其他技术手段无法实现的、与代谢性疾病相关的棕色脂肪组织活性变化。
结论 
综上所述，我们展示了一种通过红外热成像技术（IRT）结合间接热量测定法，在摄入碳水化合物后定量评估人体棕色脂肪组织（BAT）活性的测量方法。关键步骤包括：1）在测量BAT温度之前，让处于空腹状态的受试者进行碳水化合物负荷，并同时结合间接热量测定法和血糖水平检测，以量化BAT产热的生理程度及底物利用的改变；2）以参考点和核心体温为基准，评估相关IRT检测下的BAT脂肪库及其温度变化，以确定皮下温度（Tscf）是否升高，从而根据解剖位置判断BAT是否被激活。我们认为，这些定量测量方法能够更准确地评估BAT在成人人体能量代谢和体温调节中的作用。研究人员应采用这一系统性方法来研究BAT生理学特性，并将其作为未来开发人体BAT激活策略的新标准。

棕色脂肪组织（BAT）与白色脂肪组织（WAT）最显著的区别在于其线粒体含量、交感神经支配、多房性脂滴、产热能力以及解剖分布。在2009年确认其存在于成人人体之前，人们一直认为BAT仅存在于婴儿和小型哺乳动物中1,2,3。因此，直到最近，BAT在人体生理学和代谢稳态中的作用仍不甚清楚。在小型动物中进行的大量研究表明，在寒冷暴露期间，超过一半的代谢活动归因于BAT的非颤抖性产热能力4。多项研究已证实，在轻度寒冷暴露（17–18 °C）下，人体BAT的能量消耗增加和葡萄糖摄取升高与BAT产热作用密切相关5,6,7。此外，在寒冷暴露期间，BAT产热可贡献高达人体静息能量消耗的10%（综述见Van Schaik等8）。目前，对BAT生理功能及其对人类健康与疾病影响的研究受到实验方案的限制。因此，建立一种准确测量BAT真实代谢影响的方法，对于深入理解BAT产热在人类肥胖及其代谢并发症中的作用至关重要。
人类棕色脂肪组织（BAT）的解剖分布使得对其准确测量具有挑战性。在人体内，BAT 分布于腹部、胸腔以及尤其是颈部的白色脂肪组织（WAT）储存区域内部9。尸检和尸体研究曾被用于从解剖学上表征 BAT10,11，但这些方法无法提供功能信息。由于 WAT 与 BAT 的密度相似，使用常规成像技术难以区分 BAT8。另一个混杂因素是，米色脂肪组织也位于相同的筋膜狭小层内或某些与 WAT 共存的脂肪库中8，这使得通过常规成像技术进行区分尤为困难。
为解决这一问题，通常通过正电子发射断层扫描（PET）与计算机断层扫描（CT）相结合的方法来测量棕色脂肪组织（BAT）的体积。放射性标记的葡萄糖类似物18F-氟脱氧葡萄糖（18F-FDG）是研究BAT最常用的示踪剂12。然而，该方法存在若干局限性，例如使受试者暴露于电离辐射，且具有侵入性和高昂的成本。此外，18F-FDG示踪剂最大的局限性在于其测量的是葡萄糖类似物的摄取，而游离脂肪酸才是BAT产热的首选底物，因此这种方法并不理想13。18F-FDG PET/CT技术无法测量游离脂肪酸作为产热底物的摄取情况，因而不能反映BAT产热的生理重要性。目前也存在其他用于评估人体BAT的技术，包括测量氧-15标记水（15O-O2）14、 11C-乙酸盐15、长链脂肪酸（18F-氟-6-硫代十七烷酸）16或腺苷17的摄取，以及磁共振波谱18&#160;和磁共振成像19，但这些方法仍然极为昂贵，并会使受试者暴露于电离辐射。因此，目前尚缺乏一种可靠、廉价且重要的是安全的人体BAT定量金标准。
红外热成像（IRT）是一种替代性的非侵入性成像技术20,21&#160;，可测量已知棕色脂肪组织（BAT）储存区域皮肤表面的温度。虽然该方法可间接反映能量消耗的增加，但如果测得的皮肤温度未超过核心体温，则无法确定温度变化是否仅仅是血流改变所致。此外，局部温度升高并不能提供能量消耗改变的具体数值，而后者通常是研究中希望获得的终点指标。已有多个研究团队采用IRT技术，在给予咖啡因干预或冷刺激后，检测到人体BAT储存区域——锁骨上窝温度升高22,23,24,25,26,27。
然而，目前尚不清楚咖啡因对棕色脂肪组织（BAT）的作用是直接的还是间接介导的 通过 神经环路。有证据表明咖啡因可诱导脂肪细胞出现褐变特征 体外22，先前的研究表明，咖啡因（100 mg）可增加心率变异性，这可能提示全身交感神经驱动增强27。这与啮齿类动物中的证据一致，即咖啡因 通过 中枢神经系统在不产生不良心脏动力学影响的情况下增加产热28.
由于棕色脂肪组织（BAT）产热的首选底物是来自甘油三酯的游离脂肪酸13，且活化的BAT会摄取循环中的脂质以维持产热过程29，因此底物利用的测量在评估BAT生理激活状态中具有重要意义。呼吸交换率（RER）是指耗氧量（V̇O2）与二氧化碳生成量（V̇CO2）的比值30。RER为0.7时提示以脂肪酸代谢为主，而RER为1.0时提示以碳水化合物代谢为主31。因此，相较于单纯的能量消耗增加，对脂肪酸利用的偏好是BAT产热的关键相关指标。
此外，由于葡萄糖摄取是已知的棕色脂肪组织（BAT）活性相关指标（见上文），在底物利用发生变化的同时出现血糖下降，是BAT产热作用的关键相关指标。以往仅使用间接测热法，或结合空腹个体体温记录的研究报道，在底物利用方面几乎没有发生急性变化32,33。由于空腹状态（此时吸收前代谢倾向于脂肪利用）可能掩盖了这一效应，我们建议将红外热成像（IRT）和间接测热法与碳水化合物负荷相结合。
本文旨在提供一种逐步方法，供临床研究人员通过结合红外热成像（IRT）、间接热量测定法和血糖水平，可靠且重要的是安全地量化人类棕色脂肪组织（BAT）的生理学意义。该技术最适合在受试者进行碳水化合物负荷后，接受药理学BAT激活剂或环境刺激的情况下使用。该方法的结果可用于研究个体受试者棕色脂肪组织激活后的BAT活性、底物利用及能量消耗情况27。

<table><tbody><tr><td>自动血压计</td><td>Omron SEM-2 advanced, Omron, Kyoto, Japan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>双能X射线吸收测定仪扫描仪&amp;nbsp;</td><td>Hologic Horizon, Hologic Inc., Bedford, MA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>心电图电极</td><td>Ambu Blue Sensor R, Malaysia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>五导联心电图仪</td><td>Medilog AR12 plus; Schiller, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FLIR E60 红外热成像相机</td><td>FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FLIR Research Studio 专业版软件</td><td>FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Freestyle Optium Xceed 血糖仪</td><td>Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada</td><td></td><td></td></tr><tr><td>葡萄糖凝胶</td><td>Winners Sports Nutrition, Mt Martha, Victoria, Australia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>口罩 经冷灭菌处理的硅胶面罩</td><td>7400 系列口鼻面罩, Hans Rudolph</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Medilog Darwin2 软件</td><td>Professional; Schiller, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>非接触式红外体温计&amp;nbsp;</td><td>Berrcom, JXB-178, Guangdong, China</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optium Xceed 葡萄糖试纸</td><td>Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ParvoMedics TrueOne 2400 呼吸气体分析仪</td><td>ParvoMedics Inc, East Sandy, UT, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>预灭菌非重复呼吸阀</td><td>双向非重复呼吸阀 T 型结构，2600 中号或 2700 大号, Hans Rudolph</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

结合间接热量测定法、红外热成像和血糖水平检测来测量人体棕色脂肪组织产热活性

Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans

在哺乳动物中，棕色脂肪组织（BAT）会在寒冷刺激下迅速激活，以维持体温。尽管在小型动物中已对 BAT 进行了大量研究，但在人体中测量 BAT 活性的难度较大。因此，关于 BAT 在人体中的产热能力及其生理意义，包括饮食成分在多大程度上能够激活 BAT，目前仍知之甚少。这主要是由于当前最常用的评估 BAT 激活方法存在局限性，即通过正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT）检测放射性标记的葡萄糖（氟脱氧葡萄糖或 18FDG）。
该方法通常在空腹受试者中进行，因为进食会诱导肌肉摄取葡萄糖，从而掩盖棕色脂肪组织（BAT）对葡萄糖的摄取。本文介绍了一种详细方案，通过结合间接测热法、红外热成像和血糖监测，在碳水化合物负荷的成年男性中定量测定全身人体能量消耗及由棕色脂肪组织产热所引起的底物利用情况。为明确棕色脂肪组织的生理意义，评估其活性对人体健康影响的指标至关重要。我们通过结合碳水化合物负荷、间接测热法以及锁骨上区域温度变化的测量，展示了一种实现该目标的实验方案。这种新颖的方法将有助于理解人类棕色脂肪组织产热的生理学与药理学机制。

图1 和 图2 展示了研究设计的流程图。图3 展示了实验方案设置的图像。参与者特征见表1。一名参与者红外热成像（IRT）图像的代表性示例，包括基线状态（图4A）、摄入碳水化合物负荷后（图4B）以及补充咖啡因60分钟后（图4C），以及相机设置的代表性图像，展示于图4D。值得注意的是，图4A–C 直观展示了干预后锁骨上窝温度（Tscf）的变化；其中 图4B 与 图4C 之间的温度差异尤为明显。
在图5A-C中，Van Schaik 等人的结果显示了从基线（0 分钟）到数据采集结束（120 分钟）的皮肤表面温度（Tscf，图5A）、参考点温度（Tref；图5C）以及核心温度（Tcore；图5B）。这些数据展示了咖啡因干预与安慰剂的比较结果27。本文所描述的结果完全代表该已发表论文的内容。此外，Tscf 的数据未显示出组间效应。相关统计结果可参见 Van Schaik 等人27的补充数据。
锁骨上区域温度的显著升高与干预后底物利用的变化及血糖水平的快速下降相一致，如图所示 图6。这些结果，结合Tref和Tcore温度未发生改变的情况（图5B,C）是棕色脂肪组织（BAT）产热的指标。此外，随着能量消耗的增加（图6E），呼吸交换率降低（图6A），这与脂肪氧化增加相一致（图6B干预后
<img alt="代谢评估流程图：热量测定、生命体征、体温、葡萄糖、红外热成像（IRT）评估。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 1"> 
图 1：各项测量指标及其在每个 15 分钟时间段内完成所需时间的示意图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="间接热量测定示意图；禁食方案；IRT、核心温度、BGL测量。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2：研究设计的流程图示意图。实验流程。黑色方块 = 碳水化合物负荷时间；黑色圆形 = 干预时间。缩写：IRT = 红外热成像；BGL = 血糖水平。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="心肺运动试验装置、监测设备、心电图电极、计算机化分析" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：实验方案的代表性图像。（A）未有受试者在场时的装置设置；（B）受试者在基线状态下的数据采集；（C）间接能量测定计算机；（D）受试者在完成基线测量后摄入碳水化合物负荷。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="热成像分析、热量分布、三幅热成像图、人体受试者、温度测量" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
图 4：红外热成像（IRT）与相机设置的代表性示例。 来自一名受试者的热成像图像，分别为（A）基线状态、（B）摄入碳水化合物后、（C）咖啡因干预后60分钟，以及（D）相机设置的代表性图像。缩写：IRT = 红外热成像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="体温随时间的变化；咖啡因与安慰剂对比；临床试验结果图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图5"> 
图5干预对温度指标的影响. 基线原始温度变化为(ATscf，（B) 核心体温（Tcore），以及（C) 在给予碳水化合物负荷（时间点 = 0）后，受试者在摄入咖啡因干预剂或安慰剂胶囊（时间 = 45 分钟至 120 分钟）期间的 Tref 变化27该图改编自 Van Schaik 等人。27. (A-C浅灰色方框1 = 碳水化合物负荷时间；方框2 = 干预前；深灰色方框3 = 干预后；蓝色圆圈 = 咖啡因干预；黑色三角形 = 安慰剂干预。数据以最小值至最大值表示，所有数据点均显示在箱线图中。方差以均值 ± 标准差（SD）表示。 n = 每种干预措施 8 个；* 表示咖啡因交互作用效应（*p &lt; 0.05）。数据采用重复测量三因素方差分析进行分析。缩略语：Tscf = 锁骨上窝温度；Tcore = 核心温度；Tref = 对照参考点。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="咖啡因对代谢的影响；摄入后呼吸交换率（RER）、脂肪/碳水化合物氧化及血糖水平随时间变化的图谱" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图6"> 
图6干预对代谢指标的影响。 (的变化ARER，（B) 脂肪氧化速率，(C碳水化合物氧化速率，（D) 血糖水平，以及（E) 在给予碳水化合物负荷（时间为 0）以及服用咖啡因胶囊或安慰剂胶囊（时间为 45 至 120 分钟）后，受试者的能量消耗情况。浅灰色框 1 = 碳水化合物负荷时间；框 2 = 干预前；深灰色框 3 = 干预后；蓝色圆圈 = 咖啡因干预；黑色三角形 = 安慰剂干预。数据以箱须图形式表示，范围为最小值至最大值，所有数据点均显示在图中。E) 干预前和干预后的状态；灰色条形 = 安慰剂干预；蓝色条形 = 咖啡因干预。方差以均值 ± 标准差表示， n 每种干预措施8个；*代表咖啡因交互作用效应（*p &lt; 0.05）。采用重复测量的三因素方差分析对数据进行分析。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>所有参与者</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>n</td>
			<td>8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>年龄，年</td>
			<td>22 ± 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>身高，cm</td>
			<td>176 ± 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>体重，kg</td>
			<td>74 ± 8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BMI，kg/m2</td>
			<td>23 ± 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>体脂率，%</td>
			<td>20 ± 8</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：参与者人口统计学特征。 除非另有说明，数值均为均值±标准差。此表格来自 Van Schaik 等人27。

本文介绍了一种用于量化棕色脂肪组织（BAT）活性对人类代谢生理学意义的实验方案。该方法通过结合碳水化合物负荷、间接热量测定法以及锁骨上区域温度变化的测量来实现。这种新颖的方法有助于开发针对人类棕色脂肪组织产热作用的药物靶点。

在哺乳动物中，棕色脂肪组织（BAT）会在寒冷刺激下迅速激活，以维持体温。尽管BAT已被广泛研究……

本方案通过结合碳水化合物负荷、间接热量测定法以及锁骨上区域温度的变化，量化人类棕色脂肪组织活性的生理学意义。本方案不会使受试者暴露于电离辐射。通过检测锁骨上区域温度的变化，结合核心体温及参照区域温度进行分析。在研究当天，首先测量参与者的身高和体重。要求参与者平躺在检查床上。30分钟后，记录其基线参数。随后，在0至15分钟内，让受试者摄入三份碳水化合物饮料，每份90克。在碳水化合物负荷后45分钟，让受试者摄入100毫克的咖啡因处理胶囊。进行间接测热法时，使用经过校准的呼吸气体分析仪。将配备预灭菌非重复呼吸阀的冷灭菌硅胶面罩安装在受试者面部，以输送室内空气。使用网状固定装置将面罩固定在受试者面部，并检查是否漏气。确保吸气管和呼气管已正确连接。采集呼出气体后，取下口罩以完成其他测量，并按照文稿中的描述测定底物氧化速率。每次呼出气体测量结束后，使用血糖仪测定受试者的血糖水平。将非接触式体温计对准受试者前额中央进行测量。进行红外热成像时，让受试者保持直立坐姿，目视正前方，暴露颈部至胸部区域。将热成像相机安装在三脚架上，置于与颈部同高的位置，距离受试者面部约一米处。打开相机后，通过旋转对焦环调节焦距。将激光笔指向受试者颈部的中线位置，并拍摄一张照片。为分析红外图像，通过在锁骨上窝放置三角形感兴趣区域，以及在胸骨上放置圆形感兴趣区域，评估包含棕色脂肪组织的胸部区域表面温度。以胸骨区域作为对照参考点，因为该区域不含棕色脂肪组织。确定各区域位置后，使用软件获取每个区域温度的平均值和标准差。咖啡因干预对核心温度和锁骨上窝区域温度的影响可反映棕色脂肪组织的产热活性。该干预措施在代谢指标上表现出显著效果，表现为锁骨上区域温度升高以及血糖水平迅速下降。这些发现，结合核心温度和参考区域温度未发生变化的情况，提示存在棕色脂肪组织产热作用。能量消耗增加导致呼吸交换率降低，同时脂肪氧化相应增加。确保房间温度保持稳定、硅胶面罩佩戴合适，以及热成像相机位于受试者颈部水平且距离至少一米，这些都非常重要。建议检测胰岛素相关的血液标志物。干预后血糖水平迅速恢复，提示该干预措施本身可能改善了胰岛素信号传导。该技术可实现重复测量分析，而这是正电子发射断层扫描（PET）成像研究无法做到的。如今，可以通过一种安全且便捷的方式评估饮食成分和药理学试剂对人类棕色脂肪组织活性的影响程度。

using-combination-indirect-calorimetry-infrared-thermography-blood

Research

科研

JoVE Journal

Medicine

医学

使用间接量热法、红外热成像和血糖水平的组合来测量人类棕色脂肪组织的产热

本文描述了一种对小鼠棕色脂肪组织（BAT）进行功能成像的方法，该方法采用标准化的微型PET/CT方案，无创地评估寒冷刺激下BAT对18F-氟代脱氧葡萄糖（FDG）的摄取。该方法具有良好的稳健性和灵敏度，可检测小鼠模型中BAT活性的差异。...

小鼠棕色脂肪功能成像的18F-FDG 微型PET/CT研究

在本视频报告中，我们展示了切伦科夫发光成像（CLI）技术在小鼠肩胛间棕色脂肪组织中的应用，涵盖其在激活状态和抑制状态下的成像结果。...

肩胛间棕色脂肪组织的切伦科夫发光成像

本文所述方法采用18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET-CT）以及脂肪-水分离磁共振成像（MRI），在成年受试者分别暴露于热中性（24 °C）和寒冷（17...

通过正电子发射断层扫描/计算机断层扫描及配准磁共振图像自动分割的人类棕色脂肪组织库

利用免费的开源软件，我们开发了一种分析方法，通过18F-FDG...

使用18F-FDG PET/CT对活性人类棕色脂肪组织进行全身及局部定量分析

利用微型PET/MR成像方法对小鼠产热性脂肪组织库进行功能成像与定量分析。...

使用[18F]FDG微正电子发射断层扫描/磁共振成像对小鼠棕色和米色脂肪组织进行可视化与定量分析

本文描述了一种用于测量肥胖小鼠产热性脂肪细胞基础代谢率和氧化能力的实验方案。...

测定肥胖小鼠的基础能量消耗及产热型脂肪细胞的能量消耗能力

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。...

红外热成像技术用于检测棕色脂肪组织活性变化

前脂肪细胞从小鼠肩胛间棕色脂肪组织的基质血管组分中分离获得，并分化为能够积累脂滴、表达分子标志物并呈现成熟棕色脂肪细胞线粒体形态的细胞。这些细胞进一步通过免疫荧光和透射电子显微镜进行分析。...

从新生小鼠肩胛间脂肪组织基质血管组分中分化与成像棕色脂肪细胞

本方案概述了在小鼠模型中利用气相色谱-质谱法（GC-MS）进行棕色脂肪组织优化的动静脉代谢组学研究的相关方法。这些方法有助于获取关于棕色脂肪组织介导的代谢物交换在整体机体水平上的宝贵信息。...

动静脉代谢组学用于测量棕色脂肪组织中的体内代谢物交换

光谱核型分析（SKY）是一种先进的细胞遗传学技术，用于鉴定基因组和染色体异常。该技术利用染色体涂染探针，能够对所有染色体进行分类。SKY...

多囊肾病患者及小鼠染色体异常研究的光谱核型分析

学习使用间接量热法、红外热成像和血糖监测相结合的方法来评估人体棕色脂肪组织的产热活性。该方案通过碳水化合物负荷与咖啡因干预，安全无创地量化BAT功能，为代谢疾病治疗提供新靶点。

结合间接热量测定法、红外热成像和血糖水平检测来测量人体棕色脂肪组织产热活性

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