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Verwendung einer Kombination aus indirekter Kalorimetrie, Infrarot-Thermografie und Blutzuckerspiegeln zur Messung der Thermogenese von braunem Fettgewebe beim Menschen

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DOI:

10.3791/64451

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2. Juni 2023

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll vor, um die physiologische Bedeutung des Einflusses der Aktivität des braunen Fettgewebes (BAT) auf den menschlichen Stoffwechsel zu quantifizieren. Dies wird durch die Kombination von Kohlenhydratbeladung und indirekter Kalorimetrie mit Messungen supraklavikulärer Temperaturänderungen erreicht. Dieser neuartige Ansatz kann dazu beitragen, ein pharmakologisches Ziel für die BAT-Thermogenese beim Menschen zu entwickeln.

Zusammenfassung

Bei Säugetieren wird das braune Fettgewebe (BAT) als Reaktion auf Kälte schnell aktiviert, um die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Obwohl BVT bei Kleintieren umfassend untersucht wurde, ist es schwierig, die Aktivität von BVT beim Menschen zu messen. Daher ist wenig über die Wärmeerzeugungskapazität und die physiologische Bedeutung von BAT beim Menschen bekannt, einschließlich des Ausmaßes, in dem Bestandteile der Nahrung BAT aktivieren können. Dies ist auf die Einschränkungen der derzeit am häufigsten verwendeten Methode zur Beurteilung der Aktivierung von BAT-radioaktiv markierter Glukose (Fluordesoxyglukose oder 18FDG) zurückzuführen, die mittels Positronen-Emissions-Tomographie-Computertomographie (PET-CT) gemessen wird.

Diese Methode wird in der Regel bei nüchternen Probanden durchgeführt, da die Fütterung die Glukoseaufnahme durch die Muskeln induziert, was die Glukoseaufnahme in den BAT maskieren kann. Dieser Artikel beschreibt ein detailliertes Protokoll zur Quantifizierung des menschlichen Energieverbrauchs und der Substratnutzung des gesamten Körpers aus der BAT-Thermogenese durch die Kombination von indirekter Kalorimetrie, Infrarot-Thermografie und Blutzuckerüberwachung bei kohlenhydratbeladenen erwachsenen Männern. Um die physiologische Bedeutung von BVT zu charakterisieren, sind Messungen der Auswirkungen der BVT-Aktivität auf die menschliche Gesundheit von entscheidender Bedeutung. Wir demonstrieren ein Protokoll, um dies zu erreichen, indem wir die Kohlenhydratbeladung und die indirekte Kalorimetrie mit Messungen von supraschlüsselikulären Temperaturänderungen kombinieren. Dieser neuartige Ansatz wird dazu beitragen, die Physiologie und Pharmakologie der BAT-Thermogenese beim Menschen zu verstehen.

Einleitung

Braunes Fettgewebe (BAT) unterscheidet sich vom weißen Fettgewebe (WAT) vor allem durch seinen mitochondrialen Gehalt, seine sympathische Innervation, seine multilokulären Lipidtröpfchen, seine Fähigkeit zur Wärmeerzeugung und seine anatomische Verteilung. BAT wurde bis zur Bestätigung seines Vorhandenseins bei erwachsenen Menschen im Jahr 2009 nur bei Säuglingen und kleinen Säugetieren angenommen 1,2,3. Daher war die Rolle von BAT in der menschlichen Physiologie und der metabolischen Homöostase bis vor relativ kurzer Zeit nur unzureichend verstanden. Umfangreiche Studien an Kleintieren haben gezeigt, dass bei Kälteexposition mehr als die Hälfte des Stoffwechsels auf die zitterfreie thermogene Fähigkeit von BAT4 zurückzuführen ist. Mehrere Studien haben gezeigt, dass bei milder Kälteexposition (17-18 °C) ein Anstieg des Energieverbrauchs und der Glukoseaufnahme in die BAT stark mit der BAT-Thermogenese beim Menschen korreliert 5,6,7. Darüber hinaus kann die BAT-Thermogenese bis zu 10 % des Energieverbrauchs im Ruhezustand des Menschen während der Kälteexposition beitragen (für eine Übersichtsarbeit siehe Van Schaik et al.8). Die Untersuchung der Physiologie und der Auswirkungen von BVT auf die menschliche Gesundheit und Krankheit ist derzeit durch Protokollbeschränkungen eingeschränkt. Es ist daher wichtig, eine genaue Methode zur Messung der tatsächlichen metabolischen Auswirkungen von BVT zu haben, um die Auswirkungen der BAT-Thermogenese auf Adipositas und ihre metabolischen Komplikationen beim Menschen besser zu verstehen.

Die anatomische Verteilung der menschlichen BVT macht es schwierig, genaue Messungen der BVT zu erhalten. Beim Menschen ist die BAT in den Depots von WAT im Bauchraum, im Brustkorb und vor allem im Halsverteilt 9. Autopsie- und Leichenuntersuchungen wurden verwendet, um die BAT anatomisch zu charakterisieren10,11, aber diese Methoden können keine funktionellen Informationen liefern. Es ist schwierig, die BVT mit konventionellen bildgebenden Verfahren zu unterscheiden, da WAT und BVT8 ähnliche Dichten aufweisen. Ein weiteres verwirrendes Problem ist, dass sich beigefarbene Fettdepots auch innerhalb der gleichen schmalen Faszienschichten oder in bestimmten Depots mit dem WAT8 befinden, was die Unterscheidung mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren erschwert.

Um dieses Problem zu lösen, wird das BVT-Volumen in der Regel durch die Kombination von Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Computertomographie (CT) gemessen. Das radioaktiv markierte Glukoseanalogon 18 F-Fluourodesoxyglukose (18F-FDG) ist der am häufigsten verwendete Tracer für die Untersuchung von BVT 12. Es unterliegt jedoch mehreren Einschränkungen, wie z. B. der Exposition von Probanden gegenüber ionisierender Strahlung und der Invasivität und dem Aufwand. Darüber hinaus besteht die größte Einschränkung des 18-F-FDG-Tracers darin, dass er die Aufnahme eines Glukoseanalogons misst, was nicht ideal ist, da freie Fettsäuren die bevorzugten Substrate für die BAT-Thermogenesesind 13. Die 18F-FDG PET/CT-Technik misst nicht die Aufnahme freier Fettsäuren als Substrat für die Thermogenese und misst daher nicht die physiologische Bedeutung der BAT-Thermogenese. Es gibt alternative Techniken zur Beurteilung der menschlichen BVT, zu denen die Messung der Aufnahme von mit Sauerstoff-15 markiertem Wasser (15O-O2) 14,11 C-Acetat 15, einer langkettigen Fettsäure (18 F-Fluor-6-thia-heptadecansäure)16 oder Adenosin 17 sowie Magnetresonanzspektroskopie 18 und Magnetresonanztomographie 19 gehören, aber diese sind immer noch extrem teuer und setzen die Probanden ionisierender Strahlung aus. Daher fehlt ein zuverlässiger, kostengünstiger und vor allem sicherer Goldstandard für die Quantifizierung der menschlichen BVT.

Die Infrarot-Thermografie (IRT) ist ein alternatives nicht-invasives bildgebendes Verfahren20,21, das die Hauttemperatur misst, die ein bekanntes BAT-Depot überlagert. Daraus lässt sich zwar ein erhöhter Energieverbrauch ableiten, aber wenn die gemessene Temperatur die Kerntemperatur nicht überschreitet, kann nicht festgestellt werden, ob die gemessene Temperaturänderung lediglich eine Folge eines veränderten Blutflusses ist. Darüber hinaus liefert ein gemessener Anstieg der lokalen Temperatur keine Werte für den veränderten Energieverbrauch, was häufig der gewünschte Endpunkt ist. Eine Reihe von Forschungsgruppen hat IRT verwendet, um einen Temperaturanstieg in Depots menschlicher BAT nach einer Koffeinintervention oder einem Kältereiz zu messen. Bei diesem Depot handelt es sich um die Fossa supraclavicularis 22,23,24,25,26,27.

Es ist jedoch nicht klar, ob die Wirkung von Koffein auf BAT direkt ist oder über neuronale Schaltkreise vermittelt wird. Es gibt Hinweise darauf, dass Koffein in vitro Bräunungsmerkmale in Adipozyten induziert 22, und frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Koffein (100 mg) die Herzfrequenzvariabilität erhöht, was ein Indikator für eine systemische Zunahme des sympathischen Nervenantriebs im Körper sein kann27. Dies steht im Einklang mit Nachweisen bei Nagetieren, bei denen Koffein über das zentrale Nervensystem die Thermogenese erhöht, ohne dass dies nachteilige Auswirkungen auf die Herz-Kreislauf-Dynamik hat28.

Da das bevorzugte Substrat für die BAT-Thermogenese freie Fettsäuren sind, die von Triglyceriden13 abgeleitet sind, und aktive BAT-Sequester, die Lipide zirkulieren, um die Thermogeneseaufrechtzuerhalten 29, sind Messungen der Substratnutzung wichtig für die Beurteilung der physiologischen Aktivierung von BAT. Das respiratorische Austauschverhältnis (RER) ist das Verhältnis des Volumens des verbrauchten Sauerstoffs (V̇O2) und des produzierten Kohlendioxids (V̇CO2)30. Ein RER von 0,7 deutet auf den Fettsäurestoffwechsel und ein RER von 1,0 auf den Kohlenhydratstoffwechsel hin31. Daher ist der Nachweis einer Bevorzugung der Fettsäurenutzung gegenüber einer Erhöhung des Energieverbrauchs ein Schlüsselkorrelat der BAT-Thermogenese.

Da die Aufnahme von Glukose ein bekanntes Korrelat der BAT-Aktivität ist (siehe oben), ist ein Abfall des Blutzuckers parallel zur Änderung der Substratnutzung ein Schlüsselkorrelat der BAT-Thermogenese. Frühere Studien, in denen die indirekte Kalorimetrie allein oder zusammen mit der Temperaturaufzeichnung bei nüchternen Personen verwendet wurde, haben wenig bis gar keine akute Veränderung der Substratnutzung berichtet32,33. Da dies wahrscheinlich durch den nüchternen Zustand (in dem der präabsorptive Stoffwechsel die Fettverwertung begünstigt) maskiert wird, schlagen wir vor, IRT und indirekte Kalorimetrie mit Kohlenhydratbelastung zu kombinieren.

Dieser Artikel zielt darauf ab, einen Schritt-für-Schritt-Ansatz zu bieten, mit dem klinische Forscher die physiologische Bedeutung von BAT beim Menschen zuverlässig und vor allem sicher quantifizieren können, indem sie IRT, indirekte Kalorimetrie und Blutzuckerspiegel kombinieren. Diese Technik wird am besten angewendet, nachdem die Probanden mit Kohlenhydraten beladen und entweder pharmakologischen BAT-Wirkstoffen oder Umweltreizen ausgesetzt wurden. Die Ergebnisse dieses Ansatzes können verwendet werden, um die BAT-Aktivität, die Substratnutzung und den Energieverbrauch nach Aktivierung der BAT bei einzelnen Studienteilnehmern zu untersuchen27.

Protokoll

Alle Teilnehmer (n = 8) gaben eine schriftliche Einverständniserklärung ab, und alle Experimente wurden von der Humanethikkommission der Universität genehmigt. Die Daten stammen von Van Schaik et al.27.

1. Installation von Geräten und Software

  1. Messen Sie die Fettmasse mittels Dual-Energy-Röntgen-Absorptiometrie (DXA) gemäß Van Schaik et al.27.
  2. Schätzung der Substratnutzung und des Energieverbrauchs aus abgelaufenem Gas; Messen Sie dies mit einem Atemgasanalysator gemäß den Richtlinien des Herstellers.
  3. Entnahme von Blutproben durch Fingerpunktion (Kapillarpunktion) und Bestimmung des Blutzuckerspiegels mit einem Blutzuckermessgerät gemäß den Richtlinien des Herstellers.
  4. Verwenden Sie ein berührungsloses Infrarot-Thermometer, um die Körperkerntemperatur gemäß den Richtlinien des Herstellers zu bestimmen (der Fehler dieses Geräts beträgt ±0,2 °C).

2. Verfahren vor den Besuchen der Teilnehmer

  1. Überprüfen Sie alle Teilnehmer auf ihren Gesundheitszustand.
  2. Legen Sie die folgenden Ausschlusskriterien fest: einen Body-Mass-Index von >30 kg/m2 (aufgrund einer umgekehrten Korrelation der BAT-Aktivität mit Adipositas34,35, Teilnehmern, die verschriebene Medikamente einnehmen, und Diabetes mellitus.
  3. Stellen Sie sicher, dass sich die Teilnehmer vor oder nach der Testsitzung einem DXA-Scan unterziehen, um ihre Fettmasse zu messen, da die BAT-Aktivität umgekehrt mit der Adipositas korreliert34,35.
  4. Stellen Sie 24 Stunden vor Ihrer Ankunft zur Studie sicher, dass die Teilnehmer auf anstrengende Übungen oder Aktivitäten verzichten und 10 Stunden lang mit Wasser nüchtern sind, bevor sie im Labor ankommen.

3. Ablauf am Studientag

  1. Stellen Sie sicher, dass die Raumtemperatur, bei der die Daten erfasst werden, auf eine konstante Temperatur eingestellt ist, um externe Störfaktoren aufgrund von Unterschieden in der Raumtemperatur zu minimieren.
    Anmerkungen: Dies kann zu falschen thermischen oder metabolischen Messungen führen. Für dieses Experiment wurde ein temperierter Raum verwendet, der unter thermisch neutralen Bedingungen bei 22 °C gehalten wurde.
  2. Bitten Sie die Teilnehmer, um 08:00 Uhr im Labor zu erscheinen, um die täglichen Hormonrhythmen zu berücksichtigen.
  3. Messen Sie die Größe und das Gewicht der Teilnehmer.
  4. Bitten Sie die Teilnehmer, mindestens 30 Minuten auf einem Sockel zu liegen, bevor die Basismessungen durchgeführt werden.
  5. Messen Sie über einen Zeitraum von 120 Minuten alle 15 Minuten nach der abgelaufenenO2- und CO2-Probedie IRT, die indirekte Kalorimetrie, den Blutzucker und die Kerntemperatur der Teilnehmer (Abbildung 1).
  6. Stellen Sie nach den Basismessungen sicher, dass die Teilnehmer durch den Verzehr von drei Kohlenhydratgelen (je 90 g Glukose) zwischen den Zeitpunkten von 0 min und 15 min mit Kohlenhydraten beladen sind.
  7. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer die Behandlung 45 Minuten nach der Kohlenhydratbelastung einnehmen. Um dieses Protokoll zu befolgen, verwenden Sie 100 mg Koffeinkapseln als Intervention27.
    HINWEIS: Zwischen Intervention und Placebo ist eine Auswaschzeit von 7 Tagen erforderlich, d. h. zwischen Koffein- und Placebobehandlung ist ein Zeitraum von 7 Tagen erforderlich.

4. Indirekte Kalorimetrie

  1. Schätzen Sie den Energieverbrauch und die Substratnutzungswerte des abgelaufenen Gases, gemessen mit einem Atemgasanalysator. Schließen Sie die Kalibrierung des Atemgasanalysators gemäß den Anweisungen des Herstellers ab.
  2. Passen Sie die kaltsterilisierte Silikonmaske an den Teilnehmer an, um die Zufuhr von Raumluft und die Erfassung von Stoffwechseldaten zu ermöglichen. Stellen Sie sicher, dass die Maske mit einem vorsterilisierten Nicht-Rückatmungsventil (Zwei-Wege-Nicht-Rückatmungsventil) ausgestattet ist, und befestigen Sie es mit einem Netzaufsatz auf dem Gesicht des Teilnehmers und prüfen Sie, ob es undicht ist.
  3. Stellen Sie sicher, dass die inspiratorischen und exspiratorischen Schläuche verbunden sind.
  4. Exportieren Sie die digitale Datendatei in ein Tabellenformat.
  5. Proben Sie das abgelaufeneO2 und CO2mit einer Mittelung von 5 s. Dabei werden der Energieverbrauch und das Verhältnis des Atemaustauschs gemessen (Abbildung 1). Entfernen Sie die Gesichtsmaske, um die zusätzlichen Maßnahmen abzuschließen.
  6. Berechnen Sie die Substratoxidationsraten (Kohlenhydrat- und Lipidoxidation) und den Gesamtenergieverbrauch unter Verwendung der Nicht-Protein-Wehrgleichungen 1-331,36:
    Fettoxidationsrate (g/min−1) = (1,695 VO 2)-(1,701 VCO 2) (1)
    Kohlenhydrat-Oxidationsrate (g/min−1) = (4,585 VCO 2) -(3,226 VO 2) (2)
    Energieverbrauch (kcal/min) = (3,94 × VO 2)+ (1,1 × VCO2) (3)

5. Plasma-Blutzuckermessungen

  1. Führen Sie nach jeder Runde abgelaufener Gasmessungen Blutzuckermessungen mit einem Fingerstich und einem Blutzuckermessgerät durch (Abbildung 2).

6. Kerntemperatur

  1. Zeichnen Sie die Kerntemperatur (Tcore) nach jeder Runde abgelaufener Gasmessungen auf. Idealerweise messen Sie die Kerntemperatur entweder rektal oder intraakustisch (Abbildung 2).
    HINWEIS: Minimieren Sie aufgrund der COVID-19-Sicherheitspraktiken den Kontakt von Mensch zu Mensch.
  2. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer auf dem Rücken liegen und sich mit dem Kopf in einer neutralen Position befinden. Richten Sie das berührungslose Thermometer konsequent auf die Mitte der Stirn des Teilnehmers.

7. Infrarot-Thermografie

  1. Führen Sie das IRT nach jeder Runde abgelaufener Gasmessungen durch (Abbildung 2).
  2. Bitten Sie die Teilnehmer, sich in einer aufrechten Haltung aufzusetzen und geradeaus zu schauen, wobei der Brustbereich bis zum Halsbereich freiliegt (Abbildung 3).
  3. Verwenden Sie eine Wärmebildkamera, um Infrarotbilder des vorderen Halses und des oberen Brustbereichs aufzunehmen.
    1. Positionieren Sie die Kamera auf einem Stativ auf Höhe des Halses 1 m vom Gesicht des Motivs entfernt (Abbildung 4D). Verwenden Sie die folgenden Einstellungen: Detektortyp = ungekühltes Mikrobolometer; Detektorabstand = 17 μm; Spektralbereich der Kamera = 7,5-14,0 μm; thermische Empfindlichkeit = 20 mK bei 30 °C; Linsen = 36 mm; Auflösung = 1.024 Pixel x 768 Pixel.
    2. Schalten Sie die Kamera ein.
    3. Stellen Sie den Fokus der Kamera ein, indem Sie den Fokusring drehen.
      Anmerkungen: Es ist sehr wichtig, den Fokus richtig einzustellen. Eine falsche Fokuseinstellung wirkt sich auf die Temperaturmessung aus.
    4. Richten Sie den Laserpointer auf die Mittellinie des Halses des Teilnehmers.
    5. Nehmen Sie das Bild.
      HINWEIS: Das Bild wird automatisch gespeichert, wenn eine Speicherkarte verwendet wird.

8. Bildanalyse

  1. Wählen Sie drei Regionen des vorderen Thorax und des Halses für die Analyse der Oberflächentemperatur: beidseitig die Haut, die BAT in der Fossa supraclavicularis (SCF) überlagert, und die laterale Region des Halses, wobei der Brustbeinbereich als Kontrollreferenzpunkt (Tref) gilt, da dieser Bereich keine BAT enthält (Abbildung 4A-C).
  2. Platzieren Sie dreieckige Regions of Interest (ROIs) im linken und rechten SCF-Bereich und einen kreisförmigen ROI über dem Sternumbereich.
  3. Vergewissern Sie sich, dass die Software den Durchschnitt und die Standardabweichung der Temperatur für jede ausgewählte Region anzeigt, wenn die gewünschte Region zugeordnet wurde.

9. Datenanalyse

  1. Verwenden Sie einen doppelblinden Ansatz für die Analyse der Interventionen unter Verwendung der beschriebenen Techniken. Lassen Sie einen Forscher, der nicht an der Datenerhebung oder -analyse beteiligt ist, die Interventionen generisch kodieren.
  2. Führen Sie die statistische Analyse durch.
    1. Berechnen Sie Durchschnittswerte für die IRT-, Kerntemperatur- und Blutzuckerdaten aus dem gemessenen einzelnen Zeitpunkt.
    2. Berechnen Sie Durchschnittswerte für RER, Fettoxidation, Kohlenhydratoxidation und Energieverbrauch in 10-Minuten-Epochen.
    3. Für den Energieverbrauch summieren Sie die Rate des Energieverbrauchs für jede Gruppe und teilen Sie sie in vor und nach der Intervention auf.
      ANMERKUNG: Siehe Van Shaik et al. für statistische Tests zur Analyse der Daten27.

Ergebnisse

Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigen ein Flussdiagramm des Studiendesigns. Bilder des Protokollaufbaus sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Teilnehmermerkmale sind Tabelle 1 zu entnehmen. Repräsentative Beispiele für IRT der Bilder eines Teilnehmers, einschließlich Baseline (Abbildung 4A), Post-Kohlenhydrat-Belastung (Abbildung 4B) und 60 Minuten nach der Koffein-Supplementierung (Abbildung 4C), mit einem repräsentativen Bild des Kameraaufbaus, sind in Abbildung 4D dargestellt. Abbildung 4A-C zeigt eine visuelle Darstellung der Änderungen der Temperatur der supraklavikulären Fossa (Tscf) nach dem Eingriff; Die Temperaturunterschiede sind zwischen Abbildung 4B und Abbildung 4C besonders ausgeprägt.

In Abbildung 5A-C zeigen die Ergebnisse von Van Schaik et al. den Tscf (Abbildung 5A), die Temperatur eines Referenzpunktes (Tref; Abbildung 5C) und die Kerntemperatur (Tcore; Abbildung 5B) von der Baseline (0 min) bis zum Abschluss der Datenerhebung (120 min). Die Daten zeigen eine Koffein-Intervention im Vergleich zu Placebo27. Die in diesem Manuskript beschriebenen Ergebnisse sind rein repräsentativ für diese veröffentlichte Arbeit. Darüber hinaus zeigen die Daten zu Tscf keinen Gruppeneffekt. Die Statistiken finden sich in den ergänzenden Daten von Van Schaik et al.27.

Der deutliche Anstieg der supraklavikulären Temperatur fällt mit Veränderungen in der Substratnutzung und einer raschen Senkung des Blutzuckerspiegels nach dem Eingriff zusammen, wie in Abbildung 6 dargestellt. Diese Ergebnisse, kombiniert mit der fehlenden Temperaturänderung für die Tref- und Tcore-Temperaturen (Abbildung 5B,C), sind ein Hinweis auf die BAT-Thermogenese. Darüber hinaus nimmt mit steigendem Energieverbrauch (Abbildung 6E) die RER ab (Abbildung 6A), was mit der zunehmenden Fettoxidation (Abbildung 6B) nach dem Eingriff zusammenfällt.

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Abbildung 1: Schematische Darstellung der Maßnahmen mit der Zeit bis zum Abschluss in jedem 15-Minuten-Zeitraum. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Flussdiagramm schematisch des Studiendesigns. Experimenteller Prozess. Schwarzes Quadrat = Zeitpunkt der Kohlenhydratbelastung; Schwarzer Kreis = Zeitpunkt des Eingriffs. Abkürzungen: IRT = Infrarot-Thermografie; BGL = Blutzuckerspiegel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Abbildung 3: Repräsentative Bilder des Protokolls. (A) Einrichtung ohne Anwesenheit des Teilnehmers; (B) Datenerhebung der Teilnehmer zu Studienbeginn; (C) Computer für indirekte Kalorimetrie; (D) Teilnehmer, der die Kohlenhydratbelastung nach den Baseline-Messungen konsumiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Abbildung 4: Repräsentative Beispiele für das IRT und den Kameraaufbau. Wärmebilder eines Teilnehmers zu (A) Ausgangswert, (B) nach der Kohlenhydratbelastung und (C) 60 Minuten nach der Intervention mit Koffein, mit (D) einem repräsentativen Bild des Kameraaufbaus. Abkürzung: IRT = Infrarot-Thermografie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Abbildung 5: Auswirkungen des Eingriffs auf die Temperaturmessungen. Baseline-Rohtemperaturänderungen von (A) Tscf, (B) Tcore und (C) Tref bei Teilnehmern nach einer Kohlenhydratbelastung (Zeitpunkt = 0) und der Verabreichung einer Koffeinintervention oder einer Placebokapsel (Zeit = 45 min bis 120 min)27. Diese Abbildung wurde von Van Schaik et al.27 modifiziert. (A-C) Hellgraues Kästchen 1 = Zeitpunkt der Kohlenhydratbelastung; Kasten 2 = Vorintervention; dunkelgrauer Kasten 3 = nach dem Eingriff; blaue Kreise = Koffein-Intervention; Schwarze Dreiecke = Placebo-Intervention. Die Daten werden als Minimum bis Maximum ausgedrückt, wobei alle Punkte in den Box- und Whisker-Diagrammen angezeigt werden. Die Varianz wird als Mittelwert ± SD ausgedrückt, n = 8 pro Intervention; * steht für den Koffein-Interaktionseffekt (*p < 0,05). Die Datenwerte wurden mit Hilfe einer Drei-Wege-Varianzanalyse analysiert. Abkürzungen: Tscf = Temperatur in der Fossa supraclavicularis; Tcore = Kerntemperatur; Tref = Kontroll-Referenzpunkt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Abbildung 6: Auswirkungen der Intervention auf metabolische Maßnahmen. Veränderungen der (A) RER, (B) der Fettoxidationsrate, (C) der Kohlenhydratoxidationsrate, (D) des Blutzuckerspiegels und (E) des Energieverbrauchs bei den Teilnehmern nach einer Kohlenhydratbelastung (Zeit = 0) und der Verabreichung einer Koffeinkapsel oder einer Placebokapsel (Zeit = 45 min bis 120 min). Hellgraues Kästchen 1 = Zeitpunkt der Kohlenhydratbelastung; Kasten 2 = Vorintervention; dunkelgrauer Kasten 3 = nach dem Eingriff; blaue Kreise = Koffein-Intervention; Schwarze Dreiecke = Placebo-Intervention. Die Daten werden als Minimum bis Maximum ausgedrückt, wobei alle Punkte in den Box- und Whisker-Diagrammen angezeigt werden. (E) Vor- und Nachbehandlung der Interventionen; grauer Balken = Placebo-Intervention; blauer Balken = Koffein-Intervention. Die Varianz wird als Mittelwert ± SD ausgedrückt, n = 8 pro Intervention; * steht für den Koffein-Interaktionseffekt (*p < 0,05). Die Datenwerte wurden mit Hilfe einer Drei-Wege-Varianzanalyse analysiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Alle Teilnehmer
n8
Alter, Jahre22 ± 2
Höhe, cm176 ± 5
Gewicht, kg74 ± 8
BMI, kg/m2 23 ± 2
Körperfett, %20 ± 8

Tabelle 1: Demografische Daten der Teilnehmer. Die Werte sind Mittelwerte ± SD, sofern nicht anders angegeben. Diese Tabelle stammt von Van Schaik et al.27.

Diskussion

Die hier gezeigte Methode ist ein technisch einfaches, sicheres und kostengünstiges Protokoll zur Messung der BAT-Thermogenese beim Menschen. Das Protokoll befasst sich mit Bedenken im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit der alleinigen Verwendung von IRT zur Unterscheidung zwischen lokaler Erwärmung aufgrund einer veränderten Durchblutung der Haut und einer tieferen Erwärmung aufgrund der Thermogenese, indem die IRT sowohl mit Messungen des Energieverbrauchs (EE) als auch der Substratnutzung korreliert wird. Da diese Technik ohne ionisierende Strahlung auskommt, ermöglicht sie eine Analyse mit wiederholten Messungen, was mit PET-Bildgebungsverfahren nicht möglich ist. Schließlich können PET-Bildgebungsverfahren zwar die BAT-Aktivierung identifizieren, aber sie berichten nicht über die physiologischen Ergebnisse (erhöhte Temperatur und EE), die in diesem Protokoll gemessen werden.

Die Stärke des hier beschriebenen Protokolls besteht darin, dass es vier Beweislinien gibt, die die Schlussfolgerung der evozierten BAT-Thermogenese unterstützen: (1) erhöhter gemessener Tscf, parallel zu unveränderter Kerntemperatur und stabiler Hauttemperatur über der angrenzenden Referenzregion; (2) erhöhter Energieverbrauch; (3) eine Änderung der Substratnutzung; und (4) ein Abfall des Blutzuckerspiegels. Die konvergierenden Beobachtungen stimmen alle mit den vorhergesagten Ergebnissen für die BAT-Thermogenese überein. Der wesentliche Teil des Protokolls ist die Kohlenhydratbeladung der Teilnehmer, um den Kohlenhydratstoffwechsel vor dem Eingriff sicherzustellen. Die BAT-Thermogenese schaltet den Substratstoffwechsel von Kohlenhydraten auf freie Fettsäuren um, wie der Rückgang der RER zeigt. Während freie Fettsäuren das bevorzugte Substrat für die BVT-Thermogenese sind, ist eine signifikante Aufnahme von Glukose in aktive BVT gut etabliert 5,6,7. Daher beobachten wir einen Abfall des Blutzuckerspiegels bei gleichzeitiger BAT-Thermogenese. Die gegenseitige Verschiebung der Substratverwertung (RER) und der Abfall des Blutzuckerspiegels wären im nüchternen Zustand nicht zu beobachten.

Frühere Studien kamen zu dem Schluss, dass ein erhöhter Tscf (gemessen durch IRT) ausreicht, um auf eine BAT-Thermogenese zu schließen. Diese Schlussfolgerung ist jedoch nur sicher, wenn der Tscf die Kerntemperatur überschreitet. Wenn der Tscf kleiner oder gleich der Kerntemperatur ist, kann eine lokale Temperaturänderung aufgrund einer erhöhten Hautdurchblutung nicht ausgeschlossen werden. Eine systematische Übersichtsarbeit kam zu dem Schluss, dass das IRT allein nicht in der Lage ist, festzustellen, ob ein Anstieg der supraklavikulären Hauttemperatur auf die BAT-Thermogenese zurückzuführen ist37. In dem Review wurde festgestellt, dass die gebräuchlichste Methode (18F-FDG PET/CT) die Aufnahme von Glukose in BVT37 misst. Das bevorzugte Substrat für die BAT-Thermogenese sind jedoch Fettsäuren13. Dieses methodische Problem verhindert einen aussagekräftigen Vergleich zwischen PET/CT-Daten bei der Validierung von IRT-Daten, da beide Messungen allein kein geeignetes Maß für die tatsächliche Stoffwechselaktivität der BVT sind, da sie nicht auf die Veränderung des Energieverbrauchs und der Substratnutzung aufgrund der BVT-Thermogenese hinweisen können. Nichtsdestotrotz können wir mit dem hier beschriebenen Protokoll nicht nur die Temperaturänderung quantifizieren, sondern auch einen Anstieg des Energieverbrauchs bestätigen – ein wichtiges physiologisches Ergebnis der BAT-Thermogenese. Das IRT ist eine berührungslose, nicht-invasive und relativ kostengünstige Methode zur Messung von Temperatur und Temperaturänderungen im Zusammenhang mit der BAT-Thermogenese. Im Gegensatz dazu ist die PET-CT teuer und setzt den Einzelnen ionisierender Strahlung aus, so dass die Anwendbarkeit dieser Methode auf kleine retrospektive Analysen klinischer Bildgebungsstudien beschränkt ist. Die Anwendung des derzeitigen Protokolls auf groß angelegte, randomisierte klinische Studien wäre relativ einfach und kostengünstig.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Abnahme der Kohlenhydratoxidation nach der Koffeinintervention durch die Veränderung der Substratverwertung als Folge einer erhöhten BAT-Thermogenese aufgrund der Intervention erklärt werden kann. Messungen der Insulinsignalübertragung würden die Ergebnisse dieser Studie robuster machen. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Studie ist jedoch nicht klar, ob Koffein die Insulinsignalisierung durch eine Wirkung auf die BVT beeinflussen würde oder ob der Abfall des Blutzuckers darauf zurückzuführen ist, dass die BVT mehr Energiesubstrate aufnimmt.

Die 18F-FDG PET/CT-Methode weist mehrere inhärente Einschränkungen auf, wenn sie zur Quantifizierung und Messung der physiologischen Aktivität von BVT verwendet wird, insbesondere bei der Untersuchung des Einflusses von Nährstoffen oder diätetischen Inhaltsstoffen auf die BVT-Aktivität. Die 18F-FDG PET/CT-Methode erfordert, dass die Probanden nüchtern sind, um fütterungsinduzierte Erhöhungen der Glukoseaufnahme durch das Muskelgewebe zu vermeiden, was die Erkennung sowohl der BVT- als auch der BAT-Funktion erheblich verringern kann38. Darüber hinaus kann diese Technik allein nicht die physiologischen Auswirkungen oder das Ausmaß der BVT-Aktivierung messen. Darüber hinaus stellt die Verwendung ionisierender Strahlung in PET-Bildgebungsstudien eine ethische und gesundheitliche und sicherheitstechnische Hürde für die Entwicklung von Cross-Over-Studien mit wiederholten Messungen dar. Darüber hinaus steht 18F-FDG nur für die Glukoseaufnahme, was nicht mit der Messung des Glukosestoffwechsels gleichzusetzen ist. Diese Methode der Kohlenhydratbeladung der Probanden vor der Messung der BAT-Temperatur und die Kombination des Blutzuckerspiegels mit indirekter Kalorimetrie ermöglicht es uns, die physiologischen Auswirkungen der Thermogenese und der veränderten Substratverwertung rigoros zu messen, die sonst im nüchternen Zustand nicht verfügbar wären.

Stärken und Grenzen
Dieses Protokoll hat weitreichendere Auswirkungen als die reine Untersuchung von BAT. Bei Teilnehmern, die vor der Intervention Kohlenhydrate beladen, können die Oszillation des Blutzuckerspiegels als Reaktion auf die Kohlenhydratbelastung und die Koffeinintervention sowie Veränderungen in der Substratverwertung beobachtet werden. Daher kann diese Technik verwendet werden, um indirekte Kalorimetriestudien und Stoffwechselmessungen am Menschen zu verbessern. Es ist noch nicht bekannt, ob die Ergebnisse dieser Studie nach anderen Interventionen, wie z.B. Kälteexposition oder adrenerger Stimulation, repliziert werden können. Die Ergebnisse dieser Studie wurden jedoch nach einer Intervention mit einem anderen Nahrungsbestandteil, nämlich Capsicum annuum27, repliziert. Zusätzliche Strenge und Vertrauen in die Ergebnisse konnten durch einen doppelblinden Ansatz für die Analyse von Interventionen mit den beschriebenen Techniken erreicht werden, und dies konnte leicht umgesetzt werden27.

Die potentielle Konsortialität unterschiedlicher Raumtemperatur ist in diesem Protokoll nicht relevant, da die Raumtemperatur von Teilnehmer zu Teilnehmer stabil gehalten wurde. Zusätzlich wurde die Luftfeuchtigkeit bei der Kalibrierung des Atemgasanalysators berücksichtigt. Dies ergibt sich aus der Einrichtung dieses Geräts, da die Kalibrierung gemäß den Anweisungen des Herstellers durchgeführt wird.

Die Zeitintervalle für die Messung und Behandlung wurden nach einer kleinen Pilotstudie festgelegt, in der die Fehlersuche des Protokolls durchgeführt wurde. Im Wesentlichen wurden die Zeitintervalle für die Messung auf der Grundlage der Zeit bestimmt, die der Forscher für die Durchführung der Messungen benötigte, und für den Komfort des Teilnehmers. Der Zeitpunkt für die Intervention wurde auf der Grundlage der Zeit bestimmt, die für den Kohlenhydratstoffwechsel nach der Kohlenhydratbelastung benötigt wurde, um zu untersuchen, ob die Intervention die Oxidation freier Fettsäuren (d. h. die BAT-Thermogenese) erhöhte und die Kohlenhydratoxidation verringerte.

Bemerkenswert ist, dass es Unterschiede zwischen kapillären und venösen Glukosespiegeln gibt39. Im Rahmen der außerklinischen Versorgung wird der Blutzuckerspiegel jedoch am häufigsten über eine Blutprobe kapillaren Ursprungs gemessen, die mit einem tragbaren Point-of-Care-Blutzuckermessgerät40 analysiert wird. Darüber hinaus gibt es bei gesunden Personen (ähnlich denen, die in diesem Protokoll enthalten sind) in einem nicht-klinischen Umfeld einen statistisch signifikanten, aber nicht klinisch signifikanten Unterschied zwischen kapillaren und venösen Blutzuckerspiegeln, wenn sie mit einem kapillarbasierten Point-of-Care-Blutzuckermessgerät gemessen werden41. In diesem Zusammenhang bliebe die Kapillarprobenahme der optimale Ansatz, da die meisten auf dem Markt erhältlichen Point-of-Care-Blutzuckermessgeräte für die Analyse von Kapillarblutproben ausgelegt sind41. Aus klinischer Sicht könnte man argumentieren, dass der venöse Blutzucker die überlegene Analysemethode ist. Die venöse Blutentnahme ist jedoch nicht nur teuer und erfordert spezielle Geräte (ebd.), sondern auch invasiv. Die ethischen Erwägungen zur Erhöhung des Risikos unerwünschter Ereignisse während des Protokolls müssen gegen die berichtete Literatur abgewogen werden, die die hohe Korrelation und Zuverlässigkeit des kapillaren Blutzuckers als Proxy-Maß für den venösen Blutzucker zeigt42. Der Schlüssel dazu ist natürlich, dass wir uns nicht vorgenommen haben, Diabetes zu diagnostizieren, sondern Veränderungen des Blutzuckerspiegels zu messen, für die die kapillare Blutzuckermessung ein mehr als geeignetes Protokoll ist.

Glukose kann die Thermogenese induzieren, und einzelne Mahlzeiten können den BAT43 aktivieren. Allerdings, und das ist noch wichtiger, zeigen die in diesem Manuskript enthaltenen Daten keinen signifikanten Effekt der Glukosebelastung in der Interventionsgruppe oder der Placebogruppe. Darüber hinaus wurden die im Manuskript enthaltenen Daten aus den Ergebnissen von Van Schaik et al. abgeleitet, die eine dritte Intervention (Capsicum annuum) beinhalteten, und die Glukosebelastung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Messungen27.

Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Protokoll nur bei männlichen Teilnehmern mit niedrigem Körperfettanteil und aktiver BAT angewendet wurde (um die Anzahl der kontrollierbaren Variablen zu reduzieren, wurden Frauen von der Studie ausgeschlossen). Es gibt eine bekannte umgekehrte Korrelation zwischen Adipositas und BAT-Masse beim Menschen44. Darüber hinaus ist bekannt, dass ehemals fettleibige Menschen, die durch Diät und Bewegung abgenommen haben, einen niedrigeren Grundumsatz haben und kalorienärmere Diäten zu sich nehmen müssen, um ein Normalgewicht zu halten45,46. Darüber hinaus kann die BVT-Aktivität das BAT-Wachstum stimulieren8. Die hier beschriebene Methode wird es ermöglichen, in Langzeitstudien Veränderungen der BAT-Aktivität im Zusammenhang mit Stoffwechselerkrankungen zu untersuchen, wie es mit anderen Techniken nicht möglich ist.

Schlussfolgerung
Zusammenfassend demonstrieren wir einen Messansatz zur Quantifizierung der Aktivität des menschlichen braunen Fettgewebes mittels IRT und indirekter Kalorimetrie nach einer Kohlenhydratbelastung. Zu den kritischen Schritten gehören: 1) die Kohlenhydratbelastung der Teilnehmer, die sich vor der Messung der BAT-Temperatur in einem nüchternen Zustand befinden, während indirekte Kalorimetrie und Blutzuckerspiegel kombiniert werden, um die Quantifizierung des physiologischen Ausmaßes der BAT-Thermogenese und der veränderten Substratverwertung zu ermöglichen; 2) Bewertung relevanter IRT-BAT-Depots und -Temperaturen von einem Referenzpunkt und einer Kerntemperatur aus, um einen Anstieg des Tscf nachzuweisen, der auf der Grundlage der anatomischen Lage auf eine BVT-Aktivierung hinweisen würde. Wir glauben, dass diese quantitativen Messungen eine genauere Bewertung des Beitrags von BAT zum Energiestoffwechsel und zur Thermoregulation von Erwachsenen ermöglichen. Dieser gründliche Ansatz sollte von Forschern zur Untersuchung der BAT-Physiologie verwendet werden und als neuer Standard für die Entwicklung von Ansätzen zur Aktivierung von BAT beim Menschen in der Zukunft dienen.

Offenlegungen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Danksagungen

Wir bedanken uns bei allen Probanden für die Teilnahme an unserer Studie. Diese Arbeit wurde von der Holsworth Research Initiative, der La Trobe University und dem Defence Science Institute (DSI, Australien) unterstützt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Automatisiertes BlutdruckmessgerätOmron SEM-2 advanced, Omron, Kyoto, Japan
Dual-Energie-Röntgen-Absorptiometrie-ScannerHologic Horizon, Hologic Inc., Bedford, MA, USA
EKG-ElektrodenAmbu Blue Sensor R, Malaysia
Fünf-Kanal-EKGMedilog AR12 plus; Schiller, Deutschland
FLIR E60 KameraFLIR Systems Australia, Melbourne , Australien
FLIR Research Studio Professional EditionFLIR Systems Australia, Melbourne , Australien
Freestyle Optium XceedAbbott Diabetes Care, Alameda, Kanada
Glukose-Gel-GewinnerSporternährung, Mt Martha, Victoria, Australien
MaskeEine kaltsterilisierte Silikonmaskeder Serie 7400 Oro-Nasenmaske, Hans Rudolph
Medilog Darwin2 SoftwareProfessional; Schiller, Deutschland
Berührungsloses Infrarot-Thermometer Berrcom, JXB-178, Guangdong, China
Optium Glucose Strip XceedAbbott Diabetes Care, Alameda, Kanada
ParvoMedics TrueOne 2400 AtemgasanalysatorParvoMedics Inc, East Sandy, UT, USA
Vorsterilisiertes Nicht-RückatmungsventilZweiwege-Ventil ohne Rückatmung T-förmige Konfiguration, 2600 Medium oder 2700 Large, Hans Rudolph

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Verwendung einer Kombination aus indirekter Kalorimetrie, Infrarot-Thermografie und Blutzuckerspiegeln zur Messung der Thermogenese von braunem Fettgewebe beim Menschen
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