ここでは、褐色脂肪組織(BAT)活性がヒト代謝に与える影響の生理学的意義を定量化するためのプロトコルを提示します。これは、炭水化物負荷と間接熱量測定を鎖骨上温度変化の測定と組み合わせることによって達成されます。この新しいアプローチは、ヒトにおけるBAT熱発生の薬理学的標的の開発に役立つ可能性があります。
この記事について
サマリー
要約
哺乳類では、褐色脂肪組織(BAT)は体温を維持するために寒さに反応して急速に活性化されます。BATは小動物で大いに研究されていますが、ヒトにおけるBATの活性を測定することは困難です。したがって、食事の成分がBATを活性化できる程度を含め、ヒトにおけるBATの発熱能力および生理学的意義についてはほとんど知られていない。これは、陽電子放出断層撮影-コンピューター断層撮影(PET-CT)によって測定されたBAT放射性標識グルコース(フルオロデオキシグルコースまたは 18FDG)の活性化を評価するために現在最も使用されている方法の制限によるものです。
この方法は、摂食が筋肉によるグルコース取り込みを誘発し、BATへのグルコース取り込みをマスクすることができるため、通常、絶食した被験者で実行されます。この論文では、炭水化物を積んだ成人男性の間接熱量測定、赤外線サーモグラフィ、および血糖値モニタリングを組み合わせて、BAT熱発生から全身のヒトエネルギー消費と基質利用を定量化するための詳細なプロトコルについて説明します。BATの生理学的意義を特徴付けるためには、BAT活性がヒトの健康に与える影響の測定が重要である。炭水化物負荷と間接熱量測定を鎖骨上温度変化の測定と組み合わせることにより、これを達成するためのプロトコルを示します。この新しいアプローチは、ヒトにおけるBAT熱発生の生理学と薬理学を理解するのに役立ちます。
概要
褐色脂肪組織(BAT)は、そのミトコンドリア含有量、交感神経支配、多房性脂肪滴、発熱能力、および解剖学的分布において、白色脂肪組織(WAT)と最も顕著に異なります。BATは、2009年にヒト成人におけるその存在が確認されるまで、乳児および小型哺乳動物にのみ存在すると考えられていた1、2、3。したがって、比較的最近まで、ヒトの生理学および代謝恒常性におけるBATの役割はほとんど理解されていませんでした。小動物における広範な研究は、低温暴露の間、代謝の半分以上がBAT4の非震えの熱発生能力によるものであることを示している。いくつかの研究は、穏やかな低温暴露(17-18°C)で、エネルギー消費の増加とBATへのグルコース取り込みがヒトのBAT熱発生と強く相関することを示しています5,6,7。さらに、BAT熱発生は、寒冷暴露中のヒトの安静時エネルギー消費の最大10%に寄与する可能性がある(レビューについては、Van Schaik et al.8を参照)。ヒトの健康および疾患に対するBATの生理学および影響の研究は、現在、プロトコルの制限によって制限されている。したがって、BAT熱発生が肥満とそのヒトの代謝合併症に与える影響をよりよく理解するには、BATの真の代謝影響を測定するための正確な方法を持つことが不可欠です。
ヒトBATの解剖学的分布は、BATの正確な測定値を得ることを困難にする。人間の体内では、BATは腹部、胸部、そして特に首9のWATのデポ内に分布しています。剖検および死体研究は、BATを解剖学的に特徴付けるために使用されてきたが10,11、これらの方法は機能的情報を提供することができない。WATとBAT8の密度が似ているため、従来のイメージング技術を使用してBATを区別することは困難です。さらに、ベージュ色の脂肪貯蔵所は、WAT8と同じ狭い筋膜層内または特定の貯蔵所に配置されているため、従来の画像技術を使用して区別することが困難になることです。
この問題を克服するために、BAT体積は通常、陽電子放出断層撮影(PET)とコンピューター断層撮影(CT)を組み合わせて測定されます。放射性標識グルコースアナログ18F-フルウロデオキシグルコース(18F-FDG)は、BAT12の研究に使用される最も一般的なトレーサーです。ただし、被験者を電離放射線にさらしたり、侵襲的で費用がかかるなど、いくつかの制限があります。さらに、18F-FDGトレーサーの最大の制限は、グルコース類似体の取り込みを測定することであり、遊離脂肪酸がBAT熱発生13の好ましい基質であることを考えると理想的ではありません。18F-FDG PET/CT法は、熱発生の基質としての遊離脂肪酸の取り込みを測定しないため、BAT熱発生の生理学的重要性を測定しません。ヒトBATを評価するために使用される代替技術には、酸素15標識水(15O-O2)14,11C-酢酸15、長鎖脂肪酸(18F-フルオロ-6-チア-ヘプタデカン酸)16、またはアデノシン17の取り込みの測定、ならびに磁気共鳴分光法18および磁気共鳴イメージング19が含まれるしかし、これらはまだ非常に高価であり、被験者を電離放射線にさらします。したがって、ヒトBATを定量化するための信頼性が高く、安価で、重要なことに、安全なゴールドスタンダードが不足しています。
赤外線サーモグラフィ(IRT)は、既知のBATデポを重ねて皮膚温度を測定する代替の非侵襲的画像化技術20、21である。これはエネルギー消費の増加を推測しますが、測定された温度がコア温度を超えない場合、測定された温度の変化が単に血流の変化の結果であるかどうかを判断できません。さらに、局所的な温度の測定された上昇は、多くの場合、望ましいエンドポイントである変化したエネルギー消費の値を提供しません。多くの研究グループがIRTを使用して、カフェイン介入または寒冷刺激後のヒトBATのデポの温度上昇を測定しています。このデポは鎖骨上窩22,23,24,25,26,27です。
しかし、BATに対するカフェインの作用が直接的なものなのか、神経回路を介して媒介されるのかは明らかではない。カフェインがin vitroで脂肪細胞の褐変特徴を誘発するという証拠があり22、以前の研究では、カフェイン(100 mg)が心拍変動を増加させ、これが体内の交感神経駆動の全身的な増加の指標となる可能性があることが示されています27。これはげっ歯類の証拠と一致しており、中枢神経系を介したカフェインは、心臓力学的に悪影響を与えることなく熱発生を増加させます28。
BAT熱発生のための好ましい基質がトリグリセリド13に由来する遊離脂肪酸、および熱発生29を持続する活性BAT隔離脂質循環として、基質利用の測定はBATの生理的活性化を評価する上で重要である。呼吸交換比(RER)は、消費された酸素の量(V̇O 2)と生成された二酸化炭素の量(V̇CO2)の比率です30。0.7のRERは脂肪酸代謝を示し、1.0のRERは炭水化物代謝を示します31。したがって、エネルギー消費の増加よりも脂肪酸利用を好むという証拠は、BAT熱発生の重要な相関関係です。
さらに、グルコースの取り込みがBAT活性の既知の相関関係であることを考えると(上記参照)、基質利用率の変化と並行して血糖値の低下がBAT熱発生の重要な相関関係である。間接熱量測定のみ、または絶食患者の温度記録と一緒に利用した以前の研究では、基質利用率の急激な変化はほとんどまたはまったく報告されていません32,33。これは絶食状態(吸収前の代謝が脂肪の利用に有利に働く)によって隠される可能性が高いため、IRTと間接熱量測定を炭水化物負荷と組み合わせることを提案します。
この記事は、IRT、間接熱量測定、および血糖値を組み合わせることにより、臨床研究者がヒトにおけるBATの生理学的重要性を確実かつ安全に定量化するために使用できる段階的なアプローチを提供することを目的としています。この技術は、被験者が炭水化物を負荷され、薬理学的BAT剤または環境刺激のいずれかにさらされた後に最もよく使用されます。このアプローチの結果は、個々の研究対象におけるBATの活性化後のBAT活性、基質利用、およびエネルギー消費を研究するために使用することができる27。
プロトコル
すべての参加者(n = 8)は書面によるインフォームドコンセントを提供し、すべての実験は大学人間倫理委員会によって承認されました。データはVan Schaik et al.27から得られた。
1.機器とソフトウェアのインストール
- Van Schaik et al.27に従って、二重エネルギーX線吸収測定法(DXA)を介して脂肪量を測定します。
- 期限切れガスからの基板使用率とエネルギー消費量を見積もります。メーカーのガイドラインに従って、呼吸ガス分析装置を使用してこれを測定します。
- 指(毛細血管) 穿刺で 血液サンプルを収集し、メーカーのガイドラインに従って血糖値計を使用して血糖値を測定します。
- 非接触赤外線温度計を使用して、メーカーのガイドラインに従って中核体温の測定値を決定します(このデバイスの誤差は±0.2°Cです)。
2. 参加者訪問前の手続き
- すべての参加者の健康状態をスクリーニングします。
- 次の除外基準を設定します:>30 kg / m2のボディマス指数(BAT活性が肥満と逆相関しているため34,35、処方薬を使用している参加者、および真性糖尿病。
- テストセッションの前後に、BAT活性は肥満と逆相関しているため、参加者がDXAスキャンを受けて脂肪量を測定することを確認してください34,35。
- 研究に到着する前の24時間は、参加者が激しい運動や活動を控え、ラボに到着する前に10時間断食していることを確認してください。
3. 学習当日の手続き
- 室温の違いによる外部の交絡を最小限に抑えるために、データが収集される室温が一定の温度に設定されていることを確認してください。
注意: これにより、熱または代謝の測定が正しくなくなる可能性があります。この実験の目的のために、熱中性条件下で22°Cに維持された恒温室を使用した。 - 参加者に午前08:00にラボに到着して、毎日のホルモンリズムを説明してもらいます。
- 参加者の身長と体重を測定します。
- ベースライン測定が行われる前に、参加者に最低30分間台座に横になるように依頼します。
- 120分間にわたって、期限切れのO2およびCO2サンプリング後、15分ごとに参加者のIRT、間接熱量測定、血糖値、およびコア温度を測定します(図1)。
- ベースライン測定に続いて、参加者が0分から15分の時点の間に3つの炭水化物ゲル(それぞれ90 gグルコース)を消費することにより炭水化物がロードされていることを確認します。
- 参加者が炭水化物負荷の45分後に治療を摂取することを確認してください。.このプロトコルに従うには、介入として100mgのカフェインカプセルを使用します27。
注:介入とプラセボの間に7日間のウォッシュアウト期間が必要であり、カフェインとプラセボ治療の間に7日間の期間が必要であることを意味します。
4.間接熱量測定
- 呼吸ガス分析装置を使用して測定された、呼気ガスからのエネルギー消費量と基質使用率の値を推定します。製造元の指示に従って、呼吸ガス分析装置の校正を完了します。
- 低温滅菌されたシリコンマスクを参加者に取り付けて、室内の空気の供給と代謝データの取得を可能にします。マスクに滅菌済みの非再呼吸バルブ(双方向非再呼吸バルブ)が装備されていることを確認し、メッシュアタッチメントで参加者の顔に固定し、漏れがないか確認します。
- 吸気チューブと呼気チューブが接続されていることを確認します。
- デジタルデータファイルをスプレッドシート形式でエクスポートします。
- 期限切れのO 2とCO2を5秒の平均でサンプリングします。これにより、エネルギー消費量と呼吸交換率が測定されます(図1)。フェイスマスクを取り外して、追加の対策を完了します。
- 基質の酸化速度(炭水化物と脂質の酸化)と総エネルギー消費量を、非タンパク質堰の式1〜331,36を使用して計算します。
脂肪酸化速度 (g/min−1) = (1.695 VO 2)-(1.701 VCO2) (1)
炭水化物の酸化速度 (g/min−1) = (4.585 VCO 2) -(3.226 VO 2) (2)
エネルギー消費量 (キロカロリー/分) = (3.94 × VO 2)+ (1.1 × VCO2) (3)
5.血漿血糖測定
- 期限切れのガス測定の各ラウンドに続いて、指を刺すと血糖値計を介して血糖値の測定を行います(図2)。
6.コア温度
- 期限切れガス測定の各ラウンドに続くコア温度(Tcore)を記録します。理想的には、直腸内または聴覚内のコア温度を測定します(図2)。
注:COVID-19の安全な慣行により、人と人との接触を最小限に抑えてください。 - 参加者が仰臥位で、頭が中立位置にあることを確認してください。非接触温度計を参加者の額の中央に一貫して向けます。
7.赤外線サーモグラフィ
- 期限切れのガス測定の各ラウンドに続いてIRTを実施します(図2)。
- 参加者に、胸部から首の領域を露出させた状態で、まっすぐ前を向いた直立姿勢で座ってもらいます(図3)。
- 赤外線カメラを使用して、前頸部と胸部上部領域の赤外線画像を取得します。
- カメラを三脚の被写体の顔から1 mの首の高さに置きます(図4D)。次の設定を使用します:検出器タイプ=非冷却マイクロボロメータ。検出器ピッチ= 17μm;カメラのスペクトル範囲= 7.5-14.0 μm;熱感度 = 20 mK (30 °C)レンズ= 36 mm;解像度= 1,024ピクセルx768ピクセル。
- カメラの電源を ON にします。
- フォーカスリングを回転させてカメラのフォーカスを調整します。
注意: フォーカスを正しく調整することは非常に重要です。不適切なフォーカス調整は、温度測定に影響します。 - レーザーポインターを参加者の首の正中線に向けます。
- 画像を撮ります。
注意: メモリカードを使用すると、画像が自動的に保存されます。
8. 画像解析
- 表面温度の分析には、前胸部と頸部の3つの領域を選択します:鎖骨上窩(SCF)のBATを覆う皮膚と首の外側領域を両側に選択し、胸骨領域はBATを含まないため、対照基準点(Tref)と見なされます(図4A-C)。
- 左右のSCF領域に三角形の関心領域(ROI)を配置し、胸骨領域に円形のROIを配置します。
- 必要な領域が交差している場合は、選択した各領域の温度の平均と標準偏差がソフトウェアに表示されることを確認します。
9.データ分析
- 説明されている手法を使用して介入を分析するには、二重盲検アプローチを使用します。データ収集や分析に関与していない研究者に、介入を一般的にコーディングしてもらいます。
- 統計分析を実行します。
- 測定された単一の時点から、IRT、コア温度、および血糖値データの平均を計算します。
- 10分エポックにおけるRER、脂肪酸化、炭水化物酸化、およびエネルギー消費量の平均を計算します。
- エネルギー消費量については、各グループのエネルギー消費量の割合を合計し、介入前と介入後に分けます。
注:データを分析するための統計的検定については、Van Shaikらを参照してください27。
結果
図1と図2は、研究デザインのフローチャートを示しています。プロトコルのセットアップのイメージを図 3 に示します。参加者の特性を表1に示します。ベースライン(図4A)、炭水化物負荷後(図4B)、およびカフェイン補給後60分(図4C)を含む、参加者の画像のIRTの代表的な例を、カメラセットアップの代表的な画像とともに図4Dに示します。特に、図4A-Cは、介入後の鎖骨上窩温度(Tscf)の変化を視覚的に表現しています。温度の違いは、図4Bと図4Cの間で特に顕著です。
図5A-Cにおいて、Van Schaikらの結果は、Tscf(図5A)と、基準点の温度(Tref;図5C)、およびコア温度(Tcore;図5B)ベースライン(0分)からデータ収集の完了(120分)まで。データは、プラセボ27と比較したカフェイン介入を示しています。この原稿に記載されている結果は、この公開された論文を純粋に代表しています。さらに、Tscfのデータはグループ効果を示していません。この統計は、Van Schaikらの補足データで見つけることができます27。
鎖骨上温度の顕著な上昇は、図6に示すように、介入後の基質利用の変化と血糖値の急速な低下と一致します。これらの結果は、TrefおよびTcore温度の温度変化の欠如(図5B、C)と相まって、BAT熱発生を示しています。さらに、エネルギー消費量が増加すると(図6E)、RERは減少し(図6A)、これは介入後の脂肪酸化の増加(図6B)と一致します。
図 1: 各 15 分間で完了するまでの時間を含むメジャーの概略図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:試験デザインのフローチャート概略図。 実験プロセス。黒い四角=炭水化物負荷の時間。黒い円=介入の時間。略語:IRT =赤外線サーモグラフィ;BGL =血糖値。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:プロトコルの代表的な画像 。 (A)参加者が立ち会わないセットアップ。(B)ベースライン時の参加者のデータ収集。(c)間接熱量測定コンピュータ;(D)ベースライン測定後の炭水化物負荷を消費する参加者。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:IRTとカメラのセットアップの代表例。 (A)ベースライン、(B)炭水化物負荷後、および(C)カフェインの介入後60分での参加者からの熱画像、および(D)カメラセットアップの代表的な画像。略語:IRT =赤外線サーモグラフィ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:温度測定に対する介入の効果。炭水化物負荷(時点= 0)およびカフェイン介入またはプラセボカプセルの投与(時間= 45分から120分)後の参加者における(A)Tscf、(B)Tcore、および(C)Trefのベースライン生の温度変化27。この図はVan Schaik et al.27から修正されています。(A-C)薄い灰色のボックス1 =炭水化物負荷の時間。ボックス2 =介入前。濃い灰色のボックス3 =介入後;青い円=カフェイン介入;黒い三角形=プラセボ介入。データは最小値から最大値で表され、すべての点が箱ひげ図とひげ図に表示されます。分散は、介入あたり平均± SDとして表され、n = 8です。*はカフェイン相互作用効果(*p < 0.05)を表す。データ値は、反復測定の3元配置分散分析を使用して分析しました。略語:Tscf =鎖骨上窩の温度;Tcore = コア温度;Tref = 制御基準点。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:代謝測定に対する介入の効果。 (A)RER、(B)脂肪酸化速度、(C)炭水化物酸化速度、(D)血糖値、および(E)炭水化物負荷(時間= 0)およびカフェインカプセルまたはプラセボカプセルの投与(時間= 45分から120分)後の参加者のエネルギー消費の変化。薄い灰色のボックス1 =炭水化物負荷の時間。ボックス2=介入前。濃い灰色のボックス3 =介入後;青い円=カフェイン介入;黒い三角形=プラセボ介入。データは最小値から最大値で表され、すべての点が箱ひげ図とひげ図に表示されます。(E)介入の投与前および投与後。灰色のバー=プラセボ介入;青いバー=カフェイン介入。分散は、介入あたり平均± SDとして表され、 n = 8です。*はカフェイン相互作用効果(*p < 0.05)を表す。データ値は、反復測定の3元配置分散分析を使用して分析しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 全員 | |
| n | 8 |
| 年齢、年 | 22 ± 2 |
| 身長、センチ | 176 ± 5 |
| 重量、キログラム | 74 ± 8 |
| BMI、キログラム/ m2 | 23 ± 2 |
| 体脂肪、% | 20 ± 8 |
表1:参加者の人口統計。 値は、特に断りのない限り±SDを意味します。この表はVan Schaik et al.27からのものである。
ディスカッション
ここに示した方法は、ヒトのBAT熱発生を測定するための技術的に単純で安全で費用効果の高いプロトコルです。このプロトコルは、IRTをエネルギー消費(EE)と基質利用の両方の測定値と相関させることにより、皮膚の血流の変化による局所的な温暖化と熱発生によるより深い温暖化を区別するためにIRTを単独で使用することの信頼性に関連する懸念に対処します。この技術は電離放射線を使用しないため、PETイメージング技術では不可能な繰り返し測定分析が可能です。最後に、PETイメージング技術はBAT活性化を識別できますが、このプロトコルが測定する生理学的結果(温度の上昇とEE)については報告しません。
ここに記載されているプロトコルの強みは、誘発BAT熱発生の結論を支持する4行の証拠があることです:(1)測定されたTscfの増加、変化したコア温度と隣接する参照領域にわたる安定した皮膚温度と並行して;(2)エネルギー消費の増加。(3)基板使用率の変化;(4)血糖値の低下。収束する観測はすべて、BAT熱発生の予測結果と一致しています。プロトコルの重要な部分は、介入前に炭水化物代謝を確保するための参加者の炭水化物負荷です。BAT熱発生は、RERの低下によって示されるように、基質代謝を炭水化物から遊離脂肪酸に切り替えます。BAT熱発生のための好ましい基質は遊離脂肪酸であるが、活性BATへのグルコースの有意な取り込みは十分に確立されている5、6、7。したがって、BAT熱発生と同時に血糖値の低下が観察されます。絶食状態での基質利用率(RER)と血糖値の低下の相互シフトを観察することはできません。
以前の研究では、Tscfの増加(IRTによって測定)はBAT熱発生を結論付けるのに十分であると結論付けています。ただし、この結論は、Tscfがコア温度を超える場合にのみ確実です。Tscfがコア温度以下の場合、皮膚の血流の増加による局所的な温度変化を排除することはできません。系統的レビューでは、IRTだけでは鎖骨上皮膚温度の上昇がBAT熱発生によるものかどうかを判断することはできないと結論付けました37。このレビューでは、最も一般的な方法(18F-FDG PET/CT)がBAT37へのグルコースの取り込みを測定することが指摘された。しかしながら、BAT熱発生のための好ましい基質は脂肪酸13である。この方法論的な問題は、BAT熱発生によるエネルギー消費と基質利用の変化を示すことができないため、これらの測定値のいずれかだけではBATの真の代謝活性の適切な測定値ではないため、IRTデータの検証におけるPET / CTデータ間の意味のある比較を妨げます。それにもかかわらず、ここで説明するプロトコルを使用すると、温度の変化を定量化できるだけでなく、BAT熱発生の重要な生理学的結果であるエネルギー消費の増加を確認することもできます。IRTは、BAT熱発生に関連する温度および温度変化を測定するための非接触、非侵襲的、および比較的安価な方法です。対照的に、PET-CTは高価であり、個人を電離放射線にさらすため、臨床画像研究の小規模な後ろ向き分析へのこの方法の適用が制限されています。大規模な無作為化臨床試験への現在のプロトコルの適用は、比較的簡単で費用効果が高いでしょう。
カフェイン介入後の炭水化物酸化の減少は、介入によるBAT熱発生の増加の結果としての基質利用の切り替えによって説明できることに注意することが重要です。インスリンシグナル伝達の測定は、この研究の結果をより堅牢にします。しかし、カフェインがBATへの作用 を介して インスリンシグナル伝達に影響を与えるかどうか、または血糖値の低下がBATがより多くのエネルギー基質を摂取した結果であるかどうかについては、この研究の結果に基づいて明らかではありません。
18F-FDG PET/CT法は、BATの生理活性を定量および測定するために使用する場合、特にBAT活性に対する栄養素または食事成分の影響を調査する場合、いくつかの固有の制限があります。18F-FDG PET / CT法では、筋肉組織による摂食誘発性のグルコース取り込みの増加を回避するために被験者を絶食させる必要があり、BATとBAT機能の両方の検出を大幅に減少させる可能性があります38。さらに、この技術だけでは、BAT活性化の生理学的影響または程度を測定することはできません。さらに、PET画像研究における電離放射線の使用は、反復測定クロスオーバー研究を設計するための倫理的および健康と安全のハードルです。さらに、18F-FDGはグルコース取り込みのみを表し、グルコース代謝の測定と同じではありません。BAT温度を測定する前に炭水化物負荷被験者を投与し、血糖値と間接熱量測定を組み合わせるこの方法により、絶食状態では利用できない熱発生と基質使用率の変化の生理学的影響を厳密に測定できます。
強みと限界
このプロトコルは、純粋にBATを研究するよりも広い意味を持ちます。介入前に炭水化物負荷参加者によって、炭水化物負荷とカフェイン介入の両方に応答する血糖値の振動、および基質利用の変化を観察することができます。したがって、この技術は、ヒトの間接熱量測定研究および代謝測定を改善するために使用することができる。この研究の結果が、寒冷暴露やアドレナリン作動性刺激などの他の介入後に再現できるかどうかはまだわかっていません。ただし、この研究の結果は、別の食事成分、つまり トウガラシ27の介入後に再現されています。説明された技術を用いた介入の分析のための二重盲検アプローチを用いて結果に対するさらなる厳密さと信頼性を得ることができ、これは容易に実施することができた27。
室温は参加者から参加者へと安定していたため、室温の変化の潜在的な混乱はこのプロトコルには関係ありません。さらに、呼吸ガス分析装置の校正中に湿度が考慮されました。これは、製造元の指示に従ってキャリブレーションが完了しているため、この機器のセットアップで推測されます。
測定と治療の時間間隔は、プロトコルのトラブルシューティングが行われた小規模なパイロット研究の後に決定されました。.基本的に、測定の時間間隔は、研究者が測定を実行するために必要な時間と参加者の快適さに基づいて決定されました。介入の時間は、介入が遊離脂肪酸酸化(すなわち、BAT熱発生)を増加させ、炭水化物酸化を低下させるかどうかを調べるために、炭水化物負荷後に炭水化物代謝が起こるのにかかった時間に基づいて決定されました。
特に、毛細血管と静脈の血糖値の間には違いがあります39。しかしながら、院外ケアの文脈において、血糖値が測定される最も一般的な方法は、ハンドヘルドのポイントオブケアグルコメーター40によって分析された毛細血管起源の血液サンプルを介することである。さらに、非臨床設定における健康な個人(このプロトコルに含まれるものと同様)では、ポイントオブケアの毛細血管ベースのグルコメーター41を使用して測定した場合、毛細血管および静脈の血糖値の間に統計的に有意ではあるが臨床的に有意ではない差がある。これに関連して、市場で入手可能なほとんどのポイントオブケアグルコメーターが毛細血管血液サンプルを分析するように設計されているという事実のために、毛細血管サンプリングは依然として最適なアプローチであろう41。臨床的な観点からは、静脈血糖が優れた分析方法であると主張するかもしれません。ただし、静脈血サンプリングは高価であり、特殊な機器を必要とするだけでなく(同上)、侵襲的でもあります。プロトコル中の有害事象のリスクを高めるという倫理的考慮事項は、静脈血糖の代理尺度としての毛細血管血糖の高い相関と信頼性を示す報告された文献とバランスをとる必要があります42。もちろん、ここで重要なのは、糖尿病の診断ではなく、毛細血管血糖モニタリングが適切なプロトコル以上の血糖値の変化を測定することに着手したことです。
グルコースは熱発生を誘発することができ、そして単一の食事はBAT43を活性化することができる。しかし、むしろ重要なことに、この原稿に含まれるデータは、介入群またはプラセボ群におけるグルコース負荷の有意な影響を示さない。さらに、原稿に含まれるデータは、3回目の介入(トウガラシ年)を含むVan Schaikらの結果から導き出されたものであり、グルコース負荷は測定値に有意な影響をもたらさなかった27。
このプロトコルは、低体脂肪で活動的なBATの男性参加者にのみ使用されていることに注意してください(制御可能な変数の数を減らすために、女性は研究から除外されました)。ヒトにおける肥満とBAT量との間には既知の逆相関がある44。さらに、食事や運動によって体重が減った以前の肥満の人は、基礎代謝率が低く、通常の体重を維持するために低カロリーの食事を摂取しなければならないことが知られています45,46。さらに、BAT活性はBAT増殖を刺激することができる8。ここで説明する方法は、他の技術では得られない方法で代謝性疾患に関連するBAT活性の変化を調査するための長期的な研究を可能にします。
結論
結論として、IRTと炭水化物負荷後の間接熱量測定を使用してヒト褐色脂肪組織の活動を定量化するための測定アプローチを示します。重要なステップには、1)BAT温度を測定する前に絶食状態にある参加者に炭水化物を負荷し、間接熱量測定と血糖値を組み合わせて、BAT熱発生の生理学的範囲と基質利用の変化を定量化できるようにします。2)関連するIRT BATデポと温度を基準点とコア温度から評価して、解剖学的位置に基づいてBAT活性化を示すTscfの増加を実証します。これらの定量的測定により、成人のエネルギー代謝と体温調節に対するBATの寄与をより正確に評価できると考えています。この徹底的なアプローチは、研究者がBAT生理学を研究するために使用され、将来のヒトBAT活性化アプローチを開発するための新しい標準として役立つはずです。
開示事項
著者は、開示すべき利益相反はありません。
謝辞
私たちの研究に参加してくださったすべての研究ボランティアに感謝します。この研究は、ホルズワース研究イニシアチブ、ラトローブ大学、および防衛科学研究所(DSI、オーストラリア)によってサポートされました。
材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| オ | ムロン SEM-2 advanced, オムロン, 京都 | ||
| エネルギーX線吸収計 | Hologic Horizon、Hologic Inc.、マサチューセッツ州ベッドフォード、米国心 | ||
| 電図電極 | Ambu Blue Sensor R、マレーシア | ||
| 5リード心電図 | Medilog AR12 plus;シラー、ドイツ | ||
| FLIR E60カメラ | FLIRシステム オーストラリア、メルボルン、オーストラリア | ||
| FLIRリサーチスタジオプロフェッショナルエディション | FLIRシステムオーストラリア、メルボルン、オーストラリア | ||
| フリースタイルオプティウムXceed | Abbott Diabetes Care、アラメダ、カナダ | ||
| グルコースジェル | ウィナーズ スポーツ栄養、マーサ山、ビクトリア、オーストラリア | ||
| MaskA冷間滅菌シリコンマスク | 7400シリーズOro-Nasal Mask、Hans Rudolph | ||
| Medilog Darwin2ソフトウェア | プロフェッショナル。シラー、ドイツ | ||
| 非接触赤外線温度計 | Berrcom、JXB-178、広東省、中国 | ||
| Optium Glucose Strip Xceed | Abbott Diabetes Care、アラメダ、カナダ | ||
| ParvoMedics TrueOne 2400 呼吸ガス分析装置 | ParvoMedics Inc、イーストサンディ、ユタ州、米国 | ||
| 滅菌済み非再呼吸バルブ | 双方向非再呼吸バルブ T字型構成、2600 ミディアムまたは2700ラージ、ハンスルドルフ |
参考文献
- 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).
再版と許可
タグ
