Metoda, którą tutaj przedstawiliśmy, jest technicznie prostym, bezpiecznym i opłacalnym protokołem pomiaru termogenezy BAT u ludzi. Protokół rozwiązuje problemy związane z niezawodnością stosowania IRT na własną rękę w celu rozróżnienia między miejscowym ociepleniem spowodowanym zmienionym przepływem krwi w skórze a głębszym ociepleniem spowodowanym termogenezą poprzez skorelowanie IRT zarówno z pomiarami wydatku energetycznego (EE), jak i wykorzystania substratu. Ponieważ technika ta nie wykorzystuje promieniowania jonizującego, umożliwia analizę wielokrotnych pomiarów, co nie jest możliwe w przypadku technik obrazowania PET. Wreszcie, chociaż techniki obrazowania PET mogą zidentyfikować aktywację BAT, nie informują o wynikach fizjologicznych (podwyższona temperatura i EE), które mierzy ten protokół.
Mocną stroną opisanego tutaj protokołu jest to, że istnieją cztery linie dowodowe, które wspierają wniosek o wywołanej termogenezie BAT: (1) wzrost zmierzonego Tscf, równolegle z niezmienioną temperaturą rdzenia i stabilną temperaturą skóry w sąsiednim regionie odniesienia; (2) zwiększony wydatek energetyczny; (3) zmiana w wykorzystaniu substratu; oraz (4) spadek poziomu glukozy we krwi. Wszystkie zbieżne obserwacje są zgodne z przewidywanymi wynikami termogenezy BAT. Zasadniczą częścią protokołu jest obciążenie uczestników węglowodanami w celu zapewnienia metabolizmu węglowodanów przed interwencją. Termogeneza BAT przełącza metabolizm substratów z węglowodanów na wolne kwasy tłuszczowe, o czym świadczy spadek RER. Podczas gdy preferowanym substratem dla termogenezy BAT są wolne kwasy tłuszczowe, znaczny wychwyt glukozy do aktywnych BAT jest dobrze znany 5,6,7. W związku z tym obserwujemy spadek poziomu glukozy we krwi równolegle z termogenezą BAT. Nie byłoby możliwe zaobserwowanie wzajemnego przesunięcia w wykorzystaniu substratu (RER) i spadku poziomu glukozy we krwi na czczo.
Wcześniejsze badania wykazały, że zwiększona Tscf (mierzona za pomocą IRT) jest wystarczająca do stwierdzenia termogenezy BAT. Wniosek ten jest jednak pewny tylko wtedy, gdy Tscf przekroczy temperaturę rdzenia. Jeśli Tscf jest niższy lub równy temperaturze rdzenia, nie można wykluczyć miejscowej zmiany temperatury spowodowanej zwiększonym przepływem krwi przez skórę. W przeglądzie systematycznym stwierdzono, że sam IRT nie jest w stanie określić, czy wzrost temperatury skóry nadobojczykowej jest spowodowany termogenezą BAT37. W przeglądzie zauważono, że najpowszechniejsza metoda (18F-FDG PET/CT) mierzy wychwyt glukozy w BAT37. Jednak preferowanym substratem dla termogenezy BAT są kwasy tłuszczowe13. Ten problem metodologiczny uniemożliwia jakiekolwiek miarodajne porównanie danych PET/CT w walidacji danych IRT, ponieważ żaden z tych pomiarów sam w sobie nie jest odpowiednią miarą rzeczywistej aktywności metabolicznej BAT, ponieważ nie może wskazać zmiany w wydatku energetycznym i wykorzystaniu substratu w wyniku termogenezy BAT. Niemniej jednak, dzięki opisanemu tutaj protokołowi, nie tylko możemy określić ilościowo zmianę temperatury, ale możemy również potwierdzić wzrost wydatku energetycznego - kluczowy fizjologiczny wynik termogenezy BAT. IRT to bezkontaktowa, nieinwazyjna i stosunkowo niedroga metoda pomiaru temperatury i zmian temperatury związanych z termogenezą BAT. W przeciwieństwie do tego, PET-CT jest kosztowny i naraża osoby na promieniowanie jonizujące, co ogranicza zastosowanie tej metody do małych analiz retrospektywnych badań obrazowych klinicznych. Zastosowanie obecnego protokołu do zakrojonych na szeroką skalę, randomizowanych badań klinicznych byłoby stosunkowo proste i opłacalne.
Należy zauważyć, że spadek utleniania węglowodanów po interwencji kofeiny można wytłumaczyć zmianą wykorzystania substratu w wyniku zwiększonej termogenezy BAT spowodowanej interwencją. Pomiary sygnalizacji insulinowej sprawiłyby, że wyniki tego badania byłyby bardziej solidne. Na podstawie wyników tego badania nie jest jednak jasne, czy kofeina wpłynie na sygnalizację insuliny poprzez działanie na BAT, czy też spadek stężenia glukozy we krwi jest wynikiem pobierania przez BAT większej ilości substratów energetycznych.
Metoda 18F-FDG PET/CT ma kilka nieodłącznych ograniczeń, gdy jest stosowana do ilościowego określania i pomiaru fizjologicznej aktywności BAT, w szczególności podczas badania wpływu składników odżywczych lub składników diety na aktywność BAT. Metoda 18F-FDG PET/CT wymaga, aby uczestnicy byli na czczo, aby uniknąć wywołanego karmieniem wzrostu wychwytu glukozy przez tkankę mięśniową, co może znacznie zmniejszyć wykrywalność zarówno BAT, jak i funkcji BAT38. Ponadto sama technika ta nie jest w stanie zmierzyć fizjologicznego wpływu ani zakresu aktywacji BAT. Ponadto zastosowanie promieniowania jonizującego w badaniach obrazowania PET stanowi przeszkodę etyczną oraz w zakresie zdrowia i bezpieczeństwa przy projektowaniu powtarzalnych badań krzyżowych. Ponadto 18F-FDG reprezentuje tylko wychwyt glukozy, co nie jest tym samym, co pomiar metabolizmu glukozy. Ta metoda ładowania węglowodanami przed pomiarem temperatury BAT i łączeniem poziomu glukozy we krwi z kalorymetrią pośrednią pozwala nam rygorystycznie zmierzyć fizjologiczny wpływ termogenezy i zmienionego wykorzystania substratu, który w przeciwnym razie nie byłby dostępny na czczo.
Mocne strony i ograniczenia
Protokół ten ma szersze implikacje niż samo badanie BAT. Poprzez obciążenie węglowodanami uczestników przed interwencją można zaobserwować wahania poziomu glukozy we krwi w odpowiedzi zarówno na obciążenie węglowodanami, jak i interwencję kofeiną, a także zmiany w wykorzystaniu substratu. Dlatego technika ta może być wykorzystana do ulepszenia badań ludzkiej kalorymetrii pośredniej i pomiarów metabolicznych. Nie wiadomo jeszcze, czy wyniki tego badania można powtórzyć po innych interwencjach, takich jak ekspozycja na zimno lub stymulacja adrenergiczna. Jednak wyniki tego badania zostały powtórzone po interwencji z innym składnikiem diety, a mianowicie Capsicum annuum27. Dodatkowy rygor i pewność co do wyników można uzyskać, stosując podwójnie ślepą próbę analizy interwencji z wykorzystaniem opisanych technik, co można łatwo wdrożyć27.
Potencjalne zakłócenie zróżnicowanej temperatury pokojowej nie jest istotne w tym protokole, ponieważ temperatura w pomieszczeniu była utrzymywana na stałym poziomie między uczestnikami. Dodatkowo wilgotność została wzięta pod uwagę podczas kalibracji analizatora gazów oddechowych. Można to wywnioskować z konfiguracji tego urządzenia, ponieważ kalibracja jest zakończona zgodnie z instrukcją producenta.
Przedziały czasowe dla pomiaru i leczenia zostały określone po małym badaniu pilotażowym, w którym przeprowadzono rozwiązywanie problemów związanych z protokołem. Zasadniczo, przedziały czasowe dla pomiaru zostały określone na podstawie czasu potrzebnego badaczowi na wykonanie pomiarów i dla komfortu uczestnika. Czas interwencji określono na podstawie czasu potrzebnego do wystąpienia metabolizmu węglowodanów po obciążeniu węglowodanami, aby zbadać, czy interwencja zwiększyła utlenianie wolnych kwasów tłuszczowych (tj. termogenezę BAT) i obniżyła utlenianie węglowodanów.
Warto zauważyć, że istnieją różnice między poziomem glukozy w naczyniach włosowatych i żylnych39. Jednak w kontekście opieki pozaszpitalnej najczęstszym sposobem pomiaru poziomu glukozy we krwi jest próbka krwi pochodzenia kapilarnego analizowana za pomocą ręcznego glukometru przyłóżkowego40. Ponadto u osób zdrowych (podobnych do tych uwzględnionych w tym protokole) w warunkach nieklinicznych występuje statystycznie istotna, ale nie klinicznie istotna różnica między poziomem glukozy we krwi włośniczkowej i żylnej, mierzona za pomocą glukometru kapilarnego w miejscu opieki nad pacjentem41. W tym kontekście pobieranie próbek kapilarnych pozostałoby optymalnym podejściem ze względu na fakt, że większość dostępnych na rynku glukometrów przyłóżkowych jest zaprojektowana do analizy próbek krwi włośniczkowej41. Z klinicznego punktu widzenia można argumentować, że glukoza we krwi żylnej jest lepszą metodą analizy. Jednak pobieranie krwi żylnej jest nie tylko drogie i wymaga specjalistycznego sprzętu (tamże), ale jest również inwazyjne. Względy etyczne związane ze zwiększeniem ryzyka wystąpienia zdarzeń niepożądanych w trakcie stosowania protokołu należy zrównoważyć ze zgłoszoną literaturą wykazującą wysoką korelację i wiarygodność stężenia glukozy we krwi włośniczkowej jako wskaźnika zastępczego stężenia glukozy we krwi żylnej42. Kluczem jest oczywiście to, że nie postawiliśmy sobie za cel diagnozowania cukrzycy, ale mierzenie zmian poziomu glukozy we krwi, dla których monitorowanie poziomu glukozy we krwi włośniczkowej jest więcej niż odpowiednim protokołem.
Glukoza może indukować termogenezę, a pojedyncze posiłki mogą aktywować BAT43. Jednak, co dość ważne, dane zawarte w tym manuskrypcie nie wykazują znaczącego wpływu obciążenia glukozą w grupie interwencyjnej lub grupie placebo. Ponadto dane zawarte w manuskrypcie pochodziły z wyników Van Schaika i wsp., które obejmowały trzecią interwencję (Capsicum annuum), a obciążenie glukozą nie miało znaczącego wpływu na pomiary27.
Należy zauważyć, że protokół ten był stosowany tylko u mężczyzn z niską zawartością tkanki tłuszczowej i aktywnym BAT (w celu zmniejszenia liczby kontrolowanych zmiennych kobiety zostały wykluczone z badania). Znana jest odwrotna korelacja między otyłością a masą BAT u ludzi44. Ponadto wiadomo, że osoby wcześniej otyłe, które schudły dzięki diecie i ćwiczeniom, mają niższą podstawową przemianę materii i muszą stosować diety o niższej kaloryczności, aby utrzymać prawidłową wagę45,46. Ponadto działalność w ramach BAT może stymulować wzrost BAT8 . Opisana tu metoda pozwoli na prowadzenie długoterminowych badań mających na celu zbadanie zmian aktywności BAT związanych z chorobami metabolicznymi w sposób niedostępny dla innych technik.
Konkluzja
Podsumowując, demonstrujemy podejście pomiarowe do ilościowego określania aktywności ludzkiej brunatnej tkanki tłuszczowej za pomocą IRT i kalorymetrii pośredniej po obciążeniu węglowodanami. Etapy krytyczne obejmują: 1) ładowanie węglowodanami uczestników, którzy są na czczo przed pomiarem temperatury BAT, przy jednoczesnym połączeniu kalorymetrii pośredniej i poziomu glukozy we krwi, aby umożliwić ilościowe określenie fizjologicznego zakresu termogenezy BAT i zmienionego wykorzystania substratu; 2) ocenę odpowiednich magazynów i temperatur IRT BAT na podstawie punktu odniesienia i temperatury rdzenia w celu wykazania jakiegokolwiek wzrostu Tscf, który wskazywałby na aktywację BAT w oparciu o położenie anatomiczne. Uważamy, że te pomiary ilościowe pozwalają na dokładniejszą ocenę udziału BAT w metabolizmie energetycznym i termoregulacji dorosłego człowieka. To gruntowne podejście powinno zostać wykorzystane przez naukowców do badania fizjologii BAT i posłużyć jako nowy standard dla rozwoju metod aktywacji BAT u ludzi w przyszłości.