Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Met behulp van een combinatie van indirecte calorimetrie, infraroodthermografie en bloedglucosespiegels om de thermogenese van bruin vetweefsel bij mensen te meten

Published: June 2, 2023 doi: 10.3791/64451
Automatic Translation
1,3, 1, 1, 1, 1,2
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

Summary

Hier presenteren we een protocol om de fysiologische betekenis van de impact van bruin vetweefsel (BAT) activiteit op het menselijk metabolisme te kwantificeren. Dit wordt bereikt door koolhydraatbelasting en indirecte calorimetrie te combineren met metingen van supraclaviculaire temperatuurveranderingen. Deze nieuwe aanpak kan helpen bij het ontwikkelen van een farmacologisch doelwit voor BBT-thermogenese bij mensen.

Abstract

Bij zoogdieren wordt bruin vetweefsel (BAT) snel geactiveerd als reactie op kou om de lichaamstemperatuur te handhaven. Hoewel BBT sterk is onderzocht bij kleine dieren, is het moeilijk om de activiteit van BBT bij mensen te meten. Daarom is er weinig bekend over de warmtegenererende capaciteit en fysiologische betekenis van BBT bij mensen, inclusief de mate waarin componenten van het dieet BBT kunnen activeren. Dit is te wijten aan de beperkingen in de momenteel meest gebruikte methode om de activering van BAT-radioactief gelabelde glucose (fluorodeoxyglucose of 18FDG) te beoordelen, gemeten met positronemissietomografie-computertomografie (PET-CT).

Deze methode wordt meestal uitgevoerd bij nuchtere proefpersonen, omdat voeding glucoseopname door de spieren induceert, wat de glucoseopname in de BAT kan maskeren. Dit artikel beschrijft een gedetailleerd protocol voor het kwantificeren van het totale menselijke energieverbruik en substraatgebruik van BAT-thermogenese door indirecte calorimetrie, infraroodthermografie en bloedglucosemonitoring te combineren bij volwassen mannen met koolhydraten. Om de fysiologische betekenis van BBT te karakteriseren, zijn metingen van de impact van BBT-activiteit op de menselijke gezondheid van cruciaal belang. We demonstreren een protocol om dit te bereiken door koolhydraatbelasting en indirecte calorimetrie te combineren met metingen van supraclaviculaire temperatuurveranderingen. Deze nieuwe benadering zal helpen om de fysiologie en farmacologie van BBT-thermogenese bij mensen te begrijpen.

Introduction

Bruin vetweefsel (BAT) verschilt met name van wit vetweefsel (WAT) in zijn mitochondriale inhoud, sympathische innervatie, multiloculaire lipidedruppels, warmtegenererend vermogen en anatomische distributie. BBT werd geacht alleen te bestaan bij zuigelingen en kleine zoogdieren tot de bevestiging van de aanwezigheid ervan bij menselijke volwassenen in 2009 1,2,3. Tot voor kort was de rol van BBT in de menselijke fysiologie en metabole homeostase dus slecht begrepen. Uitgebreide studies bij kleine dieren hebben aangetoond dat tijdens blootstelling aan koude meer dan de helft van het metabolisme te wijten is aan het niet-rillende thermogene vermogen van BBT4. Verschillende studies hebben aangetoond dat bij milde blootstelling aan koude (17-18 °C), toename van het energieverbruik en glucoseopname in de BBT sterk correleren met BBT-thermogenese bij de mens 5,6,7. Bovendien kan BBT-thermogenese tot 10% van het energieverbruik in rust bij mensen tijdens blootstelling aan koude bijdragen (voor een overzicht, zie Van Schaik et al.8). Het bestuderen van de fysiologie en impact van BBT op de gezondheid en ziekte van de mens wordt momenteel beperkt door protocolbeperkingen. Het is daarom essentieel om een nauwkeurige methode te hebben voor het meten van de werkelijke metabole impact van BBT om de impact van BBT-thermogenese op obesitas en de metabole complicaties ervan bij de mens beter te begrijpen.

De anatomische verdeling van menselijke BBT maakt het verkrijgen van nauwkeurige metingen van de BBT een uitdaging. Bij mensen wordt de BAT verdeeld in de depots van WAT in de buik, thorax en, met name, de nek9. Autopsie en cadaverische studies zijn gebruikt om de BBT anatomisch10,11 te karakteriseren, maar deze methoden kunnen geen functionele informatie opleveren. Het is een uitdaging om de BBT te onderscheiden met behulp van conventionele beeldvormingstechnieken vanwege de vergelijkbare dichtheden van WAT en BBT8. Een bijkomend verwarrend probleem is dat beige vetdepots zich ook binnen dezelfde smalle lagen van fascia of in bepaalde depots bevinden met de WAT8, waardoor het een uitdaging is om onderscheid te maken met behulp van conventionele beeldvormingstechnieken.

Om dit probleem op te lossen, wordt het BBT-volume meestal gemeten door positronemissietomografie (PET) en computertomografie (CT) te combineren. Het radioactief gelabelde glucose-analoog 18 F-fluourodeoxyglucose (18F-FDG) is de meest gebruikte tracer voor het bestuderen van BBT12. Het lijdt echter aan verschillende beperkingen, zoals het blootstellen van proefpersonen aan ioniserende straling en invasief en duur zijn. Bovendien is de grootste beperking van de 18F-FDG-tracer dat deze de opname van een glucose-analoog meet, wat niet ideaal is gezien het feit dat vrije vetzuren de voorkeurssubstraten zijn voor BAT-thermogenese13. De 18F-FDG PET/CT-techniek meet niet de opname van vrije vetzuren als substraat voor thermogenese en meet daarom niet het fysiologische belang van BBT-thermogenese. Er zijn alternatieve technieken die worden gebruikt om menselijke BBT te beoordelen, waaronder de meting van de opname van zuurstof-15 gelabeld water (15 O-O2) 14,11 C-acetaat 15, een vetzuur met lange keten (18 F-fluor-6-thia-heptadecanoic acid)16 of adenosine 17, evenals magnetische resonantiespectroscopie 18 en magnetische resonantiebeeldvorming 19, maar deze zijn nog steeds extreem duur en stellen onderwerpen bloot aan ioniserende straling. Daarom ontbreekt een betrouwbare, goedkope en vooral veilige gouden standaard voor de kwantificering van menselijke BBT.

Infraroodthermografie (IRT) is een alternatieve niet-invasieve beeldvormingstechniek20,21 die de huidtemperatuur meet die een bekend BAT-depot bedekt. Hoewel dit een verhoogd energieverbruik afleidt, als de gemeten temperatuur de kerntemperatuur niet overschrijdt, kan niet worden vastgesteld of de gemeten verandering in temperatuur eenvoudigweg een gevolg is van een veranderde bloedstroom. Verder levert een gemeten stijging van de lokale temperatuur geen waarden op van veranderd energieverbruik, wat vaak het gewenste eindpunt is. Een aantal onderzoeksgroepen heeft IRT gebruikt om een temperatuurstijging te meten in depots van menselijke BBT na een cafeïne-interventie of koudeprikkel; Dit depot is de supraclaviculaire fossa 22,23,24,25,26,27.

Het is echter niet duidelijk of de werking van cafeïne op BAT direct is of wordt gemedieerd via neurale circuits. Er zijn aanwijzingen dat cafeïne bruiningskenmerken induceert in adipocyten in vitro22, en eerder werk heeft aangetoond dat cafeïne (100 mg) de hartslagvariabiliteit verhoogt, wat een indicator kan zijn van een toename van sympathische zenuwaandrijving systemisch in het lichaam27. Dit is in overeenstemming met het bewijs bij knaagdieren, waarbij cafeïne via het centrale zenuwstelsel de thermogenese verhoogt zonder een nadelige cardiodynamische impact28.

Aangezien het voorkeurssubstraat voor BBT-thermogenese vrije vetzuren is die zijn afgeleid van triglyceriden13, en actieve BBT-sequesters circulerende lipiden om thermogenese29 te ondersteunen, zijn metingen van substraatgebruik belangrijk bij het beoordelen van de fysiologische activering van BAT. De respiratoire uitwisselingsverhouding (RER) is de verhouding tussen het volume verbruikte zuurstof (V̇O 2) en geproduceerde kooldioxide (V̇CO2)30. Een RER van 0,7 is indicatief voor het vetzuurmetabolisme en een RER van 1,0 is indicatief voor het koolhydraatmetabolisme31. Daarom is bewijs van een voorkeur voor vetzuurgebruik boven een toename van het energieverbruik een belangrijke correlatie van BBT-thermogenese.

Bovendien, gezien het feit dat de opname van glucose een bekende correlatie is van BBT-activiteit (zie hierboven), zijn een daling van de bloedglucose parallel aan de verandering in substraatgebruik belangrijke correlaties van BBT-thermogenese. Eerdere studies met behulp van indirecte calorimetrie alleen, of samen met temperatuurregistratie bij nuchtere personen, hebben weinig tot geen acute verandering in substraatgebruik gemeld32,33. Omdat dit waarschijnlijk wordt gemaskeerd door de nuchtere toestand (waarbij preabsorptieve stofwisseling het vetgebruik bevordert), stellen we voor om IRT en indirecte calorimetrie te combineren met koolhydraatbelasting.

Dit artikel is bedoeld om een stapsgewijze aanpak te bieden die klinische onderzoekers kunnen gebruiken om het fysiologische belang van BAT bij mensen betrouwbaar en, belangrijker nog, veilig te kwantificeren door IRT, indirecte calorimetrie en bloedglucosespiegels te combineren. Deze techniek wordt het best gebruikt nadat proefpersonen met koolhydraten zijn geladen en zijn blootgesteld aan farmacologische BBT-middelen of omgevingsstimuli. De resultaten van deze aanpak kunnen worden gebruikt om BBT-activiteit, substraatgebruik en energieverbruik te bestuderen na activering van de BBT bij individuele proefpersonen27.

Protocol

Alle deelnemers (n = 8) gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming en alle experimenten werden goedgekeurd door de Universitaire Commissie voor Menselijke Ethiek; gegevens zijn afgeleid van Van Schaik et al.27.

1. Installatie van apparatuur en software

  1. Meet de vetmassa via dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) volgens Van Schaik et al.27.
  2. Schat het substraatgebruik en het energieverbruik van verlopen gas; Meet dit met behulp van een ademhalingsgasanalysator volgens de richtlijnen van de fabrikant.
  3. Verzamel bloedmonsters via vingerpunctie (capillair) en bepaal de bloedglucosewaarden met behulp van een glucometer volgens de richtlijnen van de fabrikant.
  4. Gebruik een contactloze infraroodthermometer om de kerntemperatuurmetingen te bepalen volgens de richtlijnen van de fabrikant (de fout van dit apparaat is ±0,2 °C).

2. Procedures voorafgaand aan de bezoeken van de deelnemers

  1. Screen alle deelnemers op hun gezondheidstoestand.
  2. Stel de volgende uitsluitingscriteria in: een body mass index van >30 kg/m2 (omdat BAT-activiteit omgekeerd gecorreleerd is met adipositas34,35, deelnemers die voorgeschreven medicijnen gebruiken en diabetes mellitus.
  3. Zorg ervoor dat deelnemers voor of na de testsessie een DXA-scan ondergaan om hun vetmassa te meten, omdat BAT-activiteit omgekeerd gecorreleerd is met adipositas34,35.
  4. Zorg er gedurende 24 uur voorafgaand aan aankomst voor het onderzoek voor dat de deelnemers zich onthouden van inspannende oefeningen of activiteiten en 10 uur watervasten voordat ze in het laboratorium aankomen.

3. Procedures op de studiedag

  1. Zorg ervoor dat de kamertemperatuur waarbij de gegevens worden verzameld, is ingesteld op een constante temperatuur om externe verstoringen als gevolg van verschillen in kamertemperatuur te minimaliseren.
    OPMERKING: Dit kan leiden tot onjuiste thermische of metabole metingen. Voor dit experiment werd een temperatuurgeregelde ruimte gebruikt die onder thermisch neutrale omstandigheden op 22 °C werd gehouden.
  2. Vraag de deelnemers om om 08:00 uur bij het lab aan te komen om rekening te houden met de dagelijkse hormoonritmes.
  3. Meet de lengte en het gewicht van de deelnemers.
  4. Vraag de deelnemers om minimaal 30 minuten op een sokkel te liggen voordat de nulmetingen worden uitgevoerd.
  5. Meet gedurende een periode van 120 minuten de IRT, indirecte calorimetrie, bloedglucose en kerntemperatuur van de deelnemers elke 15 minuten na de verlopen O 2- en CO2-bemonstering(figuur 1).
  6. Zorg er na de nulmetingen voor dat de deelnemers koolhydraatrijk zijn door de consumptie van drie koolhydraatgels (elk 90 g glucose) tussen de tijdstippen van 0 min en 15 min.
  7. Zorg ervoor dat de deelnemers de behandeling 45 minuten na de koolhydraatbelasting innemen. Om dit protocol te volgen, gebruikt u 100 mg cafeïnecapsules als interventie27.
    OPMERKING: Een uitwasperiode van 7 dagen tussen interventie en placebo is vereist, wat betekent dat een periode van 7 dagen vereist is tussen cafeïne en placebobehandeling.

4. Indirecte calorimetrie

  1. Schat het energieverbruik en de substraatgebruikswaarden van het verlopen gas, zoals gemeten met een ademhalingsgasanalysator. Voltooi de kalibratie van de ademhalingsgasanalysator volgens de instructies van de fabrikant.
  2. Plaats het koud gesteriliseerde siliconenmasker op de deelnemer om de levering van kamerlucht en de verwerving van metabole gegevens mogelijk te maken. Zorg ervoor dat het masker is uitgerust met een voorgesteriliseerde niet-reademingsklep (tweeweg niet-reademingsklep) en bevestig deze op het gezicht van de deelnemer met een gaasbevestiging en controleer op lekken.
  3. Zorg ervoor dat de inspiratoire en expiratoire buizen zijn aangesloten.
  4. Exporteer het digitale gegevensbestand in een spreadsheetindeling.
  5. Proef de verlopen O 2 en CO2 met 5 s middeling. Dit meet het energieverbruik en de ademhalingsuitwisselingsverhouding (figuur 1). Verwijder het mondkapje om de extra maatregelen te voltooien.
  6. Bereken de oxidatiesnelheden van het substraat (koolhydraat- en lipideoxidatie) en het totale energieverbruik met behulp van de niet-eiwit stuwvergelijkingen 1-331,36:
    Vetoxidatiesnelheid (g/min−1) = (1.695 VO 2)-(1.701 VCO 2) (1)
    Oxidatiesnelheid koolhydraten (g/min−1) = (4.585 VCO 2) -(3.226 VO 2) (2)
    Energieverbruik (kcal/min) = (3,94 × VO 2)+ (1,1 × VCO2) (3)

5. Plasma bloedglucosemetingen

  1. Voer bloedglucosemetingen uit via vingerprik en een glucometer na elke ronde van verlopen gasmetingen (figuur 2).

6. Kerntemperatuur

  1. Noteer de kerntemperatuur (Tcore) na elke ronde van verlopen gasmetingen. Meet idealiter de kerntemperatuur rectaal of intra-auditief (figuur 2).
    OPMERKING: Vanwege covid-19-veilige praktijken, minimaliseer persoonlijk contact.
  2. Zorg ervoor dat de deelnemers rugligging hebben en hun hoofd in een neutrale positie staat. Richt de contactloze thermometer consequent naar het midden van het voorhoofd van de deelnemer.

7. Infrarood thermografie

  1. Voer het IRT uit na elke ronde van verlopen gasmetingen (figuur 2).
  2. Vraag de deelnemers om rechtop te zitten in een rechtopstaande houding en recht vooruit te kijken, met het borstgebied naar het nekgebied bloot (figuur 3).
  3. Gebruik een warmtebeeldcamera om infraroodbeelden van de voorste nek en het bovenste borstgebied te verkrijgen.
    1. Plaats de camera op een statief ter hoogte van de nek op 1 m van het gezicht van het onderwerp (figuur 4D). Gebruik de volgende instellingen: detectortype = ongekoelde microbolometer; detector pitch = 17 μm; spectraal bereik van de camera = 7,5-14,0 μm; thermische gevoeligheid = 20 mK bij 30 °C; lenzen = 36 mm; resolutie = 1.024 pixels x 768 pixels.
    2. Schakel de camera in.
    3. Pas de scherpstelling van de camera aan door aan de scherpstelring te draaien.
      OPMERKING: Het is erg belangrijk om de focus correct aan te passen. Onjuiste scherpstelaanpassing heeft invloed op de temperatuurmeting.
    4. Richt de laseraanwijzer op de middellijn van de nek van de deelnemer.
    5. Neem de afbeelding.
      OPMERKING: De afbeelding wordt automatisch opgeslagen als een geheugenkaart wordt gebruikt.

8. Beeldanalyse

  1. Kies drie regio's van de voorste thorax en nek voor de analyse van de oppervlaktetemperatuur: bilateraal de huid boven de BBT in de supraclaviculaire fossa (SCF) en het laterale gebied van de nek, waarbij het sternale gebied wordt beschouwd als een controlereferentiepunt (Tref), omdat dit gebied geen BBT bevat (figuur 4A-C).
  2. Plaats driehoekige gebieden van belang (ROIs) in de linker en rechter SCF-gebieden en een cirkelvormige ROI over het sternale gebied.
  3. Wanneer de vereiste regio's zich kruislings hebben geplaatst, controleert u of de software het gemiddelde en de standaarddeviatie van de temperatuur voor elke geselecteerde regio weergeeft.

9. Data-analyse

  1. Gebruik een dubbelblinde benadering voor de analyse van de interventies met behulp van de beschreven technieken. Laat een onderzoeker die niet betrokken is bij de gegevensverzameling of -analyse de interventies generiek coderen.
  2. Voer de statistische analyse uit.
    1. Bereken gemiddelden voor de IRT, kerntemperatuur en bloedglucosegegevens vanaf het gemeten enkele tijdstip.
    2. Bereken gemiddelden voor de RER, vetoxidatie, koolhydraatoxidatie en energieverbruik in tijdperken van 10 minuten.
    3. Voor energie-uitgaven, som het tempo van het energieverbruik voor elke groep en scheid het in pre- en post-interventie.
      OPMERKING: Raadpleeg Van Shaik et al. voor statistische tests om de gegevens te analyseren27.

Representative Results

Figuur 1 en figuur 2 geven een stroomdiagram van de onderzoeksopzet weer. Afbeeldingen van de protocolopstelling zijn weergegeven in figuur 3. De kenmerken van de deelnemers zijn te vinden in tabel 1. Representatieve voorbeelden van IRT van de beelden van een deelnemer, inclusief baseline (figuur 4A), post-koolhydraatbelasting (figuur 4B) en 60 minuten na cafeïnesuppletie (figuur 4C), met een representatief beeld van de camera-instelling, worden weergegeven in figuur 4D. Met name figuur 4A-C geeft een visuele weergave van de veranderingen in supraclaviculaire fossatemperatuur (Tscf) na de interventie; de temperatuurverschillen zijn bijzonder groot tussen figuur 4B en figuur 4C.

In figuur 5A-C tonen de resultaten van Van Schaik et al. de Tscf (figuur 5A), de temperatuur van een referentiepunt (Tref; Figuur 5C) en de kerntemperatuur (Tcore; Figuur 5B) van baseline (0 min) tot voltooiing van de dataverzameling (120 min). De gegevens tonen een cafeïne-interventie in vergelijking met placebo27. De resultaten beschreven in dit manuscript zijn puur representatief voor dit gepubliceerde artikel. Bovendien tonen de gegevens op Tscf geen groepseffect. De statistieken zijn te vinden in de aanvullende gegevens van Van Schaik et al.27.

De duidelijke toename van de supraclaviculaire temperatuur valt samen met veranderingen in het substraatgebruik en de snelle verlaging van de bloedglucosespiegels na de interventie, zoals weergegeven in figuur 6. Deze resultaten, in combinatie met het ontbreken van temperatuurverandering voor de Tref- en Tcore-temperaturen (figuur 5B,C), zijn indicatief voor BBT-thermogenese. Naarmate het energieverbruik toeneemt (figuur 6E), neemt de RER bovendien af (figuur 6A), wat samenvalt met een toename van de vetoxidatie (figuur 6B) na de interventie.

Figure 1
Figuur 1: Schema van maatregelen met tijd om te voltooien in elke periode van 15 minuten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Stroomschema van de onderzoeksopzet. Experimenteel proces. Zwart vierkant = tijd van koolhydraatbelasting; zwarte cirkel = tijdstip van interventie. Afkortingen: IRT = infraroodthermografie; BGL = bloedglucosewaarden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Representatieve beelden van het protocol. (A) Instellen zonder dat de deelnemer aanwezig is; B) gegevensverzameling van de deelnemers bij baseline; C) computer voor indirecte calorimetrie; (D) deelnemer die de koolhydraatbelasting na de basislijnmetingen consumeert. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Representatieve voorbeelden van het IRT en de camera-instelling. Warmtebeelden van een deelnemer, bij (A) baseline, (B) na koolhydraatbelasting en (C) 60 min na de interventie van cafeïne, met (D) een representatief beeld van de camera-instelling. Afkorting: IRT = infrarood thermografie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Effecten van de ingreep op de temperatuurmetingen. Baseline ruwe temperatuurveranderingen van (A) Tscf, (B) Tcore en (C) Tref bij deelnemers na een koolhydraatbelasting (tijdstip = 0) en de toediening van een cafeïne-interventie of een placebocapsule (tijd = 45 min tot 120 min)27. Dit cijfer is aangepast van Van Schaik et al.27. (A-C) Lichtgrijze doos 1 = tijdstip van koolhydraatbelasting; vak 2 = pre-interventie; donkergrijs vak 3 = postinterventie; blauwe cirkels = cafeïne interventie; zwarte driehoeken = placebo-interventie. De gegevens worden uitgedrukt als het minimum tot het maximum, waarbij alle punten worden weergegeven in het vak en de snorharen. De variantie wordt uitgedrukt als gemiddelde ± SD, n = 8 per interventie; * vertegenwoordigt het cafeïne-interactie-effect (*p < 0,05). De gegevenswaarden werden geanalyseerd met behulp van een drieweganalyse van variantie met herhaalde metingen. Afkortingen: Tscf = temperatuur in de supraclaviculaire fossa; Tcore = kerntemperatuur; Tref = controlereferentiepunt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Effecten van de interventie op metabole maatregelen. Veranderingen in (A) RER, (B) de vetoxidatiesnelheid, (C) de koolhydraatoxidatiesnelheid, (D) bloedglucosespiegels en (E) energieverbruik bij deelnemers na een koolhydraatbelasting (tijd = 0) en de toediening van een cafeïnecapsule of een placebocapsule (tijd = 45 min tot 120 min). Lichtgrijze doos 1 = tijdstip van koolhydraatbelasting; vak 2= pre-interventie; donkergrijs vak 3 = postinterventie; blauwe cirkels = cafeïne interventie; zwarte driehoeken = placebo-interventie. De gegevens worden uitgedrukt als het minimum tot het maximum, waarbij alle punten worden weergegeven in het vak en de snorharen. e) pre- en post-toediening van de interventies; grijze balk = placebo-interventie; blauwe staaf = cafeïne interventie. De variantie wordt uitgedrukt als gemiddelde ± SD, n = 8 per interventie; * vertegenwoordigt het cafeïne-interactie-effect (*p < 0,05). De gegevenswaarden werden geanalyseerd met behulp van een drieweganalyse van variantie met herhaalde metingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Alle deelnemers
n 8
Leeftijd, jaren 22 ± 2
Hoogte, cm 176 ± 5
Gewicht, kg 74 ± 8
BMI, kg/m2  23 ± 2
Lichaamsvet, % 20 ± 8

Tabel 1: Demografie van de deelnemers. De waarden zijn middelen ± SD, tenzij anders aangegeven. Deze tabel is van Van Schaik et al.27.

Discussion

De methode die we hier hebben laten zien, is een technisch eenvoudig, veilig en kosteneffectief protocol voor het meten van BBT-thermogenese bij mensen. Het protocol pakt zorgen aan met betrekking tot de betrouwbaarheid van het gebruik van IRT op zichzelf om onderscheid te maken tussen lokale opwarming als gevolg van veranderde doorbloeding van de huid en diepere opwarming als gevolg van thermogenese door IRT te correleren met zowel metingen van energieverbruik (EE) als substraatgebruik. Omdat deze techniek geen ioniserende straling gebruikt, maakt het analyse met herhaalde metingen mogelijk, wat niet mogelijk is met PET-beeldvormingstechnieken. Ten slotte, hoewel PET-beeldvormingstechnieken BBT-activering kunnen identificeren, rapporteren ze niet over de fysiologische uitkomsten (verhoogde temperatuur en EE) die dit protocol meet.

De kracht van het hier beschreven protocol is dat er vier bewijslijnen zijn die de conclusie van de opgewekte BBT-thermogenese ondersteunen: (1) verhoogde gemeten Tscf, parallel aan onveranderde kerntemperatuur en stabiele huidtemperatuur over het aangrenzende referentiegebied; (2) verhoogd energieverbruik; (3) een verandering in het gebruik van het substraat; en (4) een daling van de bloedglucosespiegels. De convergerende waarnemingen komen allemaal overeen met de voorspelde uitkomsten voor BBT-thermogenese. Het essentiële onderdeel van het protocol is de koolhydraatbelasting van de deelnemers om het koolhydraatmetabolisme vóór interventie te waarborgen. BBT-thermogenese schakelt het substraatmetabolisme over van koolhydraten naar vrije vetzuren, zoals blijkt uit de daling van de RER. Hoewel het voorkeurssubstraat voor BBT-thermogenese vrije vetzuren is, is een significante opname van glucose in actieve BBT goed vastgesteld 5,6,7. Daarom zien we een daling van de bloedglucosespiegels gelijktijdig met BBT-thermogenese. Het zou niet mogelijk zijn om de wederzijdse verschuiving in substraatgebruik (RER) en de daling van de bloedglucosespiegels in nuchtere toestand waar te nemen.

Eerdere studies hebben geconcludeerd dat verhoogde Tscf (gemeten door IRT) voldoende is om BBT-thermogenese te concluderen. Deze conclusie is echter alleen zeker als de Tscf de kerntemperatuur overschrijdt. Als de Tscf lager is dan of gelijk is aan de kerntemperatuur, kan een lokale temperatuurverandering als gevolg van een verhoogde doorbloeding van de huid niet worden uitgesloten. Een systematische review concludeerde dat IRT alleen niet in staat is om te bepalen of verhogingen van de supraclaviculaire huidtemperatuur te wijten zijn aan BBT-thermogenese37. In de review werd opgemerkt dat de meest voorkomende methode (18F-FDG PET/CT) de opname van glucose in BBT37 meet. Het voorkeurssubstraat voor BBT-thermogenese is echter vetzuren13. Deze methodologische kwestie verhindert een zinvolle vergelijking tussen PET/CT-gegevens bij het valideren van IRT-gegevens, aangezien een van deze metingen alleen geen geschikte maat is voor de werkelijke metabole activiteit van de BBT, aangezien deze de verandering in energieverbruik en substraatgebruik als gevolg van BBT-thermogenese niet kan aangeven. Niettemin kunnen we met het hier beschreven protocol niet alleen de verandering in temperatuur kwantificeren, maar we kunnen ook een toename van het energieverbruik bevestigen - een belangrijk fysiologisch resultaat van BBT-thermogenese. IRT is een contactloze, niet-invasieve en relatief goedkope methode voor het meten van temperatuur en temperatuurveranderingen geassocieerd met BBT-thermogenese. PET-CT daarentegen is duur en stelt individuen bloot aan ioniserende straling, waardoor de toepasbaarheid van deze methode wordt beperkt tot kleine retrospectieve analyses van klinische beeldvormingsstudies. De toepassing van het huidige protocol op grootschalige, gerandomiseerde klinische onderzoeken zou relatief eenvoudig en kosteneffectief zijn.

Het is belangrijk op te merken dat de afname van koolhydraatoxidatie na cafeïne-interventie kan worden verklaard door de schakelaar in substraatgebruik als gevolg van verhoogde BAT-thermogenese als gevolg van de interventie. Metingen van insulinesignalering zouden de resultaten van deze studie robuuster maken. Het is echter niet duidelijk op basis van de resultaten van deze studie of cafeïne de insulinesignalering zou beïnvloeden via actie op de BBT of dat de daling van de bloedglucose het gevolg is van het feit dat de BBT meer energiesubstraten opneemt.

De 18F-FDG PET/CT-methode heeft verschillende inherente beperkingen wanneer deze wordt gebruikt om de fysiologische activiteit van BBT te kwantificeren en te meten, met name bij het onderzoeken van de invloed van voedingsstoffen of voedingsingrediënten op de BBT-activiteit. De 18F-FDG PET/CT-methode vereist dat proefpersonen nuchter zijn om door voeding geïnduceerde verhogingen van de glucoseopname door het spierweefsel te voorkomen, wat de detectie van zowel de BBT- als de BAT-functie aanzienlijk kan verminderen38. Bovendien kan deze techniek alleen de fysiologische impact of omvang van BBT-activering niet meten. Bovendien is het gebruik van ioniserende straling in PET-beeldvormingsstudies een ethische en gezondheids- en veiligheidshindernis voor het ontwerpen van cross-overstudies met herhaalde maatregelen. Bovendien vertegenwoordigt 18F-FDG alleen glucoseopname, wat niet hetzelfde is als het meten van glucosemetabolisme. Deze methode van koolhydraatbelasting voorafgaand aan het meten van de BBT-temperatuur en het combineren van bloedglucosewaarden met indirecte calorimetrie stelt ons in staat om de fysiologische impact van thermogenese en veranderd substraatgebruik rigoureus te meten, wat anders niet beschikbaar zou zijn in een nuchtere toestand.

Sterke punten en beperkingen
Dit protocol heeft bredere implicaties dan alleen het bestuderen van BBT. Door koolhydraat-ladende deelnemers voorafgaand aan de interventie, kan de oscillatie van de bloedglucosespiegels als reactie op zowel koolhydraatbelasting als de cafeïne-interventie, evenals veranderingen in het gebruik van het substraat, worden waargenomen. Daarom kan deze techniek worden gebruikt om indirecte calorimetriestudies en metabole metingen bij mensen te verbeteren. Het is nog niet bekend of de resultaten van deze studie kunnen worden gerepliceerd na andere interventies, zoals blootstelling aan koude of adrenerge stimulatie. De resultaten van deze studie zijn echter gerepliceerd na interventie met een ander voedingsingrediënt, namelijk Capsicum annuum27. Extra striktheid en vertrouwen in de resultaten kunnen worden verkregen met behulp van een dubbelblinde benadering voor de analyse van interventies met behulp van de beschreven technieken, en dit kan gemakkelijk worden geïmplementeerd27.

De mogelijke confound van gevarieerde kamertemperatuur is niet relevant in dit protocol, omdat de kamertemperatuur stabiel werd gehouden van deelnemer tot deelnemer. Bovendien werd rekening gehouden met de vochtigheid tijdens de kalibratie van de ademhalingsgasanalysator. Dit wordt afgeleid uit de installatie van dit apparaat, omdat de kalibratie wordt voltooid volgens de instructies van de fabrikant.

De tijdsintervallen voor de meting en behandeling werden bepaald na een kleine pilotstudie waarin probleemoplossing van het protocol werd uitgevoerd. In wezen werden de tijdsintervallen voor meting bepaald op basis van de tijd die de onderzoeker nodig had om de metingen uit te voeren en voor het comfort van de deelnemer. De tijd voor de interventie werd bepaald op basis van de tijd die nodig was voor het koolhydraatmetabolisme na de koolhydraatbelasting om te onderzoeken of de interventie de vrije vetzuuroxidatie (d.w.z. BAT-thermogenese) verhoogde en de koolhydraatoxidatie verlaagde.

Met name zijn er verschillen tussen capillaire en veneuze glucosespiegels39. In de context van zorg buiten het ziekenhuis is de meest gebruikelijke manier waarop bloedglucosespiegels worden gemeten echter via een bloedmonster van capillaire oorsprong geanalyseerd door een handbediende, point-of-care glucometer40. Bovendien is er bij gezonde personen (vergelijkbaar met die in dit protocol) in een niet-klinische setting een statistisch significant, maar niet klinisch significant verschil tussen capillaire en veneuze bloedglucosespiegels wanneer gemeten met behulp van een point-of-care, capillaire glucometer41. In deze context zou capillaire bemonstering de optimale aanpak blijven vanwege het feit dat de meeste point-of-care glucometers die op de markt verkrijgbaar zijn, zijn ontworpen om capillaire bloedmonsters te analyseren41. Vanuit een klinisch perspectief kan worden gesteld dat veneuze bloedglucose de superieure analysemethode is. Veneuze bloedafname is echter niet alleen duur en vereist gespecialiseerde apparatuur (ibid), maar het is ook invasief. De ethische overwegingen van het verhogen van het risico op bijwerkingen tijdens het protocol moeten worden afgewogen tegen de gerapporteerde literatuur die de hoge correlatie en betrouwbaarheid van capillaire bloedglucose als proxymaat voor veneuze bloedglucoseaantoont 42. De sleutel hier is natuurlijk dat we niet zijn begonnen met het diagnosticeren van diabetes, maar met het meten van veranderingen in de bloedsuikerspiegel, waarvoor capillaire bloedglucosemonitoring een meer dan geschikt protocol is.

Glucose kan thermogenese induceren en enkele maaltijden kunnen de BBT43 activeren. Echter, en nogal belangrijk, de gegevens in dit manuscript tonen geen significant effect van glucosebelasting in de interventiegroep of de placebogroep. Bovendien zijn de gegevens in het manuscript afgeleid van de resultaten van Van Schaik et al., waaronder een derde interventie (Capsicum annuum), en de glucosebelasting had geen significant effect op de metingen27.

Opgemerkt moet worden dat dit protocol alleen is gebruikt bij mannelijke deelnemers met een laag lichaamsvet en actieve BAT (om het aantal controleerbare variabelen te verminderen, werden vrouwen uitgesloten van het onderzoek). Er is een bekende omgekeerde correlatie tussen adipositas en BAT-massa bij mensen44. Bovendien is bekend dat eerder zwaarlijvige mensen die zijn afgevallen door middel van dieet en lichaamsbeweging een lagere basale stofwisseling hebben en caloriearme diëten moeten consumeren om een normaal gewicht te behouden45,46. Bovendien kan BBT-activiteit de BBT-groei stimuleren8. De hier beschreven methode zal langetermijnstudies mogelijk maken om veranderingen in BBT-activiteit geassocieerd met metabole ziekten te onderzoeken op een manier die niet wordt geboden door andere technieken.

Conclusie
Tot slot demonstreren we een meetbenadering om de activiteit van menselijk bruin vetweefsel te kwantificeren met behulp van IRT en indirecte calorimetrie na een koolhydraatbelasting. De kritieke stappen omvatten 1) het laden van koolhydraten van de deelnemers die zich in een nuchtere toestand bevinden voorafgaand aan het meten van de BBT-temperatuur, terwijl indirecte calorimetrie en bloedglucosespiegels worden gecombineerd om de kwantificering van de fysiologische omvang van BBT-thermogenese en veranderd substraatgebruik mogelijk te maken; 2) het beoordelen van relevante IRT-BBT-depots en -temperaturen vanaf een referentiepunt en kerntemperatuur om een eventuele toename van Tscf aan te tonen die indicatief zou zijn voor BBT-activering op basis van de anatomische locatie. Wij zijn van mening dat deze kwantitatieve metingen een nauwkeurigere evaluatie mogelijk maken van de bijdrage van BBT aan het energiemetabolisme en de thermoregulatie van volwassen mensen. Deze grondige aanpak moet door onderzoekers worden gebruikt om de fysiologie van BBT te bestuderen en te dienen als een nieuwe standaard voor het ontwikkelen van menselijke BBT-activeringsbenaderingen in de toekomst.

Disclosures

De auteurs hebben geen belangenconflicten bekend te maken.

Acknowledgments

We willen alle onderzoeksvrijwilligers bedanken voor hun deelname aan ons onderzoek. Dit werk werd ondersteund door het Holsworth Research Initiative, La Trobe University en het Defence Science Institute (DSI, Australië).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Automated Sphygmomanometer Omron SEM-2 advanced, Omron, Kyoto, Japan
Dual-energy X-ray absorptiometry scanner  Hologic Horizon, Hologic Inc., Bedford, MA, USA
ECG electrodes Ambu Blue Sensor R, Malaysia
Five lead ECG Medilog AR12 plus; Schiller, Germany
FLIR E60 camera FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia
FLIR Research Studio Professional Edition FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia
Freestyle Optium Xceed Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada
Glucose Gel Winners Sports Nutrition, Mt Martha, Victoria, Australia
MaskA cold-sterilized silicone mask 7400 series Oro-Nasal Mask, Hans Rudolph
Medilog Darwin2 software Professional; Schiller, Germany
Non-contact Infrared Thermometer  Berrcom, JXB-178, Guangdong, China
Optium Glucose Strip Xceed Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada
ParvoMedics TrueOne 2400 respiratory gas analyser ParvoMedics Inc, East Sandy, UT, USA
Pre-sterilized Non-rebreathing Valve Two-way non-rebreathing valve T-Shape configuration, 2600 Medium or 2700 Large, Hans Rudolph

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Virtanen, K. A., et al. Functional brown adipose tissue in healthy adults. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1518-1525 (2009).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Lee, P., et al. Temperature-acclimated brown adipose tissue modulates insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (11), 3686 (2014).
  10. Heaton, J. M. The distribution of brown adipose tissue in the human. Journal of Anatomy. 112 (1), 35-39 (1972).
  11. Sievers, W., et al. Innervation of supraclavicular adipose tissue: A human cadaveric study. PLoS One. 15 (7), 0236286 (2020).
  12. 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).
  13. Carpentier, A. C., et al. Brown adipose tissue energy metabolism in humans. Frontiers in Endocrinology. 9, 447 (2018).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Blondin, D. P., et al. Dietary fatty acid metabolism of brown adipose tissue in cold-acclimated men. Nature Communications. 8, 14146 (2017).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Velickovic, K., et al. Caffeine exposure induces browning features in adipose tissue in vitro and in vivo. Scientific Reports. 9 (1), 9104 (2019).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Schmidt-Nielsen, K. Animal Physiology: Adaptation and Environment. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (1997).
  31. Peronnet, F., Massicotte, D. Table of nonprotein respiratory quotient: An update. Canadian Journal of Sport Sciences. 16 (1), 23-29 (1991).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Vijgen, G. H., et al. Brown adipose tissue in morbidly obese subjects. PLoS One. 6 (2), 17247 (2011).
  36. Cunningham, J. Calculation of energy expenditure from indirect calorimetry: Assessment of the Weir equation. Nutrition. 6 (3), 222-223 (1990).
  37. 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).
  38. Roman, S., et al. Brown adipose tissue and novel therapeutic approaches to treat metabolic disorders. Translational Research. 165 (4), 464-479 (2015).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. Fothergill, E., et al. Persistent metabolic adaptation 6 years after "The Biggest Loser" competition. Obesity. 24 (8), 1612-1619 (2016).
  46. Hall, K. D. Energy compensation and metabolic adaptation: "The Biggest Loser" study reinterpreted. Obesity. 30 (1), 11-13 (2021).

Tags

Geneeskunde Substraatgebruik respiratoire uitwisselingsverhouding (RER)
Met behulp van een combinatie van indirecte calorimetrie, infraroodthermografie en bloedglucosespiegels om de thermogenese van bruin vetweefsel bij mensen te meten
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Van Schaik, L., Kettle, C., Green,… More

Van Schaik, L., Kettle, C., Green, R. A., Irving, H. R., Rathner, J. A. Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans. J. Vis. Exp. (196), e64451, doi:10.3791/64451 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter