Waiting
Login processing...

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

Medicine

Infrarød termografi for påvisning av endringer i brunt fettvevsaktivitet

Published: September 28, 2022 doi: 10.3791/64463
Automatic Translation
1, 1, 2, 2,3, 2,3
1MKP Ltd., 2Croatian Institute for Brain Research, University of Zagreb, School of Medicine, 3Department of Physiology, University of Zagreb, School of Medicine

Summary

Her presenterer vi en protokoll for måling av fettvevsaktivitet etter et måltid hos mennesker og forsøksdyr.

Abstract

Måling av brunt fettvev (BAT) aktivitet ved positronemisjonstomografi computertomografi (PET-CT) via akkumulering av 18F-fluorodeoksyglukose (FDG) etter et måltid eller hos overvektige eller diabetespasienter mislykkes som valgt metode. Hovedårsaken er at 18F-FDG konkurrerer med den postprandial høye glukoseplasmakonsentrasjonen for den samme glukosetransportøren på membranen til BAT-celler. I tillegg bruker BAT fettsyrer som energikilde også, noe som ikke er synlig med PET-CT og kan endres sammen med glukosekonsentrasjonen hos overvektige og diabetespasienter. Derfor, for å estimere den fysiologiske betydningen av BAT hos dyr og mennesker, brukes en ny infrarød termografimetode som brukes i nyere publikasjoner.

Etter faste over natten ble BAT-aktivitet målt ved infrarød termografi før og etter et måltid hos frivillige mennesker og hunnmus av villtype. Kameraprogramvaren beregner objektets temperatur ved hjelp av avstand fra objektet, hudemissivitet, reflektert romtemperatur, lufttemperatur og relativ fuktighet. Hos mus var det barberte området over BAT et område av interesse for hvilke gjennomsnittlige og maksimale temperaturer ble målt. Fasen av brunstsyklusen hos hunnmus ble bestemt etter et eksperiment med vaginale utstryk farget med cresylfiolett (0,1%) flekkløsning. Hos friske frivillige ble to hudområder i nakken valgt: det supraklavikulære området (over kragebeinet, hvor BAT-celler er tilstede) og det interklavikulære området (mellom kragebenene, hvor det ikke oppdages BAT-vev). BAT-aktivitet bestemmes av subtraksjonen av disse to verdiene. Også gjennomsnittlige og maksimale temperaturer på hudområder kan bestemmes hos dyr og mennesker.

Endringer i BAT-aktivitet etter et måltid målt ved infrarød termografi, en ikke-invasiv og mer sensitiv metode, ble vist å være kjønn, alder og fase av brunstsyklusen avhengig av laboratoriedyr. Som en del av diettindusert termogenese ble BAT-aktivering hos mennesker også vist seg å være avhengig av kjønn, alder og kroppsmasseindeks. Videre bestemmelse av patofysiologiske endringer i BAT-aktivitet etter et måltid vil være av stor betydning for deltakere med høye glukoseplasmakonsentrasjoner (fedme og diabetes mellitus type 2), samt hos forskjellige laboratoriedyr (knock-out mus). Denne metoden er også et variabelt verktøy for å bestemme mulige aktiverende legemidler som kan forynge BAT-aktivitet.

Introduction

Brunt fettvev (BAT), i motsetning til hvitt fettvev (WAT), lagrer ikke, men bruker heller energi. Ved sympatisk stimulering bruker BAT fettsyrer og glukose og produserer varme ved aktivering av frakoblingsprotein 1 (UCP1). Funksjonen til UCP1 er å bruke en H + gradient mellom to mitokondrielle membraner for å produsere varme i stedet for ATP. Funksjonen til BAT er å øke varmeproduksjonen under kalde forhold, noe som fører til en økning i energiforbruket1. Etter kald eksponering hemmer sensoriske innganger fra huden varmfølsomme nevroner i median preoptisk (MnPO) kjernen i det hypotalamiske preoptiske området (POA), noe som reduserer den hemmende effekten av POA-nevroner på rostral raphe pallidus (rRPa). Aktiveringen av rRPa-nevroner øker sympatisk aktivitet, som etterfølges av en økning i BAT-aktivitet 2,3. Kuldeindusert BAT-aktivering forbedrer insulinfølsomheten hos mennesker4, og denne aktiviteten reduseres hos mennesker med økt kroppsmasseindeks (BMI) og alder 1,5,6,7.

Bortsett fra sin rolle i kuldeindusert termogenese, etter et måltid, øker glukoseopptaket i BAT i den magre mannlige befolkningen, noe som bidrar til diettindusert termogenese (DIT), som er høyere hos BAT-positive mannlige personer 8,9. Den toppmoderne teknikken som brukes til å måle BAT-aktivitet er positronutslippstomografi computertomografi, kjent som PET-CT. Denne metoden bestemmer BAT-aktiviteten ved å måle akkumuleringen av radiotracer fluorodeoksyglukose (18F-FDG). Imidlertid mislykkes PET-CT som den valgte metoden for å oppdage aktivering av BAT etter et måltid. En av grunnene er at 18F-FDG etter et måltid konkurrerer med postprandial hyperglykemi for den samme glukosetransportøren, noe som gjør den uegnet til å bestemme BAT-aktivering etter et måltid, spesielt når man sammenligner BAT-aktivitet hos friske og diabetiske deltakere med mulige forskjeller i blodsukkerkonsentrasjoner. Videre bruker BAT fettsyrer som energikilde for varmeproduksjon som ikke er synlig med PET-CT. 18 F-FDG-akkumulering i BAT etter et måltid er knapt synlig10 og tolkes derfor som et negativt resultat i de fleste tilfeller. Ikke overraskende ble det nylig foreslått at aktiveringen av BAT er mer uttalt i den menneskelige befolkningen enn vi tidligere hadde trodd; Derfor er en ny tilnærming for å oppdage BAT-aktivitet og dens involvering i metabolske forstyrrelser nødvendig7. Et forsøk på å løse dette problemet er å måle volumet av BAT med magnetisk resonansavbildning (MR) hos prediabetespasienter og pasienter med diabetes mellitus type 2 (T2DM) med insulinresistens11. BAT-volum målt ved MR er imidlertid ikke en tilstrekkelig indikator for å estimere daglig funksjon og bruk av glukose og fettsyrer ved BAT. Derfor, for å estimere reelle forskjeller i BAT-aktivitet hos friske versus T2DM-pasienter, er det nødvendig med en ny tilnærming som gir en mulighet til å finne ut den patologiske mekanismen for BAT-funksjonsfeil hos T2DM-pasienter.

For å bestemme aktiveringen av BAT, utførte vi målinger av BAT-varmeproduksjon før og etter et måltid ved hjelp av infrarød (IR) termografi (figur 1) 12,13. Etablering av IR-termografi som en metode for å måle BAT-aktivitet etter et måltid hos friske og overvektige personer eller pasienter med diabetes mellitus vil ha stor innvirkning på feltet. Den dag i dag brukes IR-termografi til bestemmelse av kuldeindusert aktivering av BAT13,14,15. I nyere menneskelig historie er kuldeindusert BAT-aktivitet ikke veldig uttalt lenger (på grunn av riktig oppvarming av habitater, riktig klær), mens BAT-aktivering etter et måltid skjer hver dag. Videre er den fysiologiske reguleringen av disse to BAT-funksjonene via hypothalamus helt forskjellig. Etter et måltid fører aktiveringen av proopiomelanocortin (POMC)-uttrykkende nevroner i den hypotalamiske bueformede kjernen (Arc) til en økning i sympatisk nerveaktivitet via rRPa16. Kuldeindusert aktivering av BAT målt ved IR-termografi eller PET-CT er feil når det brukes som et mål for daglig BAT-aktivitet. Økt BAT-aktivitet etter et måltid etterfølges av glukoseutnyttelse, noe som til syvende og sist er viktig for å opprettholde glukosehomeostase, insulinfølsomhet og daglig regulering av glukosekonsentrasjon. Postprandial BAT-aktivering fører til en økning i postprandial glukoseforbruk, etterfulgt av en økning i varmeproduksjon og kroppstemperatur (DIT). Dette ble vist å være kjønn, alder og BMI-avhengig12. Lignende kjønnsforskjeller i BAT-aktivering etter et måltid er observert hos mannlige og kvinnelige laboratoriemus17. Disse funnene samsvarer med nylig oppdagede kjønnsforskjeller i reguleringen av BAT av Burke et al., som viste at hypotalamisk regulering av BAT-via en underpopulasjon av POMC-nevroner er forskjellig hos mannlige og kvinnelige mus18. Den postprandial aktiveringen av BAT er mindre hos kvinner, eldre befolkninger og overvektige mennesker. Mangelen på BAT-aktivering etter et måltid (redusert glukoseutnyttelse) kan føre til en høyere forekomst av nedsatt glukosetoleranse hos kvinner 19,20,21,22. Dessverre ble flertallet av studier på BAT-aktivering bare gjort på menn. Ved å aktivere BAT etter et måltid, øker glukoseopptaket i den magre mannlige befolkningen. Det er ikke overraskende at DIT etter BAT-aktivering er høyere hos BAT-positive mannlige personer 8,9. Videre forbedrer BAT-transplantasjon hos hannmus glukosetoleransen, øker insulinfølsomheten og reduserer kroppsvekt og fettmasse23.

PET-CT mislykkes som en metode for valg for måling av BAT-aktivitet, spesielt etter et måltid. Derfor ble det utviklet en ikke-invasiv og mer sensitiv metode. IR-termografi gjør det mulig å estimere BAT-aktivitet hos forskjellige laboratoriedyr (utslagsmus), så vel som menneskelige deltakere, uavhengig av kjønn, alder eller effekten av forskjellige patologiske forhold på BAT-aktivitet. En ekstra fordel med denne metoden er enkelheten for deltakere og forsøksdyr, noe som gjør at vi kan estimere de potensielle fordelene med BAT-boosterterapi. De nylige studiene som bruker IR-termografi for å bestemme den fysiologiske oppførselen til BAT etter kald eksponering eller et måltid, er beskrevet i den nylige publikasjonen av Brasil et al.24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle forsøksprosedyrer på forsøksdyr ble godkjent av Nasjonal etisk komité og Landbruksdepartementet (EP 185/2018). Forsøkene ble utført i samsvar med den etiske kodeksen til The Croatian Society for Laboratory Animal Science og ARRIVE retningslinjer. Alle prosedyrer utført i studier som involverte menneskelige deltakere var i samsvar med Helsinkideklarasjonen og godkjent av etikkomiteen ved Universitetet i Zagreb, School of Medicine (UP / I-322-01 / 18-01/56). I denne studien presenterer vi resultatene fra tre kvinnelige deltakere (BMI: 29 kg/m 2 ± 5 kg/m2). Informert samtykke ble innhentet fra alle frivillige mennesker for deres deltakelse i studien og for å presentere dataene.

1. Måling av aktivering av brunt fettvev etter et måltid hos mennesker

MERK: Utfør eksperimentene om sommeren når den daglige temperaturen ikke er under 22 ° C for å holde basal BAT-aktivitet så lav som mulig.

  1. Velg nøye kontrollen friske deltakere (hvis BAT-aktivitet skal estimeres under patologiske forhold) siden BAT-aktivitet er kjønn, alder, BMI og til og med fasen av brunstsyklusavhengig.
    1. For å estimere fasen av menstruasjonssyklusen til kvinnelige deltakere, spør dem spørsmål om hvor lang deres gjennomsnittlige menstruasjonssyklus er og datoen for den første dagen i deres siste menstruasjon. Ikke glem å markere datoen for forsøkene.
      MERK: Riktig utvalg av matchende kontrollpersoner er den vanskeligste delen av kliniske studier, siden friske kontroller og deltakere med patologiske tilstander bør være så like som mulig og bare avvike i den undersøkte sykdommen.
  2. Be deltakerne om å hvile godt, ikke spise frokost (faste-ingen inntak av kalorier), å samles om morgenen for forsøkene, og å hvile i minst 30 minutter for å unngå mulig BAT-aktivering under muskelaktivitet via sympatisk aktivering.
  3. Be deltakerne om å fjerne de øvre klærne 15 minutter før målingene for å unngå mulige effekter av oppvarming av hudoverflaten (termiske effekter av klær) mens de bestemmer baseline BAT-aktiviteten. Utfør målinger ved passende romtemperatur (22-27 °C).
  4. Utfør infrarøde målinger.
    1. Mens deltakerne hviler, monter det termiske kameraet (detektortype: ukjølt mikrobolometer; detektorstigning: 17 μm; kameraspektralområde: 7,5-14,0 μm; termisk følsomhet: 20 mK ved 30 ° C; linser: 36 mm; oppløsning: 1024 piksler x 768 piksler; øyeblikkelig synsfelt [IFOV]: 0,47 mRad) på stativet og plasser det 1 m unna stedet der deltakeren skal sitte.
      MERK: Hvis målingene utføres i kaldere vær (utetemperaturer under 15 °C ved 50 % fuktighet), må du sette kameraet i romtemperatur og slå det på i minst 1 time før du utfører målingene. Kalde instrumenter kan gi forskjellige resultater etter oppvarming til romtemperatur på grunn av autokalibrering.
    2. Koble det termiske kameraet til en datamaskin og programvare som instruert av produsenten. Ta opp aluminiumsfolie (krøllet og deretter strukket aluminiumsfolie) i en brennvidde på 1 m for å bestemme den reflekterte temperaturen i rommet, presentert som målt temperatur. I kameraprogramvaren skriver du inn avstanden på 0 m og emissiviteten til 1.
      MERK: Den reflekterte tilsynelatende temperaturen er en parameter oppnådd når kameraets emissivitet er satt til 1,0 og avstanden til 0 m og målingene tas på krøllet og deretter strukket aluminiumsfolie. Reflektert tilsynelatende temperatur representerer en tilnærming av den totale innfallende infrarøde strålingen på detektoren fra miljøet.
    3. Like før du starter målingene, bestem romlufttemperaturen og luftfuktigheten (nødvendig for senere analyse). I stedet for å ta ett termisk bilde, ta opp en film. Fra filmen velger du senere den best mulige bilderammen for analyse for å redusere muligheten for å miste verdifulle data.
    4. Før du starter opptaket, må du angi følgende parametere: varigheten av videoopptaket på 10-15 s (eller en hvilken som helst annen ønsket verdi), bildefrekvensen ved 5 bilder per sekund (bilder per sekund) eller en hvilken som helst annen verdi (i våre hender er 5 bilder per sekund det maksimale nødvendige), og et sted på disken der filmen skal lagres, som beskrevet nedenfor.
      1. I programvaren over hovedkameravinduet velger du det tredje ikonet fra venstre. I hurtigmenyen velger du Rediger oppføringsinnstillinger, hvoretter et nytt vindu åpnes.
      2. I opptaksmodus velger du Ta opp på disk, og under det angir du posten for denne varigheten på ønsket tidspunkt. I opptaksalternativene i samme vindu, begrens opptakshastigheten til 5 (Hz) og velg stedet der opptakene skal lagres.
      3. For å angi bildefrekvensen, lukk det eksisterende vinduet, åpne Rediger i hovedmenyen og velg Innstillinger. I høyre del av det åpne vinduet skriver du inn 5 i Target Frame Rate. I samme vindu nedenfor velger du Hurtigtast / Fjernstart kan stoppe opptak, og fra rullegardinmenyen velger du I Start / stopp-modus.
        MERK: Prøv å lage kortest mulig film med lavest mulig bildefrekvens siden det er minnekrevende. Ved disse innstillingene vil én post ha omtrent 100 Mb.
  5. Plasser deltakeren slik at det supraklavikulære området i nakken, over kragebeinet der BAT er plassert (figur 1), er i en brennvidde på 1 m og ta opp en kort film (10-15 s) med en bildefrekvens på 5 fps ved å trykke på F5-tasten . Opptaket stopper på det angitte tidspunktet.
  6. I rommet på tidspunktet for målingene må du sørge for at bare deltakeren og personen som utfører målingene er til stede. Unngå luftbevegelse eller trekk (f.eks. fra klimaanlegg). Sørg for at deltakerne er borte fra kald trekk, sollys (direkte eller indirekte), eller en hvilken som helst varmekilde som lyspærer.
  7. Hvis det er egnet, måles blodsukkerkonsentrasjonene i kapillærblod fra fingertuppen med et standard glukometer og kroppstemperaturen ved hjelp av et aksillært termometer.
  8. Sørg for at alle deltakerne spiser det samme måltidet. Vær oppmerksom på matrestriksjonene og kravene til de testede personene (for eksempel måltidet for diabetespasienter). Alle deltakere, inkludert kontrollpersoner (friske) og deltakere med metabolske forstyrrelser, bør spise det samme måltidet.
    MERK: For mer informasjon om måltider som diabetespasienter kan konsumere, kontakt en lokal endokrinolog eller diskuter det med deltakerne som lider av diabetes mellitus.
  9. På ønsket tidspunkt etter et måltid, gjør du det nye opptaket ved å trykke F5 med de samme innstillingsverdiene. Ikke gjenta den angitte protokollen for opptak. Gjenta målingene etter 30 minutter, 1 time, 2 timer og 3 timer etter et måltid12. For din spesifikke studiedesign kan tiden etter et måltid være kortere eller lengre, men vi anbefaler minst de tre første tidspunktene.
    MERK: Begrensningen av antall deltakere er fire til seks, selv om målingene gjøres raskt. Med et høyere antall deltakere vil forsinkelsestiden for noen bli for lang.

2. Måling av aktivering av brunt fettvev etter et måltid hos forsøksdyr

MERK: Siden dyrene er plassert i en dyreavdeling med regulert romtemperatur og en dag / natt syklus på 12 t / 12 timer, kan forsøkene utføres i løpet av hvilken som helst sesong. Romtemperaturen under forsøk bør være mellom 22 °C og 27 °C. I denne studien ble seks hunndyr i diestrus og seks hanndyr av villtype (WT) C57Bl/6NCrl undersøkt.

  1. Bedøve dyrene i henhold til institusjonens etiske retningslinjer. I denne studien ble det utført anestesi med intravenøse injeksjoner av ketamin/xylazin (henholdsvis 80-100 mg/kg og 6-8 mg/kg). Påfør øyegel på begge øynene for å forhindre hornhindetørking under anestesi. Barber de interscapulære områdene av testdyrene en dag før forsøkene (hudområdet mellom skulderbladene) ved hjelp av en liten dyrtrimmer.
  2. Dagen før forsøkene bestemmer også fasen av brunstsyklusen hos kvinnelige dyr.
    MERK: Fasen av brunstsyklusen bestemmes av vaginale smører.
    1. Dypp en bomullspinne i romtemperatur steril saltoppløsning (0,9% NaCl) og sett den inn i skjeden. Skrap forsiktig vaginalveggen med vattpinnen, spre de vedlagte cellene på et glassglass og la det lufttørke.
    2. Sett dyrene tilbake i burene sine. Flekk cellene med 500 μL 0,1% cresylfiolett acetat i 1 min, skyll dem deretter 3 ganger med vann.
    3. Se cellene under et lysmikroskop med 100x forstørrelse og lysfeltbelysning. Bestem fasen av brunstsyklusen basert på antall leukocytter og nukleerte og cornified epitelceller observert i smøret25.
  3. Fjern dyrenes mat kvelden før forsøkene (faste over natten) med vann ad libitum. Den beste måten er å overføre dyrene til nye rene bur for å unngå mulige rester av mat i burene.
  4. På morgenen på forsøksdagen, klargjør det termiske kameraet og opptaksinnstillingene som gjort for å teste de menneskelige deltakerne.
  5. Ikke forstyrr eller forårsake stress for dyrene før du utfører IR-målinger. Plasser dyret forsiktig i et rent bur (sikrer at det ikke er noen effekter av andre dyrs duft på dyrets sympatiske system). Plasser buret under termisk kamera i en brennvidde på 1 m. Ta opp en film ved å trykke F5.
  6. Vei matpelleten før du gir den til hvert dyr slik at matinntaket kan beregnes. La dyret spise i 30 minutter i buret og vei matpelleten igjen etter måltidet. I denne studien spiste hunndyr 0,038 ± 0,004 g mat/kroppsvekt.
    MERK: Hvis du bestemmer deg for å måle blodsukkerkonsentrasjoner, utfør målingene før et måltid, men etter IR-målinger for å sikre at dette ikke vil føre til BAT-aktivering av det sympatiske systemet.
  7. Gjenta IR-målinger på ønsket tidspunkt etter at du har startet et måltid (vanligvis 30 minutter, 1 time og 2 timer etter et måltid)17,26.
  8. Etter at alle forsøkene er fullført, test igjen fasen av brunstsyklusen hos hunndyr som beskrevet ovenfor (hunndyr kan gå ut av ønsket fase av brunstsyklusen raskere enn forventet).

3. Analysere de termiske opptakene

MERK: Programvaren for termisk kamera beregner objektets temperatur ved hjelp av fem variabler.

  1. Sett følgende variabler i programvaren før analyse: hudemissivitet, e = 0,9815,27, reflektert romtemperatur (som beregnet ut fra bildet av aluminiumsfolie), lufttemperatur, relativ fuktighet, avstand til objektet = 1 m. Utfør analysen ved å bruke programvaren med disse verdiene.
    MERK: Den foretrukne fargepaletten er regnbue siden den bruker flere fargetoner, noe som gjør det lettere å oppdage BAT over kragebeinet.
  2. For hver film skriver du inn de oppførte variablene i kameraprogramvaren på høyre side av hovedvinduet. Velg det passende bildet fra filmen ved å flytte spillehodet nederst på skjermen eller trykke på pauseknappen .
  3. Velg interesseområde (ROI) ved å velge ønsket form på området på venstre side av hovedvinduet. Velg den formen som best tilsvarer hudområdet over eller mellom kragebenene.
  4. Når ROI er valgt, vises minimums-, maksimums- og gjennomsnittstemperaturen for avkastningen på høyre side. I bildet representerer den røde trekanten punktet for maksimal registrert temperatur, og den blå trekanten representerer den minimale registrerte temperaturen. Gjenta dette trinnet for flere bilder for å være sikker på at den målte temperaturen er stabil i løpet av noen sekunder av opptaket.
  5. Trekk de maksimale temperaturene i hudområdet over BAT før et måltid fra maksimumstemperaturene etter et måltid for å bestemme økningen i postprandial BAT-aktivitet hos laboratoriedyr.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den enkleste måten å bestemme BAT-aktivitet på er å trekke den maksimale hudtemperaturen over BAT før og etter et måltid hos mennesker. En bedre måte å beregne BAT-aktivitet på er å velge to regioner av interesse: hudområdet over BAT, som ligger i det supraklavikulære området, og det interklavikulære området av huden der det ikke finnes BAT-vev hos mennesker, utpekt som referanseområde (i henhold til PET-CT; Figur 1). BAT-aktivitet bestemmes da lett av subtraksjonen av disse to temperaturene. Som vist i figur 1 ble BAT-aktiviteten bestemt til 1,8 °C. For å bestemme aktiveringen av BAT etter fôring, ble dette gjentatt på bestemte tidspunkter etter et måltid12. I denne studien utførte vi eksperimenter med tre kvinnelige deltakere. Tilsvarende resultater ble oppnådd fra deltaker 1 og deltaker 2 med BMI på henholdsvis 23 kg/m 2 og 34 kg/m2. Deltaker 3 hadde lavest BMI (18 kg/m2) og høyest økning i BAT-aktivitet etter et måltid (figur 1B, venstre). Den maksimale temperaturen på det supraklavikulære området av huden er ikke en god representasjon av BAT-aktivitet, siden det ikke er noen reduksjon i hudtemperaturen selv 3 timer etter et måltid (figur 1B, høyre). På grunn av forskjeller i BAT-aktivitet blant den menneskelige befolkningen, bør analysen av resultatene gjøres individuelt, og / eller valg av deltaker for studien bør gjøres svært nøye. Det er ikke en slik forskjell i BAT-aktivitet hos forsøksdyr siden de er nært beslektet.

Den første fordelen med denne metoden sammenlignet med bruk av PET-CT (18F-FDG) er at den måler BAT-aktivitet uavhengig av varmekilde. Av den grunn er IR-termografi mye mer følsom og representerer mer sannferdig BAT-aktiviteten under forskjellige fysiologiske eller patofysiologiske forhold. Denne metoden kan brukes til å bestemme de fysiologiske forholdene som fører til endringer i BAT-aktivitet, for eksempel alder, kjønn eller fase av brunstsyklusen. Hos mennesker er en ekstra fordel evnen til å bestemme de patofysiologiske endringene i BAT-aktivitet i metabolske sykdommer som fedme og diabetes mellitus type 2. En spesiell fordel kan sees når man sammenligner BAT-aktiviteten til personer med høy blodsukkerkonsentrasjon med sunne kontroller, siden den radioaktive glukosen i PET-CT konkurrerer med de samme glukosetransportørene som glukose i kroppen, noe som fører til falske negative resultater eller feilaktige fremstillinger av BAT-aktivitet.

En mulig bekymring er forskjellene i tykkelsen på huden, spesielt det subkutane hvite fettvevet, som kan endre hudtemperaturen over BAT hos forskjellige forsøkspersoner28. Dette problemet kan unngås ved å sammenligne BAT-aktiveringen før og etter et måltid. Vanligvis bestemmes aktivitet og påfølgende betydning for ulike patofysiologiske tilstander ved BAT-aktivering etter kuldeeksponering. Imidlertid er denne typen BAT-aktivering sesongmessig, og hos mennesker (sammenlignet med dyr i villmarken), ikke veldig viktig. For å bestemme effekten av BAT-aktivitet på hverdagen, samt glukosehomeostase, er BAT-aktivering etter et måltid etterfulgt av glukose og fettsyreutnyttelse den riktige måten.

Det bør tas hensyn til målingene som utføres i varme omgivelser eller for tidlig etter muskelaktivitet. Muskelaktivitet øker kroppstemperaturen, noe som fører til vasodilatasjon i huden (figur 2). Når det ikke er noe synlig varmere hudområde over BAT sammenlignet med de omkringliggende hudområdene, ekskluder du opptakene fra studien.

BAT-aktivitet hos forsøksdyr bestemmes av den maksimale temperaturen til BAT som ligger mellom scapulaen (interskapulær BAT, iBAT) og gjennomsnittstemperaturen på huden over iBAT. Det er lettere å måle gjennomsnittstemperaturen på huden over BAT hos forsøksdyr, siden den er mer lokalisert enn hos mennesker (figur 3). I denne studien ble endringene i BAT-aktivitet etter et måltid målt hos kvinnelige WT-dyr i diestrus (28,2 ± 0,5 uker gamle). Som vist i figur 3 ble statistisk signifikante endringer i BAT-aktivitet bestemt 30 minutter etter et måltid, men bare når maksimumstemperaturen ble målt (p < 0,05). Når BAT-aktiviteten ble presentert som endringer i gjennomsnittstemperatur, var endringen ikke signifikant (p = 0,066). Derfor er presentasjon av BAT-aktiviteten via endringer i den maksimale temperaturen i det interskapulære hudområdet en bedre måte å presentere resultatene på. Denne endringen i BAT-aktivitet var positivt korrelert med mengden inntatt mat (r = 0,65).

De største bekymringene for begge settene av er de biologiske forskjellene i BAT-aktivering hos hann- og hunndyr og unge og gamle dyr, samt forskjellene i BAT-aktivitet i brunstsyklus17. Spesiell oppmerksomhet bør tas på hvor lang tid som går fra det siste måltidet, noe som vil være vanskelig å estimere hvis protokollen ovenfor ikke følges. Å utføre eksperimenter samtidig om morgenen er ikke presist nok17.

En ekstra bekymring ved måling av BAT-aktivitet er å unngå stress hos dyrene så mye som mulig. Enhver forstyrrelse vil øke sympatisk aktivitet og derfor BAT-aktivitet16. Videre kan de fleste feil som involverer temperaturregistreringer oppstå hvis musens interskapulære område ikke er barbert ordentlig, noe som kan føre til måling av feil område av huden.

Figure 1
Figur 1: Infrarød termografi. (A) To hudområder velges: ett over det brune fettvevet (BAT; supraklavikulært område) og det andre i det interklavikulære området (ingen BAT-vev tilstede under huden på dette områdereferansepunktet). BAT-lokaliteten presenteres som det varmeste området over kragebeinet. Den skjematiske fremstillingen av BAT-plasseringen i nakken i henhold til PET-CT er presentert i venstre figur. Temperaturer er maksimale temperaturer målt i omkransede hudområder. Baren representerer 5 cm. (B) Forskjellene mellom maksimale temperaturer i begge hudområdene presenteres for hver deltaker, og viser økningen i BAT-aktivitet 2 timer etter et måltid (venstre). BAT-aktivitet kan ikke presenteres ved maksimale temperaturer i huden over BAT (høyre). Resultatene presenteres som gjennomsnitt ± standardfeil av gjennomsnittet. * p < 0,05 sammenlignet med startverdi (paret ANOVA). Forkortelse: SC = suprascapular. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Forholdene når BAT-aktivitet ikke kan måles. Figuren representerer forholdene når det ikke er mulig å bestemme BAT-aktivitet på grunn av økt vasodilatasjon av hudens blodkar. Baren representerer 5 cm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Brunt fettvev i laboratoriemus. (A,B) Interskapulært brunt fettvev (BAT) aktiveres etter kuldeeksponering og vises først da som 18F-FDG-akkumulering ved PET-CT. Aktiviteten til BAT kunne sees med et termisk kamera uten kald eksponering. (C) Plasseringen av BAT i termisk skanning tilsvarer BAT presentert i PET-CT-bildet med en pil. Det barberte området er større enn BAT for å kunne se alle temperaturendringene (plasseringen av Tmax kunne ikke forutsies perfekt, og i noen studier kan gjennomsnittstemperaturen måles). Baren representerer 1 cm. (D) De målte maksimums- og gjennomsnittstemperaturene i huden over BAT for seks hunnmus i diestrus presenteres. Resultatene presenteres som gjennomsnitt ± standardfeil av gjennomsnittet. * p < 0,05 sammenlignet med startverdi (paret ANOVA). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Nylige studier presenterer økende bevis om fysiologisk regulering og betydning av BAT-aktivitet hos voksne mennesker og dyr i utviklingen av fedme og diabetes mellitus. Videre blir mulig BAT-aktivering av eksogene aktivatorer et mål for farmasøytiske selskaper. For å kunne estimere den fysiologiske reguleringen og patofysiologiske betydningen av BAT i svært belastende sykdommer, samt oppdage en potensiell terapeutisk tilnærming, blir infrarød termografi den foretrukne metoden. Selv om IR-teknologien fremstår som en ny metode for å måle BAT-aktivitet 12,13,14,15,17, bør spesiell oppmerksomhet ikke rettes mot selve den anvendte metoden, men på de fysiologiske egenskapene til BAT-aktivering. Man bør være spesielt oppmerksom på kjønn, alder, brunstsyklusfase, fôringsstatus og mulig stress hos mennesker og forsøksdyr.

Målinger av økningen av BAT-aktivitet etter et måltid utført på mennesker og laboratoriedyr er ganske like12,17. Kritiske trinn i å utføre disse målingene inkluderer unngåelse av stress og muskelaktivitet (dyr bør ikke forstyrres før du utfører målinger). For kvinnelige deltakere bør funksjonelle forskjeller i BAT-aktivitet i brunstsyklusen (menstruasjonssyklusen) tas i betraktning. Videre bør huden være bar (dyr bør barberes dagen før forsøk utføres for å unngå unødvendig stress). Videre er det veldig viktig å stille kameraprogramvaren riktig for å få best mulig termisk oppløsning. For å presentere dataene som termiske bilder, er den beste måten å velge en riktig fargepalett som passer til den aktuelle studien. Hvis protokollen følges riktig, er det mindre mulighet for å gjøre feil i utførelsen av IR-termografi.

Begrensningen av metoden er at det ikke er mulig, uten en liten bekymring, å sammenligne BAT-aktiviteten mellom mennesker med forskjellige mengder subkutant fett (eller overvektige dyr til dyr med normal kroppsvekt). For å unngå dette problemet bør samme motiv brukes som kontroll ved å måle BAT-aktiviteten før og etter et måltid. Beregningen av økningen i BAT-aktivitet etter et måltid vil eliminere forskjellene i varmefordeling fra subkutan BAT til hudoverflaten.

Rapportering av BAT-aktivitet gjennom endringer mellom maksimal hudtemperatur i begge hudområder er etter vårt synspunkt en bedre måte siden det eliminerer forskjellene i BAT-størrelse og / eller utpekt hudområde i resultatene oppnådd ved gjennomsnittlige temperaturmålinger29.

Som nevnt tidligere er den valgte metoden for måling av BAT-aktivitet hittil PET-CT ved bruk av radioaktiv glukose (18F-FDG). Denne metoden har over tid vist seg å ikke være sensitiv nok, bruken av radioaktivt materiale er bekymringsfull, og den er svært kostbar. PET-CT er ubrukelig for å bestemme BAT-aktivering etter et måltid. 18 F-FDG-akkumulering i BAT etter et måltid er knapt synlig10 og regnes som et negativt resultat. Nylig ble det foreslått at BAT-aktivering er mer uttalt i den menneskelige befolkningen og derfor blir stadig viktigere i utviklingen og spredningen av metabolske sykdommer7. Et forsøk på å løse dette problemet er å måle BAT-volumet ved MR hos prediabetiker og pasienter med T2DM med insulinresistens11. Mengden BAT gir imidlertid ingen informasjon om aktiviteten til BAT og utnyttelsen av glukose og fettsyrer, noe som er viktig hos diabetespasienter.

Etablering av IR-termografi som en metode for å måle BAT-aktivitet, spesielt hos mennesker med høy blodsukkerkonsentrasjon, vil ha stor innvirkning på feltet. IR-termografi brukes til bestemmelse av kuldeindusert aktivering av BAT 13,14,15 og nylig BAT-aktivering etter et måltid hos friske frivillige 12 og laboratoriedyr 17. Den postprandial BAT-aktiveringen er mindre hos kvinner og eldre personer, uansett art. Dessverre har mesteparten av forskningen på BAT-aktivering og metabolske studier blitt utført bare på mannlige forsøkspersoner (mannlige laboratoriedyr eller menn). Problemet med denne tilnærmingen er at den ignorerer effekten av brunstsyklusens fase på BAT-aktivitet30.

Endelig vil IR-termografi muliggjøre muligheten for å undersøke den fysiologiske og patofysiologiske betydningen av BAT i forskjellige menneskelige populasjoner, spesielt hos pre- og postmenopausale kvinner, studier som mangler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Denne studien ble finansiert av Croatian Science Foundation forskningsstipend (IP-2018-01- 7416).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.1% cresyl violet acetate  Commonly used chemical
Device for measuring air temperature and humidity Kesterl Kestrel 4200 Certificat of conformity
External data storage Hard Drive with at least 1 TB
Glass microscopic slides Commonly used
Small cotton tip swab  Urethral swabs
Software for analysis FLIR Systems, Wilsonville, OR, USA FLIR Tools
Software for meassurements FLIR Systems, Wilsonville, OR, USA ResearchIR software FLIR ResearchIR Max, version 4.40.12.38 (64-bit)
Thermac Camera FLIR Systems, Wilsonville, OR, USA FLIR T-1020

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. van Marken Lichtenbelt, W. D., et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1500-1508 (2009).
  2. Morrison, S. F., Nakamura, K. Central neural pathways for thermoregulation. Frontiers in Bioscience. 16 (1), 74-104 (2011).
  3. Contreras, C., et al. The brain and brown fat. Annals of Medicine. 47 (2), 150-168 (2015).
  4. Chondronikola, M., et al. Brown adipose tissue improves whole-body glucose homeostasis and insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (12), 4089-4099 (2014).
  5. Ouellet, V., et al. Outdoor temperature, age, sex, body mass index, and diabetic status determine the prevalence, mass, and glucose-uptake activity of 18F-FDG-detected BAT in humans. Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 96 (1), 192-199 (2011).
  6. Pfannenberg, C., et al. Impact of age on the relationships of brown adipose tissue with sex and adiposity in humans. Diabetes. 59 (7), 1789-1793 (2010).
  7. Leitner, B. P., et al. Mapping of human brown adipose tissue in lean and obese young men. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (32), 8649-8654 (2017).
  8. Vosselman, M. J., et al. Brown adipose tissue activity after a high-calorie meal in humans. American Journal of Clinical Nutrition. 98 (1), 57-64 (2013).
  9. Hibi, M., et al. Brown adipose tissue is involved in diet-induced thermogenesis and whole-body fat utilization in healthy humans. International Journal of Obesity. 40 (11), 1655-1661 (2016).
  10. Fenzl, A., Kiefer, F. W. Brown adipose tissue and thermogenesis. Hormone Molecular Biology and Clinical Investigation. 19 (1), 25-37 (2014).
  11. Koksharova, E., et al. The relationship between brown adipose tissue content in supraclavicular fat depots and insulin sensitivity in patients with type 2 diabetes mellitus and prediabetes. Diabetes Technology & Therapeutics. 19 (2), 96-102 (2017).
  12. Habek, N., Kordić, M., Jurenec, F., Dugandžić, A. Infrared thermography, a new method for detection brown adipose tissue activity after a meal in humans. Infrared Physics & Technology. 89, 271-276 (2018).
  13. Lee, P., Ho, K. K. Y. Hot fat in a cool man: Infrared thermography and brown adipose tissue. Diabetes, Obesity and Metabolism. 13 (1), 92-93 (2011).
  14. Ang, Q. Y., et al. A new method of infrared thermography for quantification of brown adipose tissue activation in healthy adults (TACTICAL): A randomized trial. Journal of Physiological Sciences. 67 (3), 395-406 (2017).
  15. Jang, C., et al. Infrared thermography in the detection of brown adipose tissue in humans. Physiological Reports. 2 (11), 12167 (2014).
  16. Dodd, G. T., et al. Leptin and insulin act on POMC neurons to promote the browning of white fat. Cell. 160 (1-2), 88-104 (2015).
  17. Habek, N., et al. Activation of brown adipose tissue in diet-induced thermogenesis is GC-C dependent. Pflügers Archiv: European Journal of Physiology. 472 (3), 405-417 (2020).
  18. Burke, L. K., et al. Sex difference in physical activity, energy expenditure and obesity driven by a subpopulation of hypothalamic POMC neurons. Molecular Metabolism. 5 (3), 245-252 (2016).
  19. Glumer, C., Jorgensen, T., Borch-Johnsen, K. Prevalences of diabetes and impaired glucose regulation in a Danish population: The Inter99 study. Diabetes Care. 26 (8), 2335-2340 (2003).
  20. Sicree, R. A., et al. Differences in height explain gender differences in the response to the oral glucose tolerance test-the AusDiab study. Diabetic Medicine. 25 (3), 296-302 (2008).
  21. van Genugten, R. E., et al. Effects of sex and hormone replacement therapy use on the prevalence of isolated impaired fasting glucose and isolated impaired glucose tolerance in subjects with a family history of type 2 diabetes. Diabetes. 55 (12), 3529-3535 (2006).
  22. Williams, J. W., et al. Gender differences in the prevalence of impaired fasting glycaemia and impaired glucose tolerance in Mauritius. Does sex matter. Diabetic Medicine. 20 (11), 915-920 (2003).
  23. Stanford, K. I., et al. Brown adipose tissue regulates glucose homeostasis and insulin sensitivity. Journal of Clinical Investigation. 123 (1), 215-223 (2013).
  24. 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).
  25. Byers, S. L., Wiles, M. V., Dunn, S. L., Taft, R. A. Mouse estrous cycle identification tool and images. PLoS One. 7 (4), 35538 (2012).
  26. Crane, J. D., Mottillo, E. P., Farncombe, T. H., Morrison, K. M., Steinberg, G. R. A standardized infrared imaging technique that specifically detects UCP1-mediated thermogenesis in vivo. Molecular Metabolism. 3 (4), 490-494 (2014).
  27. Hartwig, V., et al. Multimodal imaging for the detection of brown adipose tissue activation in women: A pilot study using NIRS and infrared thermography. Journal of Healthcare Engineering. 2017, 5986452 (2017).
  28. James, L., et al. The use of infrared thermography in the measurement and characterization of brown adipose tissue activation. Temperature. 5 (2), 147-161 (2018).
  29. Folgueira, C., et al. Hypothalamic dopamine signaling regulates brown fat thermogenesis. Nature Metabolism. 1 (8), 811-829 (2019).
  30. Ratko, M., Habek, N., Kordić, M., Dugandžić, A. The use of infrared technology as a novel approach for studies with female laboratory animals. Croatian Medical Journal. 61 (4), 346-353 (2020).

Tags

Medisin utgave 187 Termografi mennesker og forsøksdyr postprandial aktivering av brunt fettvev positronemisjonstomografi computertomografi (PET-CT)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kordić, M.,… More

Kordić, M., Dugandžić, J., Ratko, M., Habek, N., Dugandžić, A. Infrared Thermography for the Detection of Changes in Brown Adipose Tissue Activity. J. Vis. Exp. (187), e64463, doi:10.3791/64463 (2022).

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