红外热成像用于检测棕色脂肪组织活性的变化

摘要

在这里，我们提出了一种测量人类和实验动物餐后棕色脂肪组织活性的方案。

摘要

通过正电子发射断层扫描计算机断层扫描（PET-CT）通过餐后或肥胖或糖尿病患者积累^的18F-氟脱氧葡萄糖（FDG）来测量棕色脂肪组织（BAT）活性，作为首选方法失败。主要原因是¹⁸F-FDG与餐后高血糖血浆浓度竞争BAT细胞膜上相同的葡萄糖转运蛋白。此外，BAT也使用脂肪酸作为能量来源，这在PET-CT中是不可见的，并且可以随着肥胖和糖尿病患者的葡萄糖浓度而改变。因此，为了估计BAT在动物和人类中的生理重要性，应用了最近出版物中使用的一种新的红外热成像方法。

禁食过夜后，通过人类志愿者和雌性野生型小鼠餐前和饭后的红外热成像测量BAT活性。相机软件使用与物体的距离、皮肤发射率、反射室温、空气温度和相对湿度来计算物体的温度。在小鼠中，BAT上方的剃光区域是测量平均和最大温度的感兴趣区域。雌性小鼠的发情周期阶段是在用甲酚紫（0.1%）染色溶液染色的阴道涂片实验后确定的。在健康志愿者中，选择了颈部的两个皮肤区域:锁骨上区域（锁骨上方，存在BAT细胞）和锁骨间区域（锁骨之间，没有检测到BAT组织）。BAT 活动由这两个值的减法确定。此外，可以在动物和人类参与者中确定皮肤区域的平均和最大温度。

通过红外热成像（一种非侵入性和更灵敏的方法）测量的餐后BAT活性的变化被证明是实验动物的性别，年龄和发情周期的阶段。作为饮食诱导的产热的一部分，人类的BAT激活也被证明与性别，年龄和体重指数有关。进一步确定餐后BAT活性的病理生理变化对于高葡萄糖血浆浓度（肥胖和糖尿病2型）以及不同实验动物（敲除小鼠）的参与者非常重要。这种方法也是确定可能激活BAT活性的药物的可变工具。

引言

与白色脂肪组织（WAT）相比，棕色脂肪组织（BAT）不储存而是消耗能量。在交感神经刺激下，BAT利用脂肪酸和葡萄糖，并通过激活解偶联蛋白1（UCP1）产生热量。UCP1的功能是利用两个线粒体膜之间的H⁺梯度来产生热量，而不是ATP。BAT的功能是在寒冷条件下增加热量产生，从而导致能量消耗增加¹。冷暴露后，来自皮肤的感觉输入抑制下丘脑视前区 （POA） 正中视前 （MnPO） 核中的热敏感神经元，从而降低 POA 神经元对苍白嘴 （rRPa） 的抑制作用。rRPa神经元的激活增加交感神经活性，随后BAT^活性增加2^，3。冷诱导的BAT激活可改善人类的胰岛素敏感性⁴，并且在体重指数（BMI）增加和^年龄为1，⁵，^6，7的人类中^，这种活性降低。

除了在冷诱导产热中的作用外，饭后，英蝙蝠对瘦男性人群的葡萄糖摄取增加，有助于饮食诱导的产热（DIT），这在BAT^{阳性男性受试者}中更高8^，9。用于测量BAT活性的最先进技术是正电子发射断层扫描计算机断层扫描，称为PET-CT。该方法通过测量放射性示踪剂氟脱氧葡萄糖（¹⁸F-FDG）的积累来确定BAT活性。然而，PET-CT作为检测餐后BAT激活的首选方法失败。原因之一是，餐后，¹⁸F-FDG与餐后高血糖竞争相同的葡萄糖转运蛋白，这使得它不适合确定餐后BAT激活，特别是在比较健康和糖尿病参与者的BAT活性时血糖浓度可能存在差异。此外，BAT使用脂肪酸作为热量产生的能量来源，这是PET-CT所不可见的。¹⁸餐后蝙蝠中的F-FDG积累几乎看不见¹⁰，因此在大多数情况下被解释为阴性结果。不出所料，最近有人提出，BAT的激活在人群中比我们以前想象的更明显;因此，有必要采用一种新的方法来检测BAT活性及其参与代谢紊乱⁷。解决这个问题的尝试是用磁共振成像（MRI）测量糖尿病前期患者和具有胰岛素抵抗的2型糖尿病（T2DM）患者的BAT体积¹¹。然而，通过MRI测量的BAT体积不足以估计BAT的日常功能和葡萄糖和脂肪酸的使用。因此，为了估计健康与T2DM患者BAT活性的实际差异，需要一种新的方法，为找出T2DM患者BAT功能障碍的病理机制提供可能性。

为了确定BAT的激活，我们使用红外（IR）热成像技术测量了餐前和饭后的BAT热量产生（图1）^12，13。将红外热成像技术作为测量健康和肥胖个体或糖尿病患者餐后BAT活性的首选方法，将对现场产生巨大影响。时至今日，红外热成像仍用于测定 BAT^13、14、15 的冷诱导活化。在近代人类历史上，寒冷引起的BAT活动不再非常明显（由于栖息地的适当加热，适当的衣服），而饭后BAT激活每天都在发生。此外，这两种BAT功能通过下丘脑的生理调节是完全不同的。饭后，下丘脑弓形核（Arc）中表达前黑皮质素（POMC）的神经元的激活导致交感神经活动通过rRPa¹⁶增加。通过红外热成像或PET-CT测量的冷诱导的BAT活化在用作日常BAT活动的测量时是不合适的。餐后BAT活性增加之后是葡萄糖利用，这对于维持葡萄糖稳态，胰岛素敏感性和葡萄糖浓度的日常调节最终很重要。餐后BAT激活导致餐后葡萄糖消耗增加，随后热量产生和体温（DIT）增加。这被证明是性别，年龄和BMI依赖¹²。在雄性和雌性实验室小鼠中观察到餐后BAT激活的相似性别差异¹⁷。这些发现对应于Burke等人最近发现的BAT调节的性别差异，他们表明通过POMC神经元亚群对BAT褐变的下丘脑调节在雄性和雌性小鼠中有所不同¹⁸。女性、老年人群和肥胖人群中 BAT 的餐后激活较小。餐后缺乏BAT激活（葡萄糖利用率降低）可能导致女性糖耐量受损的患病率更高¹⁹，^20，21，22。不幸的是，大多数关于BAT激活的研究只在男性身上进行。通过在饭后激活BAT，瘦男性人群的葡萄糖摄取增加。毫不奇怪，在BAT激活后，BAT阳性^{男性受试者的}DIT更高8^，9。此外，雄性小鼠的BAT移植改善了葡萄糖耐量，增加了胰岛素敏感性，并降低了体重和脂肪量²³。

PET-CT作为测量BAT活性的首选方法失败，尤其是在饭后。因此，开发了一种非侵入性和更敏感的方法。红外热成像能够估计不同实验动物（敲除小鼠）以及人类参与者的BAT活性，无论性别，年龄或不同病理条件对BAT活性的影响如何。这种方法的另一个好处是参与者和实验动物的简单性，这使我们能够估计BAT加强治疗的潜在益处。最近使用红外热成像来确定寒冷暴露或用餐后BAT生理行为的研究在最近发表的Brasil等人²⁴中有所描述。

研究方案

所有实验动物实验程序均已获得国家伦理委员会和农业部的批准（EP 185/2018）。实验是根据克罗地亚实验动物科学学会的伦理法典和ARRIVE指南进行的。在涉及人类受试者的研究中执行的所有程序均符合赫尔辛基宣言，并经萨格勒布大学医学院伦理委员会批准（UP/I-322-01/18-01/56）。在这项研究中，我们展示了三位女性参与者的结果（BMI:29 kg/m 2 ± 5 kg/m²）。获得所有人类志愿者的知情同意，以参与研究和提供数据。

1. 测量人类餐后棕色脂肪组织的活化

注意:在夏季进行实验，当日温度不低于22°C时，以保持基础BAT活性尽可能低。

1. 仔细选择对照健康参与者（如果要在病理条件下估计BAT活动），因为BAT活动取决于性别，年龄，BMI，甚至发情周期的阶段。
   1. 为了估计女性参与者的月经周期阶段，请询问她们的平均月经周期有多长以及最后一次月经第一天的日期。不要忘记标记实验日期。
      注意:正确选择匹配的对照受试者是临床研究最困难的部分，因为健康对照组和患有病理状况的参与者应尽可能相似，并且仅在所调查的疾病上有所不同。
2. 要求参与者好好休息，不要吃早餐（禁食 - 不摄入卡路里），在早上聚集进行实验，并休息至少30分钟，以避免在肌肉活动期间通过交感神经激活 可能 激活BAT活动。
3. 要求参与者在测量前15分钟脱掉他们的上衣，以避免在确定基线BAT活性的同时使皮肤表面变暖（衣服的热效应）的可能影响。在适当的室温（22-27°C）下进行测量。
4. 执行红外测量。
   1. 当参与者休息时，将热像仪（探测器类型:非制冷微测辐射热计;探测器间距:17 μm;相机光谱范围:7.5-14.0 μm;热灵敏度:30 °C时20 mK;镜头:36 mm;分辨率:1024像素x 768像素;瞬时视野[IFOV]:0.47 mRad）安装在三脚架上，并将其放置在距离参与者坐的位置1 m的地方。
      注意:如果在较冷的天气（室外气温低于15°C，湿度为50%）进行测量，请将相机置于室温下并打开至少1小时，然后再进行测量。由于自动校准，冷仪器在预热至室温后会给出不同的结果。
   2. 按照制造商的说明将热成像摄像机连接到计算机和软件。在1 m的焦距处记录铝箔（皱巴巴然后拉伸的铝箔），以确定房间的反射温度，以测量温度表示。在相机软件中，输入距离 0 m，发射率 1。
      注意:反射表观温度是将相机的发射率设置为1.0，距离设置为0 m时获得的参数，并且在皱巴巴然后拉伸的铝箔上进行测量。反射表观温度表示来自环境的探测器总入射红外辐射的近似值。
   3. 在开始测量之前，确定室内空气温度和空气湿度（以后分析所必需的）。与其拍摄一张热图像，不如录制短片。从电影中，稍后选择最佳图像帧进行分析，以减少丢失宝贵数据的可能性。
   4. 在开始录制之前，请设置以下参数:视频录制的持续时间为 10-15 秒（或任何其他所需值），5 fps（每秒帧数）或任何其他值（在我们手中，5 fps 是所需的最大值），以及磁盘上保存电影的位置，如下所述。
      1. 在主相机窗口上方的软件中，选择左侧的第三个图标。在弹出菜单中，选取" 编辑记录设置"，之后将打开一个新窗口。
      2. 在记录模式下，选择 "记录到磁盘"，然后在该模式下，将 "此持续时间的记录 "设置为所需时间。在同一窗口的录制选项中，将记录速率限制为 5 （Hz） 并选择保存录制的位置。
      3. 要设置帧速率，请关闭现有窗口，在主菜单中打开" 编辑 "，然后选择 "首选项"。在打开的窗口的右侧，在目标 帧速率中输入 5。在下面的同一窗口中，选择 热键/远程启动可以停止记录，然后从下拉菜单中选择 启动/停止模式。
         注意:尝试以尽可能低的帧速率制作尽可能短的电影，因为它会消耗内存。在这些设置下，一条记录将具有大约 100 Mb。
5. 将参与者定位，使颈部的锁骨上区域，即BAT所在的锁骨上方（图1），焦距为1 m，并通过按F5键以5 fps的帧速率录制短片（10-15 s）。 录制将在指定时间停止。
6. 测量时在房间内，确保只有参与者和执行测量的人在场。避免空气流动或气流（例如，来自空调）。确保参与者远离冷风、阳光（直接或间接）或任何热源，如灯泡。
7. 如果合适，用标准血糖仪从指尖测量毛细血管血液中的血糖浓度，并使用腋窝温度计测量体温。
8. 确保所有参与者都吃同一顿饭。注意被测对象的食物限制和要求（例如，糖尿病患者的膳食）。所有参与者，包括对照（健康）人和患有代谢紊乱的参与者，都应该吃同一餐。
   注意:有关糖尿病患者可以食用的膳食的更多详细信息，请联系当地内分泌学家或与患有糖尿病的参与者讨论。
9. 在饭后所需时间，使用相同的设置值按 F5 进行新录制。不要重复设置的录制协议。在饭后30分钟，1小时，2小时和3小时重复测量¹²。对于您的特定研究设计，饭后时间可能更短或更长，但我们建议至少前三个时间点。
   注意:即使测量速度很快，参与者人数的限制为四到六人。随着参与者人数的增加，某些人的延迟时间会太长。

2.测量实验动物餐后棕色脂肪组织的活化

注意:由于动物被饲养在具有调节室温和12小时/ 12小时昼夜周期的动物设施中，因此可以在任何季节进行实验。实验期间的室温应在22°C至27°C之间。 在这项研究中，检查了六只雌性动物和六只雄性野生型（WT）C57Bl/6NCrl动物。

1. 按照机构的道德准则麻醉动物。在这项研究中，使用腹腔注射氯胺酮/甲苯噻嗪（分别为80-100mg / kg和6-8mg / kg）进行麻醉。在双眼上涂抹眼部凝胶，以防止麻醉期间角膜干燥。在实验前一天使用小型动物修剪器剃除测试动物的肩胛间区域（肩胛骨之间的皮肤区域）。
2. 在实验前一天，还要确定雌性动物发情周期的阶段。
   注意:发情周期的阶段由阴道涂片决定。
   1. 将棉签浸入室温无菌盐水溶液（0.9%NaCl）中，然后将其插入阴道。用拭子轻轻刮擦阴道壁，将附着的细胞铺在载玻片上，然后让它风干。
   2. 把动物放回笼子里。用500μL的0.1%醋酸甲酚紫染色细胞1分钟，然后用水冲洗3次。
   3. 在具有100倍放大倍率和明场照明的光学显微镜下观察细胞。根据涂片中观察到的白细胞和有核和角化上皮细胞的数量确定发情周期的阶段²⁵。
3. 在实验前一天晚上（禁食过夜）随意用水取出动物 的食物。最好的方法是将动物转移到新的干净笼子里，以避免笼子里可能残留的食物。
4. 在实验日的早晨，准备热像仪和记录设置，以测试人类参与者。
5. 在进行红外测量之前，请勿打扰动物或对动物造成压力。小心地将动物放在干净的笼子里（确保其他动物的气味不会对动物的交感神经系统产生影响）。将保持架放在热像仪下方，焦距为 1 m。按 F5 录制动画。
6. 在给每只动物之前称重食物颗粒，以便计算食物摄入量。让动物在笼子里吃30分钟，饭后再次称量食物颗粒。在这项研究中，雌性动物吃了0.038±0.004克食物/体重。
   注意:如果您决定测量血糖浓度，请在饭前但红外测量后进行测量，以确保这不会导致交感神经系统激活BAT细胞。
7. 在开始用餐后所需时间（通常在饭后 30 分钟、1 小时和 2 小时）重复红外测量^17，26。
8. 完成所有实验后，如上所述再次测试雌性动物的发情周期阶段（雌性动物可能比预期更早退出发情周期的所需阶段）。

3. 分析热记录

注意:热像仪软件使用五个变量计算物体的温度。

1. 分析前在软件中设置以下变量:皮肤发射率，e = 0.98¹⁵，²⁷，反射室温（根据铝箔图像计算），空气温度，相对湿度^，到物体的距离= 1 m。使用具有这些值的软件执行分析。
   注意:首选调色板是彩虹，因为它使用更多的色调，这样可以更容易地检测到锁骨上方的BAT。
2. 对于每部电影，将列出的变量输入到主窗口右侧的相机软件中。通过移动屏幕底部的播放头或按 暂停 按钮，从影片中选择合适的帧（图像）。
3. 通过在主窗口左侧选择所需形状的区域来选择感兴趣区域 （ROI）。选择最符合锁骨上方或锁骨之间的皮肤区域的形状。
4. 选择 ROI 时，ROI 的最小、最大和平均温度将显示在右侧。在图像中，红色三角形表示最大记录温度的点，蓝色三角形表示最小记录温度。重复此步骤几帧，以确保测量的温度在录制的几秒钟内保持稳定。
5. 从餐后最高温度中减去餐前BAT以上皮肤区域的最高温度，以确定实验动物餐后BAT活性的增加。

结果

确定BAT活性的最简单方法是减去人类受试者饭前和饭后高于BAT的最大皮肤温度。计算BAT活性的更好方法是选择两个感兴趣的区域:BAT上方的皮肤区域，位于锁骨上区域，以及皮肤锁骨间区域，其中人类没有发现BAT组织，指定为参考区域（根据PET-CT;图1）。然后通过减去这两个温度很容易确定BAT活性。如图1所示，确定BAT活性为1.8°C。 为了确定喂食后BAT的?...

讨论

最近的研究提供了越来越多的证据表明，成年人类和动物的生理调节和BAT活性在肥胖和糖尿病发展中的重要性。此外，外源性激活剂可能激活的BAT正在成为制药公司的目标。为了能够估计BAT在非常繁重的疾病中的生理调节和病理生理重要性，以及发现潜在的治疗方法，红外热成像正在成为首选方法。尽管红外技术正在成为测量BAT活性^12，13，14，...

材料

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