Name: using a combination of indirect calorimetry, infrared thermography, and blood glucose levels to measure brown adipose tissue thermogenesis in humans
Uploaded: 2023-06-02T13:30:00
Duration: 4 min 54 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans at JoVE.c

Vi vil gerne takke alle undersøgelsens frivillige for deres deltagelse i vores undersøgelse. Dette arbejde blev støttet af Holsworth Research Initiative, La Trobe University og Defence Science Institute (DSI, Australien).

Alle deltagere (n = 8) gav skriftligt informeret samtykke, og alle eksperimenter blev godkendt af universitetets humanetiske komité; data blev afledt af Van Schaik et al.27.
1. Installation af udstyr og software
<ol><li>Mål fedtmassen via røntgenabsorptiometri med dobbelt energi (DXA) i henhold til Van Schaik et al.27.</li>
	<li>Anslå substratudnyttelsen og energiforbruget fra udløbet gas; Mål dette ved hjælp af en åndedrætsgasanalysator i henhold til producentens retningslinjer.</li>
	<li>Indsaml blodprøver via finger (kapillær) punktering, og bestem blodsukkerniveauet ved hjælp af et glucometer i henhold til producentens retningslinjer.</li>
	<li>Brug et berøringsfrit infrarødt termometer til at bestemme målinger af kernekropstemperaturen i henhold til producentens retningslinjer (fejlen på denne enhed er ±0,2 ° C).</li>
</ol>2. Procedurer forud for deltagerbesøgene
<ol><li>Screene alle deltagerne for deres sundhedsstatus.</li>
	<li>Indstil følgende udelukkelseskriterier: et kropsmasseindeks på >30 kg / m2 (på grund af at BAT-aktivitet er omvendt korreleret med fedme34,35, deltagere, der bruger ordineret medicin og diabetes mellitus.</li>
	<li>Før eller efter testsessionen skal du sikre dig, at deltagerne gennemgår en DXA-scanning for at måle deres fedtmasse, da BAT-aktivitet er omvendt korreleret med fedme34,35.</li>
	<li>I 24 timer før du ankommer til undersøgelsen, skal du sikre dig, at deltagerne afholder sig fra enhver anstrengende øvelse eller aktivitet og vandfaster i 10 timer, før de ankommer til laboratoriet.</li>
</ol>3. Procedurer på studiedagen
<ol><li>Sørg for, at rumtemperaturen, hvor dataene indsamles, er indstillet til en konstant temperatur for at minimere eksterne forstyrrelser på grund af forskelle i stuetemperatur. BEMÆRK: Dette kan resultere i forkerte termiske eller metaboliske målinger. Til dette forsøg blev der anvendt et temperaturkontrolleret rum opretholdt ved 22 °C under termiske neutrale forhold.</li>
	<li>Bed deltagerne om at ankomme til laboratoriet kl. 08:00 for at redegøre for daglige hormonrytmer.</li>
	<li>Mål deltagernes højde og vægt.</li>
	<li>Bed deltagerne om at ligge på en sokkel i mindst 30 minutter, før baselinemålingerne tages.</li>
	<li>Over en periode på 120 minutter måles deltagernes IRT, indirekte kalorimetri, blodsukker og kernetemperatur hvert 15. minut efter udløbetO2- og CO2-prøveudtagning (figur 1).</li>
	<li>Efter baseline-målingerne skal du sikre dig, at deltagerne er kulhydratbelastede gennem indtagelse af tre kulhydratgeler (90 g glukose hver) mellem tidspunkterne 0 min og 15 min.</li>
	<li>Sørg for, at deltagerne indtager behandlingen 45 min efter kulhydratbelastningen. For at følge denne protokol, bruge 100 mg koffein kapsler som intervention27. BEMÆRK: Der kræves en udvaskningsperiode på 7 dage mellem intervention og placebo, hvilket betyder, at der kræves en periode på 7 dage mellem koffein og placebobehandling.</li>
</ol>4. Indirekte kalorimetri
<ol><li>Anslå energiforbruget og substratudnyttelsesværdierne fra den udløbne gas, målt ved hjælp af en respiratorisk gasanalysator. Fuldfør kalibreringen af åndedrætsgasanalysatoren ved at følge fabrikantens anvisninger.</li>
	<li>Monter den koldsteriliserede silikonemaske til deltageren for at tillade levering af rumluft og erhvervelse af metaboliske data. Sørg for, at masken er udstyret med en præsteriliseret ikke-genindåndingsventil (tovejs ikke-genindåndingsventil), og fastgør den på deltagerens ansigt med en maskefastgørelse, og kontroller for lækager.</li>
	<li>Sørg for, at de inspirerende og ekspiratoriske rør er forbundet.</li>
	<li>Eksporter den digitale datafil i regnearksformat.</li>
	<li>Prøve den udløbneO2 og CO2med 5 s gennemsnit. Dette måler energiforbruget og respirationsudvekslingsforholdet (figur 1). Fjern ansigtsmasken for at fuldføre de yderligere foranstaltninger.</li>
	<li>Beregn substratoxidationshastighederne (kulhydrat- og lipidoxidation) og det samlede energiforbrug ved hjælp af ikke-protein-Weir-ligningerne 1-331,36: Fedtoxidationshastighed (g / min-1) = (1,695 VO 2)-(1,701 VCO2) (1) Kulhydratoxidationshastighed (g / min-1) = (4,585 VCO 2) -(3,226 VO 2) (2) Energiforbrug (kcal/min) = (3,94 × VO 2)+ (1,1 × VCO2) (3)</li>
</ol>5. Plasma-blodsukkermålinger
<ol><li>Udfør blodsukkermålinger via fingerprik og et glucometer efter hver runde af udløbne gasmålinger (figur 2).</li>
</ol>6. Kernetemperatur
<ol><li>Kernetemperaturen (Tcore) registreres efter hver runde af udløbne gasmålinger. Ideelt set måles kernetemperaturen enten rektalt eller intraauralt (figur 2). BEMÆRK: På grund af COVID-19-sikker praksis skal du minimere person-til-person-kontakt.</li>
	<li>Sørg for, at deltagerne ligger på ryggen og hovedet er i neutral position. Ret konsekvent det berøringsfri termometer mod midten af deltagerens pande.</li>
</ol>7. Infrarød termografi
<ol><li>IRT udføres efter hver runde af udløbne gasmålinger (figur 2).</li>
	<li>Bed deltagerne om at sidde op i oprejst stilling og se lige frem med brystområdet til halsregionen udsat (figur 3).</li>
	<li>Brug et termisk billedkamera til at få infrarøde billeder af den forreste hals og øvre brystregion.<ol><li>Placer kameraet på et stativ i niveau med halsen 1 m fra motivets ansigt (figur 4D). Brug følgende indstillinger: detektortype = ukølet mikrobolometer; detektorhøjde = 17 μm; kameraspektralområde = 7,5-14,0 μm; termisk følsomhed = 20 mK ved 30 °C linser = 36 mm; opløsning = 1.024 pixels x 768 pixels.</li>
		<li>Tænd kameraet.</li>
		<li>Juster kameraets fokus ved at dreje fokusringen. BEMÆRK: Det er meget vigtigt at justere fokus korrekt. Forkert fokusjustering påvirker temperaturmålingen.</li>
		<li>Ret laserpegepinden mod midterlinjen af deltagerens hals.</li>
		<li>Tag billedet. BEMÆRK: Billedet gemmes automatisk, hvis der bruges et hukommelseskort.</li>
	</ol></li>
</ol>8. Billedanalyse
<ol><li>Vælg tre områder af den forreste thorax og hals til analyse af overfladetemperaturen: bilateralt huden over BAT i supraklavikulær fossa (SCF) og den laterale region af halsen, med brystområdet betragtet som et kontrolreferencepunkt (Tref), da dette område ikke indeholder BAT (figur 4A-C).</li>
	<li>Placer trekantede interesseområder (ROI'er) i venstre og højre SCF-områder og et cirkulært ROI over brystregionen.</li>
	<li>Når de krævede regioner er blevet tværplaceret, skal du bekræfte, at softwaren viser gennemsnits- og standardafvigelsen for temperaturen for hvert valgt område.</li>
</ol>9. Analyse af data
<ol><li>Brug en dobbeltblind tilgang til analyse af interventionerne ved hjælp af de beskrevne teknikker. Få en forsker, der ikke er involveret i dataindsamlingen eller analysen, til at kode interventionerne generisk.</li>
	<li>Udfør den statistiske analyse.<ol><li>Beregn gennemsnit for IRT, kernetemperatur og blodsukkerdata fra det målte enkelttidspunkt.</li>
		<li>Beregn gennemsnit for RER, fedtoxidation, kulhydratoxidation og energiforbrug i 10 minutters epoker.</li>
		<li>For energiudgifter summeres energiudgiftssatsen for hver gruppe, og den opdeles i før og efter intervention. BEMÆRK: Se Van Shaik et al. for statistiske tests for at analysere dataene27.</li>
	</ol></li>
</ol>

Forfatterne har ingen interessekonflikter at oplyse.

Den metode, vi har vist her, er en teknisk enkel, sikker og omkostningseffektiv protokol til måling af BAT-termogenese hos mennesker. Protokollen adresserer bekymringer relateret til pålideligheden af at bruge IRT alene til at skelne mellem lokal opvarmning på grund af ændret hudblodgennemstrømning og dybere opvarmning på grund af termogenese ved at korrelere IRT med både mål for energiforbrug (EE) og substratudnyttelse. Da denne teknik ikke bruger ioniserende stråling, tillader den analyse af gentagne foranstaltninger, hvilket ikke er muligt med PET-billeddannelsesteknikker. Endelig, mens PET-billeddannelsesteknikker kan identificere BAT-aktivering, rapporterer de ikke om de fysiologiske resultater (øget temperatur og EE), som denne protokol måler.
Styrken ved den her beskrevne protokol er, at der er fire bevislinjer, der understøtter konklusionen af fremkaldt BAT-termogenese: (1) øget målt Tscf parallelt med uændret kernetemperatur og stabil hudtemperatur over det tilstødende referenceområde; 2) øgede energiudgifter (3) en ændring i substratudnyttelsen; og (4) et fald i blodsukkerniveauet. De konvergerende observationer er alle i overensstemmelse med de forudsagte resultater for BAT-termogenese. Den væsentlige del af protokollen er deltagernes kulhydratbelastning for at sikre kulhydratmetabolisme før intervention. BAT-termogenese skifter substratmetabolisme fra kulhydrater til frie fedtsyrer, som det fremgår af faldet i RER. Mens det foretrukne substrat for BAT-termogenese er frie fedtsyrer, er en signifikant optagelse af glucose i aktiv BAT veletableret 5,6,7. Derfor observerer vi et fald i blodsukkerniveauet samtidig med BAT-termogenese. Det ville ikke være muligt at observere det gensidige skift i substratudnyttelse (RER) og faldet i blodsukkerniveauet i fastende tilstand.
Tidligere undersøgelser har konkluderet, at øget Tscf (målt ved IRT) er tilstrækkelig til at konkludere BAT-termogenese. Denne konklusion er dog kun sikker, hvis Tscf overstiger kernetemperaturen. Hvis Tscf er mindre end eller lig med kernetemperaturen, kan en lokal temperaturændring på grund af øget blodgennemstrømning i huden ikke udelukkes. En systematisk gennemgang konkluderede, at IRT alene ikke er i stand til at afgøre, om stigninger i supraklavikulær hudtemperatur skyldes BAT-termogenese37. Gennemgangen bemærkede, at den mest almindelige metode (18F-FDG PET/CT) måler optagelsen af glukose i BAT37. Det foretrukne substrat for BAT-termogenese er imidlertid fedtsyrer13. Dette metodologiske problem forhindrer enhver meningsfuld sammenligning mellem PET/CT-data ved validering af IRT-data, da ingen af disse mål alene er et passende mål for BAT's sande metaboliske aktivitet, da det ikke kan indikere ændringen i energiforbrug og substratudnyttelse som følge af BAT-termogenese. Ikke desto mindre kan vi med protokollen beskrevet her ikke kun kvantificere temperaturændringen, men vi kan også bekræfte en stigning i energiforbruget - et vigtigt fysiologisk resultat af BAT-termogenese. IRT er en kontaktfri, ikke-invasiv og relativt billig metode til måling af temperatur- og temperaturændringer forbundet med BAT-termogenese. I modsætning hertil er PET-CT dyrt og udsætter enkeltpersoner for ioniserende stråling, hvilket begrænser anvendeligheden af denne metode til små retrospektive analyser af kliniske billeddannelsesundersøgelser. Anvendelsen af den nuværende protokol på store, randomiserede kliniske forsøg ville være relativt enkel og omkostningseffektiv.
Det er vigtigt at bemærke, at faldet i kulhydratoxidation efter koffeinintervention kan forklares ved skiftet i substratudnyttelse som følge af øget BAT-termogenese på grund af interventionen. Målinger af insulinsignalering ville gøre resultaterne af denne undersøgelse mere robuste. Det er imidlertid ikke klart baseret på resultaterne af denne undersøgelse, om koffein vil påvirke insulinsignalering via virkning på BAT, eller om faldet i blodsukker er et resultat af, at BAT optager flere energisubstrater.
18F-FDG PET/CT-metoden har flere iboende begrænsninger, når den bruges til at kvantificere og måle den fysiologiske aktivitet af BAT, især når man undersøger næringsstoffers eller diætingrediensers indflydelse på BAT-aktivitet. 18F-FDG PET/CT-metoden kræver, at forsøgspersonerne fastes for at undgå fodringsinducerede stigninger i glukoseoptagelsen i muskelvævet, hvilket kan reducere påvisningen af både BAT- og BAT-funktionenbetydeligt 38. Desuden kan denne teknik alene ikke måle den fysiologiske virkning eller omfanget af BAT-aktivering. Derudover er brugen af ioniserende stråling i PET-billeddannelsesundersøgelser en etisk og sundheds- og sikkerhedsmæssig hindring for design af gentagne foranstaltninger cross-over-undersøgelser. Derudover repræsenterer 18F-FDG kun glukoseoptagelse, hvilket ikke er det samme som måling af glukosemetabolisme. Denne metode til kulhydratbelastningsemner inden måling af BAT-temperaturen og kombination af blodsukkerniveauer med indirekte kalorimetri giver os mulighed for nøje at måle den fysiologiske virkning af termogenese og ændret substratudnyttelse, som ellers ikke ville være tilgængelig i fastende tilstand.
Styrker og begrænsninger Denne protokol har bredere implikationer end blot at studere BAT. Ved kulhydratbelastende deltagere før intervention kan svingningen af blodglukoseniveauer som reaktion på både kulhydratbelastning og koffeininterventionen samt ændringer i substratudnyttelse observeres. Derfor kan denne teknik bruges til at forbedre humane indirekte kalorimetriundersøgelser og metaboliske foranstaltninger. Det vides endnu ikke, om resultaterne fra denne undersøgelse kan replikeres efter andre interventioner, såsom kuldeeksponering eller adrenerg stimulering. Resultaterne af denne undersøgelse er imidlertid blevet gentaget efter intervention med en anden kostingrediens, nemlig Capsicum annuum27. Yderligere stringens og tillid til resultaterne kunne opnås ved hjælp af en dobbeltblind tilgang til analyse af interventioner ved hjælp af de beskrevne teknikker, og dette kunne let implementeres27.
Den potentielle forvirring af varieret stuetemperatur er ikke relevant i denne protokol, da rumtemperaturen blev holdt stabil fra deltager til deltager. Derudover blev fugtigheden taget i betragtning under kalibreringen af åndedrætsgasanalysatoren. Dette udledes i opsætningen af dette udstyr, da kalibrering udføres i henhold til producentens anvisninger.
Tidsintervallerne for måling og behandling blev bestemt efter en lille pilotundersøgelse, hvor fejlfinding af protokollen blev udført. I det væsentlige blev tidsintervallerne for måling bestemt ud fra den tid, der var nødvendig for forskeren at udføre målingerne og for deltagerens komfort. Tiden for interventionen blev bestemt ud fra den tid, det tog for kulhydratmetabolismen at forekomme efter kulhydratbelastningen for at undersøge, om interventionen øgede fri fedtsyreoxidation (dvs. BAT-termogenese) og sænkede kulhydratoxidation.
Især er der forskelle mellem kapillære og venøse glukoseniveauer39. I forbindelse med pleje uden for hospitalet er den mest almindelige måde, hvorpå blodsukkerniveauet måles, imidlertid via en blodprøve af kapillær oprindelse analyseret af et håndholdt, point-of-care glucometer40. Derudover er der hos raske individer (svarende til dem, der er inkluderet i denne protokol) i en ikke-klinisk indstilling en statistisk signifikant, men ikke klinisk signifikant forskel mellem kapillære og venøse blodglukoseniveauer, når de måles ved hjælp af et point-of-care, kapillærbaseret glucometer41. I denne sammenhæng vil kapillærprøvetagning fortsat være den optimale tilgang, fordi de fleste point-of-care glucometre, der er tilgængelige på markedet, er konstrueret til at analysere kapillære blodprøver41. Fra et klinisk perspektiv kan det hævdes, at venøs blodglukose er den overlegne analysemetode. Venøs blodprøvetagning er imidlertid ikke kun dyr og kræver specialudstyr (ibid), men det er også invasivt. De etiske overvejelser om at øge risikoen for bivirkninger under forsøgsprotokollen skal afvejes mod den rapporterede litteratur, der viser den høje korrelation og pålidelighed af kapillært blodglukose som et proxymål for venøs blodglucose42. Nøglen her er naturligvis, at vi ikke har sat os for at diagnosticere diabetes, men at måle ændringer i blodsukkerniveauet, for hvilket kapillær blodsukkerovervågning er en mere end passende protokol.
Glukose kan fremkalde termogenese, og enkeltmåltider kan aktivere BAT43. Imidlertid, og temmelig vigtigt, viser dataene i dette manuskript ingen signifikant effekt af glukosebelastning i interventionsgruppen eller placebogruppen. Desuden stammer dataene i manuskriptet fra resultaterne af Van Schaik et al., som omfattede en tredje intervention (Capsicum annuum), og glukosebelastningen havde ingen signifikant indvirkning på foranstaltningerne27.
Det skal bemærkes, at denne protokol kun er blevet anvendt til mandlige deltagere med lavt kropsfedt og aktiv BAT (for at reducere antallet af kontrollerbare variabler blev kvinder ekskluderet fra undersøgelsen). Der er en kendt omvendt korrelation mellem fedme og BAT-masse hos mennesker44. Derudover er det kendt, at tidligere overvægtige mennesker, der har tabt sig gennem kost og motion, har en lavere basal metabolisk hastighed og skal forbruge diæter med lavere kalorieindhold for at opretholde en normal vægt45,46. Desuden kan BAT-aktivitet stimulere BAT-vækst8. Den her beskrevne metode vil gøre det muligt for langtidsundersøgelser at undersøge ændringer i BAT-aktiviteten i forbindelse med metaboliske sygdomme på en måde, der ikke er muliggjort af andre teknikker.
Konklusion Afslutningsvis demonstrerer vi en målemetode til kvantificering af human brun fedtvævsaktivitet ved hjælp af IRT og indirekte kalorimetri efter en kulhydratbelastning. De kritiske trin inkluderer 1) kulhydratbelastning af deltagerne, der er i fastende tilstand, inden måling af BAT-temperaturen, samtidig med at indirekte kalorimetri og blodglukoseniveauer kombineres for at muliggøre kvantificering af det fysiologiske omfang af BAT-termogenese og ændret substratudnyttelse; 2) vurdering af relevante IRT BAT-depoter og temperaturer fra et referencepunkt og kernetemperatur for at påvise enhver stigning i Tscf, der ville være tegn på BAT-aktivering baseret på den anatomiske placering. Vi mener, at disse kvantitative målinger giver mulighed for en mere nøjagtig evaluering af BAT's bidrag til voksnes menneskelige energimetabolisme og termoregulering. Denne grundige tilgang bør bruges af forskere til at studere BAT-fysiologi og tjene som en ny standard for udvikling af humane BAT-aktiveringsmetoder i fremtiden.

Brunt fedtvæv (BAT) adskiller sig især fra hvidt fedtvæv (WAT) i dets mitokondrieindhold, sympatisk innervering, multilokulære lipiddråber, varmegenererende evne og anatomisk fordeling. BAT blev anset for kun at eksistere hos spædbørn og små pattedyr indtil bekræftelsen af dets tilstedeværelse hos voksne mennesker i 2009 1,2,3. Indtil relativt nylig er BAT's rolle i human fysiologi og metabolisk homeostase således blevet dårligt forstået. Omfattende undersøgelser af små dyr har vist, at under kuldeeksponering skyldes mere end halvdelen af stofskiftet BAT4's ikke-rystende termogene evne. Flere undersøgelser har vist, at ved mild kuldeeksponering (17-18 °C) korrelerer stigninger i energiforbrug og glukoseoptagelse i BAT stærkt med BAT-termogenese hos mennesker 5,6,7. Desuden kan BAT-termogenese bidrage med op til 10% af hvileenergiforbruget hos mennesker under kold eksponering (for en gennemgang, se Van Schaik et al.8). Undersøgelse af BAT's fysiologi og indvirkning på menneskers sundhed og sygdom er i øjeblikket begrænset af protokolbegrænsninger. Det er derfor vigtigt at have en nøjagtig metode til måling af den sande metaboliske virkning af BAT for bedre at forstå virkningen af BAT-termogenese på fedme og dens metaboliske komplikationer hos mennesker.
Den anatomiske fordeling af human BAT gør det udfordrende at opnå nøjagtige målinger af BAT. Hos mennesker fordeles BAT inde i depoterne hos WAT i maven, brystkassen og især halsen9. Obduktion og kadaveriske undersøgelser er blevet brugt til at karakterisere BAT anatomisk10,11, men disse metoder kan ikke give funktionel information. Det er en udfordring at skelne mellem BAT ved hjælp af konventionelle billeddannelsesteknikker på grund af de tilsvarende tætheder af WAT og BAT8. Et yderligere forvirrende problem er, at beige fedtdepoter også er placeret inden for de samme smalle lag af fascia eller i visse depoter med WAT8, hvilket gør det udfordrende at skelne ved hjælp af konventionelle billeddannelsesteknikker.
For at løse dette problem måles BAT-volumenet typisk ved at kombinere positronemissionstomografi (PET) og computertomografi (CT). Den radioaktivt mærkede glukoseanalog 18 F-fluourodeoxyglucose (18F-FDG) er det mest almindelige sporstof, der anvendes til undersøgelse af BAT12. Det lider dog flere begrænsninger, såsom at udsætte emner for ioniserende stråling og være invasiv og dyr. Derudover er den største begrænsning ved 18F-FDG-sporstoffet, at det måler optagelsen af en glukoseanalog, hvilket ikke er ideelt, da frie fedtsyrer er de foretrukne substrater for BAT-termogenese13. 18F-FDG PET/CT-teknikken måler ikke optagelsen af frie fedtsyrer som substrat for termogenese og måler derfor ikke den fysiologiske betydning af BAT-termogenese. Der er alternative teknikker, der anvendes til at vurdere human BAT, som omfatter måling af optagelsen af ilt-15-mærket vand (15O-O2) 14,11 C-acetat 15, en langkædet fedtsyre (18 F-fluor-6-thia-heptadecansyre)16 eller adenosin 17 samt magnetisk resonansspektroskopi 18 og magnetisk resonansbilleddannelse 19, men disse er stadig ekstremt dyre og udsætter forsøgspersoner for ioniserende stråling. Derfor mangler der en pålidelig, billig og vigtigst sikker guldstandard til kvantificering af human BAT.
Infrarød termografi (IRT) er en alternativ ikke-invasiv billeddannelsesteknik20,21, der måler hudtemperaturen over et kendt BAT-depot. Mens dette udleder øget energiforbrug, hvis den målte temperatur ikke overstiger kernetemperaturen, kan det ikke bestemmes, om den målte temperaturændring simpelthen er en konsekvens af ændret blodgennemstrømning. Desuden giver en målt stigning i lokal temperatur ikke værdier for ændret energiforbrug, hvilket ofte er det ønskede endepunkt. En række forskergrupper har brugt IRT til at måle en stigning i temperaturen i depoter af human BAT efter en koffeinintervention eller kold stimulus; Dette depot er den supraklavikulære fossa 22,23,24,25,26,27.
Det er imidlertid ikke klart, om virkningen af koffein på BAT er direkte eller medieret via neurale kredsløb. Der er tegn på, at koffein inducerer bruningsfunktioner i adipocytter in vitro22, og tidligere arbejde har vist, at koffein (100 mg) øger hjertefrekvensvariationen, hvilket kan være en indikator for en stigning i sympatisk nervedrev systemisk i kroppen27. Dette er i overensstemmelse med beviser hos gnavere, hvor koffein via centralnervesystemet øger termogenesen uden en negativ kardiodynamisk indvirkning28.
Da det foretrukne substrat for BAT-termogenese er frie fedtsyrer afledt af triglycerider13 og aktive BAT-sekvestrere, der cirkulerer lipider for at opretholde termogenese29, er målinger af substratudnyttelse vigtige for vurderingen af den fysiologiske aktivering af BAT. Respirationsudvekslingsforholdet (RER) er forholdet mellem mængden af forbrugt ilt (V̇O2) og produceret kuldioxid (V̇CO2)30. En RER på 0,7 er vejledende for fedtsyremetabolisme, og en RER på 1,0 er vejledende for kulhydratmetabolisme31. Derfor er bevis for en præference for fedtsyreudnyttelse ud over en stigning i energiforbruget et centralt korrelat af BAT-termogenese.
Da optagelsen af glucose er et kendt korrelat af BAT-aktivitet (se ovenfor), er et fald i blodglukose parallelt med ændringen i substratudnyttelse desuden nøglekorrelater af BAT-termogenese. Tidligere undersøgelser, der anvender indirekte kalorimetri alene eller sammen med temperaturregistrering hos fastende individer, har rapporteret ringe eller ingen akut ændring i substratudnyttelsen32,33. Da dette sandsynligvis maskeres af fastende tilstand (hvor præabsorptiv metabolisme favoriserer fedtudnyttelse), foreslår vi at kombinere IRT og indirekte kalorimetri med kulhydratbelastning.
Denne artikel har til formål at give en trinvis tilgang, som kliniske forskere kan bruge til pålideligt og vigtigt sikkert at kvantificere den fysiologiske betydning af BAT hos mennesker ved at kombinere IRT, indirekte kalorimetri og blodsukkerniveauer. Denne teknik bruges bedst, efter at forsøgspersoner er blevet kulhydratbelastet og udsat for enten farmakologiske BAT-midler eller miljømæssige stimuli. Resultaterne af denne fremgangsmåde kan bruges til at studere BAT-aktivitet, substratudnyttelse og energiforbrug efter aktivering af BAT hos individuelle forsøgspersoner27.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Automated Sphygmomanometer</td>
			<td>Omron SEM-2 advanced, Omron, Kyoto, Japan</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual-energy X-ray absorptiometry scanner&#160;</td>
			<td>Hologic Horizon, Hologic Inc., Bedford, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECG electrodes</td>
			<td>Ambu Blue Sensor R, Malaysia</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Five lead ECG</td>
			<td>Medilog AR12 plus; Schiller, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FLIR E60 camera</td>
			<td>FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FLIR Research Studio Professional Edition</td>
			<td>FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Freestyle Optium Xceed</td>
			<td>Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glucose Gel</td>
			<td>Winners Sports Nutrition, Mt Martha, Victoria, Australia</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MaskA cold-sterilized silicone mask</td>
			<td>7400 series Oro-Nasal Mask, Hans Rudolph</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medilog Darwin2 software</td>
			<td>Professional; Schiller, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Non-contact Infrared Thermometer&#160;</td>
			<td>Berrcom, JXB-178, Guangdong, China</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optium Glucose Strip Xceed</td>
			<td>Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ParvoMedics TrueOne 2400 respiratory gas analyser</td>
			<td>ParvoMedics Inc, East Sandy, UT, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pre-sterilized Non-rebreathing Valve</td>
			<td>Two-way non-rebreathing valve T-Shape configuration, 2600 Medium or 2700 Large, Hans Rudolph</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using a combination of indirect calorimetry, infrared thermography, and blood glucose levels to measure brown adipose tissue thermogenesis in humans

Hos pattedyr aktiveres brunt fedtvæv (BAT) hurtigt som reaktion på kulde for at opretholde kropstemperaturen. Selvom BAT er blevet undersøgt meget i små dyr, er det vanskeligt at måle aktiviteten af BAT hos mennesker. Derfor er der lidt kendt om BAT's varmegenererende kapacitet og fysiologiske betydning hos mennesker, herunder i hvilken grad komponenter i kosten kan aktivere BAT. Dette skyldes begrænsningerne i den aktuelt mest anvendte metode til vurdering af aktiveringen af BAT-radioaktivt mærket glucose (fluorodeoxyglucose eller 18FDG) målt ved positronemissionstomografi-computeriseret tomografi (PET-CT).
Denne metode udføres normalt hos fastende forsøgspersoner, da fodring inducerer glukoseoptagelse i musklerne, hvilket kan maskere glukoseoptagelsen i BAT. Dette papir beskriver en detaljeret protokol til kvantificering af totalkroppens menneskelige energiforbrug og substratudnyttelse fra BAT-termogenese ved at kombinere indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkerovervågning hos kulhydratbelastede voksne mænd. For at karakterisere den fysiologiske betydning af BAT er målinger af virkningen af BAT-aktivitet på menneskers sundhed kritiske. Vi demonstrerer en protokol for at opnå dette ved at kombinere kulhydratbelastning og indirekte kalorimetri med målinger af supraklavikulære temperaturændringer. Denne nye tilgang vil hjælpe med at forstå fysiologien og farmakologien af BAT-termogenese hos mennesker.

Figur 1 og figur 2 viser et rutediagram over undersøgelsesdesignet. Billeder af protokolopsætningen er vist i figur 3. Deltagerkarakteristika findes i tabel 1. Repræsentative eksempler på IRT af billederne af en deltager, herunder baseline (figur 4A), postkulhydratbelastning (figur 4B) og 60 minutter efter koffeintilskud (figur 4C) med et repræsentativt billede af kameraopsætningen, er vist i figur 4D. Især figur 4A-C giver en visuel repræsentation af ændringerne i supraklavikulær fossatemperatur (Tscf) efter interventionen; temperaturforskellene er særligt markante mellem figur 4B og figur 4C.
I figur 5A-C viser resultaterne fra Van Schaik et al. Tscf (figur 5A), temperaturen på et referencepunkt (Tref; Figur 5C) og kernetemperaturen (Tcore; Figur 5B) fra baseline (0 min) til afslutning af dataindsamlingen (120 min). Dataene viser en koffeinintervention sammenlignet med placebo27. Resultaterne beskrevet i dette manuskript er rent repræsentative for denne offentliggjorte artikel. Derudover viser dataene om Tscf ikke en gruppeeffekt. Statistikkerne findes i de supplerende data fra Van Schaik et al.27.
Den markante stigning i supraklavikulær temperatur falder sammen med ændringer i substratudnyttelse og hurtig sænkning af blodglukoseniveauerne efter interventionen, som vist i figur 6. Disse resultater kombineret med den manglende temperaturændring for Tref- og Tcore-temperaturerne (figur 5B, C) er tegn på BAT-termogenese. Når energiforbruget stiger (figur 6E), falder RER desuden (figur 6A), hvilket falder sammen med stigende fedtoxidation (figur 6B) efter interventionen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig01.jpg"> Figur 1: Skematisk oversigt over foranstaltninger med tid til gennemførelse i hver 15 minutters periode. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig01large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig02.jpg"> Figur 2: Rutediagramskema for undersøgelsesdesignet. Eksperimentel proces. Sort firkant = tid for kulhydratbelastning; sort cirkel = tidspunkt for intervention. Forkortelser: IRT = infrarød termografi; BGL = blodsukkerniveau. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig02large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig03.jpg"> Figur 3: Repræsentative billeder af protokollen. (A) Opsætning uden deltagerens tilstedeværelse; B) dataindsamling af deltagerne ved baseline C) computer med indirekte kalorimetri D) deltager, der indtager kulhydratbelastningen efter baseline-målingerne. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig03large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig04.jpg"> Figur 4: Repræsentative eksempler på IRT- og kameraopsætning. Termiske billeder fra en deltager ved (A) baseline, (B) efter kulhydratbelastning og (C) 60 minutter efter intervention af koffein med (D) et repræsentativt billede af kameraopsætningen. Forkortelse: IRT = infrarød termografi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig04large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig05.jpg"> Figur 5: Interventionens virkninger på temperaturmålingerne. Baseline rå temperaturændringer af (A) Tscf, (B) Tcore og (C) Tref hos deltagere efter en kulhydratbelastning (timepoint = 0) og administration af en koffeinintervention eller en placebokapsel (tid = 45 min til 120 min)27. Dette tal er ændret fra Van Schaik et al.27. (A-C) Lysegrå kasse 1 = tidspunkt for kulhydratbelastning; Tekstboks 2 = præintervention mørkegrå boks 3 = efter intervention; blå cirkler = koffeinintervention; sorte trekanter = placebointervention. Dataene udtrykkes som minimum til maksimum, med alle punkter vist i boksen og whisker plots. Variansen udtrykkes som gennemsnit ± SD, n = 8 pr. intervention; * repræsenterer koffeininteraktionseffekten (*p < 0,05). Dataværdierne blev analyseret ved hjælp af en trevejsanalyse af varians med gentagne målinger. Forkortelser: Tscf = temperatur i supraklavikulær fossa; Tcore = kernetemperatur; Tref = kontrolreferencepunkt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig05large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig06.jpg"> Figur 6: Interventionens virkninger på metaboliske foranstaltninger. Ændringer i (A) RER, (B) fedtoxidationshastigheden, (C) kulhydratoxidationshastigheden, (D) blodsukkerniveauer og (E) energiforbrug hos deltagere efter en kulhydratbelastning (tid = 0) og administration af en koffeinkapsel eller en placebokapsel (tid = 45 min til 120 min). Lysegrå kasse 1 = tidspunkt for kulhydratbelastning; Tekstboks 2= præintervention mørkegrå boks 3 = efter intervention; blå cirkler = koffeinintervention; sorte trekanter = placebointervention. Dataene udtrykkes som minimum til maksimum, med alle punkter vist i boksen og whisker plots. E) før og efter administration af interventionerne grå bjælke = placebointervention; blå bjælke = koffeinintervention. Variansen udtrykkes som gennemsnit ± SD, n = 8 pr. intervention; * repræsenterer koffeininteraktionseffekten (*p < 0,05). Dataværdierne blev analyseret ved hjælp af en trevejsanalyse af varians med gentagne målinger. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig06large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>Alle deltagere</td>
		</tr><tr><td>n</td>
			<td>8</td>
		</tr><tr><td>Alder, år</td>
			<td>22 ± 2</td>
		</tr><tr><td>Højde, cm</td>
			<td>176 ± 5</td>
		</tr><tr><td>Vægt, kg</td>
			<td>74 ± 8</td>
		</tr><tr><td>BMI, kg/m2 </td>
			<td>23 ± 2</td>
		</tr><tr><td>Kropsfedt, %</td>
			<td>20 ± 8</td>
		</tr></tbody></table>Tabel 1: Demografi for deltagere. Værdierne er middel ± SD, medmindre andet er angivet. Denne tabel er fra Van Schaik et al.27.

Watch this Scientific Journal Video about Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans at JoVE.c

Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans

Her præsenterer vi en protokol til kvantificering af den fysiologiske betydning af virkningen af brunt fedtvæv (BAT) aktivitet på menneskelig metabolisme. Dette opnås ved at kombinere kulhydratbelastning og indirekte kalorimetri med målinger af supraklavikulære temperaturændringer. Denne nye tilgang kan hjælpe med at udvikle et farmakologisk mål for BAT-termogenese hos mennesker.

Brug af en kombination af indirekte kalorimetri, infrarød termografi og blodsukkerniveauer til måling af brun fedtvævstermogenese hos mennesker

In mammals, brown adipose tissue (BAT) is activated rapidly in response to cold in order to maintain body temperature. Although BAT has been studied ...

Denne protokol kvantificerer den fysiologiske betydning af human brun fedtvævsaktivitet ved at kombinere kulhydratbelastning med indirekte kalorimetri og ændringer i supraklavikulær temperatur. Denne protokol udsætter ikke deltagerne for ioniserende stråling. Den registrerer ændringer i målt supraklavikulær temperatur kombineret med kernetemperaturen og temperaturen i et referenceområde.På undersøgelsesdagen begynder du med at måle deltagernes højde og vægt. Bed deltagerne om at lægge sig på en sokkel. Efter 30 minutter skal du registrere deres baselineparametre.Efter dette skal du lade deltagerne forbruge tre kulhydratøvelser på 90 gram hver mellem nul og 15 minutter. Efter 45 minutter efter kulhydratbelastning skal deltagerne have mulighed for at indtage de 100 milligram koffeinbehandlingskapsler. For at udføre indirekte kalorimetri skal du bruge en kalibreret åndedrætsgasanalysator.Monter den koldsteriliserede silikonemaske udstyret med en præsteriliseret ikke-rebreathingventil på deltageren for at levere rumluft. Fastgør det på deltagerens ansigt med en maskefastgørelse, og kontroller for lækager. Sørg for, at de inspirerende og ekspiratoriske rør er forbundet.Efter prøveudtagning af de udløbne gasser fjernes masken for at fuldføre de yderligere målinger og måle substratoxidationshastighederne som beskrevet i tekstmanuskriptet. Efter hver runde af udløbne gasmålinger skal du bruge et glucometer til at måle blodsukkerniveauet. Ret et berøringsfrit termometer mod midten af deltagerens pande.For at udføre infrarød termografi skal deltagerne sidde i opretstående stilling og se lige frem med deres hals til brystregion udsat. Placer varmebilledkameraet på et stativ i halshøjde ca. en meter fra motivets ansigt. Når du har tændt kameraet, skal du justere fokus ved at dreje fokusringen.Ret en laserpegepind mod midterlinjen af deltagerens hals. Og klik på et billede. For at analysere de infrarøde billeder skal du vurdere overfladetemperaturerne i thoraxområdet, der indeholder brunt fedtvæv, ved at placere trekantede områder af interesse i den supraklavikulære fossa og et cirkulært område af interesse på brystbenet.Overvej brystområdet som kontrolreferencepunktet, da dette område ikke indeholder brunt fedtvæv. Når regionerne er blevet krydsplaceret, skal du opnå gennemsnits- og standardafvigelsen for temperaturen for hver region ved hjælp af softwaren. Virkningerne af koffeinintervention på temperaturmålingerne i kerne- og supraklavikulær fossa-regionen er tegn på brun fedtvævstermogenese.Interventionen viste en markant effekt i de metaboliske foranstaltninger med stigningen i den supraklavikulære temperatur og hurtig sænkning af blodglukoseniveauet. Disse resultater, kombineret med manglende temperaturændringer i kerne- og referenceområdetemperaturen, indikerer brun fedtvævstermogenese. Øget energiforbrug resulterede i nedsat respiratorisk udvekslingsforhold og tilfældigt øget fedtoxidation.Det er vigtigt at sikre, at rummet holdes på en stabil temperatur;siliciummasken er monteret korrekt;og varmebilledkameraet er i halshøjde, mindst en meter væk fra deltageren. Det ville være tilrådeligt at måle blodmarkører for insulin. Den hurtige tilbagevenden af blodsukkerniveauet efter interventionen tyder på, at selve interventionen kan have forbedret insulinsignalering.Denne teknik tillader analyse af gentagne målinger. Dette er noget, der ikke kan gøres med PET-billeddannelsesundersøgelser. I hvilket omfang kostingredienser og farmakologiske midler kan påvirke brun fedtvævsaktivitet hos mennesker, kan nu vurderes på en sikker og tilgængelig måde.

Research

JoVE Journal

Medicine

Spectral Karyotyping to Study Chromosome Abnormalities in Humans and Mice with Polycystic Kidney Disease

Spectral karyotyping til Studieinformationen kromosomfejl hos mennesker og mus med polycystisk nyresygdom

Conventional method to identify and classify individual chromosomes depends on the unique banding pattern of each chromosome in a specific species being ...

Cerenkov Luminescence Imaging of Interscapular Brown Adipose Tissue

Cerenkov Luminescence Imaging af interscapular brunt fedtvæv

Brown adipose tissue (BAT), widely known as a &#8220;good fat&#8221; plays pivotal roles for thermogenesis in mammals. This special tissue is closely ...

Human Brown Adipose Tissue Depots Automatically Segmented by Positron Emission Tomography/Computed Tomography and Registered Magnetic Resonance Images

Menneskelig brunt fedtvæv Depoter automatisk segmenteret efter Positron Emission Tomography / Computed Tomography og registreret magnetisk resonans Images

Reliably differentiating brown adipose tissue (BAT) from other tissues using a non-invasive imaging method is an important step toward studying BAT in ...

Intrauterine Telemetry to Measure Mouse Contractile Pressure In Vivo

Intrauterine Telemetry to Measure Mouse Contractile Pressure In Vivo

Intrauterin Telemetri måler Mouse kontraktile Pressure<em&gt; In Vivo</em

A complex integration of molecular and electrical signals is needed to transform a quiescent uterus into a contractile organ at the end of pregnancy. ...

Oxygen-Glucose Deprivation and Reoxygenation as an In Vitro Ischemia-Reperfusion Injury Model for Studying Blood-Brain Barrier Dysfunction

Oxygen-Glucose Deprivation and Reoxygenation as an In Vitro Ischemia-Reperfusion Injury Model for Studying Blood-Brain Barrier Dysfunction

Ilt-Glucose afsavn og reoxygenering som en<em&gt; In vitro</em&gt; Iskæmireperfusion Skade Model for studere blod-hjerne barrieren dysfunktion

Ischemia-Reperfusion (IR) injury is known to contribute significantly to the morbidity and mortality associated with ischemic strokes. Ischemic ...

A Model to Simulate Clinically Relevant Hypoxia in Humans

En model til simulere klinisk relevant Hypoxi i mennesker

In case of apnea, arterial partial pressure of oxygen (pO2) decreases, while partial pressure of carbon dioxide (pCO2) increases. To avoid damage to ...

Assessment of Human Adipose Tissue Microvascular Function Using Videomicroscopy

Vurdering af menneskers fedtvæv mikrovaskulære funktion ved hjælp af Videomicroscopy

While obesity is closely linked to the development of metabolic and cardiovascular disease, little is known about mechanisms that govern these processes. ...

Characterization of Immune Cells in Human Adipose Tissue by Using Flow Cytometry

Karakterisering af immunceller i menneskers fedtvæv ved hjælp af flowcytometri

Infiltration of immune cells in the subcutaneous and visceral adipose tissue (AT) deposits leads to a low-grade inflammation contributing to the ...

Conducting Maximal and Submaximal Endurance Exercise Testing to Measure Physiological and Biological Responses to Acute Exercise in Humans

Gennemføre maksimal og Submaximal udholdenhedstræning test for at måle fysiologiske og biologiske svar til akut øvelse i mennesker

Regular physical activity has a positive effect on human health, but the mechanisms controlling these effects remain unclear. The physiologic and biologic ...

Whole Body and Regional Quantification of Active Human Brown Adipose Tissue Using 18F-FDG PET/CT

Whole Body and Regional Quantification of Active Human Brown Adipose Tissue Using 18F-FDG PET/CT

Hele kroppen og regionale kvantificering af aktive menneskelige brunt fedtvæv bruger 18F-FDG PET/CT

In endothermic animals, brown adipose tissue (BAT) is activated to produce heat for defending body temperature in response to cold. BAT&#39;s ability to ...