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

Nos gustaría agradecer a todos los voluntarios del estudio por su participación en nuestro estudio. Este trabajo fue apoyado por la Iniciativa de Investigación Holsworth, la Universidad La Trobe y el Instituto de Ciencias de Defensa (DSI, Australia).

Todos los participantes (n = 8) dieron su consentimiento informado por escrito, y todos los experimentos fueron aprobados por el Comité de Ética Humana de la Universidad; los datos se derivaron de Van Schaik et al.27.
1. Instalación de equipos y software
<ol><li>Mida la masa grasa mediante absorciometría de rayos X de energía dual (DXA) según Van Schaik et al.27.</li>
	<li>Estimar la utilización del sustrato y el gasto de energía del gas expirado; Mida esto usando un analizador de gases respiratorios según las pautas del fabricante.</li>
	<li>Recoja muestras de sangre mediante punción capilar y determine los niveles de glucosa en sangre utilizando un glucómetro según las pautas del fabricante.</li>
	<li>Use un termómetro infrarrojo sin contacto para determinar las mediciones de la temperatura corporal central según las pautas del fabricante (el error de este dispositivo es ±0.2 ° C).</li>
</ol>2. Procedimientos previos a las visitas de los participantes
<ol><li>Evaluar a todos los participantes para determinar su estado de salud.</li>
	<li>Establecer los siguientes criterios de exclusión: un índice de masa corporal de >30 kg/m2 (debido a que la actividad de las MTD se correlaciona inversamente con la adiposidad34,35, los participantes que usan medicamentos prescritos y la diabetes mellitus.</li>
	<li>Antes o después de la sesión de prueba, asegúrese de que los participantes se sometan a una exploración DXA para medir su masa grasa, ya que la actividad BAT está inversamente correlacionada con la adiposidad34,35.</li>
	<li>Durante 24 horas antes de llegar al estudio, asegúrese de que los participantes se abstengan de cualquier ejercicio o actividad extenuante y que ayunen con agua durante 10 horas antes de llegar al laboratorio.</li>
</ol>3. Procedimientos el día del estudio
<ol><li>Asegúrese de que la temperatura ambiente a la que se recopilan los datos se establece en una temperatura constante para minimizar los factores de confusión externos debidos a las diferencias en la temperatura ambiente. NOTA: Esto puede dar lugar a mediciones térmicas o metabólicas incorrectas. Para los fines de este experimento, se utilizó una sala de temperatura controlada mantenida a 22 °C en condiciones de neutro térmico.</li>
	<li>Pida a los participantes que lleguen al laboratorio a las 08:00 a.m. para dar cuenta de los ritmos hormonales diarios.</li>
	<li>Mide la altura y el peso de los participantes.</li>
	<li>Pida a los participantes que se acuesten sobre un pedestal durante un mínimo de 30 minutos antes de tomar las mediciones de referencia.</li>
	<li>Durante un período de 120 minutos, mida la IRT, la calorimetría indirecta, la glucosa en sangre y la temperatura central de los participantes cada 15 minutos después de la muestra expirada deO2y CO2(Figura 1).</li>
	<li>Después de las mediciones iniciales, asegúrese de que los participantes estén cargados de carbohidratos a través del consumo de tres geles de carbohidratos (90 g de glucosa cada uno) entre los puntos de tiempo de 0 min y 15 min.</li>
	<li>Asegúrese de que los participantes ingieran el tratamiento 45 minutos después de la carga de carbohidratos. Para seguir este protocolo, utilizar 100 mg de cápsulas de cafeína como intervención27. NOTA: Se requiere un período de lavado de 7 días entre la intervención y el placebo, lo que significa que se requiere un período de 7 días entre la cafeína y el tratamiento con placebo.</li>
</ol>4. Calorimetría indirecta
<ol><li>Estime los valores de gasto de energía y utilización del sustrato del gas espirado, medidos con un analizador de gases respiratorios. Complete la calibración del analizador de gases respiratorios siguiendo las instrucciones del fabricante.</li>
	<li>Ajuste la máscara de silicona esterilizada en frío al participante para permitir la entrega de aire ambiente y la adquisición de datos metabólicos. Asegúrese de que la máscara esté equipada con una válvula preesterilizada sin rerespiración (válvula bidireccional sin rerespiración) y fíjela en la cara del participante con un accesorio de malla y verifique si hay fugas.</li>
	<li>Asegúrese de que los tubos inspiratorios y espiratorios estén conectados.</li>
	<li>Exporte el archivo de datos digitales en formato de hoja de cálculo.</li>
	<li>Muestree el O2 y elCO2 caducados conun promedio de 5 s. Esto mide el gasto energético y la relación de intercambio respiratorio (Figura 1). Quítese la mascarilla para completar las medidas adicionales.</li>
	<li>Calcular las tasas de oxidación del sustrato (oxidación de carbohidratos y lípidos) y el gasto energético total utilizando las ecuaciones de Weir no proteicas 1-331,36: Tasa de oxidación de grasas (g/min−1) = (1.695 VO 2)-(1.701 VCO2) (1) Tasa de oxidación de carbohidratos (g/min−1) = (4.585 VCO 2) -(3.226 VO 2) (2) Gasto energético (kcal/min) = (3,94 × VO 2)+ (1,1 × VCO2) (3)</li>
</ol>5. Mediciones de glucosa en sangre plasmática
<ol><li>Realice lecturas de glucosa en sangre mediante pinchazos en el dedo y un glucómetro después de cada ronda de mediciones de gas expirado (Figura 2).</li>
</ol>6. Temperatura central
<ol><li>Registre la temperatura central (Tcore) después de cada ronda de mediciones de gas expirado. Lo ideal es medir la temperatura central por vía rectal o intraaural (Figura 2). NOTA: Debido a las prácticas seguras de COVID-19, minimice el contacto de persona a persona.</li>
	<li>Asegúrese de que los participantes estén en posición supina y que su cabeza esté en una posición neutral. Dirija constantemente el termómetro sin contacto hacia el centro de la frente del participante.</li>
</ol>7. Termografía infrarroja
<ol><li>Realice el IRT después de cada ronda de mediciones de gas expirado (Figura 2).</li>
	<li>Pida a los participantes que se sienten en una postura erguida mirando hacia adelante, con el área del pecho a la región del cuello expuesta (Figura 3).</li>
	<li>Utilice una cámara termográfica para adquirir imágenes infrarrojas de la región anterior del cuello y la parte superior del pecho.<ol><li>Coloque la cámara en un trípode al nivel del cuello a 1 m de la cara del sujeto (Figura 4D). Utilice los siguientes ajustes: tipo de detector = microbolómetro no refrigerado; paso del detector = 17 μm; rango espectral de la cámara = 7,5-14,0 μm; sensibilidad térmica = 20 mK a 30 °C; lentes = 36 mm; Resolución = 1.024 píxeles x 768 píxeles.</li>
		<li>Encienda la cámara.</li>
		<li>Ajuste el enfoque de la cámara girando el anillo de enfoque. NOTA: Es muy importante ajustar el enfoque correctamente. El ajuste incorrecto del enfoque afecta a la medición de la temperatura.</li>
		<li>Apunte el puntero láser a la línea media del cuello del participante.</li>
		<li>Toma la imagen. NOTA: La imagen se guardará automáticamente si se utiliza una tarjeta de memoria.</li>
	</ol></li>
</ol>8. Análisis de imágenes
<ol><li>Elija tres regiones del tórax anterior y el cuello para el análisis de la temperatura superficial: bilateralmente la piel que recubre las MTD en la fosa supraclavicular (SCF) y la región lateral del cuello, con el área esternal considerada como punto de referencia de control (Tref), ya que esta área no contiene MTD (Figura 4A-C).</li>
	<li>Coloque regiones triangulares de interés (ROI) en las áreas SCF izquierda y derecha y un ROI circular sobre la región esternal.</li>
	<li>Cuando las regiones requeridas se hayan cruzado, confirme que el software muestra la desviación promedio y estándar de la temperatura para cada región seleccionada.</li>
</ol>9. Análisis de datos
<ol><li>Utilizar un enfoque doble ciego para el análisis de las intervenciones utilizando las técnicas descritas. Haga que un investigador que no participe en la recopilación o análisis de datos codifique las intervenciones genéricamente.</li>
	<li>Realizar el análisis estadístico.<ol><li>Calcule los promedios para la IRT, la temperatura central y los datos de glucosa en sangre a partir del único punto de tiempo medido.</li>
		<li>Calcule los promedios para el RER, la oxidación de grasas, la oxidación de carbohidratos y el gasto de energía en épocas de 10 minutos.</li>
		<li>Para el gasto de energía, suma la tasa de gasto de energía para cada grupo y sepárela en antes y después de la intervención. NOTA: Refiérase a Van Shaik et al. para pruebas estadísticas para analizar los datos27.</li>
	</ol></li>
</ol>

Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.

El método que hemos mostrado aquí es un protocolo técnicamente simple, seguro y rentable para medir la termogénesis BAT en humanos. El protocolo aborda las preocupaciones relacionadas con la confiabilidad del uso de IRT por sí solo para distinguir entre el calentamiento local debido al flujo sanguíneo alterado de la piel y el calentamiento más profundo debido a la termogénesis al correlacionar IRT con medidas de gasto de energía (EE) y utilización del sustrato. Dado que esta técnica no utiliza radiación ionizante, permite el análisis de medidas repetidas, lo que no es posible con las técnicas de imagen PET. Finalmente, aunque las técnicas de imagen PET pueden identificar la activación de BAT, no informan sobre los resultados fisiológicos (aumento de la temperatura y EE) que mide este protocolo.
La fuerza del protocolo descrito aquí es que hay cuatro líneas de evidencia que apoyan la conclusión de la termogénesis BAT evocada: (1) aumento de la Tscf medida, en paralelo con la temperatura central sin cambios y la temperatura estable de la piel sobre la región de referencia adyacente; (2) aumento del gasto energético; (3) un cambio en la utilización del sustrato; y (4) una caída en los niveles de glucosa en sangre. Las observaciones convergentes son consistentes con los resultados previstos para la termogénesis BAT. La parte esencial del protocolo es la carga de carbohidratos de los participantes para asegurar el metabolismo de los carbohidratos antes de la intervención. La termogénesis BAT cambia el metabolismo del sustrato de carbohidratos a ácidos grasos libres, como lo demuestra la caída en RER. Si bien el sustrato preferido para la termogénesis de las MTD son los ácidos grasos libres, una absorción significativa de glucosa en las MTD activas está bien establecida 5,6,7. Por lo tanto, observamos una caída en los niveles de glucosa en sangre concurrente con la termogénesis BAT. No sería posible observar el cambio mutuo en la utilización del sustrato (RER) y la caída en los niveles de glucosa en sangre en un estado de ayuno.
Estudios previos han concluido que el aumento de Tscf (medido por IRT) es suficiente para concluir la termogénesis BAT. Sin embargo, esta conclusión solo es segura si el Tscf excede la temperatura central. Si el Tscf es menor o igual a la temperatura central, entonces no se puede excluir un cambio local en la temperatura debido al aumento del flujo sanguíneo de la piel. Una revisión sistemática concluyó que la TRI por sí sola no puede determinar si los aumentos en la temperatura supraclavicular de la piel se deben a la termogénesis BAT37. La revisión señaló que el método más común (18F-FDG PET/CT) mide la absorción de glucosa en BAT37. Sin embargo, el sustrato preferido para la termogénesis BAT son los ácidos grasos13. Esta cuestión metodológica impide cualquier comparación significativa entre los datos de PET/CT en la validación de los datos de IRT, ya que cualquiera de estas medidas por sí sola no es una medida adecuada de la verdadera actividad metabólica de las MTD, ya que no puede indicar el cambio en el gasto de energía y la utilización del sustrato debido a la termogénesis de las MTD. Sin embargo, con el protocolo descrito aquí, no solo podemos cuantificar el cambio de temperatura, sino que también podemos confirmar un aumento en el gasto de energía, un resultado fisiológico clave de la termogénesis BAT. IRT es un método sin contacto, no invasivo y relativamente barato para medir la temperatura y los cambios de temperatura asociados con la termogénesis BAT. En contraste, PET-CT es costoso y expone a los individuos a la radiación ionizante, lo que restringe la aplicabilidad de este método a pequeños análisis retrospectivos de estudios de imágenes clínicas. La aplicación del protocolo actual a ensayos clínicos aleatorios a gran escala sería relativamente simple y rentable.
Es importante tener en cuenta que la disminución de la oxidación de carbohidratos después de la intervención con cafeína puede explicarse por el cambio en la utilización del sustrato como resultado del aumento de la termogénesis BAT debido a la intervención. Las medidas de señalización de insulina harían que los resultados de este estudio fueran más sólidos. Sin embargo, no está claro, según los resultados de este estudio, si la cafeína afectaría la señalización de la insulina a través de la acción sobre las MTD o si la caída de la glucosa en sangre es el resultado de que las MTD absorban más sustratos energéticos.
El método 18F-FDG PET/CT tiene varias limitaciones inherentes cuando se utiliza para cuantificar y medir la actividad fisiológica de las MTD, particularmente cuando se investiga la influencia de los nutrientes o ingredientes dietéticos en la actividad de las MTD. El método 18F-FDG PET/CT requiere que los sujetos estén en ayunas para evitar aumentos inducidos por la alimentación en la captación de glucosa por el tejido muscular, lo que puede reducir significativamente la detección de la función BAT y BAT38. Además, esta técnica por sí sola no puede medir el impacto fisiológico o el alcance de la activación de las MTD. Además, el uso de radiación ionizante en estudios de imágenes PET es un obstáculo ético y de salud y seguridad para diseñar estudios cruzados de medidas repetidas. Además, 18F-FDG representa solo la absorción de glucosa, que no es lo mismo que medir el metabolismo de la glucosa. Este método de carga de carbohidratos a los sujetos antes de medir la temperatura BAT y combinar los niveles de glucosa en sangre con calorimetría indirecta nos permite medir rigurosamente el impacto fisiológico de la termogénesis y la utilización del sustrato cambiado, que de otro modo no estaría disponible en un estado de ayuno.
Fortalezas y limitaciones Este protocolo tiene implicaciones más amplias que el mero estudio de las MTD. Por los participantes que cargaban carbohidratos antes de la intervención, se puede observar la oscilación de los niveles de glucosa en sangre en respuesta tanto a la carga de carbohidratos como a la intervención con cafeína, así como cambios en la utilización del sustrato. Por lo tanto, esta técnica se puede utilizar para mejorar los estudios de calorimetría indirecta humana y las medidas metabólicas. Todavía no se sabe si los resultados de este estudio se pueden replicar después de otras intervenciones, como la exposición al frío o la estimulación adrenérgica. Sin embargo, los resultados de este estudio se han replicado después de la intervención con un ingrediente dietético diferente, a saber, Capsicum annuum27. Se podría obtener rigor y confianza adicionales en los resultados utilizando un enfoque doble ciego para el análisis de las intervenciones utilizando las técnicas descritas, y esto podría implementarse fácilmente27.
La posible confusión de la temperatura ambiente variada no es relevante en este protocolo, ya que la temperatura ambiente se mantuvo estable de participante a participante. Además, se tuvo en cuenta la humedad durante la calibración del analizador de gases respiratorios. Esto se infiere en la configuración de este equipo, ya que la calibración se completa según las instrucciones del fabricante.
Los intervalos de tiempo para la medición y el tratamiento se determinaron después de un pequeño estudio piloto en el que se llevó a cabo la resolución de problemas del protocolo. Esencialmente, los intervalos de tiempo para la medición se determinaron en función del tiempo necesario para que el investigador realice las mediciones y para la comodidad del participante. El tiempo para la intervención se determinó en función del tiempo necesario para que ocurriera el metabolismo de los carbohidratos después de la carga de carbohidratos para investigar si la intervención aumentó la oxidación de ácidos grasos libres (es decir, termogénesis MTD) y redujo la oxidación de carbohidratos.
Cabe destacar que existen diferencias entre los niveles de glucosa capilar y venosa39. Sin embargo, en el contexto de la atención extrahospitalaria, la forma más común en que se miden los niveles de glucosa en sangre es a través de una muestra de sangre de origen capilar analizada por un glucómetro portátil en el punto de atención40. Además, en individuos sanos (similares a los incluidos en este protocolo) en un entorno no clínico, existe una diferencia estadísticamente significativa, pero no clínicamente significativa, entre los niveles de glucosa en sangre capilar y venosa cuando se mide utilizando un glucómetro capilar en el punto de atención41. En este contexto, el muestreo capilar seguiría siendo el enfoque óptimo debido al hecho de que la mayoría de los glucómetros de punto de atención disponibles en el mercado están diseñados para analizar muestras de sangre capilar41. Desde una perspectiva clínica, se podría argumentar que la glucosa venosa en sangre es el método superior de análisis. Sin embargo, el muestreo de sangre venosa no solo es costoso y requiere equipo especializado (ibid), sino que también es invasivo. Las consideraciones éticas de aumentar el riesgo de eventos adversos durante el protocolo deben equilibrarse con la literatura reportada que muestra la alta correlación y confiabilidad de la glucemia capilar como medida indirecta de la glucemia venosa42. La clave aquí, por supuesto, es que no nos hemos propuesto diagnosticar la diabetes, sino medir los cambios en los niveles de glucosa en sangre, para lo cual la monitorización capilar de la glucosa en sangre es un protocolo más que adecuado.
La glucosa puede inducir la termogénesis, y las comidas individuales pueden activar el BAT43. Sin embargo, y lo que es bastante importante, los datos incluidos en este manuscrito no muestran ningún efecto significativo de la carga de glucosa en el grupo de intervención o el grupo de placebo. Además, los datos incluidos en el manuscrito fueron derivados de los resultados de Van Schaik et al., que incluyeron una tercera intervención (Capsicum annuum), y la carga de glucosa no produjo un efecto significativo en las medidas27.
Cabe señalar que este protocolo solo se ha utilizado en participantes masculinos con baja grasa corporal y MTD activo (para reducir el número de variables controlables, las mujeres fueron excluidas del estudio). Existe una correlación inversa conocida entre la adiposidad y la masa BAT en humanos44. Además, se sabe que las personas previamente obesas que han perdido peso a través de la dieta y el ejercicio tienen una tasa metabólica basal más baja y deben consumir dietas bajas en calorías para mantener un peso normal45,46. Además, la actividad de las MTD puede estimular el crecimiento de las MTD8. El método descrito aquí permitirá realizar estudios a largo plazo para investigar los cambios en la actividad de las MTD asociados con enfermedades metabólicas de una manera que no ofrecen otras técnicas.
Conclusión En conclusión, demostramos un enfoque de medición para cuantificar la actividad del tejido adiposo marrón humano utilizando IRT y calorimetría indirecta después de una carga de carbohidratos. Los pasos críticos incluyen 1) cargar carbohidratos a los participantes que están en ayunas antes de medir la temperatura de las MTD, mientras se combinan la calorimetría indirecta y los niveles de glucosa en sangre para permitir la cuantificación de la extensión fisiológica de la termogénesis de las MTD y la utilización alterada del sustrato; 2) evaluar los depósitos y temperaturas pertinentes de las MTD del IRT a partir de un punto de referencia y la temperatura central para demostrar cualquier aumento de la Tscf que sea indicativo de la activación de las MTD en función de la ubicación anatómica. Creemos que estas mediciones cuantitativas permiten una evaluación más precisa de la contribución de las MTD al metabolismo energético humano adulto y a la termorregulación. Este enfoque exhaustivo debe ser utilizado por los investigadores para estudiar la fisiología de las MTD y servir como un nuevo estándar para desarrollar enfoques de activación de las MTD humanas en el futuro.

El tejido adiposo marrón (BAT) difiere notablemente del tejido adiposo blanco (WAT) en su contenido mitocondrial, inervación simpática, gotitas de lípidos multiloculares, capacidad de generación de calor y distribución anatómica. Se consideró que las MTD existían solo en lactantes y pequeños mamíferos hasta la confirmación de su presencia en adultos humanos en 2009 1,2,3. Por lo tanto, hasta hace relativamente poco, el papel de las MTD en la fisiología humana y la homeostasis metabólica ha sido poco conocido. Extensos estudios en animales pequeños han demostrado que durante la exposición al frío, más de la mitad del metabolismo se debe a la capacidad termogénica sin temblores de BAT4. Varios estudios han demostrado que tras una exposición leve al frío (17-18 °C), los aumentos en el gasto de energía y la absorción de glucosa en las MTD se correlacionan fuertemente con la termogénesis BAT en humanos 5,6,7. Además, la termogénesis BAT puede contribuir hasta un 10% del gasto de energía en reposo en humanos durante la exposición al frío (para una revisión, ver Van Schaik et al.8). El estudio de la fisiología y el impacto de las MTD en la salud y la enfermedad humanas está actualmente restringido por las limitaciones del protocolo. Por lo tanto, es esencial contar con un método preciso para medir el verdadero impacto metabólico de las MTD para comprender mejor el impacto de la termogénesis de las MTD en la obesidad y sus complicaciones metabólicas en los seres humanos.
La distribución anatómica de las MTD humanas dificulta la obtención de mediciones precisas de las MTD. Dentro de los seres humanos, el BAT se distribuye dentro de los depósitos de WAT en el abdomen, el tórax y, más notablemente, el cuello9. Se han utilizado autopsias y estudios cadavéricos para caracterizar anatómicamente las MTD10,11, pero estos métodos no pueden proporcionar información funcional. Es difícil distinguir las MTD utilizando técnicas de imagen convencionales debido a las densidades similares de WAT y MTD8. Un problema de confusión adicional es que los depósitos de grasa beige también se encuentran dentro de las mismas capas estrechas de la fascia o en ciertos depósitos con el WAT8, lo que hace que sea difícil distinguir el uso de técnicas de imagen convencionales.
Para superar este problema, el volumen de BAT generalmente se mide mediante la combinación de tomografía por emisión de positrones (PET) y tomografía computarizada (TC). El análogo radiomarcado de glucosa 18 F-fluourodeoxyglucose (18F-FDG) es el trazador más común utilizado para estudiar BAT 12. Sin embargo, sufre varias limitaciones, como exponer a los sujetos a la radiación ionizante y ser invasivo y costoso. Además, la mayor limitación del trazador 18F-FDG es que mide la absorción de un análogo de la glucosa, lo cual no es ideal dado que los ácidos grasos libres son los sustratos preferidos para la termogénesis BAT13. La técnica 18F-FDG PET/CT no mide la absorción de ácidos grasos libres como sustrato para la termogénesis y, por lo tanto, no mide la importancia fisiológica de la termogénesis BAT. Existen técnicas alternativas utilizadas para evaluar las MTD humanas, que incluyen la medición de la absorción de agua marcada con oxígeno-15 (15O-O2) 14,11 C-acetato 15, un ácido graso de cadena larga (ácido 18 F-fluoro-6-tia-heptadecanoico)16 o adenosina 17, así como espectroscopia de resonancia magnética 18 y resonancia magnética 19, pero estos siguen siendo extremadamente caros y exponen a los sujetos a la radiación ionizante. Por lo tanto, falta un estándar de oro confiable, económico y, lo que es más importante, seguro para la cuantificación de las MTD humanas.
La termografía infrarroja (IRT) es una técnica de imagen alternativa no invasiva20,21 que mide la temperatura de la piel que se superpone a un depósito de BAT conocido. Si bien esto infiere un mayor gasto de energía, si la temperatura medida no excede la temperatura central, entonces no se puede determinar si el cambio medido en la temperatura es simplemente una consecuencia de un flujo sanguíneo alterado. Además, un aumento medido en la temperatura local no proporciona valores de gasto de energía alterado, que con frecuencia es el punto final deseado. Varios grupos de investigación han utilizado IRT para medir un aumento de la temperatura en depósitos de BAT humana después de una intervención de cafeína o estímulo frío; Este depósito es la fosa supraclavicular 22,23,24,25,26,27.
Sin embargo, no está claro si la acción de la cafeína sobre las MTD es directa o mediada a través de circuitos neuronales. Hay evidencia de que la cafeína induce características de pardeamiento en los adipocitos in vitro22, y trabajos previos han demostrado que la cafeína (100 mg) aumenta la variabilidad de la frecuencia cardíaca, lo que puede ser un indicador de un aumento en el impulso nervioso simpático sistémicamente en el cuerpo27. Esto está en línea con la evidencia en roedores, en los cuales la cafeína a través del sistema nervioso central aumenta la termogénesis sin un impacto cardiodinámico adverso28.
Como el sustrato preferido para la termogénesis BAT son los ácidos grasos libres derivados de los triglicéridos13, y las MTD activas secuestran lípidos circulantes para mantener la termogénesis29, las medidas de utilización del sustrato son importantes para evaluar la activación fisiológica de las MTD. La relación de intercambio respiratorio (RER) es la relación entre el volumen de oxígeno consumido (V̇O2) y el dióxido de carbono producido (V̇CO2)30. Un RER de 0,7 es indicativo del metabolismo de los ácidos grasos, y un RER de 1,0 es indicativo del metabolismo de los carbohidratos31. Por lo tanto, la evidencia de una preferencia por la utilización de ácidos grasos por encima de un aumento en el gasto de energía es un correlato clave de la termogénesis BAT.
Además, dado que la absorción de glucosa es un correlato conocido de la actividad de BAT (ver arriba), una caída en la glucosa en sangre en paralelo con el cambio en la utilización del sustrato son correlatos clave de la termogénesis BAT. Estudios previos que utilizan calorimetría indirecta sola, o junto con el registro de temperatura en individuos en ayunas, han reportado poco o ningún cambio agudo en la utilización del sustrato32,33. Como esto probablemente esté enmascarado por el estado de ayuno (donde el metabolismo preabsorbente favorece la utilización de grasas), proponemos combinar IRT y calorimetría indirecta con carga de carbohidratos.
Este artículo tiene como objetivo proporcionar un enfoque paso a paso que los investigadores clínicos pueden utilizar para cuantificar de manera confiable y, lo que es más importante, de manera segura la importancia fisiológica de BAT en humanos mediante la combinación de IRT, calorimetría indirecta y niveles de glucosa en sangre. Esta técnica se utiliza mejor después de que los sujetos han sido cargados de carbohidratos y expuestos a agentes farmacológicos BAT o estímulos ambientales. Los resultados de este enfoque se pueden utilizar para estudiar la actividad de las MTD, la utilización del sustrato y el gasto energético después de la activación de las MTD en sujetos individuales del estudio27.

<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

En los mamíferos, el tejido adiposo marrón (BAT) se activa rápidamente en respuesta al frío para mantener la temperatura corporal. Aunque las MTD se han estudiado mucho en animales pequeños, es difícil medir la actividad de las MTD en humanos. Por lo tanto, se sabe poco sobre la capacidad de generación de calor y la importancia fisiológica de las MTD en humanos, incluido el grado en que los componentes de la dieta pueden activar las MTD. Esto se debe a las limitaciones en el método actualmente más utilizado para evaluar la activación de la glucosa radiomarcada con MTD (fluorodesoxiglucosa o 18FDG) medida por tomografía por emisión de positrones-tomografía computarizada (PET-CT).
Este método generalmente se realiza en sujetos en ayunas, ya que la alimentación induce la absorción de glucosa por los músculos, lo que puede enmascarar la absorción de glucosa en el BAT. Este documento describe un protocolo detallado para cuantificar el gasto energético humano de todo el cuerpo y la utilización del sustrato de la termogénesis BAT mediante la combinación de calorimetría indirecta, termografía infrarroja y monitoreo de glucosa en sangre en hombres adultos cargados de carbohidratos. Para caracterizar la importancia fisiológica de las MTD, las medidas del impacto de la actividad de las MTD en la salud humana son críticas. Demostramos un protocolo para lograr esto combinando la carga de carbohidratos y la calorimetría indirecta con mediciones de cambios supraclaviculares en la temperatura. Este nuevo enfoque ayudará a comprender la fisiología y la farmacología de la termogénesis BAT en humanos.

La Figura 1 y la Figura 2 presentan un diagrama de flujo del diseño del estudio. Las imágenes de la configuración del protocolo se representan en la Figura 3. Las características de los participantes se pueden encontrar en la Tabla 1. En la Figura 4D se presentan ejemplos representativos de IRT de las imágenes de un participante, incluida la línea de base (Figura 4A), la carga posterior a los carbohidratos (Figura 4B) y 60 minutos después de la suplementación con cafeína (Figura 4C), con una imagen representativa de la configuración de la cámara. En particular, la Figura 4A-C proporciona una representación visual de los cambios en la temperatura de la fosa supraclavicular (Tscf) después de la intervención; las diferencias de temperatura son particularmente marcadas entre la Figura 4B y la Figura 4C.
En la Figura 5A-C, los resultados de Van Schaik et al. muestran el Tscf (Figura 5A), la temperatura de un punto de referencia (Tref; Figura 5C), y la temperatura del núcleo (Tcore; Figura 5B) desde la línea de base (0 min) hasta la finalización de la recolección de datos (120 min). Los datos muestran una intervención con cafeína en comparación con placebo27. Los resultados descritos en este manuscrito son puramente representativos de este artículo publicado. Además, los datos sobre Tscf no muestran un efecto de grupo. Las estadísticas se pueden encontrar en los datos suplementarios de Van Schaik et al.27.
El marcado aumento de la temperatura supraclavicular coincide con cambios en la utilización del sustrato y una rápida disminución de los niveles de glucosa en sangre después de la intervención, como se muestra en la Figura 6. Estos resultados, combinados con la falta de cambio en la temperatura para las temperaturas Tref y Tcore (Figura 5B, C) son indicativos de termogénesis BAT. Además, a medida que aumenta el gasto energético (Figura 6E), el RER disminuye (Figura 6A), lo que coincide con el aumento de la oxidación de grasas (Figura 6B) después de la intervención.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig01.jpg"> Figura 1: Esquema de medidas con tiempo para completar en cada período de 15 minutos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig02.jpg"> Figura 2: Diagrama de flujo del diseño del estudio. Proceso experimental. Cuadrado negro = tiempo de carga de carbohidratos; círculo negro = tiempo de intervención. Abreviaturas: IRT = termografía infrarroja; BGL = niveles de glucosa en sangre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig02large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig03.jpg"> Figura 3: Imágenes representativas del protocolo. (A) Configuración sin la presencia del participante; B) reunión de datos de los participantes al inicio del estudio; (C) computadora de calorimetría indirecta; (D) participante que consume la carga de carbohidratos después de las medidas de referencia. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig03large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig04.jpg"> Figura 4: Ejemplos representativos de la IRT y la configuración de la cámara. Imágenes térmicas de un participante, en (A) línea de base, (B) carga posterior a carbohidratos, y (C) 60 minutos después de la intervención de cafeína, con (D) una imagen representativa de la configuración de la cámara. Abreviatura: IRT = termografía infrarroja. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig04large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig05.jpg"> Figura 5: Efectos de la intervención sobre las medidas de temperatura. Cambios de temperatura bruta basal de (A) Tscf, (B) Tcore y (C) Tref en participantes después de una carga de carbohidratos (punto de tiempo = 0) y la administración de una intervención con cafeína o una cápsula de placebo (tiempo = 45 min a 120 min)27. Esta cifra es modificada de Van Schaik et al.27. (A-C) Recuadro gris claro 1 = tiempo de carga de carbohidratos; casilla 2 = preintervención; recuadro gris oscuro 3 = posterior a la intervención; círculos azules = intervención con cafeína; Triángulos negros = intervención placebo. Los datos se expresan de mínimo a máximo, con todos los puntos mostrados en los diagramas de caja y bigotes. La varianza se expresa como media ± DE, n = 8 por intervención; * representa el efecto de interacción de la cafeína (*p < 0,05). Los valores de los datos se analizaron mediante un análisis de varianza de tres vías de medidas repetidas. Abreviaturas: Tscf = temperatura en la fosa supraclavicular; Tcore = temperatura central; Tref = punto de referencia de control. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig05large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64451/64451fig06.jpg"> Figura 6: Efectos de la intervención sobre las medidas metabólicas. Cambios en (A) RER, (B) la tasa de oxidación de grasas, (C) la tasa de oxidación de carbohidratos, (D) los niveles de glucosa en sangre y (E) el gasto de energía en los participantes después de una carga de carbohidratos (tiempo = 0) y la administración de una cápsula de cafeína o una cápsula de placebo (tiempo = 45 min a 120 min). Recuadro gris claro 1 = tiempo de carga de carbohidratos; recuadro 2= preintervención; recuadro gris oscuro 3 = posterior a la intervención; círculos azules = intervención con cafeína; Triángulos negros = intervención placebo. Los datos se expresan de mínimo a máximo, con todos los puntos mostrados en los diagramas de caja y bigotes. E) Antes y después de la administración de las intervenciones; barra gris = intervención placebo; barra azul = intervención con cafeína. La varianza se expresa como media ± DE, n = 8 por intervención; * representa el efecto de interacción de la cafeína (*p < 0,05). Los valores de los datos se analizaron mediante un análisis de varianza de tres vías de medidas repetidas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64451/64451fig06large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td></td>
			<td>Todos los participantes</td>
		</tr><tr><td>n</td>
			<td>8</td>
		</tr><tr><td>Edad, años</td>
			<td>22 ± 2</td>
		</tr><tr><td>Altura, cm</td>
			<td>176 ± 5</td>
		</tr><tr><td>Peso, kg</td>
			<td>74 ± 8</td>
		</tr><tr><td>IMC, kg/m2 </td>
			<td>23 ± 2</td>
		</tr><tr><td>Grasa corporal, %</td>
			<td>20 ± 8</td>
		</tr></tbody></table>Tabla 1: Datos demográficos de los participantes. Los valores son medias ± DE, a menos que se indique lo contrario. Esta tabla es de Van Schaik et al.27.

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

Aquí, presentamos un protocolo para cuantificar la importancia fisiológica del impacto de la actividad del tejido adiposo marrón (BAT) en el metabolismo humano. Esto se logra combinando la carga de carbohidratos y la calorimetría indirecta con mediciones de cambios supraclaviculares en la temperatura. Este nuevo enfoque puede ayudar a desarrollar un objetivo farmacológico para la termogénesis BAT en humanos.

Uso de una combinación de calorimetría indirecta, termografía infrarroja y niveles de glucosa en sangre para medir la termogénesis del tejido adiposo marrón en humanos

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

Este protocolo cuantifica la importancia fisiológica de la actividad del tejido adiposo marrón humano mediante la combinación de la carga de carbohidratos con calorimetría indirecta y cambios en la temperatura supraclavicular. Este protocolo no expone a los participantes a la radiación ionizante. Detecta cambios en la temperatura supraclavicular medida, combinada con la temperatura central y la temperatura de una región de referencia.El día del estudio, comience midiendo la altura y el peso de los participantes. Pida a los participantes que se acuesten sobre un pedestal. Después de 30 minutos, registre sus parámetros de referencia.Después de esto, permita que los participantes consuman tres ejercicios de carbohidratos de 90 gramos cada uno entre cero y 15 minutos. Después de 45 minutos después de la carga de carbohidratos, permita que los participantes ingieran los 100 miligramos de cápsulas de tratamiento con cafeína. Para realizar calorimetría indirecta, utilice un analizador de gases respiratorios calibrado.Coloque la máscara de silicona esterilizada en frío equipada con una válvula preesterilizada sin rerespiración en el participante para suministrar aire a la habitación. Fíjelo en la cara del participante con un accesorio de malla y verifique si hay fugas. Asegúrese de que los tubos inspiratorios y espiratorios estén conectados.Después de tomar muestras de los gases expirados, retire la máscara para completar las mediciones adicionales y medir las tasas de oxidación del sustrato como se describe en el manuscrito de texto. Después de cada ronda de mediciones de gases vencidos, use un glucómetro para medir los niveles de glucosa en la sangre. Dirija un termómetro sin contacto hacia el centro de la frente del participante.Para realizar la termografía infrarroja, haga que los participantes se sienten en posición vertical mirando hacia adelante con la región del cuello al pecho expuesta. Coloque la cámara termográfica en un trípode a la altura del cuello, a un metro de la cara del sujeto. Después de encender la cámara, ajuste el enfoque girando el anillo de enfoque.Apunte un puntero láser a la línea media del cuello del participante. Y haga clic en una imagen. Para analizar las imágenes infrarrojas, evalúe las temperaturas superficiales de la región del tórax que contiene tejido adiposo marrón colocando regiones triangulares de interés en la fosa supraclavicular y una región circular de interés en el esternón.Considere el área esternal como el punto de referencia de control, ya que esta área no contiene tejido adiposo marrón. Una vez que las regiones han sido cruzadas, obtenga la desviación promedio y estándar de la temperatura para cada región utilizando el software. Los efectos de la intervención de la cafeína en las medidas de temperatura del núcleo y la región de la fosa supraclavicular son indicativos de termogénesis del tejido adiposo marrón.La intervención mostró un efecto marcado en las medidas metabólicas con el aumento de la temperatura supraclavicular y la rápida disminución de los niveles de glucosa en sangre. Estos hallazgos, combinados con la falta de cambios de temperatura en el núcleo y la temperatura de la región de referencia, indican termogénesis del tejido adiposo marrón. El aumento del gasto de energía resultó en una disminución de la relación de intercambio respiratorio y, casualmente, un aumento de la oxidación de las grasas.Es importante asegurarse de que la habitación se mantenga a una temperatura estable; la máscara de silicona esté bien ajustada y la cámara termográfica esté a la altura del cuello, al menos a un metro de distancia del participante. Sería aconsejable medir los marcadores sanguíneos de insulina. El rápido retorno de los niveles de glucosa en sangre después de la intervención sugiere que la intervención en sí misma puede haber mejorado la señalización de la insulina.Esta técnica permite el análisis de medidas repetidas. Esto es algo que no se puede hacer con los estudios de imágenes PET. La medida en que los ingredientes dietéticos y los agentes farmacológicos pueden afectar la actividad del tejido adiposo marrón en humanos ahora se puede evaluar de una manera segura y accesible.

Research

JoVE Journal

Medicine

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

Cariotipo espectral para el Estudio de anomalías cromosómicas en humanos y ratones con la enfermedad renal poliquística

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

Investigación

Medicina

Cerenkov Luminescence Imaging of Interscapular Brown Adipose Tissue

Cerenkov Luminiscencia Imaging de interescapular tejido adiposo marrón

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

Depósitos de tejido adiposo humano Marrón segmentada automáticamente por Tomografía por Emisión de Positrones / Tomografía Computada y Resonancia Registrado Imágenes Magnéticas

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

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

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