Dépôts de tissus humains adipeux brun segmentés automatiquement par tomographie par émission de positons / informatisée et la résonance magnétique images enregistrées
Summary
La méthode présentée ici utilise 18 F-fluorodésoxyglucose (18 F-FDG) par émission de positons / tomodensitométrie (TEP-TDM) et l'imagerie graisse eau séparée résonance magnétique (IRM), chaque numérisé suivante 2 exposition h à thermoneutre (24 ° C ) et froid (17 ° C) dans le but de cartographier le tissu adipeux brun (BAT) chez des sujets humains adultes.
Abstract
Fiable différencier le tissu adipeux brun (BAT) d'autres tissus en utilisant une méthode d'imagerie non-invasive est une étape importante vers l'étude BAT chez les humains. Détecter BAT est généralement confirmée par l'absorption du traceur radioactif injecté 18 F-fluorodésoxyglucose (18F-FDG) dans les dépôts de tissus adipeux, telle que mesurée par tomographie par émission de positons / tomodensitométrie (TEP-TDM) après l'exposition du sujet à un stimulus froid . Imagerie Fat-eau séparé par résonance magnétique (IRM) a la capacité de distinguer BAT sans l'utilisation d'un traceur radioactif. À ce jour, l'IRM des MTD dans l'homme adulte n'a pas été co-enregistré avec le PET-CT froid activé. Par conséquent, ce protocole utilise 18 scans F-FDG PET-CT pour générer automatiquement un masque de BAT, qui est ensuite appliqué à co-enregistrées IRM du même sujet. Cette approche permet de mesurer les propriétés d'IRM quantitatives de BAT sans segmentation manuelle. masques de MTD sont créés à partir de deux PEScans CT-T: après une exposition de 2 h soit thermoneutre (TN) (24 ° C) ou à froid activé (CA) (17 ° C). Les TN et CA PET-CT scans sont enregistrés, et les valeurs d'absorption PET standard et CT Hounsfield sont utilisés pour créer un masque ne contenant que BAT. CA et TN IRM sont également acquis sur le même sujet et enregistrés aux TEP-CT afin d'établir propriétés quantitatives d'IRM dans le masque de BAT défini automatiquement. Un avantage de cette approche est que la segmentation est entièrement automatisé et est basée sur des méthodes largement acceptées pour l'identification des MTD activé (PET-CT). Les propriétés d'IRM quantitatives de BAT établies en utilisant ce protocole peut servir de base pour une IRM seul examen de BAT qui évite le rayonnement associé à PET-CT.
Introduction
En raison de la hausse marquée de l'obésité dans le monde entier, il ya un intérêt accru dans les zones de recherche visant à comprendre l'équilibre énergétique. L'obésité peut entraîner des conditions médicales coûteuses et dévastatrices telles que le diabète, les maladies du foie, les maladies cardiovasculaires et le cancer, qui en fait une source de préoccupation importante pour la santé publique 1. Un domaine de recherche visant à comprendre l'équilibre de l'apport énergétique par rapport dépense énergétique est l'étude du tissu adipeux brun ou BAT. Bien appelle un tissu adipeux, BAT diffère du tissu adipeux blanc plus commun (WAT) à bien des égards 2. La fonction des adipocytes blancs est de stocker des triglycérides dans une seule grande vacuole lipidique par cellule, et de libérer ces triglycérides comme source d'énergie dans le flux sanguin en cas de besoin. D'une manière très différente, la fonction des adipocytes bruns est de produire de la chaleur. Un mécanisme par lequel cela se produit est l'exposition au froid. Cela provoque une augmentation de la sympathetic activité du système nerveux, qui à son tour active BAT. Lorsqu'il est activé, les adipocytes bruns génèrent de la chaleur. Pour ce faire, ils utilisent les triglycérides contenus dans les nombreuses petites vacuoles lipidiques par cellule, et par la présence de la protéine de découplage 1 (UCP1) dans les mitochondries abondante, convertissent les triglycérides à des substrats métaboliques sans la production d'ATP, résultant en une perte de entropique que la génération de chaleur. Les triglycérides stockés dans les petites vacuoles de lipides sont épuisées, l'adipocyte prend à la fois du glucose et des triglycérides présents dans le courant sanguin 3.
Intérêt pour l'étude BAT a considérablement augmenté au cours des dernières années en raison de sa contribution à la non-frissons thermogenèse, son rôle dans la modulation de la dépense énergétique de l'organisme, et la relation inverse potentiel entre BAT et l'obésité 3-9. En outre, des études animales récentes indiquent BAT joue un rôle essentiel dans les triglycérides et de glucose de compensation fepuis le sang, en particulier après l'ingestion d'un repas riche en graisses 10,11. Cependant, la plupart de ce que nous savons à propos de BAT est le résultat de la recherche chez les petits mammifères, qui contiennent de nombreux dépôts de BAT 4,9,12 – 15. Malgré quelques études au début de 16 à 18, la présence de BAT chez l'homme a été largement pensé pour diminuer avec l'âge, jusqu'à récemment, où l'intérêt pour l'étude de BAT humaine a été renouvelé. Des recherches récentes suggèrent que des quantités relativement faibles de BAT persistent à l'âge adulte de 19 à 24. Un facteur limitant supplémentaire pour étudier BAT est qu'en dehors de biopsie et coloration histologique, la méthode actuellement acceptée sans équivoque pour détecter BAT est de 18 F-fluorodésoxyglucose (18 F-FDG) la tomographie par émission de positons (PET). Scanners TEP modernes sont généralement combinés avec un scanner tomodensitométrie (TDM). Lorsqu'il est activé par l'exposition au froid, BAT reprend le 18 </sinscrire> radiotraceur F-FDG, qui est un analogue du métabolisme du glucose, et devient visible sur les images en PET, par rapport au niveau beaucoup plus faible de 18 F-FDG lorsque BAT est 20,21,23,25 inactive. CT images acquises lors d'un examen de PET sur un PET-CT scanner aider à différencier entre les tissus à haute 18 F-FDG en fournissant des informations anatomiques. Cette utilisation de l'imagerie PET-CT expose le sujet à des rayonnements ionisants (principalement à partir de PET, si la dose du scanner ne est pas négligeable), et est donc une méthode souhaitable pour la détection de BAT.
Bien que le nombre d'études sur les MTD chez les humains adultes en bonne santé augmente, des études récentes de BAT humaine ont été principalement limité à rétrospective PET-CT études de 19,25, les cadavres de nourrissons humains 26,27, les adolescents humains qui ont déjà été admis à l'hôpital pour d'autres raisons 27 à 30, et quelques études humaines des adultes en bonne santé31-35. Un des défis avec les deux études des enfants et des études rétrospectives est la possibilité de résultats modifiés lorsque l'on étudie une population de patients qui est malade, ce qui peut affecter BAT. En outre, parce que le glucose ne est pas la source des MTD 36 de carburant préféré, études de PET ne peuvent pas toujours détecter BAT activé, et peuvent donc sous-représenter la présence de BAT. Une autre difficulté dans l'étude de BAT avec l'imagerie biomédicale est lié à exécuter la segmentation d'image pour définir les limites de dépôts de tissus. Actuellement, la segmentation des MTD dans les études humaines se appuie souvent sur un certain degré de segmentation d'image manuelle et est donc vulnérable à une mauvaise identification des dépôts de MTD, ainsi que la variabilité inter-évaluateur.
En raison de ces défis, les techniques de cartographie spatiale fiables qui peuvent distinguer BAT des distributions de WAT, ainsi que des méthodes de segmentation automatique, permettraient aux enquêteurs une nouvelle et puissante àol avec lequel pour étudier BAT. Imagerie par résonance magnétique (IRM) a la capacité pour l'identification, la cartographie spatiale, et la quantification volumétrique des MTD, et contrairement aux approches d'imagerie existants hybrides PET-CT qui comprennent une dose radioactive pour le sujet imagé, IRM implique pas de rayonnement ionisant et peut être utilisé en toute sécurité et de manière répétée. La capacité d'identifier et de quantifier les MTD en utilisant l'IRM peut avoir un impact positif considérable sur l'endocrinologie clinique et la recherche de nouvelles avenues de recherche sur l'obésité. Eau-graisse précédente IRM (FWMRI) des études de BAT dans les deux souris et les humains montrent que la graisse signal-fraction (FSF) des MTD est de l'ordre de 40 à 80% de matières grasses, alors que WAT est supérieure à 90% de matières grasses 15,26 , 27. Nous émettons l'hypothèse donc que cette quantitative FWMRI métrique, en conjonction avec d'autres mesures quantitatives d'IRM, peut être utilisé dans les travaux futurs de visualiser et de quantifier les dépôts de MTD chez les humains. Cela permettrait à la communauté de la recherche d'un outil puissant pour étudier l'influence de BAT sur rencontréabolism et la dépense énergétique sans l'utilisation des rayonnements ionisants.
Notre groupe de recherche a étudié BAT chez les humains adultes pour les trois dernières années. Notre première présentation publique sur l'utilisation de l'IRM pour étudier soupçonnée MTD dans un adulte sujet humain a eu lieu en Février 2012 à la Société internationale pour la résonance magnétique en médecine (ISMRM) Séparation Fat-eau Atelier à Long Beach, en Californie 37. Deux mois plus tard, notre groupe a présenté des valeurs de la FSF en cas de suspicion MTD dans deux adultes à la 20 e réunion annuelle de la ISMRM en Avril 2012 à Melbourne, en Australie 38. Un an plus tard à la 21 e réunion annuelle de la ISMRM en Avril 2013 à Salt Lake City, Utah, le protocole décrit dans ce manuscrit a été utilisé pour la première (au meilleur de notre connaissance) présentation publique de l'IRM quantification de PET confirmés MTD dans un adulte humain soumet 39. Plus précisément, nous avons présenté des preuves montrant que le previously soupçonnée BAT a été confirmé comme MTD activable utilisant à la fois l'imagerie 18 F-FDG PET-CT froid activé et thermoneutre. Depuis 2013, notre cohorte d'adultes sujets humains sains imagée avec l'IRM et TEP / CT dans des conditions thermiquement neutres et froides activé a étendu à plus de 20 sujets avec des résultats présentés plus récemment en Février 2014 lors de l'atelier "Découverte du rôle de Brown Fat chez les humains », parrainé par le NIH NIDDK 40. Plus précisément, nous avons signalé FWMRI FSF et R 2 * propriétés de relaxation dans les régions de BAT-claviculaire confirmées par 18 F-FDG PET-CT chez les humains adultes, avec les ROI MTD délimitées en utilisant des algorithmes de segmentation automatique en fonction de la TEP-TDM froid activé et thermoneutre scans. Plus récemment, nous avons présenté les résultats de la cartographie de la température à 18 F-FDG PET-CT confirmé BAT chez les humains adultes en utilisant avancée FWMRI thermométrie 41,42.
La procédure présentée ici acquérirs l'IRM et 18 scans F-FDG PET-CT sur le même sujet, chacun après l'exposition à deux conditions froides activées et thermoneutres. Les 18 analyses F-FDG PET-CT froid activé et thermoneutres sont utilisés pour créer des régions segmentées automatiquement MTD d'intérêt (ROI), sur une base spécifique de sujet. Ces ROI MTD sont ensuite appliqués aux IRM co-enregistré pour mesurer les propriétés IRM dans le PET-CT confirmé BAT.
Une limitation de ce protocole est que la température de l'air utilisé lors de l'exposition des sujets soit le stimulus chaud ou froid est conforme pour chaque sujet. Ce est une limitation, car la température à laquelle chacune des expériences soumises sensation de chaleur ou réfrigéré peut être différente. Par conséquent, en exécutant une session d'essai pendant laquelle la température de l'air est ajustée à la réponse de l'individu, puis en utilisant ces températures pendant les protocoles thermoneutres et froid activation, il pourrait être possible d'obtenir de meilleures réponsesà partir du tissu adipeux brun.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole d'étude décrit est conçu pour utiliser à la fois thermoneutre et à froid activé PET / CT automatiquement segments MTD dépôts sur une base spécifique de sujet. Ces régions générés automatiquement d'intérêt peuvent ensuite être appliquées aux deux IRM thermoneutres et à froid activé qui ont été co-inscrits aux TEP / CT du même sujet. Au meilleur de notre connaissance, ce est la première recherche pour effectuer l'IRM et TEP / CT après conditions thermiquement et à froid ac…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank the Vanderbilt University Institute of Imaging Science MRI technologists David Pennell, Leslie McIntosh, and Kristen George-Durrett, and the team of Vanderbilt University Medical Center PET/CT technologists led by Martha D. Shone. This work was supported by the following grants from the NIH: NCATS/NIH UL1 RR024975, NIDDK/NIH R21DK096282, NCI/NIH R25CA136440, and NIBIB/NIH T32EB014841.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number |
| MRI | Philips | Achieva 3T |
| MRI Torso-XL coil | Philips | Philips SENSE XL Torso coil 16-elements |
| MRI X-tend Table | X-Tend | X-tend table, Acieva 3T compatible |
| X-tend armsupport | X-Tend | X-tend, accessories |
| X-tend fabricsling | X-Tend | X-tend, accessories |
| PET/CT | GE | Discovery STE |
| Portable A/C Unit | Soleus Air | XL-140, 14000 BTU |
| Floor fan | Lasko Pedestal Fan | 2527 |
| Portable Heater | Lasko Ceramic Air | 5536 |
| Chair | Winco Lifecare Recliner | 585 |
| Sublingual Thermometer | WelchAllyn | SureTemp Plus 690 |
| Cold vest | Polar Products | Cool58 #PCVZ |
| Thermal IR Camera | FLUKE | TIR-125 |
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