Menschen braunes Fettgewebe Depots automatisch durch Positronenemissionstomographie / Computertomographie Segmentierte und Registrierte Magnetic Resonance Images
Summary
Das hier vorgestellte Verfahren verwendet 18 F-Fluorodeoxyglucose (18 F-FDG), Positronenemissionstomographie / Computertomographie (PET-CT) und Fett-Wasser getrennt, Magnetresonanztomographie (MRI), die jeweils folgende 2 h Einwirkung thermo (24 ° C gescannt ) und kalten Bedingungen (17 ° C), um braune Fettgewebe (BAT) bei erwachsenen menschlichen Patienten abzubilden.
Abstract
Zuverlässig differen braunen Fettgewebe (BAT) aus anderen Geweben mit Hilfe eines nicht-invasiven bildgebenden Verfahren ist ein wichtiger Schritt in Richtung Studium BAT beim Menschen. Erfassen BAT wird typischerweise durch die Aufnahme der injizierten radioaktiven Tracer 18 F-Fluorodeoxyglucose (18 F-FDG) in Fettgewebe Depots bestätigt, wie durch Positronenemissionstomographie / Computertomographie (PET-CT) nach Aussetzen der Gegenstand Kältereiz gemessen . Fett-Wasser getrennt Magnetresonanzbildgebung (MRI) hat die Fähigkeit, BAT, ohne die Verwendung einer radioaktiven Tracer unterscheiden. Bisher MRI von BVT bei erwachsenen Menschen wurde nicht mit Kalt aktiviert PET-CT zusammen registriert. Daher wird in diesem Protokoll 18 F-FDG-PET-CT-Scans, um ein BAT-Maske, die dann zu kooperieren registriert MRI-Scans des gleichen Themas angewendet automatisch zu generieren. Dieser Ansatz ermöglicht die Messung von quantitativen MRT Eigenschaften BAT ohne manuelle Segmentierung. BAT Masken werden aus zwei PE geschaffenT-CT-Scans: nach der Belichtung für 2 h auf entweder thermo (TN) (24 ° C) oder Kälteaktivierte (CA) (17 ° C) Bedingungen. Die TN und CA PET-CT-Scans sind eingetragene und die PET standardisierte Aufnahme und CT Hounsfield-Werte werden verwendet, um eine Maske, die nur BAT erstellen. CA und TN MRI-Scans werden auch zu diesem Thema erworben und an die PET-CT-Scans, um quantitative MRI Eigenschaften innerhalb der automatisch definierten BVT Maske herzustellen registriert. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Segmentierung ist vollständig automatisiert und wird weithin akzeptierte Verfahren zur Identifizierung der aktivierten BAT (PET-CT) bezogen. Die quantitativen MRT Eigenschaften BAT gegründet mit diesem Protokoll als Grundlage für eine MRT-Untersuchung nur BAT, die die mit PET-CT verbundenen Strahlung vermeidet dienen.
Introduction
Aufgrund der deutlichen Zunahme der Fettleibigkeit weltweit, gibt es ein erhöhtes Interesse an Forschungsbereichen zu verstehen Energiebilanz abzielen. Übergewicht kann zu kostspieligen und verheerende Krankheiten wie Diabetes, Lebererkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs führen, so dass es ein wesentlicher Bereich des Schutzes der öffentlichen Gesundheit ein. Ein Bereich, der Forschung auf das Verständnis der Bilanz von Energieaufnahme im Vergleich zu Energieverbrauch ausgerichtet ist die Lehre von braunem Fettgewebe oder BAT. Obwohl ein Fettgewebe bezeichnet, unterscheidet sich von der BAT häufiger weißen Fettgewebe (WAT) in vielerlei Hinsicht 2. Die Funktion der weißen Fettzellen zu Triglyceriden in einem einzigen großen Lipid Vakuole pro Zelle zu speichern, und um diese Triglyceriden als Energiequelle in den Blutstrom freizusetzen, wenn nötig. In einer ganz anderen Art und Weise, ist die Funktion der braunen Fettzellen, um Wärme zu erzeugen. Ein Mechanismus, durch den dies geschieht, ist durch Einwirkung von Kälte. Dies bewirkt eine Erhöhung sympathetic Aktivität des Nervensystems, die wiederum aktiviert BAT. Wenn aktiviert, braune Fettzellen erzeugen Wärme. Dazu verwenden sie die in den vielen kleinen Lipidvakuolen pro Zelle enthalten Triglyceride, und durch die Anwesenheit von Abkoppeln Protein 1 (UCP1) in der reichlich Mitochondrien, wandeln die Triglyceride zu metabolischen Substrate ohne die Produktion von ATP, was zu entropischen Verlust wie Wärmeerzeugung. Da die in den kleinen Lipidvakuolen gespeicherten Triglyzeride erschöpft sind, nimmt der Adipozyten-up sowohl Glucose und Triglyceride im Blut 3 vorhanden.
9 – Interesse an einem Studium BAT hat sich in den letzten Jahren durch ihren Beitrag zur Nicht Schüttelfrost Thermogenese, seine Rolle bei der Modulation der Energieumsatz des Körpers, und das Potenzial inverse Beziehung zwischen BAT und Adipositas 3 erhöht. Zusätzlich tierexperimentell anzuzeigen BAT spielt eine kritische Rolle bei der Klärung Triglyceride und Glukose from den Blutkreislauf, vor allem nach Einnahme einer fettreichen Mahlzeit 10,11. Allerdings ist das meiste, was wir über BAT wissen ein Ergebnis der Forschung in kleinen Säugetieren, die viele Depots von BAT 4,9,12 enthalten – 15. Trotz ein paar frühen Studien 16-18 wurde das Vorhandensein von BVT beim Menschen weit verbreitet angenommen, dass mit dem Alter abnehmen, bis vor kurzem, als das Interesse an dem Studium der Human BAT wurde erneuert. Jüngste Untersuchungen legen nahe, dass relativ geringe Mengen an BAT bis ins Erwachsenenalter fortbestehen 19-24. Ein weiterer limitierender Faktor zu studieren BAT ist, dass abgesehen von Biopsie und histologischen Färbung, die derzeit akzeptierte eindeutige Verfahren zum Nachweis von BAT ist 18 F-Fluorodesoxyglukose (18F-FDG) Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Moderne PET-Scanner sind in der Regel mit einer Computertomographie (CT) in Kombination. Wenn durch Kälteeinwirkung aktiviert, nimmt das BAT 18 </sup> F-FDG Radiotracer, die eine Stoffwechselanalog von Glukose ist, und wird auf PET-Bilder zu sehen, im Vergleich zu den viel niedrigeren Niveau von 18 F-FDG-Aufnahme bei BAT inaktiv 20,21,23,25. CT-Aufnahmen während einer PET-Untersuchung auf einem PET-CT-Scanner Hilfe erworben, um zwischen Geweben mit hoher 18 F-FDG-Aufnahme durch anatomische Information zu unterscheiden. Diese Verwendung von PET-CT setzt den Gegenstand gegenüber ionisierender Strahlung (vorwiegend aus PET, obwohl die Dosis aus dem CT-Scan nicht vernachlässigbar ist), und ist daher ein unerwünschter Verfahren zur BAT Detektion.
Obwohl die Zahl der Studien zu BVT bei gesunden erwachsenen Menschen steigt, haben neuere Studien der menschlichen BAT hauptsächlich retrospektiven PET-CT beschränkt studiert 19,25, Menschenkind 26,27 Leichen, menschliche Jugendlichen, die bereits zu den Krankenhäusern für zugelassen sind andere Gründe, 27-30, und einige Studien am Menschen von gesunden Erwachsenen31-35. Eine der Herausforderungen, mit beiden Studien von Kindern und retrospektiven Studien ist die Möglichkeit, veränderte Ergebnisse bei der Untersuchung einer Patientenpopulation, der krank ist, die BAT beeinflussen können. Darüber hinaus, da Glukose ist nicht die bevorzugte Energiequelle der BAT 36, PET-Studien nicht immer aktiviert BAT erkennen, und können daher das Vorhandensein von BAT underrepresent. Eine weitere Schwierigkeit bei der Untersuchung BAT mit der biomedizinischen Bildgebung führt man die Bildsegmentierung, die Grenzen der Gewebedepots bezogen ist. Derzeit Segmentierung von BAT in Studien am Menschen stützt sich oft auf ein gewisses Maß an manueller Bildsegmentierung und ist daher anfällig für Fehlidentifizierung des BAT-Depots sowie Inter-Rater Variabilität.
Aufgrund dieser Herausforderungen, zuverlässige räumliche Abbildungsverfahren, die BAT von WAT-Distributionen unterscheiden kann, zusammen mit automatisierter Segmentierungsverfahren würde Ermittler mit einer leistungsfähigen neuen zur Verfügung zu stellenol, mit der BVT zu studieren. Magnetresonanzbildgebung (MRI) hat die Fähigkeit zur Identifizierung, räumliche Zuordnung und volumetrischen Quantifizierung BAT, und im Gegensatz bestehenden Hybrid PET-CT Ansätze, die eine radioaktive Dosis für die abgebildeten Subjektes umfassen, MRI beinhaltet keine ionisierende Strahlung und kann sicher verwendet werden und immer wieder. Die Fähigkeit zur Identifizierung und Quantifizierung von BAT mit MRT kann eine dramatische positive Auswirkungen auf die klinische Endokrinologie und das Streben nach neuen Wegen der Adipositas Forschung haben. Vorherige Fett-Wasser-MRI (FWMRI) Studium der BAT in beiden Mäusen und Menschen zeigen, dass die Fett-Signal-Fraktion (FSF) der BAT ist im Bereich von 40 bis 80% Fett, während WAT ist mehr als 90% Fett 15,26 , 27. Deshalb haben wir die Hypothese auf, dass diese quantitative FWMRI metrisch, in Verbindung mit anderen quantitativen MRT-Metriken können in die künftige Arbeit zur Visualisierung und Quantifizierung von BAT-Depots in den Menschen werden. Dies würde die Forschungsgemeinschaft ein leistungsfähiges Werkzeug, mit dem BAT Einfluss studieren bieten auf getroffenabolism und Energieaufwand, ohne die Verwendung von ionisierender Strahlung.
Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit BAT bei erwachsenen Menschen in den vergangenen drei Jahren. Unser erster öffentlicher Vortrag über den Einsatz der MRT zu vermuten BAT in einem erwachsenen menschlichen Patienten zu untersuchen trat im Februar 2012 an der International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) Fett-Wasser-Trennung Workshop in Long Beach, Kalifornien 37. Zwei Monate später, stellte unsere Gruppe FSF Werte in Verdacht BAT in zwei Erwachsene an der 20. Jahrestagung der ISMRM im April 2012 in Melbourne, Australien 38. Ein Jahr später am 21. Jahrestreffen der ISMRM im April 2013 in Salt Lake City, Utah, wurde die in diesem Manuskript beschriebenen Protokoll für die erste (nach bestem Wissen) öffentliche Präsentation der MRT Quantifizierung von PET-Bestätigung verwendet BAT bei erwachsenen menschlichen Patienten 39. Genauer gesagt, haben wir Beweise dafür, dass der previously Verdacht BAT wurde bestätigt, dass aktivierbare BVT sowohl mit Kalt aktiviert und thermo 18 F-FDG-PET-CT. Seit 2013, unsere Gruppe von gesunden erwachsenen Versuchspersonen mit beiden MRT und PET / CT unter thermoneutralen und kalt aktiviert Bedingungen abgebildet ist auf mehr als 20 Patienten mit Ergebnissen zuletzt im Februar 2014 auf dem Workshop vorgestellt "erweitert Erforschung der Rolle von Brown Fat beim Menschen "durch die NIH NIDDK 40 gefördert. Insbesondere berichteten wir FWMRI FSF und R 2 * Erholung Immobilien in Regionen supraklavikulären BAT durch 18 F-FDG-PET-CT bei erwachsenen Menschen bestätigt, mit den BAT ROIs abgegrenzt mittels automatisierter Segmentierungsalgorithmen auf Basis der Kalt aktiviert und thermo PET-CT Scans. In jüngster Zeit haben wir Ergebnisse von Temperatur Mapping in 18 F-FDG-PET-CT bestätigte BAT bei erwachsenen Menschen mit Hilfe modernster FWMRI Thermometrie 41,42.
Die hier vorgestellten Verfahren zu erwerbens sowohl MRT und 18 F-FDG-PET-CT-Untersuchungen zu diesem Thema, die jeweils nach der Einwirkung von sowohl kalt aktiviert und unter thermoneutralen Bedingungen. Die kalt aktiviert und thermo 18 F-FDG-PET-CT-Scans werden verwendet, um automatisch segmentiert BAT Bereichen (ROIs), zu einem Thema spezifisch erstellen. Diese BVT-ROIs werden dann auf die Zusammenarbeit registriert MRI-Scans zur Messung der MRI Eigenschaften im PET-CT bestätigte BVT angewandt.
Eine Einschränkung dieses Protokolls ist, dass die Lufttemperatur verwendet bei der Belichtung Themen entweder an die Warm- oder Kaltreiz ist konsistent für jedes Thema. Dies ist eine Einschränkung, weil die Temperatur, bei der jeder Gegenstand Erfahrungen Wärmegefühl oder gekühlt können unterschiedlich sein. Daher kann durch Ausführen eines Testsitzung, während der die Lufttemperatur eingestellt wird, um die individuelle Reaktion zu passen und dann mit diesen Temperaturen in den thermo und kaltAktivierungsProtokolle, es möglich sein könnte, um eine bessere Reaktion zu erhalten,aus dem braunen Fettgewebe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die beschriebene Studienprotokoll wurde entwickelt, um sowohl thermo und kalt aktiviert PET / CT zu verwenden, um automatisch Segment BAT Depots zu einem Thema spezifisch. Diese automatisch generierten interessierende Bereiche können dann auf beiden thermo und kalt aktiviert MRI-Scans, die bereits an die PET / CT-Abtastungen des gleichen Themas koregistrierten angewendet werden. Nach dem heutigen Stand unseres Wissens ist dies die erste Forschung, sowohl MRT und PET / CT nach thermo und kalt aktiviert Bedingungen auf d…
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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