Brown Human Tissue adiposo Depots automaticamente segmentada por Positron Emission Tomography / Tomografia Computadorizada e registrado ressonância magnética

Summary

O método aqui apresentado utiliza ¹⁸ F-Fluorodeoxyglucose ⁽¹⁸ F-FDG) tomografia por emissão de pósitrons / tomografia computadorizada (PET-CT) e água gordura separada ressonância magnética (MRI), cada digitalizada seguinte 2 exposição hr para termoneutro (24 ° C ) e condições de frio (17 ° C), a fim de mapear tecido adiposo castanho (BAT) em seres humanos adultos.

Abstract

Reliably diferenciação entre tecido adiposo marrom (BAT) de outros tecidos utilizando um método de imagem não-invasivo é um passo importante para estudar BAT em seres humanos. Detectando BAT é tipicamente confirmada pela captação do marcador radioativo injetado ¹⁸ F-Fluorodeoxyglucose ⁽¹⁸ F-FDG) em depósitos de tecido adiposo, medida pela tomografia por emissão de pósitrons / tomografia computadorizada (PET-CT) scans depois de expor o assunto ao estímulo frio . -Água gordura separada ressonância magnética (MRI) tem a capacidade de distinguir MTD sem a utilização de um marcador radioactivo. Até à data, a RM de BAT em humanos adultos não tem sido co-registradas com frio ativado PET-CT. Portanto, este protocolo utiliza ¹⁸ scans F-FDG PET-CT para gerar automaticamente uma máscara BAT, que é então aplicada a co-registrada exames de ressonância magnética do mesmo assunto. Esta abordagem permite a medição de propriedades de ressonância magnética quantitativos da BAT sem segmentação manual. Máscaras MTD são criados a partir de dois PEScans t-CT: após exposição durante 2 h, quer termicamente neutro (TN) (24 ° C) ou a frio activado (AC) (17 ° C) condições. Os TN e CA PET-CT scans são registrados, e os valores de PET captação padronizado e CT Hounsfield são usados ​​para criar uma máscara contendo apenas BAT. CA e TN ressonância magnética também são adquiridos sobre o mesmo assunto e registrado para os exames PET-CT, a fim de estabelecer as propriedades de ressonância magnética quantitativas dentro da máscara BAT automaticamente definida. Uma vantagem dessa abordagem é que a segmentação é totalmente automatizado e é baseado em métodos aceitos para identificação de BAT ativado (PET-CT). As propriedades de ressonância magnética quantitativos da BAT estabelecida utilizando este protocolo pode servir como base para uma ressonância magnética somente exame BAT que evita a radiação associada com PET-CT.

Introduction

Devido ao aumento acentuado da obesidade em todo o mundo, há um aumento do interesse em áreas de pesquisa voltados à compreensão balanço energético. A obesidade pode resultar em condições médicas caras e devastadoras, como a diabetes, doenças do fígado, doenças cardiovasculares e câncer, tornando-se uma área significativa de preocupação para a saúde pública ^1. Uma área de pesquisa tem como objetivo compreender o equilíbrio da ingestão de energia versus gasto energético é o estudo do tecido adiposo marrom ou BAT. Embora denominado um tecido adiposo, BAT difere do tecido branco adiposo mais comum (WAT) em muitos aspectos ^2. A função de adipócitos brancos é armazenar triglicéridos em uma única grande vacúolo lipídico por célula, e para libertar estes triglicerídeos como uma fonte de energia para a corrente sanguínea quando necessário. De uma forma muito diferente, a função de adipócitos castanhos é produzir calor. Um mecanismo pelo qual isso ocorre é através da exposição ao frio. Isto provoca um aumento no sympathetic atividade do sistema nervoso, que por sua vez ativa BAT. Quando activados, os adipócitos castanhos gerar calor. Para isso, eles usam os triglicéridos contidos em muitos vacúolos pequenos lipídicos por célula, e por meio da presença de desacoplamento da proteína 1 (UCP1) na mitocôndria abundante, converter os triglicéridos de substratos metabólicos, sem a produção de ATP, resultando em perda entrópica como a geração de calor. Como os triglicéridos armazenados nos vacúolos pequenos lipídicos estão esgotados, o adipócitos leva-se a glicose e triglicéridos presentes na corrente sanguínea ^3.

O interesse em estudar BAT aumentou dramaticamente nos últimos anos devido à sua contribuição para a termogênese sem calafrios, o seu papel na modulação do gasto energético do corpo, e a relação inversa entre o potencial BAT e obesidade ^3-9. Além disso, estudos recentes em animais indicam BAT desempenha um papel crítico na compensação triglicérides e glicose from na corrente sanguínea, especialmente após a ingestão de uma refeição rica em gordura ^10,11. No entanto, a maior parte do que sabemos sobre BAT é resultado de uma pesquisa em pequenos mamíferos, que contêm muitos depósitos de BAT ^{4,9,12 – 15.} Não obstante alguns estudos iniciais de ^16-18, a presença da BAT em ​​humanos foi amplamente pensado para diminuir com a idade, até recentemente, quando o interesse em estudar BAT humano foi renovado. Pesquisas recentes sugerem que quantidades relativamente pequenas de BAT persistir na idade adulta ^19-24. Um fator limitante adicional para estudar BAT é que além de biópsia e coloração histológica, o método inequívoco atualmente aceito para detectar BAT é ^{de 18} F-fluorodeoxyglucose ⁽¹⁸ F-FDG) a tomografia por emissão de pósitrons (PET). Scanners PET modernos são normalmente combinada com um scanner de tomografia computadorizada (TC). Quando ativado por exposição ao frio, BAT ocupa o ¹⁸ </saté> radiofármaco F-FDG, que é um análogo metabólica de glucose, e torna-se visível em imagens de PET, em comparação com o nível muito mais baixo de ^18F-FDG quando MTD é ^20,21,23,25 inactivo. CT imagens adquiridas durante um exame de PET em um PET-CT do scanner ajuda a diferenciar entre os tecidos com alta ^{de 18} F-FDG, fornecendo informações anatômicas. Este uso de PET-CT imagem expõe o indivíduo a radiação ionizante (predominantemente a partir de PET, embora a dose do TC não é negligenciável), e é, portanto, um método desejável para a detecção de MTD.

Embora o número de estudos sobre BAT em ​​humanos adultos saudáveis ​​está aumentando, estudos recentes de BAT humano principalmente têm sido limitados a retrospectiva PET-CT estuda ^19,25, cadáveres humanos ^26,27 infantis, adolescentes humanos que já foram internados em hospitais para outras razões ^27-30, e alguns estudos em humanos de adultos saudáveis^31-35. Um dos desafios com ambos os estudos das crianças e dos estudos retrospectivos é a possibilidade de resultados alterados quando se estuda uma população paciente que está doente, o que pode afetar BAT. Além disso, porque a glicose não é a fonte de combustível preferido de BAT ^36, estudos de PET pode nem sempre detectar BAT ativado e, portanto, pode sub-representar a presença de BAT. Outra dificuldade em estudar BAT com imagens biomédicas está relacionada com a realização de segmentação de imagem para definir os limites de depósitos de tecido. Atualmente, a segmentação da BAT em estudos humanos muitas vezes se baseia em algum grau de segmentação de imagem manual e é, portanto, vulnerável a erros de identificação de depósitos MTD, bem como a variabilidade inter-observador.

Devido a estes desafios, técnicas de mapeamento espaciais fiáveis ​​que podem distinguir BAT a partir de distribuições Wat, juntamente com métodos de segmentação automatizados, iria fornecer aos investigadores com um novo e poderoso paraol com que estudar BAT. A ressonância magnética (MRI) tem a capacidade de identificação, mapeamento espacial, e quantificação volumétrica de BAT, e ao contrário de abordagens de imagem existentes híbridos PET-CT, que incluem uma dose radioactiva para o assunto com imagens, a RM não envolve radiação ionizante e pode ser usado com segurança e repetidamente. A capacidade de identificar e quantificar BAT usando ressonância magnética pode ter um impacto positivo dramático em endocrinologia clínica e à busca de novos caminhos de pesquisa da obesidade. -Água gordura Anterior RM (FWMRI) estudos de MTD em ratos e em humanos mostram que a gordura-sinal-fracção (FSF) de MTD é na gama de 40-80% de gordura, enquanto que WAT é acima de 90% de gordura ^{15,26 , 27.} Por conseguinte, a hipótese de que esta FWMRI métrica quantitativa, em conjunto com outras métricas quantitativas MRI, pode ser utilizado em trabalhos futuros para visualizar e quantificar depósitos MTD em seres humanos. Isso proporcionaria a comunidade de pesquisa com uma ferramenta poderosa para estudar a influência da BAT em atendidasabolism e gasto de energia sem o uso de radiação ionizante.

Nosso grupo de pesquisa vem estudando BAT em humanos adultos, nos últimos três anos. Nossa primeira apresentação pública sobre o uso de ressonância magnética para investigar suspeitas de BAT no sujeito humano um adulto ocorreu em fevereiro de 2012, a Sociedade Internacional de Ressonância Magnética na Oficina Medicine (ISMRM) Separação Fat-água em Long Beach, California ^37. Dois meses mais tarde, o nosso grupo apresentou valores FSF na suspeita de BAT em ​​dois adultos no ^20º encontro anual da ISMRM em abril de 2012, em Melbourne, Austrália ^38. Um ano depois, no ^21º encontro anual da ISMRM em abril de 2013, em Salt Lake City, Utah, o protocolo descrito neste manuscrito foi utilizado para o primeiro (com o melhor de nosso conhecimento) apresentação pública do MRI quantificação do PET-confirmado BAT no ser humano adulto ³⁹ indivíduos. Especificamente, apresentou provas de que o previously suspeita BAT foi confirmado para ser BAT activatable usando tanto frio ativado e thermoneutral imaging ¹⁸ F-FDG PET-CT. Desde 2013, o nosso grupo de seres humanos adultos saudáveis ​​fotografada com tanto ressonância magnética e PET / CT em conforto térmico e frio ativado se expandiu para mais de 20 indivíduos com resultados mais recentemente apresentado em Fevereiro de 2014, o workshop "Explorando o papel da gordura Brown em seres humanos ", patrocinado pelo NIH NIDDK ^40. Especificamente, nós informamos FWMRI FSF e _R2 * propriedades de relaxamento nas regiões de BAT supraclavicular confirmados por ¹⁸ F-FDG PET-CT em humanos adultos, com as ROIs MTD delineado usando algoritmos de segmentação automatizados com base no frio ativado e thermoneutral PET-CT scans. Mais recentemente, apresentou os resultados de mapeamento de temperatura em ¹⁸ F-FDG PET-CT confirmado BAT em ​​humanos adultos que usam avançado FWMRI termometria ^41,42.

O procedimento aqui apresentado adquirirs tanto MRI e ¹⁸ F-FDG PET-CT scans sobre o mesmo assunto, cada um após a exposição a ambas as condições frias ativados e termoneutras. Os ¹⁸ scans F-FDG PET-CT frio ativado e termoneutras são usados ​​para criar regiões segmentadas automaticamente MTD de interesse (ROI), em uma base específica assunto. Estas ROIs MTD são então aplicadas aos exames de ressonância magnética co-registrada para medir as propriedades de ressonância magnética no PET-CT confirmado BAT.

Uma limitação deste protocolo é que a temperatura do ar usado ao expor assuntos, quer o estímulo quente ou fria é consistente para cada assunto. Esta é uma limitação, porque a temperatura à qual cada sujeito experimenta sensação de calor refrigerados ou pode ser diferente. Portanto, pela execução de uma sessão de ensaio durante o qual a temperatura do ar é ajustado de acordo com a resposta do indivíduo, e, em seguida, utilizando estas temperaturas durante os protocolos termoneutras e-activação frio, pode ser possível obter melhores respostasa partir do tecido adiposo castanho.

Protocol

NOTA: O comitê de ética local deste instituto aprovou este estudo, e todos os assuntos previstos consentimento informado por escrito antes da participação. Para ser elegível para o estudo, os indivíduos devem preencher os seguintes requisitos: diabetes mellitus não conhecidos; sem o uso de beta-bloqueadores ou medicamentos ansiedade, actualmente ou no passado; não fumar ou mastigar tabaco, actualmente ou no passado; não mais do que 4 chávenas de cafeína todos os dias; não mais do que dois copos de álcool ca…

Representative Results

Adquirir tanto de ressonância magnética e PET-CT scans sobre o mesmo assunto, e realizar co-registo em todas as varreduras permite uma medição confiável de métricas quantitativas de ressonância magnética de BAT. A Figura 1 mostra a quente não transformados (TN) e frio (CA) PET-TC e RM scans de um assunto. Com a aquisição de dados tanto TN e CA PET-CT, é possível distinguir claramente os depósitos MTD frio ativado pelo aumento da captação de 18 F-FDG. Após o co-registo de todo…

Discussion

O protocolo do estudo descrito foi projetado para usar tanto termoneutro e frio ativado PET / CT para automaticamente segmento depósitos de bastão em uma base específica assunto. Estas regiões geradas automaticamente de interesse pode então ser aplicada a ambos os exames de ressonância magnética termoneutras e frios-ativado que foram co-registradas para os exames de PET / CT do mesmo assunto. Para o melhor de nosso conhecimento, esta é a primeira pesquisa para executar tanto ressonância magnética e PET / CT ap…

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