תרמוגרפיה אינפרא אדומה לאיתור שינויים בפעילות רקמת השומן החומה
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול למדידת פעילות רקמת השומן החום לאחר ארוחה בבני אדם ובחיות מעבדה.
Abstract
מדידת פעילות רקמת שומן חום (BAT) על ידי טומוגרפיה ממוחשבת של פליטת פוזיטרונים (PET-CT) באמצעות הצטברות של 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) לאחר ארוחה או בחולים שמנים או סוכרתיים נכשלת כשיטת הבחירה. הסיבה העיקרית היא כי 18F-FDG מתחרה עם ריכוז פלזמה גלוקוז גבוה לאחר הלידה עבור אותו מוביל גלוקוז על הממברנה של תאי BAT. בנוסף, BAT משתמש בחומצות שומן כמקור אנרגיה גם כן, אשר אינו נראה עם PET-CT ויכול להשתנות יחד עם ריכוז גלוקוז בחולים שמנים וסוכרתיים. לכן, כדי להעריך את החשיבות הפיזיולוגית של BAT בבעלי חיים ובבני אדם, מיושמת שיטת תרמוגרפיה אינפרא אדומה חדשה המשמשת בפרסומים האחרונים.
לאחר צום לילה, פעילות BAT נמדדה על ידי תרמוגרפיה אינפרא אדומה לפני ואחרי ארוחה במתנדבים אנושיים ובנקבות עכברי בר. תוכנת המצלמה מחשבת את טמפרטורת האובייקט באמצעות מרחק מהאובייקט, פליטות העור, טמפרטורת החדר המוחזרת, טמפרטורת האוויר והלחות היחסית. בעכברים, האזור המגולח מעל ה-BAT היה אזור עניין שעבורו נמדדו טמפרטורות ממוצעות ומקסימליות. שלב מחזור הייחום בנקבות עכברים נקבע לאחר ניסוי על ידי מריחות נרתיקיות מוכתמות בתמיסת כתמים סגולה קרזילית (0.1%). במתנדבים בריאים נבחרו שני אזורי עור בצוואר: האזור הסופרקלאביקולרי (מעל עצם הבריח, שם נמצאים תאי BAT) והאזור הבין-קלאביקולרי (בין עצמות הבריח, שם לא זוהתה רקמת BAT). פעילות BAT נקבעת על ידי החיסור של שני ערכים אלה. כמו כן, ניתן לקבוע את הטמפרטורה הממוצעת והמקסימלית של אזורי העור בבעלי חיים ובמשתתפים אנושיים.
שינויים בפעילות ה-BAT לאחר ארוחה שנמדדה על ידי תרמוגרפיה אינפרא-אדומה, שיטה לא פולשנית ורגישה יותר, הוכחו כמין, גיל ושלב במחזור הייחום התלוי בחיות מעבדה. כחלק מהתרמוגנזה הנגרמת על ידי דיאטה, הפעלת BAT בבני אדם הוכחה גם כתלויה במין, גיל ומדד מסת הגוף. קביעה נוספת של השינויים הפתופיזיולוגיים בפעילות BAT לאחר ארוחה תהיה בעלת חשיבות רבה למשתתפים עם ריכוזי פלזמה גבוהים של גלוקוז (השמנת יתר וסוכרת מסוג 2), כמו גם בחיות מעבדה שונות (עכברי נוק-אאוט). שיטה זו היא גם כלי משתנה לקביעת תרופות מפעילות אפשריות שיכולות להצעיר את פעילות BAT.
Introduction
רקמת שומן חומה (BAT), בניגוד לרקמת שומן לבנה (WAT), אינה אוגרת אלא מוציאה אנרגיה. לאחר גירוי סימפתטי, BAT מנצל חומצות שומן וגלוקוז ומייצר חום על ידי הפעלת חלבון uncoupling 1 (UCP1). התפקיד של UCP1 הוא להשתמש בשיפוע H+ בין שני קרומים מיטוכונדריאליים כדי לייצר חום במקום ATP. תפקידו של BAT הוא להגדיל את ייצור החום בתנאי קור, מה שמוביל לעלייה בהוצאות האנרגיה1. לאחר חשיפה לקור, קלט חושי מהעור מעכב נוירונים רגישים לחום בגרעין הפרה-אופטי החציוני (MnPO) של האזור הפרה-אופטי ההיפותלאמי (POA), מה שמקטין את ההשפעה המעכבת של נוירוני POA על רוסטרל רפה פלידוס (rRPa). ההפעלה של נוירוני rRPa מגבירה את הפעילות הסימפתטית, ואחריה עלייה בפעילות BAT 2,3. הפעלת BAT הנגרמת על ידי קור משפרת את הרגישות לאינסולין בבני אדם4, ופעילות זו מופחתת בבני אדם עם עלייה במדד מסת הגוף (BMI) ובגיל 1,5,6,7.
מלבד תפקידו בתרמוגנזה הנגרמת על ידי קור, לאחר ארוחה, ספיגת גלוקוז ב- BAT עולה באוכלוסיית הגברים הרזים, ותורמת לתרמוגנזה הנגרמת על ידי דיאטה (DIT), שהיא גבוהה יותר בקרב נבדקים זכרים חיוביים ל- BAT 8,9. הטכניקה החדישה ביותר המשמשת למדידת פעילות BAT היא טומוגרפיה ממוחשבת של פליטת פוזיטרונים, המכונה PET-CT. שיטה זו קובעת את פעילות BAT על ידי מדידת הצטברות של radiotracer fluorodeoxyglucose (18F-FDG). עם זאת, PET-CT נכשל כשיטת הבחירה לגילוי ההפעלה של BAT לאחר ארוחה. אחת הסיבות לכך היא שלאחר ארוחה, 18F-FDG מתחרה עם היפרגליקמיה לאחר הארוחה עבור אותו מוביל גלוקוז, מה שהופך אותו ללא מתאים לקביעת הפעלת BAT לאחר ארוחה, במיוחד כאשר משווים פעילות BAT בקרב משתתפים בריאים וסוכרתיים עם הבדלים אפשריים בריכוזי הגלוקוז בדם. יתר על כן, BAT משתמש בחומצות שומן כמקור אנרגיה לייצור חום שאינו נראה לעין עם PET-CT. 18 הצטברות F-FDG ב- BAT לאחר ארוחה בקושי נראיתלעין 10 ולכן מתפרשת כתוצאה שלילית ברוב המקרים. באופן לא מפתיע, לאחרונה הוצע כי הפעלת BAT בולטת יותר באוכלוסייה האנושית ממה שחשבנו בעבר; לכן, יש צורך בגישה חדשה לזיהוי פעילות BAT ומעורבותה בהפרעות מטבוליות7. ניסיון לפתור בעיה זו הוא למדוד את נפח ה- BAT באמצעות דימות תהודה מגנטית (MRI) בחולים טרום סוכרתיים ובחולים עם סוכרת מסוג 2 (T2DM) עם עמידות לאינסולין11. עם זאת, נפח BAT שנמדד על ידי MRI אינו אינדיקטור מספיק להערכת התפקוד היומיומי והשימוש בגלוקוז ובחומצות שומן על ידי BAT. לכן, כדי להעריך הבדלים אמיתיים בפעילות BAT בחולי סוכרת סוג 2 בריאים לעומת חולי סוכרת סוג 2, יש צורך בגישה חדשה המציעה אפשרות לגלות את המנגנון הפתולוגי של תקלה ב- BAT בחולי סוכרת סוג 2.
כדי לקבוע את ההפעלה של BAT, ביצענו מדידות של ייצור חום BAT לפני ואחרי ארוחה באמצעות תרמוגרפיה אינפרא-אדומה (IR) (איור 1)12,13. לביסוס תרמוגרפיית IR כשיטת בחירה למדידת פעילות BAT לאחר ארוחה אצל אנשים בריאים ושמנים או חולים עם סוכרת תהיה השפעה עצומה על התחום. עד היום, תרמוגרפיה IR משמש לקביעת הפעלה הנגרמת על ידי קור של BAT13,14,15. בהיסטוריה האנושית הקרובה, פעילות ה-BAT הנגרמת על ידי קור כבר אינה בולטת במיוחד (עקב חימום נכון של בתי גידול, ביגוד מתאים), בעוד שהפעלת BAT לאחר ארוחה מתרחשת מדי יום. יתר על כן, הוויסות הפיזיולוגי של שני תפקודי BAT אלה באמצעות ההיפותלמוס שונה לחלוטין. לאחר ארוחה, הפעלת תאי עצב המבטאים פרופיומלנוקורטין (POMC) בגרעין ארקואט ההיפותלמוס (Arc) מובילה לעלייה בפעילות העצבים הסימפתטיים באמצעות rRPa16. הפעלה קרה של BAT הנמדדת על ידי תרמוגרפיית IR או PET-CT אינה תקינה כאשר משתמשים בה כמדד לפעילות BAT יומיומית. פעילות מוגברת של BAT לאחר ארוחה מלווה בניצול גלוקוז, אשר בסופו של דבר חשוב לשמירה על הומאוסטזיס גלוקוז, רגישות לאינסולין וויסות יומי של ריכוז גלוקוז. הפעלת BAT לאחר הלידה מובילה לעלייה בצריכת הגלוקוז לאחר הארוחה, ואחריה עלייה בייצור החום ובטמפרטורת הגוף (DIT). זה הוכח כתלוי מין, גיל ו-BMI12. הבדלים מגדריים דומים בהפעלת BAT לאחר ארוחה נצפים בעכברי מעבדה זכרים ונקבות17. ממצאים אלה תואמים הבדלים מגדריים שהתגלו לאחרונה בוויסות של BAT על ידי Burke et al., שהראו כי הוויסות ההיפותלאמי של השחמת BAT באמצעות תת-אוכלוסייה של נוירוני POMC שונה בעכברים זכרים ונקבות18. ההפעלה שלאחר הלידה של BAT קטנה יותר אצל נשים, אוכלוסיות מבוגרות ואנשים שמנים. חוסר הפעלת BAT לאחר ארוחה (ירידה בניצול גלוקוז) עלול להוביל לשכיחות גבוהה יותר של סובלנות גלוקוז לקויה אצל נשים 19,20,21,22. למרבה הצער, רוב המחקרים על הפעלת BAT נעשו רק על גברים. על ידי הפעלת BAT לאחר ארוחה, ספיגת גלוקוז עולה באוכלוסיית הגברים הרזים. אין זה מפתיע שלאחר הפעלת BAT, DIT גבוה יותר בקרב גברים חיוביים ל-BAT 8,9. יתר על כן, השתלת BAT בעכברים זכרים משפרת את הסבילות לגלוקוז, מגבירה את הרגישות לאינסולין ומפחיתה את משקל הגוף ואת מסת השומן23.
PET-CT נכשל כשיטת בחירה למדידת פעילות BAT, במיוחד לאחר ארוחה. לכן פותחה שיטה לא פולשנית ורגישה יותר. תרמוגרפיה IR מאפשרת להעריך את פעילות ה-BAT בחיות מעבדה שונות (עכברי נוק-אאוט), כמו גם במשתתפים אנושיים, ללא קשר למין, גיל או השפעות של תנאים פתולוגיים שונים על פעילות BAT. יתרון נוסף של שיטה זו הוא הפשטות עבור המשתתפים וחיות המעבדה, המאפשרת לנו להעריך את היתרונות הפוטנציאליים של טיפול מאיץ BAT. המחקרים האחרונים המשתמשים בתרמוגרפיה IR לקביעת ההתנהגות הפיזיולוגית של BAT לאחר חשיפה לקור או ארוחה מתוארים בפרסום האחרון של Brasil et al.24.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקרים עדכניים מציגים עדויות הולכות וגדלות לגבי הוויסות הפיזיולוגי והחשיבות של פעילות BAT בבני אדם בוגרים ובבעלי חיים בהתפתחות השמנת יתר וסוכרת. יתר על כן, הפעלה אפשרית של BAT על ידי מפעילים אקסוגניים הופכת למטרה עבור חברות תרופות. כדי להיות מסוגל להעריך את הוויסות הפיזיולוגי ואת החשיבות הפ…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי מענק המחקר של הקרן הקרואטית למדע (IP-2018-01- 7416).
Materials
| 0.1% cresyl violet acetate | Commonly used chemical | ||
| Device for measuring air temperature and humidity | Kesterl | Kestrel 4200 | Certificat of conformity |
| External data storage | Hard Drive with at least 1 TB | ||
| Glass microscopic slides | Commonly used | ||
| Small cotton tip swab | Urethral swabs | ||
| Software for analysis | FLIR Systems, Wilsonville, OR, USA | FLIR Tools | |
| Software for meassurements | FLIR Systems, Wilsonville, OR, USA | ResearchIR software | FLIR ResearchIR Max, version 4.40.12.38 (64-bit) |
| Thermac Camera | FLIR Systems, Wilsonville, OR, USA | FLIR T-1020 |
Referenzen
- van Marken Lichtenbelt, W. D., et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1500-1508 (2009).
- Morrison, S. F., Nakamura, K. Central neural pathways for thermoregulation. Frontiers in Bioscience. 16 (1), 74-104 (2011).
- Contreras, C., et al. The brain and brown fat. Annals of Medicine. 47 (2), 150-168 (2015).
- Chondronikola, M., et al. Brown adipose tissue improves whole-body glucose homeostasis and insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (12), 4089-4099 (2014).
- Ouellet, V., et al. Outdoor temperature, age, sex, body mass index, and diabetic status determine the prevalence, mass, and glucose-uptake activity of 18F-FDG-detected BAT in humans. Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 96 (1), 192-199 (2011).
- Pfannenberg, C., et al. Impact of age on the relationships of brown adipose tissue with sex and adiposity in humans. Diabetes. 59 (7), 1789-1793 (2010).
- Leitner, B. P., et al. Mapping of human brown adipose tissue in lean and obese young men. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (32), 8649-8654 (2017).
- Vosselman, M. J., et al. Brown adipose tissue activity after a high-calorie meal in humans. American Journal of Clinical Nutrition. 98 (1), 57-64 (2013).
- Hibi, M., et al. Brown adipose tissue is involved in diet-induced thermogenesis and whole-body fat utilization in healthy humans. International Journal of Obesity. 40 (11), 1655-1661 (2016).
- Fenzl, A., Kiefer, F. W. Brown adipose tissue and thermogenesis. Hormone Molecular Biology and Clinical Investigation. 19 (1), 25-37 (2014).
- Koksharova, E., et al. The relationship between brown adipose tissue content in supraclavicular fat depots and insulin sensitivity in patients with type 2 diabetes mellitus and prediabetes. Diabetes Technology & Therapeutics. 19 (2), 96-102 (2017).
- Habek, N., Kordić, M., Jurenec, F., Dugandžić, A. Infrared thermography, a new method for detection brown adipose tissue activity after a meal in humans. Infrared Physics & Technology. 89, 271-276 (2018).
- Lee, P., Ho, K. K. Y. Hot fat in a cool man: Infrared thermography and brown adipose tissue. Diabetes, Obesity and Metabolism. 13 (1), 92-93 (2011).
- Ang, Q. Y., et al. A new method of infrared thermography for quantification of brown adipose tissue activation in healthy adults (TACTICAL): A randomized trial. Journal of Physiological Sciences. 67 (3), 395-406 (2017).
- Jang, C., et al. Infrared thermography in the detection of brown adipose tissue in humans. Physiological Reports. 2 (11), 12167 (2014).
- Dodd, G. T., et al. Leptin and insulin act on POMC neurons to promote the browning of white fat. Cell. 160 (1-2), 88-104 (2015).
- Habek, N., et al. Activation of brown adipose tissue in diet-induced thermogenesis is GC-C dependent. Pflügers Archiv: European Journal of Physiology. 472 (3), 405-417 (2020).
- Burke, L. K., et al. Sex difference in physical activity, energy expenditure and obesity driven by a subpopulation of hypothalamic POMC neurons. Molecular Metabolism. 5 (3), 245-252 (2016).
- Glumer, C., Jorgensen, T., Borch-Johnsen, K. Prevalences of diabetes and impaired glucose regulation in a Danish population: The Inter99 study. Diabetes Care. 26 (8), 2335-2340 (2003).
- Sicree, R. A., et al. Differences in height explain gender differences in the response to the oral glucose tolerance test-the AusDiab study. Diabetic Medicine. 25 (3), 296-302 (2008).
- van Genugten, R. E., et al. Effects of sex and hormone replacement therapy use on the prevalence of isolated impaired fasting glucose and isolated impaired glucose tolerance in subjects with a family history of type 2 diabetes. Diabetes. 55 (12), 3529-3535 (2006).
- Williams, J. W., et al. Gender differences in the prevalence of impaired fasting glycaemia and impaired glucose tolerance in Mauritius. Does sex matter. Diabetic Medicine. 20 (11), 915-920 (2003).
- Stanford, K. I., et al. Brown adipose tissue regulates glucose homeostasis and insulin sensitivity. Journal of Clinical Investigation. 123 (1), 215-223 (2013).
- Brasil, S., et al. A systematic review on the role of infrared thermography in the brown adipose tissue assessment. Reviews in Endocrine and Metabolic Disorders. 21 (1), 37-44 (2020).
- Byers, S. L., Wiles, M. V., Dunn, S. L., Taft, R. A. Mouse estrous cycle identification tool and images. PLoS One. 7 (4), 35538 (2012).
- Crane, J. D., Mottillo, E. P., Farncombe, T. H., Morrison, K. M., Steinberg, G. R. A standardized infrared imaging technique that specifically detects UCP1-mediated thermogenesis in vivo. Molecular Metabolism. 3 (4), 490-494 (2014).
- Hartwig, V., et al. Multimodal imaging for the detection of brown adipose tissue activation in women: A pilot study using NIRS and infrared thermography. Journal of Healthcare Engineering. 2017, 5986452 (2017).
- James, L., et al. The use of infrared thermography in the measurement and characterization of brown adipose tissue activation. Temperature. 5 (2), 147-161 (2018).
- Folgueira, C., et al. Hypothalamic dopamine signaling regulates brown fat thermogenesis. Nature Metabolism. 1 (8), 811-829 (2019).
- Ratko, M., Habek, N., Kordić, M., Dugandžić, A. The use of infrared technology as a novel approach for studies with female laboratory animals. Croatian Medical Journal. 61 (4), 346-353 (2020).
