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

Summary

El método presentado aquí utiliza ¹⁸ F-fluorodesoxiglucosa ^(18F-FDG) tomografía por emisión de positrones / tomografía computarizada (PET-TC) y la resonancia magnética separada grasa-agua (MRI), cada escaneado tras 2 horas de exposición a temperatura neutra (24 ° C ) y las condiciones de frío (17 ° C) para mapear el tejido adiposo marrón (BAT) en sujetos humanos adultos.

Abstract

Fiable diferenciar el tejido adiposo marrón (BAT) de otros tejidos utilizando un método de imagen no invasivo es un paso importante para el estudio de BAT en los seres humanos. Detectar BAT se confirma típicamente por la captación del trazador radioactivo inyectado ¹⁸ F-fluorodeoxiglucosa ⁽¹⁸ F-FDG) en los depósitos de tejido adiposo, tal como se mide mediante tomografía por emisión de positrones / tomografía computarizada (PET-TC) después de exponer el sujeto a estímulo frío . Imágenes por resonancia magnética separada grasa-agua (MRI) tiene la capacidad de distinguir BAT sin el uso de un trazador radioactivo. Hasta la fecha, la RM de BAT en humanos adultos no ha sido co-registrado en frío activado PET-CT. Por lo tanto, este protocolo utiliza ¹⁸ exploraciones F-FDG PET-CT para generar automáticamente una máscara de BAT, que se aplica luego a co-registrado IRM del mismo tema. Este enfoque permite la medición de las propiedades de resonancia magnética cuantitativos de BAT sin segmentación manual. Máscaras MTD son creados a partir de dos PEExploraciones T-CT: después de la exposición durante 2 horas a temperatura neutra o bien (TN) (24 ° C) o en frío activado (CA) (17 ° C) Condiciones. Las exploraciones de TN y CA PET-CT están registrados, y los valores de captación estandarizado PET y TC Hounsfield se utilizan para crear una máscara que contiene sólo BAT. CA y TN MRI también se adquieren en el mismo tema y se inscribieron para las exploraciones PET-TC con el fin de establecer las propiedades cuantitativas MRI dentro de la máscara BAT definido automáticamente. Una ventaja de este enfoque es que la segmentación está completamente automatizado y se basa en métodos ampliamente aceptados para la identificación de BAT activado (PET-CT). Las propiedades de resonancia magnética cuantitativas de la MTD establecen utilizando este protocolo puede servir como base para un solo-MRI examen BAT que evita la radiación asociada con PET-CT.

Introduction

Debido al marcado aumento de la obesidad en todo el mundo, hay un mayor interés en las áreas de investigación destinados a comprender el balance energético. La obesidad puede provocar costosos y devastadores condiciones médicas tales como diabetes, enfermedad hepática, enfermedad cardiovascular y el cáncer, por lo que es un área importante de preocupación para la salud pública ^1. Un área de investigación tuvo como objetivo comprender el equilibrio de la ingesta de energía en comparación con el gasto de energía es el estudio del tejido adiposo marrón o BAT. Aunque denominado un tejido adiposo, BAT difiere del tejido más común adiposo blanco (WAT) de muchas maneras ^2. La función de los adipocitos blancos es almacenar triglicéridos en un solo gran vacuola lipídica por célula, y para liberar estos triglicéridos como fuente de energía en el torrente sanguíneo cuando sea necesario. De una manera muy diferente, la función de los adipocitos marrones es producir calor. Un mecanismo por el cual esto ocurre es a través de la exposición al frío. Esto provoca un aumento en sympathetic actividad del sistema nervioso, que a su vez activa BAT. Cuando se activa, los adipocitos marrones generan calor. Para ello, se utilizan los triglicéridos contenidos en las muchas pequeñas vacuolas lipídicas por célula, y por medio de la presencia de proteína desacoplante 1 (UCP1) en la abundante mitocondrias, convertir los triglicéridos a sustratos metabólicos sin la producción de ATP, lo que resulta en la pérdida entrópica como la generación de calor. Como los triglicéridos almacenados en las pequeñas vacuolas lipídicas se agotan, el adipocito ocupa tanto la glucosa y los triglicéridos presentes en el torrente sanguíneo ^3.

El interés en el estudio de BAT se ha incrementado dramáticamente en los últimos años debido a su contribución a la termogénesis sin temblor, su papel en la modulación de los gastos de energía del cuerpo, y el potencial de la relación inversa entre BAT y la obesidad ^3-9. Además, los estudios recientes en animales indican BAT juega un papel crítico en los triglicéridos de compensación y la glucosa fesde la corriente de la sangre, especialmente después de la ingestión de una comida rica en grasas ^10,11. Sin embargo, la mayor parte de lo que sabemos sobre MTD es el resultado de la investigación en pequeños mamíferos, que contienen muchos depósitos de BAT ^{4,9,12 – 15.} A pesar de algunos de los primeros estudios ^16-18, la presencia de las mejores técnicas en los seres humanos fue ampliamente cree que disminuye con la edad, hasta hace poco, cuando el interés por estudiar BAT humana ha sido renovado. Investigaciones recientes sugieren que cantidades relativamente pequeñas de BAT persisten en la edad adulta ^19-24. Un factor limitante adicional para estudiar BAT es que, aparte de la biopsia y la tinción histológica, el método inequívoca actualmente aceptado para la detección de BAT es ¹⁸ F-fluorodesoxiglucosa ⁽¹⁸ F-FDG) tomografía por emisión de positrones (PET). Modernos escáneres PET se suelen combinar con una tomografía computarizada (TC). Cuando es activado por la exposición al frío, BAT ocupa el ¹⁸ </sarriba> radiotrazador F-FDG, que es un análogo del metabolismo de la glucosa, y se hace visible en las imágenes de PET, en comparación con el nivel mucho más bajo de ¹⁸ F-FDG captación cuando BAT es ^20,21,23,25 inactivo. CT imágenes adquiridas durante un examen PET en un escáner PET-CT ayuda a diferenciar entre los tejidos con alta ¹⁸ F-FDG captación proporcionando información anatómica. Este uso de la PET-CT expone al sujeto a la radiación ionizante (predominantemente de PET, aunque la dosis de la exploración CT no es despreciable), y por lo tanto es un método deseable para la detección BAT.

Aunque el número de estudios sobre MTD en los seres humanos adultos sanos es cada vez mayor, los estudios recientes de BAT humano principalmente se han limitado a retrospectivo PET-CT estudia ^19,25, cadáveres infantiles humanos ^26,27, adolescentes humanos que ya han sido admitidos en los hospitales para otras razones ^27-30, y algunos estudios humanos de los adultos sanos31 ^{– 35.} Uno de los retos con los dos estudios de los niños y los estudios retrospectivos es la posibilidad de resultados alterados cuando se estudia una población de pacientes que está enfermo, que puede afectar a las MTD. Además, debido a la glucosa no es la fuente de combustible preferido de las MTD ^36, los estudios de PET no siempre detectan BAT se activa, y por lo tanto pueden subrepresentar la presencia de las MTD. Otra dificultad en el estudio de BAT con imágenes biomédicas está relacionada con la realización de la segmentación de imágenes para definir los límites de los depósitos de tejido. Actualmente, la segmentación de BAT en estudios en humanos a menudo se basa en un cierto grado de segmentación de imágenes manual y es por lo tanto vulnerables a la identificación errónea de los depósitos de las MTD, así como la variabilidad entre los evaluadores.

Debido a estos desafíos, las técnicas de cartografía espacial fiables que pueden distinguir BAT de las distribuciones de WAT, junto con métodos de segmentación automatizada, proporcionarían a los investigadores una nueva y poderosa paraol con el que estudiar las MTD. La resonancia magnética (MRI) tiene la capacidad para la identificación, mapeo espacial, y la cuantificación volumétrica de BAT, y a diferencia de los enfoques existentes de formación de imágenes híbridos PET-CT que incluyen una dosis radiactiva para el sujeto de captación de imagen, MRI implica ninguna radiación ionizante y se puede utilizar de forma segura y en repetidas ocasiones. La capacidad de identificar y cuantificar BAT mediante resonancia magnética puede tener un impacto positivo dramático en endocrinología clínica y la búsqueda de nuevas vías de investigación sobre la obesidad. Anterior MRI grasa-agua (FWMRI) estudios de BAT tanto en ratones como en humanos muestran que la grasa de señal fracción (FSF) de BAT está en el rango de 40 a 80% de grasa, mientras que WAT es superior al 90% de grasa ^{15,26 , 27.} Por lo tanto, la hipótesis de que esta cuantitativo FWMRI métrica, junto con otras medidas de resonancia magnética cuantitativa, se puede utilizar en el trabajo futuro para visualizar y cuantificar los depósitos de las MTD en los seres humanos. Esto proporcionaría la comunidad de investigación con una herramienta poderosa para estudiar la influencia de BAT en conocidogastos abolism y energía sin el uso de radiación ionizante.

Nuestro grupo de investigación ha estado estudiando BAT en humanos adultos en los últimos tres años. Nuestra primera presentación pública en el uso de la resonancia magnética para investigar las sospechas sobre MTD en sujeto humano un adulto se produjo en febrero de 2012 a la Sociedad Internacional de Resonancia Magnética en Medicina Taller (ISMRM) Separación Fat-Agua en Long Beach, California ^37. Dos meses más tarde, nuestro grupo presentó valores de la FSF en sospecha de BAT en dos adultos en la ^20ª reunión anual de la ISMRM en abril de 2012 en Melbourne, Australia ^38. Un año después, en el 21 encuentro anual ^st del ISMRM en abril de 2013 en Salt Lake City, Utah, se utilizó el protocolo descrito en este manuscrito de la primera (a lo mejor de nuestro conocimiento) presentación pública de la RM cuantificación de confirmado-PET BAT en humano adulto somete ^39. Concretamente, hemos presentado pruebas que demuestran que el previously sospecha de BAT se confirmó como MTD activable utilizando tanto imágenes ¹⁸ F-FDG PET-CT-frío activado y temperatura neutra. Desde 2013, nuestra cohorte de sujetos humanos sanos adultos fotografiada tanto con la RM y PET / CT en condiciones térmicamente neutras y en frío activado se ha expandido a más de 20 sujetos con resultados más recientemente presentados en febrero de 2014 el taller "Explorando el Papel de la grasa marrón en los seres humanos ", patrocinado por el NIH NIDDK ^40. En concreto, se informó FWMRI FSF y R ₂ * propiedades de relajación en las regiones de BAT supraclavicular confirmados por ¹⁸ F-FDG PET-TAC en los humanos adultos, con las ROI MTD delineado utilizando algoritmos de segmentación automatizada basada en el frío activado y termoneutra PET-CT exploraciones. Más recientemente hemos presentado los resultados del mapeo de temperatura en ¹⁸ F-FDG PET-TAC confirmó BAT en humanos adultos que utilizan avanzada termometría FWMRI ^41,42.

El procedimiento que aquí se presenta adquirirs tanto la RM y ¹⁸ exploraciones F-FDG PET-TC sobre el mismo tema, cada uno después de la exposición a condiciones tanto en frío activados y termoneutrales. Los ¹⁸ exploraciones F-FDG PET-CT-frías activado y termoneutrales se utilizan para crear regiones segmentadas automáticamente MTD de interés (ROI), sobre una base específica tema. Estas regiones de interés MTD se aplican a los co-registrado MRI para medir las propiedades de resonancia magnética en el PET-TAC confirmaron BAT.

Una limitación de este protocolo es que la temperatura del aire utilizado al exponer los sujetos ya sea al estímulo frío o en caliente es consistente para cada sujeto. Esta es una limitación porque la temperatura a la que cada sujeto experimenta sensación de calor o refrigerados puede ser diferente. Por lo tanto, mediante la ejecución de una sesión de prueba durante el cual la temperatura del aire se ajusta para adaptarse a la respuesta del individuo y, a continuación, el uso de estas temperaturas durante los protocolos termoneutrales y frío de activación, que podría ser posible obtener mejores respuestasa partir del tejido adiposo marrón.

Protocol

NOTA: El comité de ética local de este instituto aprobó este estudio, y todos los temas siempre el consentimiento informado por escrito antes de la participación. Para ser elegible para el estudio, los sujetos deben cumplir los siguientes requisitos: no conocido diabetes mellitus; no uso de bloqueadores beta o medicamentos para la ansiedad, en la actualidad o en el pasado; no fume ni mastique los productos de tabaco, en la actualidad o en el pasado; no más de 4 tazas de cafeína cada día; no más de 2 copas de alc…

Representative Results

La adquisición tanto de MRI y PET-TC sobre el mismo tema, y la realización de co-registro en todas las exploraciones permite la medición fiable de las métricas de MRI cuantitativos de BAT. La figura 1 muestra el estado natural caliente (TN) y fría (CA) PET-TC y la RM scans de una asignatura. Con la adquisición de datos tanto TN y CA PET-CT, es posible distinguir claramente los depósitos de las MTD en frío activado por el aumento de la captación de 18 F-FDG. Después de co-registro de…

Discussion

El protocolo del estudio descrito está diseñado para utilizar tanto termoneutra y en frío activado PET / CT para automáticamente segmento depósitos IMPAC en forma específica tema. Estas regiones generadas automáticamente de interés, después se pueden aplicar tanto a imágenes por resonancia magnética termoneutrales y frío activado que han sido co-registradas a las exploraciones de PET / CT del mismo tema. A lo mejor de nuestro conocimiento, esta es la primera investigación para llevar a cabo tanto la RM y PE…

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