Summary
여기에서 우리는 인간과 실험실 동물에서 식사 후 갈색 지방 조직 활성을 측정하기 위한 프로토콜을 제시합니다.
Abstract
식사 후 또는 비만 또는 당뇨병 환자에서 18F-플루오로데옥시글루코스(FDG)의 축적을 통해 양전자 방출 단층 촬영 컴퓨터 단층 촬영(PET-CT)으로 갈색 지방 조직(BAT) 활성을 측정하는 것은 선택 방법으로 실패합니다. 주된 이유는 18F-FDG가 BAT 세포의 막에서 동일한 포도당 수송체에 대해 식후 높은 포도당 혈장 농도와 경쟁하기 때문입니다. 또한 BAT는 지방산을 에너지원으로 사용하는데, 이는 PET-CT에서는 볼 수 없으며 비만 및 당뇨병 환자의 포도당 농도와 함께 변경될 수 있습니다. 따라서, 동물과 인간에서 BAT의 생리학적 중요성을 추정하기 위해, 최근 발표된 새로운 적외선 열화상 분석법이 적용되고 있다.
하룻밤 금식 후, BAT 활성은 인간 지원자 및 암컷 야생형 마우스에서 식사 전후에 적외선 열화상으로 측정하였다. 카메라 소프트웨어는 물체로부터의 거리, 피부 방사율, 반사된 실내 온도, 공기 온도 및 상대 습도를 사용하여 물체의 온도를 계산합니다. 마우스에서 BAT 위의 면도 영역은 평균 및 최대 온도가 측정된 관심 영역이었습니다. 암컷 마우스의 발정 주기의 단계는 크레실 바이올렛(0.1%) 염색 용액으로 염색된 질 도말에 의한 실험 후에 결정되었습니다. 건강한 지원자의 경우 목의 두 가지 피부 부위, 즉 쇄골상 부위(BAT 세포가 존재하는 쇄골 위)와 쇄골 간 부위(쇄골 사이, BAT 조직이 검출되지 않음)를 선택했습니다. BAT 활동은 이 두 값을 뺀 값으로 결정됩니다. 또한 피부 부위의 평균 및 최대 온도는 동물과 인간 참가자에서 결정될 수 있습니다.
비침습적이고 보다 민감한 방법인 적외선 열화상 촬영으로 측정한 식사 후 BAT 활성의 변화는 실험실 동물에서 성별, 연령 및 발정 주기의 단계에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다. 식이 유발 열 발생의 일부로, 인간의 BAT 활성화는 성별, 연령 및 체질량 지수에 따라 달라지는 것으로 입증되었습니다. 식사 후 BAT 활성의 병태생리학적 변화를 추가로 결정하는 것은 포도당 혈장 농도가 높은 참가자(비만 및 당뇨병 유형 2)와 다른 실험 동물(녹아웃 마우스)에서 매우 중요합니다. 이 방법은 또한 BAT 활성을 젊어지게 할 수 있는 가능한 활성화 약물을 결정하기 위한 다양한 도구입니다.
Introduction
갈색 지방 조직(BAT)은 백색 지방 조직(WAT)과 달리 저장하지 않고 에너지를 소비합니다. 교감신경 자극 시 BAT는 지방산과 포도당을 이용하고 분리 단백질 1(UCP1)의 활성화에 의해 열을 생성합니다. UCP1의 기능은 두 개의 미토콘드리아 막 사이에 H+ 구배를 사용하여 ATP 대신 열을 생성하는 것입니다. BAT의 기능은 추운 조건에서 열 생산을 증가시켜 에너지 소비를 증가시키는 것입니다1. 추위에 노출된 후 피부의 감각 입력은 시상하부 전광학 영역(POA)의 중앙 전시(MnPO) 핵에서 따뜻하고 민감한 뉴런을 억제하여 봉선(rRPa)에 대한 POA 뉴런의 억제 효과를 감소시킵니다. rRPa 뉴런의 활성화는 교감신경 활동을 증가시키고, 그 다음에는 BAT 활성이 증가한다 2,3. 감기에 의한 박쥐 박쥐(BAT) 활성화는 인간의 인슐린 감수성을 향상시키며4, 체질량 지수(BMI, body mass index, BMI)가 증가하고 연령이 1,5,6,7 이상인 사람에게서 인슐린 감수성이 감소한다.
감기 유발 열 발생에서의 역할 외에도 식사 후 BAT의 포도당 흡수는 마른 남성 인구에서 증가하여 식이 유도 열 발생(DIT)에 기여하며, 이는 BAT 양성 남성 피험자에서 더 높습니다 8,9. BAT 활성을 측정하는 데 사용되는 최첨단 기술은 PET-CT로 알려진 양전자 방출 단층 촬영 컴퓨터 단층 촬영입니다. 이 방법은 방사성 추적자 플루오로데옥시글루코스(18F-FDG)의 축적을 측정하여 BAT 활성을 결정합니다. 그러나 PET-CT는 식사 후 BAT의 활성화를 감지하기 위해 선택하는 방법으로 실패합니다. 그 이유 중 하나는 식사 후 18F-FDG가 동일한 포도당 수송체에 대해 식후 고혈당증과 경쟁하기 때문에 특히 건강한 참가자와 당뇨병 참가자의 BAT 활성을 혈당 농도의 가능한 차이와 비교할 때 식사 후 BAT 활성화를 결정하는 데 적합하지 않기 때문입니다. 또한 BAT는 지방산을 열 생산을 위한 에너지원으로 사용하는데, 이는 PET-CT에서는 볼 수 없습니다. 18 식사 후 BAT에 F-FDG가 축적되는 것은 거의 눈에 띄지 않으며10 따라서 대부분의 경우 음성 결과로 해석된다. 놀랍지 않게도, 최근에, BAT의 활성화는 우리가 이전에 생각했던 것보다 인간 인구에서 더 두드러진다는 것이 제안되었습니다. 따라서 BAT 활동과 대사 장애에 대한 관련성을 감지하는 새로운 접근법이 필요합니다7. 이러한 문제를 해결하기 위한 시도는 당뇨병 전단계 환자와 인슐린 저항성이 있는 제2형 당뇨병(T2DM) 환자에서 자기공명영상(MRI)으로 BAT의 부피를 측정하는 것이다11. 그러나 MRI로 측정한 BAT 부피는 BAT에 의한 포도당과 지방산의 일상적인 기능과 사용량을 추정하기에 충분한 지표가 아닙니다. 따라서 건강한 환자와 T2DM 환자에서 BAT 활성의 실제 차이를 추정하기 위해서는 T2DM 환자에서 BAT 오작동의 병리학적 메커니즘을 찾을 수 있는 가능성을 제공하는 새로운 접근법이 필요합니다.
BAT의 활성화를 확인하기 위해 적외선(IR) 서모그래피를 사용하여 식사 전후에 BAT 열 생성을 측정했습니다(그림 1)12,13. 건강하고 비만인 개인 또는 당뇨병 환자의 식사 후 BAT 활성을 측정하기 위한 선택 방법으로 IR 열화상 촬영을 설정하는 것은 현장에 큰 영향을 미칠 것입니다. 오늘날까지 IR 열화상 촬영은 BAT13,14,15의 저온 유도 활성화를 측정하는 데 사용됩니다. 최근 인류 역사에서 감기로 인한 BAT 활동은 더 이상 두드러지지 않는 반면(서식지의 적절한 난방, 적절한 의복으로 인해) 식사 후 BAT 활성화는 매일 발생합니다. 또한, 시상 하부를 통한 이 두 BAT 기능의 생리학적 조절은 완전히 다릅니다. 식사 후 시상하부 아치형 핵(Arc)에서 프로오피오멜라노코르틴(POMC) 발현 뉴런의 활성화는 rRPa16을 통해 교감 신경 활동의 증가로 이어집니다. IR 열화상 촬영 또는 PET-CT로 측정한 BAT의 저온 유도 활성화는 일상적인 BAT 활동에 대한 측정으로 사용될 때 부적절합니다. 식사 후 BAT 활동이 증가하면 포도당 이용이 이루어지며, 이는 궁극적으로 포도당 항상성, 인슐린 감수성 및 포도당 농도의 일일 조절을 유지하는 데 중요합니다. 식후 BAT 활성화는 식후 포도당 소비를 증가시키고 열 생성 및 체온(DIT)을 증가시킵니다. 이는 성별, 연령, BMI에 의존하는 것으로 나타났다12. 식사 후 BAT 활성화의 유사한 성별 차이가 수컷과 암컷 실험용 마우스에서 관찰된다17. 이러한 발견은 최근 발견된 BAT 조절의 성별 차이에 상응하며, Burke et al.은 POMC 뉴런의 하위 집단을 통한 BAT 갈변의 시상하부 조절이 수컷과 암컷 마우스에서 다르다는 것을 보여주었다18. BAT의 식후 활성화는 여성, 노인 인구 및 비만인에서 더 작습니다. 식사 후 BAT 활성화의 부족(포도당 이용 감소)은 여성의 내당능 장애의 유병률을 높일 수 있습니다 19,20,21,22. 불행히도 BAT 활성화에 대한 대부분의 연구는 남성에 대해서만 수행되었습니다. 식사 후 BAT를 활성화하면 마른 남성 인구에서 포도당 흡수가 증가합니다. BAT 활성화 후 DIT가 BAT 양성 남성 피험자에서 더 높다는 것은 놀라운 일이 아닙니다 8,9. 또한, 수컷 쥐의 BAT 이식은 내당능을 개선하고, 인슐린 감수성을 증가시키며, 체중과 체지방량을 감소시킨다23.
PET-CT는 특히 식사 후 BAT 활동을 측정하기 위한 선택 방법으로 실패합니다. 따라서 비침습적이고 보다 민감한 방법이 개발되었습니다. IR 열화상 촬영을 통해 성별, 연령 또는 BAT 활성에 대한 다양한 병리학적 조건의 영향에 관계없이 다양한 실험 동물(녹아웃 마우스)과 인간 참가자의 BAT 활성을 추정할 수 있습니다. 이 방법의 또 다른 이점은 참가자와 실험실 동물을 위한 단순성으로, 이를 통해 BAT 부스터 요법의 잠재적 이점을 추정할 수 있습니다. 저온 노출 또는 식사 후 BAT의 생리적 거동을 결정하기 위해 IR 열화상 촬영을 사용한 최근 연구는 Brasil et al.24의 최근 간행물에 설명되어 있습니다.
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Protocol
실험 동물에 대한 모든 실험 절차는 국가 윤리 위원회와 농업부(EP 185/2018)의 승인을 받았습니다. 실험은 크로아티아 실험동물과학회(Croatian Society for Laboratory Animal Science)의 윤리 코덱스(Ethical Codex)와 ARRIVE 가이드라인에 따라 수행되었습니다. 인간 참가자를 대상으로 한 연구에서 수행된 모든 절차는 헬싱키 선언에 따라 이루어졌으며 자그레브 대학교 의과대학 윤리 위원회(UP/I-322-01/18-01/56)의 승인을 받았습니다. 이 연구에서는 3명의 여성 참가자(BMI: 29kg/m2 ± 5kg/m2)의 결과를 제시합니다. 연구 참여 및 데이터 발표에 대해 모든 인간 지원자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.
1. 인간의 식사 후 갈색 지방 조직의 활성화 측정
참고: 일일 온도가 22°C 이하가 아닌 여름철에 실험을 수행하여 기초 BAT 활성을 가능한 한 낮게 유지하십시오.
- BAT 활성은 성별, 연령, BMI 및 발정 주기 단계에 따라 다르기 때문에 대조군 건강한 참가자(병리학적 조건에서 BAT 활성을 추정해야 하는 경우)를 신중하게 선택하십시오.
- 여성 참가자의 월경 주기 단계를 추정하려면 평균 월경 주기가 얼마나 긴지, 마지막 월경 첫날 날짜에 대해 질문하십시오. 실험 날짜를 표시하는 것을 잊지 마십시오.
참고: 건강한 대조군과 병리학적 상태를 가진 참가자는 가능한 한 유사해야 하고 조사된 질병에서만 달라야 하기 때문에 일치하는 대조군의 적절한 선택은 임상 연구에서 가장 어려운 부분입니다.
- 여성 참가자의 월경 주기 단계를 추정하려면 평균 월경 주기가 얼마나 긴지, 마지막 월경 첫날 날짜에 대해 질문하십시오. 실험 날짜를 표시하는 것을 잊지 마십시오.
- 참가자들에게 잘 쉬고, 아침을 먹지 말고(단식-칼로리 섭취 없음), 실험을 위해 아침 시간에 모이고, 교감신경 활성화를 통해 근육 활동 중 BAT 활성화 가능성을 피하기 위해 최소 30분 동안 휴식을 취하도록 요청합니다.
- 참가자들에게 기준 BAT 활동을 결정하는 동안 피부 표면을 따뜻하게 하는 가능한 영향(옷의 열 효과)을 피하기 위해 측정 15분 전에 윗옷을 벗도록 요청합니다. 적절한 실온(22-27°C)에서 측정을 수행합니다.
- 적외선 측정을 수행합니다.
- 참가자가 쉬는 동안 열화상 카메라(감지기 유형: 비냉각식 마이크로볼로미터, 검출기 피치: 17μm, 카메라 스펙트럼 범위: 7.5-14.0μm, 열 감도: 30°C에서 20mK, 렌즈: 36mm, 해상도: 1024픽셀 x 768픽셀, 순간 시야각[IFOV]: 0.47mRad)를 삼각대에 장착하고 참가자가 앉을 지점에서 1m 떨어진 곳에 배치합니다.
참고: 추운 날씨(습도 50%에서 외부 공기 온도 15°C 미만)에서 측정을 수행하는 경우 카메라를 실온에 놓고 최소 1시간 동안 전원을 켠 후 측정하십시오. 콜드 기기는 자동 보정으로 인해 실온으로 예열한 후 다른 결과를 제공할 수 있습니다. - 제조업체의 지시에 따라 열화상 카메라를 컴퓨터와 소프트웨어에 연결합니다. 1m의 초점 거리에서 알루미늄 호일(구겨진 후 늘어난 알루미늄 호일)을 기록하여 측정된 온도로 표시된 실내의 반사 온도를 결정합니다. 카메라 소프트웨어에서 0m의 거리와 1의 방사율을 입력합니다.
참고: 반사된 겉보기 온도는 카메라의 방사율을 1.0으로 설정하고 거리를 0m로 설정하고 구겨진 다음 늘어난 알루미늄 호일에서 측정할 때 얻은 매개변수입니다. 반사된 겉보기 온도는 환경으로부터 검출기에 입사된 총 적외선의 근사치를 나타낸다. - 측정을 시작하기 직전에 실내 공기 온도와 공기 습도를 결정하십시오 (나중에 분석하는 데 필요). 하나의 열화상을 찍는 대신 동영상을 녹화하십시오. 영화에서 나중에 분석에 가장 적합한 이미지 프레임을 선택하여 귀중한 데이터가 손실될 가능성을 줄입니다.
- 녹화를 시작하기 전에 10-15 초 (또는 다른 원하는 값)의 비디오 녹화 시간, 5fps (초당 프레임 수) 또는 기타 값 (5fps가 필요한 최대값)의 프레임 속도 및 아래 설명과 같이 동영상이 저장 될 디스크의 위치를 설정하십시오.
- 기본 카메라 창 위의 소프트웨어에서 왼쪽에서 세 번째 아이콘을 선택합니다. 팝업 메뉴에서 레코드 설정 편집을 선택하면 새 창이 열립니다.
- 녹음 모드에서 디스크에 녹음을 선택하고 그 아래에서 원하는 시간에 이 기간 동안 녹음 을 설정합니다. 같은 창의 녹음 옵션에서 녹음 속도를 5(Hz)로 제한하고 녹음을 저장할 위치를 선택합니다.
- 프레임 속도를 설정하려면 기존 창을 닫고 주 메뉴에서 편집을 열고 기본 설정을 선택합니다. 열린 창의 오른쪽에서 Target Frame Rate(대상 프레임 속도)에 5를 입력합니다. 아래 같은 창에서 단축키/원격 시작 기록 중지 가능을 선택하고 드롭다운 메뉴에서 시작/중지 모드에서를 선택합니다.
참고: 메모리를 많이 사용하므로 가능한 가장 낮은 프레임 속도로 가능한 가장 짧은 동영상을 만드십시오. 이러한 설정에서 하나의 레코드는 약 100Mb를 갖습니다.
- 참가자가 쉬는 동안 열화상 카메라(감지기 유형: 비냉각식 마이크로볼로미터, 검출기 피치: 17μm, 카메라 스펙트럼 범위: 7.5-14.0μm, 열 감도: 30°C에서 20mK, 렌즈: 36mm, 해상도: 1024픽셀 x 768픽셀, 순간 시야각[IFOV]: 0.47mRad)를 삼각대에 장착하고 참가자가 앉을 지점에서 1m 떨어진 곳에 배치합니다.
- BAT가 있는 쇄골 위의 목의 쇄골상부 영역(그림 1)이 초점 거리가 1m가 되도록 참가자를 배치하고 F5 키를 눌러 5fps의 프레임 속도로 짧은 동영상(10-15초)을 녹화합니다. 지정된 시간에 녹화가 중지됩니다.
- 측정 시 회의실에는 참가자와 측정을 수행하는 사람만 있는지 확인하십시오. 공기의 움직임이나 외풍(예: 에어컨)을 피하십시오. 참가자가 외풍, 햇빛(직간접적) 또는 전구와 같은 열원에서 멀리 떨어져 있는지 확인하십시오.
- 적절한 경우 표준 혈당계로 손가락 끝에서 모세혈관의 혈당 농도를 측정하고 겨드랑이 체온계를 사용하여 체온을 측정합니다.
- 모든 참가자가 같은 식사를 하도록 합니다. 테스트 대상의 음식 제한 및 요구 사항(예: 당뇨병 환자를 위한 식사)에 주의하십시오. 대조군(건강한) 사람과 대사 장애가 있는 참가자를 포함한 모든 참가자는 같은 식사를 해야 합니다.
참고: 당뇨병 환자가 섭취할 수 있는 식사에 대한 자세한 내용은 지역 내분비학자에게 문의하거나 당뇨병을 앓고 있는 참가자와 상의하십시오. - 식사 후 원하는 시간에 동일한 설정 값을 사용하여 F5 키를 눌러 새 녹음을 합니다. 녹음에 대해 설정된 프로토콜을 반복하지 마십시오. 식사 후 30분, 1시간, 2시간, 3시간에 측정을 반복합니다12. 특정 학습 설계의 경우 식사 후 시간이 더 짧거나 길 수 있지만 적어도 처음 세 시점을 권장합니다.
참고: 참가자 수의 제한은 측정이 빠르게 수행되더라도 4명에서 6명입니다. 참가자 수가 많을수록 일부 참가자의 지연 시간이 너무 길어집니다.
2. 실험 동물에서 식사 후 갈색 지방 조직의 활성화 측정
참고: 동물들은 실내 온도가 조절되고 낮/밤 주기가 12시간/12시간인 동물 시설에 수용되기 때문에 실험은 계절에 관계없이 수행할 수 있습니다. 실험 중 실내 온도는 22°C에서 27°C 사이여야 합니다. 이 연구에서는 디스트러스의 암컷 동물 6마리와 수컷 야생형(WT) C57Bl/6NCrl 동물 6마리를 조사했습니다.
- 기관의 윤리 지침에 따라 동물을 마취하십시오. 이 연구에서는 i.p. 케타민/자일라진(각각 80-100mg/kg 및 6-8mg/kg) 주사. 마취 중 각막 건조를 방지하기 위해 양쪽 눈에 아이 젤을 바릅니다. 실험 하루 전에 작은 동물 트리머를 사용하여 실험 동물의 견갑간 부위 (견갑골 사이의 피부 부위)를 면도하십시오.
- 실험 전날, 또한 암컷 동물의 발정주기의 단계를 결정합니다.
참고: 발정 주기의 단계는 질 도말에 의해 결정됩니다.- 면봉을 실온 멸균 식염수(0.9% NaCl)에 담그고 질에 삽입합니다. 면봉으로 질벽을 부드럽게 긁어내고 부착된 세포를 유리 슬라이드에 펴고 자연 건조시킵니다.
- 동물들을 새장에 다시 넣으십시오. 500 μL의 0.1 % 크레 실 바이올렛 아세테이트로 1 분 동안 세포를 염색 한 후 물로 3 번 헹굽니다.
- 100x 배율 및 명시야 조명으로 광학 현미경으로 세포를 볼 수 있습니다. 도말 검사에서 관찰된 백혈구 및 유핵 및 각질화 상피 세포의 수에 기초하여 발정 주기의 단계를 결정한다25.
- 실험 전날 저녁(하룻밤 금식)에 동물의 먹이를 임 의로 제거한다. 가장 좋은 방법은 새장에 음식물이 남아 있지 않도록 동물을 새로운 깨끗한 새장으로 옮기는 것입니다.
- 실험 당일 아침에 인간 참가자를 테스트하기 위해 열화상 카메라와 녹화 설정을 준비합니다.
- IR 측정을 수행하기 전에 동물을 방해하거나 스트레스를 주지 마십시오. 동물을 깨끗한 새장에 조심스럽게 넣으십시오 (동물의 교감 신경계에 다른 동물의 냄새가 영향을 미치지 않도록하십시오). 케이지를 열화상 카메라 아래에 초점 거리 1m에 놓습니다. F5 키를 눌러 동영상을 녹화합니다.
- 음식 섭취량을 계산할 수 있도록 각 동물에게 주기 전에 음식 펠릿의 무게를 잰다. 동물이 새장에서 30 분 동안 먹게하고 식사 후에 음식 알갱이의 무게를 다시 잰다. 이 연구에서 암컷 동물은 0.038 ± 0.004 g 음식 / 체중을 먹었습니다.
알림: 혈당 농도를 측정하기로 결정한 경우 식사 전과 IR 측정 후에 측정을 수행하여 교감 신경계에 의한 BAT 활성화로 이어지지 않도록 하십시오. - 식사 시작 후 원하는 시간(보통 식사 후 30분, 1시간, 2시간)에 IR 측정을 반복합니다.17,26.
- 모든 실험이 완료된 후, 상술한 바와 같이 암컷 동물에서 발정 주기의 단계를 다시 시험한다(암컷 동물은 예상보다 빨리 발정 주기의 원하는 단계를 빠져나갈 수 있다).
3. 열화상 기록 분석
알림: 열화상 카메라 소프트웨어는 5개의 변수를 사용하여 물체의 온도를 계산합니다.
- 분석하기 전에 소프트웨어에서 다음 변수를 설정하십시오 : 피부 방사율, e = 0.98 15,27, 반사 된 실내 온도 (알루미늄 호일 이미지에서 계산 됨), 공기 온도, 상대 습도, 물체까지의 거리 =1m. 이러한 값을 가진 소프트웨어를 사용하여 분석을 수행합니다.
알림: 선호하는 색상 팔레트는 더 많은 색상을 사용하기 때문에 무지개로 쇄골 위의 BAT를 더 쉽게 감지할 수 있습니다. - 각 동영상에 대해 나열된 변수를 주 창의 오른쪽에 있는 카메라 소프트웨어에 입력합니다. 화면 하단의 재생 헤드를 이동하거나 일시 정지 버튼을 눌러 동영상에서 적절한 프레임(이미지)을 선택합니다.
- 기본 창의 왼쪽에서 원하는 영역 모양을 선택하여 관심 영역(ROI)을 선택합니다. 쇄골 위 또는 쇄골 사이의 피부 부위에 가장 잘 맞는 모양을 선택하십시오.
- ROI를 선택하면 ROI의 최소, 최대 및 평균 온도가 오른쪽에 표시됩니다. 이미지에서 빨간색 삼각형은 기록된 최대 온도의 지점을 나타내고 파란색 삼각형은 기록된 최소 온도를 나타냅니다. 이 단계를 여러 프레임 동안 반복하여 측정된 온도가 녹화 몇 초 동안 안정적인지 확인합니다.
- 식후 최대 온도에서 식전 박쥐 위 피부 부위의 최대 온도를 빼서 실험 동물의 식후 박쥐 활성 증가를 확인합니다.
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Representative Results
BAT 활성을 결정하는 가장 쉬운 방법은 인간 피험자의 식사 전후에 BAT 위의 최대 피부 온도를 빼는 것입니다. BAT 활성을 계산하는 더 좋은 방법은 두 가지 관심 영역을 선택하는 것입니다: 쇄골상 영역에 위치한 BAT 위의 피부 영역과 기준 영역으로 지정된 사람에서 BAT 조직이 발견되지 않는 피부의 쇄골간 영역(PET-CT에 따름; 그림 1). BAT 활성도는 이 두 온도를 뺀 값으로 쉽게 결정됩니다. 도 1에 나타난 바와 같이, BAT 활성은 1.8°C로 측정되었다. 섭식 후 BAT의 활성화를 결정하기 위해, 식사 후 지정된 시점에 이를 반복하였다12. 이 연구에서는 3명의 여성 참가자를 대상으로 실험을 수행했습니다. 참가자 1과 참가자 2에서도 BMI가 각각 23kg/m2 및 34kg/m2인 유사한 결과를 얻었습니다. 참가자 3은 BMI가 가장 낮았고(18kg/m2) 식사 후 BAT 활동이 가장 많이 증가했습니다(그림 1B, 왼쪽). 피부의 쇄골 상 부위의 최대 온도는 식사 후 3 시간에도 피부 온도가 감소하지 않기 때문에 BAT 활성을 잘 나타내지 않습니다 (그림 1B, 오른쪽). 인간 집단 간의 BAT 활동의 차이로 인해 결과 분석은 개별적으로 수행되어야 하며 및/또는 연구 참가자 선택은 매우 신중하게 수행되어야 합니다. 실험실 동물에서 BAT 활성은 밀접하게 관련되어 있기 때문에 그러한 차이가 없습니다.
PET-CT(18F-FDG)의 사용과 비교하여 이 방법의 첫 번째 장점은 열원에 관계없이 BAT 활성을 측정한다는 것입니다. 이러한 이유로 IR 서모그래피는 훨씬 더 민감하고 다양한 생리학적 또는 병태생리학적 조건에서 BAT 활성을 보다 사실적으로 나타냅니다. 이 방법은 연령, 성별 또는 발정 주기의 단계와 같은 BAT 활성의 변화를 유발하는 생리적 조건을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 인간의 경우 비만 및 제2형 당뇨병과 같은 대사 질환에서 BAT 활성의 병태생리학적 변화를 결정할 수 있는 능력이 있습니다. PET-CT에서 방사성 포도당은 체내 포도당과 동일한 포도당 수송체와 경쟁하여 위음성 결과 또는 BAT 활동의 허위 진술을 초래하기 때문에 혈당 농도가 높은 사람들의 BAT 활동을 건강한 대조군과 비교할 때 특별한 이점을 볼 수 있습니다.
한 가지 가능한 우려는 피부, 특히 피하 백색 지방 조직의 두께의 차이이며, 이는 다른 피험자에서 BAT 이상의 피부 온도를 변화시킬 수 있다28. 이 문제는 식사 전후의 BAT 활성화를 비교하여 피할 수 있습니다. 일반적으로 다양한 병태생리학적 조건에 대한 활성 및 추종 중요도는 저온 노출 후 BAT 활성화에 의해 결정됩니다. 그러나 이러한 유형의 BAT 활성화는 계절적이며 인간(광야의 동물에 비해)에서는 그다지 중요하지 않습니다. BAT 활동이 포도당 항상성뿐만 아니라 일상 생활에 미치는 영향을 확인하려면 식사 후 BAT 활성화 후 포도당 및 지방산 이용이 적절한 방법입니다.
따뜻한 환경에서 또는 근육 활동 후 너무 빨리 수행되는 측정에 주의를 기울여야 합니다. 근육 활동은 체온을 증가시켜 피부의 혈관 확장을 유발합니다(그림 2). 주변 피부 영역과 비교하여 BAT 위에 눈에 띄는 따뜻한 피부 영역이 없는 경우 연구에서 기록을 제외합니다.
실험실 동물에서의 BAT 활성은 견갑골 (interscapular BAT, iBAT) 사이에 위치한 BAT의 최대 온도와 iBAT 위의 피부 평균 온도에 의해 결정됩니다. 실험실 동물에서 BAT 이상의 피부 평균 온도는 인간보다 더 국소화되어 있기 때문에 측정하기가 더 쉽습니다(그림 3). 이 연구에서, 식사 후 BAT 활성의 변화는 diestrus (28.2 ± 0.5 주령)의 암컷 WT 동물에서 측정되었다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 BAT 활성의 통계적으로 유의한 변화는 식사 후 30분에 측정되었지만 최대 온도를 측정한 경우에만 측정되었습니다(p < 0.05). BAT 활성이 평균 온도의 변화로 제시되었을 때, 변화는 유의하지 않았다 (p = 0.066). 따라서 견갑간 피부 영역의 최대 온도 변화를 통해 BAT 활성을 제시하는 것이 결과를 제시하는 더 좋은 방법입니다. BAT 활성의 이러한 변화는 섭취한 음식의 양과 양의 상관관계가 있었습니다(r =0.65).
두 피험자 모두의 주요 관심사는 수컷과 암컷 및 어린 동물과 늙은 동물에서 BAT 활성화의 생물학적 차이와 발정 주기 동안의 BAT 활동의 차이이다17. 위의 프로토콜을 따르지 않으면 추정하기 어려운 마지막 식사에서 경과된 시간에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 아침에 같은 시간에 실험을 수행하는 것은 충분히 정확하지 않습니다17.
BAT 활성을 측정하는 동안 또 다른 관심사는 가능한 한 동물의 스트레스를 피하는 것입니다. 교란은 교감신경 활동을 증가시키고, 따라서 박쥐 활동을 증가시킨다16. 또한, 생쥐의 견갑간 부위를 제대로 면도하지 않으면 온도 기록과 관련된 대부분의 실수가 나타날 수 있으며, 이로 인해 피부의 잘못된 부위를 측정할 수 있습니다.
그림 1: 적외선 열화상 촬영. (A) 두 개의 피부 영역이 선택됩니다: 하나는 갈색 지방 조직 위(BAT; 쇄골상 영역)이고 다른 하나는 쇄골 간 영역(이 영역의 피부 아래에는 BAT 조직이 존재하지 않음-기준점). BAT 위치는 쇄골 위의 가장 따뜻한 영역으로 표시됩니다. PET-CT에 따른 목의 BAT 위치의 개략도가 왼쪽 그림에 나와 있습니다. 온도는 둘러싸인 피부 영역에서 측정된 최대 온도입니다. 막대는 5cm를 나타냅니다. (B) 각 참가자에 대해 두 피부 부위의 최대 온도 차이가 표시되어 식사 후 2시간 후에 BAT 활동이 증가함을 보여줍니다(왼쪽). BAT 활동은 BAT (오른쪽) 이상의 피부의 최대 온도로 나타낼 수 없습니다. 결과는 평균의 평균 ± 표준 오차로 표시됩니다. * p < 시작값 대비 0.05 (쌍 ANOVA). 약어: SC = 견갑상부. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: BAT 활성을 측정할 수 없는 조건. 이 그림은 피부 혈관의 혈관 확장 증가로 인해 BAT 활성을 확인할 수 없는 상태를 나타냅니다. 막대는 5cm를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 실험용 마우스의 갈색 지방 조직. (A,B) 견갑간 갈색 지방 조직(BAT)은 저온 노출 후 활성화되고 PET-CT에 의해 18F-FDG 축적으로 나타납니다. BAT의 활동은 추위에 노출되지 않은 열화상 카메라로 볼 수 있습니다. (C) 열화상 스캔에서 BAT의 위치는 화살표로 표시된 PET-CT 영상에 표시된 BAT에 해당합니다. 면도 부위는 BAT보다 커서 모든 온도 변화를 볼 수 있습니다 (Tmax의 위치를 완벽하게 예측할 수 없으며 일부 연구에서는 평균 온도를 측정 할 수 있음). 막대는 1cm를 나타냅니다. (D) 디스트러스에 있는 6마리의 암컷 마우스에 대한 BAT 위의 피부의 측정된 최대 및 평균 온도가 제시됩니다. 결과는 평균의 평균 ± 표준 오차로 표시됩니다. * p < 시작값 대비 0.05 (쌍 ANOVA). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
최근 연구에서는 비만과 당뇨병의 발병에서 성인 인간과 동물의 생리학적 조절과 BAT 활동의 중요성에 관한 증거가 증가하고 있습니다. 또한, 외인성 활성제에 의한 가능한 BAT 활성화는 제약 회사의 표적이 되고 있습니다. 매우 부담스러운 질병에서 BAT의 생리학적 조절 및 병태생리학적 중요성을 추정하고 잠재적인 치료 접근법을 발견할 수 있도록 적외선 열화상 촬영이 선택 방법이 되고 있습니다. IR 기술이 BAT 활성을 측정하는 새로운 방법으로 부상하고 있지만(12,13,14,15,17), 적용된 방법 자체가 아니라 BAT 활성화의 생리학적 특성에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 성별, 연령, 발정주기의 단계, 수유 상태 및 인간 참가자 및 실험실 동물의 스트레스 가능성에 특별한주의를 기울여야합니다.
인간과 실험 동물에 대한 식사 후 BAT 활동의 증가에 대한 측정은 매우 유사하다12,17. 이러한 측정을 수행하는 중요한 단계에는 스트레스와 근육 활동의 회피가 포함됩니다 (측정을 수행하기 전에 동물을 방해해서는 안됩니다). 여성 참가자의 경우 발정(월경) 주기 동안 BAT 활동의 기능적 차이를 고려해야 합니다. 또한, 피부는 맨손이어야합니다 (불필요한 스트레스를 피하기 위해 실험을하기 전날 동물을 면도해야합니다). 또한 가능한 최상의 열 해상도를 얻으려면 카메라 소프트웨어를 올바르게 설정하는 것이 매우 중요합니다. 데이터를 열화상으로 표시하기 위한 가장 좋은 방법은 특정 연구에 적합한 적절한 색상 팔레트를 선택하는 것입니다. 프로토콜을 올바르게 준수하면 IR 서모그래피를 수행할 때 오류가 발생할 가능성이 줄어듭니다.
이 방법의 한계는 약간의 우려 없이 피하 지방의 양이 다른 사람들(또는 비만 동물과 정상 체중의 동물) 간의 BAT 활성을 비교하는 것이 불가능하다는 것입니다. 이러한 문제를 피하기 위해, 동일한 피험자가 식사 전후에 BAT 활성을 측정하여 대조군으로 사용되어야 한다. 식사 후 BAT 활성의 증가를 계산하면 피하 BAT에서 피부 표면으로의 열 분포의 차이가 제거됩니다.
두 피부 부위의 최대 피부 온도 사이의 변화를 통해 BAT 활동을 보고하는 것은, 우리의 관점에서, 평균 온도 측정에 의해 얻어진 결과에서 BAT 크기 및/또는 지정된 피부 부위의 차이를 제거하기 때문에 더 나은 방법이다29.
앞서 언급했듯이 현재까지 BAT 활성을 측정하기 위해 선택한 방법은 방사성 포도당(18F-FDG)을 사용하는 PET-CT입니다. 이 방법은 시간이 지남에 따라 충분히 민감하지 않은 것으로 입증되었으며 방사성 물질의 사용이 우려되며 매우 비쌉니다. PET-CT는 식사 후 BAT 활성화를 결정하는 데 쓸모가 없습니다. 18 식사 후 BAT에 F-FDG 축적은 거의 보이지 않으며10 음성 결과로 간주됩니다. 최근, BAT 활성화는 인간 집단에서 더 두드러지며, 따라서 대사성 질환의 발병과 확산에 점점 더 중요해지고 있다고 제안되었다7. 이러한 문제를 해결하기 위한 시도는 당뇨병 전단계 환자와 인슐린 저항성이 있는 T2DM 환자에서 MRI로 BAT 부피를 측정하는 것이다11. 그러나 BAT의 양은 BAT의 활성과 당뇨병 환자에게 중요한 포도당 및 지방산의 활용에 대한 정보를 제공하지 않습니다.
특히 혈당 농도가 높은 인간 피험자에서 BAT 활성을 측정하기 위한 선택 방법으로 IR 열화상 촬영을 설정하는 것은 현장에 큰 영향을 미칠 것입니다. IR 서모그래피는 BAT 13,14,15의 저온 유도 활성화를 측정하기 위해 사용 되며, 최근에는 건강한 지원자(12)와 실험동물(17)에서 식후 BAT 활성화를 측정하기 위해 사용된다. 식후 BAT 활성화는 종에 관계없이 여성과 노인 피험자에서 더 작습니다. 불행하게도, BAT 활성화 및 대사 연구에 대한 대부분의 연구는 모두 남성 피험자(남성 실험 동물 또는 남성)에 대해서만 수행되었습니다. 이 접근법의 문제점은 BAT 활동30에 대한 발정 주기의 단계의 영향을 무시한다는 것이다.
마지막으로, IR 열화상 촬영은 다양한 인간 집단, 특히 연구가 누락된 폐경 전후 여성에서 BAT의 생리학적 및 병태생리학적 중요성을 조사할 수 있는 가능성을 가능하게 합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 크로아티아 과학 재단 연구 보조금(IP-2018-01-7416)의 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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