Инфракрасная термография для выявления изменений активности бурой жировой ткани

Summary

Здесь мы представляем протокол измерения активности бурой жировой ткани после еды у людей и лабораторных животных.

Abstract

Измерение активности бурой жировой ткани (БАТ) с помощью позитронно-эмиссионной томографии, компьютерной томографии (ПЭТ-КТ) путем накопления ¹⁸F-фтордезоксиглюкозы (ФДГ) после еды или у пациентов с ожирением или диабетом не является методом выбора. Основная причина заключается в том, что ¹⁸F-FDG конкурирует с постпрандиальной высокой концентрацией глюкозы в плазме за тот же переносчик глюкозы на мембране клеток BAT. Кроме того, BAT также использует жирные кислоты в качестве источника энергии, который не виден при ПЭТ-КТ и может быть изменен вместе с концентрацией глюкозы у пациентов с ожирением и диабетом. Поэтому для оценки физиологической значимости НДТ у животных и человека применяется новый метод инфракрасной термографии, используемый в последних публикациях.

После ночного голодания активность BAT измерялась с помощью инфракрасной термографии до и после еды у добровольцев и самок мышей дикого типа. Программное обеспечение камеры вычисляет температуру объекта, используя расстояние от объекта, коэффициент излучения кожи, отраженную комнатную температуру, температуру воздуха и относительную влажность. У мышей выбритая область над НДТ была областью интереса, для которой измерялись средние и максимальные температуры. Фазу эстрального цикла у самок мышей определяли после эксперимента по мазкам влагалища, окрашенным раствором красителя крезильной фиалки (0,1%). У здоровых добровольцев были выбраны два участка кожи шеи: надключичная область (над ключицей, где присутствуют клетки БАТ) и межключичная область (между ключицами, где ткань БАТ не обнаружена). Активность BAT определяется вычитанием этих двух значений. Кроме того, средняя и максимальная температура участков кожи может быть определена у животных и людей.

Было показано, что изменения активности НДТ после еды, измеренные с помощью инфракрасной термографии, неинвазивного и более чувствительного метода, зависят от пола, возраста и фазы эстрального цикла у лабораторных животных. Также было доказано, что активация БАТ у людей в рамках термогенеза, вызванного диетой, зависит от пола, возраста и индекса массы тела. Дальнейшее определение патофизиологических изменений активности БАТ после еды будет иметь большое значение для участников с высокими концентрациями глюкозы в плазме (ожирение и сахарный диабет 2 типа), а также у разных лабораторных животных (нокаутированные мыши). Этот метод также является вариативным инструментом для определения возможных активирующих препаратов, которые могут омолодить активность БАТ.

Introduction

Бурая жировая ткань (BAT), в отличие от белой жировой ткани (WAT), не накапливает, а тратит энергию. При симпатической стимуляции BAT использует жирные кислоты и глюкозу и выделяет тепло путем активации разъединяющего белка 1 (UCP1). Функция UCP1 состоит в том, чтобы использовать градиент H⁺ между двумя митохондриальными мембранами для производства тепла вместо АТФ. Функция НДТ заключается в увеличении выработки тепла в холодных условиях, что приводит к увеличению расхода энергии¹. После воздействия холода сенсорные входы от кожи ингибируют чувствительные к теплу нейроны в срединном преоптическом (MnPO) ядре гипоталамической преоптической области (POA), что уменьшает ингибирующее действие нейронов POA на ростральный бледный раф (rRPa). Активация нейронов rRPa повышает симпатическую активность, что сопровождается повышением активности BAT ^2,3. Индуцированная холодом активация BAT улучшает чувствительность к инсулину у людей⁴, и эта активность снижается у людей с повышенным индексом массы тела (ИМТ) и возрастом 1,5,6,7.

Помимо его роли в термогенезе, вызванном холодом, после еды поглощение глюкозы в НДТ увеличивается у худого мужского населения, способствуя индуцированному диетой термогенезу (DIT), который выше у BAT-положительных мужчин ^8,9. Современным методом, используемым для измерения активности БАТ, является позитронно-эмиссионная томография, компьютерная томография, известная как ПЭТ-КТ. Этот метод определяет активность БАТ путем измерения накопления радиоактивного индикатора фтордезоксиглюкозы (¹⁸F-FDG). Тем не менее, ПЭТ-КТ терпит неудачу в качестве метода выбора для обнаружения активации БАТ после еды. Одна из причин заключается в том, что после еды ¹⁸F-FDG конкурирует с постпрандиальной гипергликемией за один и тот же переносчик глюкозы, что делает его непригодным для определения активации BAT после еды, особенно при сравнении активности BAT у здоровых участников и участников с диабетом с возможными различиями в концентрациях глюкозы в крови. Кроме того, BAT использует жирные кислоты в качестве источника энергии для производства тепла, что не видно при ПЭТ-КТ. ¹⁸ См. Накопление F-ФДГ в НДТ после еды едва заметно¹⁰ и, следовательно, в большинстве случаев интерпретируется как отрицательный результат. Неудивительно, что недавно было высказано предположение, что активация BAT более выражена в человеческой популяции, чем мы думали ранее; Поэтому необходим новый подход к выявлению активности БАТ и ее участия в метаболических^{нарушениях7}. Попытка решить эту проблему заключается в измерении объема БАТ с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) у пациентов с преддиабетом и пациентов с сахарным диабетом 2 типа (СД2) с инсулинорезистентностью¹¹. Однако объем НИМ, измеренный с помощью МРТ, не является достаточным показателем для оценки повседневной функции и использования глюкозы и жирных кислот с помощью BAT. Таким образом, для оценки реальных различий в активности БАТ у здоровых пациентов с СД2 необходим новый подход, позволяющий выяснить патологический механизм нарушения БАТ у пациентов с СД2.

Для определения активации НДТ были проведены измерения теплопродукции НДТ до и после еды с помощью инфракрасной (ИК) термографии (рис. 1)^12,13. Установление ИК-термографии в качестве метода выбора для измерения активности НДТ после еды у здоровых людей и людей с ожирением или пациентов с сахарным диабетом окажет огромное влияние на эту область. По сей день ИК-термография используется для определения холодоиндуцированной активации BAT^13,14,15. В новейшей истории человечества активность БАТ, вызванная холодом, уже не очень выражена (из-за правильного обогрева среды обитания, правильной одежды), в то время как активация БАТ после еды происходит каждый день. Кроме того, физиологическая регуляция этих двух функций BAT через гипоталамус совершенно разная. После еды активация нейронов, экспрессирующих проопиомеланокортин (POMC), в дугообразном ядре гипоталамуса (Arc) приводит к увеличению активности симпатического нерва через rRPa¹⁶. Индуцированная холодом активация НДТ, измеренная с помощью ИК-термографии или ПЭТ-КТ, ненадлежащая при использовании в качестве меры для повседневной активности НДТ. Повышенная активность БАТ после еды сопровождается утилизацией глюкозы, что в конечном итоге важно для поддержания гомеостаза глюкозы, чувствительности к инсулину и ежедневной регуляции концентрации глюкозы. Постпрандиальная активация БАТ приводит к увеличению постпрандиального потребления глюкозы с последующим увеличением теплопродукции и температуры тела (ДИТ). Было показано, что это зависит от пола, возраста и ИМТ¹². Сходные гендерные различия в активации БАТ после еды наблюдаются у самцов и самок лабораторных мышей¹⁷. Эти результаты соответствуют недавно обнаруженным гендерным различиям в регуляции БАТ Берком и др., которые показали, что гипоталамическая регуляция потемнения БАТ через субпопуляцию нейронов POMC различается у самцов и самок мышей¹⁸. Постпрандиальная активация BAT меньше у женщин, пожилых людей и людей с ожирением. Отсутствие активации БАТ после еды (снижение утилизации глюкозы) может привести к более высокой распространенности нарушения толерантности к глюкозе у женщин 19,20,21,22. К сожалению, большинство исследований по активации БАТ были проведены только на мужчинах. Активируя BAT после еды, усвоение глюкозы увеличивается у худого мужского населения. Неудивительно, что после активации BAT DIT выше у BAT-положительных субъектов^{мужского} пола ^8,9. Кроме того, трансплантация БАТ у мышей-самцов улучшает толерантность к глюкозе, повышает чувствительность к инсулину и снижает массу тела и жировую массу²³.

ПЭТ-КТ не является методом выбора для измерения активности ВАТ, особенно после еды. Поэтому был разработан неинвазивный и более чувствительный метод. ИК-термография позволяет оценить активность БАТ у различных лабораторных животных (нокаутных мышей), а также у людей, независимо от пола, возраста или влияния различных патологических состояний на активность БАТ. Дополнительным преимуществом этого метода является простота для участников и лабораторных животных, что позволяет оценить потенциальную пользу бустерной терапии БАТ. Недавние исследования с использованием ИК-термографии для определения физиологического поведения НДТ после воздействия холода или еды описаны в недавней публикации Brasil et ^al.24.

Protocol

Все экспериментальные процедуры на лабораторных животных были одобрены Национальным этическим комитетом и Министерством сельского хозяйства (EP 185/2018). Эксперименты проводились в соответствии с Этическим кодексом Хорватского общества лабораторных животных и руководящими принципами …

Representative Results

Самый простой способ определить активность БАТ – это вычесть максимальную температуру кожи выше БАТ до и после еды у людей. Лучшим способом расчета активности НДТ является выбор двух областей интереса: участка кожи над БАТ, который расположен в надключичной области, и межключичного уча…

Discussion

Недавние исследования представляют растущие данные о физиологической регуляции и важности активности НДТ у взрослых людей и животных в развитии ожирения и сахарного диабета. Кроме того, возможная активация НДТ экзогенными активаторами становится мишенью для фармацевтических компан…

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