Termografía infrarroja para la detección de cambios en la actividad del tejido adiposo marrón

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para medir la actividad del tejido adiposo marrón después de una comida en humanos y animales de laboratorio.

Abstract

La medición de la actividad del tejido adiposo marrón (BAT) mediante tomografía computarizada por emisión de positrones (PET-CT) a través de la acumulación de ¹⁸F-fluorodesoxiglucosa (FDG) después de una comida o en pacientes obesos o diabéticos falla como método de elección. La razón principal es que ¹⁸F-FDG compite con la alta concentración plasmática de glucosa postprandial para el mismo transportador de glucosa en la membrana de las células BAT. Además, BAT también utiliza ácidos grasos como fuente de energía, que no es visible con PET-CT y podría cambiarse junto con la concentración de glucosa en pacientes obesos y diabéticos. Por lo tanto, para estimar la importancia fisiológica de las MTD en animales y humanos, se aplica un nuevo método de termografía infrarroja utilizado en publicaciones recientes.

Después del ayuno nocturno, la actividad de las MTD se midió mediante termografía infrarroja antes y después de una comida en voluntarios humanos y ratones hembra de tipo salvaje. El software de la cámara calcula la temperatura del objeto utilizando la distancia desde el objeto, la emisividad de la piel, la temperatura ambiente reflejada, la temperatura del aire y la humedad relativa. En ratones, el área afeitada por encima del BAT fue una región de interés para la cual se midieron las temperaturas promedio y máxima. La fase del ciclo estral en ratones hembra se determinó después de un experimento mediante frotis vaginales teñidos con solución de tinción de violeta cresilo (0,1%). En voluntarios sanos, se seleccionaron dos áreas de piel del cuello: el área supraclavicular (por encima de la clavícula, donde hay células BAT) y el área interclavicular (entre las clavículas, donde no se detecta tejido BAT). La actividad MTD está determinada por la resta de esos dos valores. Además, las temperaturas promedio y máxima de las áreas de la piel podrían determinarse en animales y participantes humanos.

Se demostró que los cambios en la actividad de las MTD después de una comida medida por termografía infrarroja, un método no invasivo y más sensible, dependían del sexo, la edad y la fase del ciclo estral en animales de laboratorio. Como parte de la termogénesis inducida por la dieta, también se demostró que la activación de BAT en humanos depende del sexo, la edad y el índice de masa corporal. La determinación adicional de los cambios fisiopatológicos en la actividad de las MTD después de una comida será de gran importancia para los participantes con altas concentraciones plasmáticas de glucosa (obesidad y diabetes mellitus tipo 2), así como en diferentes animales de laboratorio (ratones knock-out). Este método también es una herramienta variable para determinar posibles fármacos activadores que podrían rejuvenecer la actividad de las MTD.

Introduction

El tejido adiposo marrón (BAT), en contraste con el tejido adiposo blanco (WAT), no almacena, sino que gasta energía. Tras la estimulación simpática, las MTD utilizan ácidos grasos y glucosa y producen calor mediante la activación de la proteína de desacoplamiento 1 (UCP1). La función de UCP1 es utilizar un gradiente H⁺ entre dos membranas mitocondriales para producir calor en lugar de ATP. La función de las MTD es aumentar la producción de calor en condiciones de frío, lo que conduce a un aumento del gasto energético¹. Después de la exposición al frío, las entradas sensoriales de la piel inhiben las neuronas sensibles al calor en el núcleo preóptico mediano (MnPO) del área preóptica hipotalámica (POA), lo que disminuye el efecto inhibitorio de las neuronas POA en el rafe pálido rostral (rRPa). La activación de las neuronas rRPa aumenta la actividad simpática, seguida de un aumento de la actividad MTD ^2,3. La activación de las MTD inducidas por el frío mejora la sensibilidad a la insulina en humanos⁴, y esta actividad disminuye en humanos con aumento del índice de masa corporal (IMC) y edad 1,5,6,7.

Además de su papel en la termogénesis inducida por el frío, después de una comida, la absorción de glucosa en las MTD aumenta en la población masculina delgada, contribuyendo a la termogénesis inducida por la dieta (DIT), que es mayor en los sujetos masculinos BAD positivos ^8,9. La técnica de vanguardia utilizada para medir la actividad de las MTD es la tomografía computarizada por emisión de positrones, conocida como PET-CT. Este método determina la actividad MTD midiendo la acumulación del radiotrazador fluorodesoxiglucosa (¹⁸F-FDG). Sin embargo, la PET-CT falla como el método de elección para detectar la activación de BAT después de una comida. Una de las razones es que, después de una comida, ¹⁸F-FDG compite con la hiperglucemia posprandial por el mismo transportador de glucosa, lo que lo hace inadecuado para determinar la activación de BAT después de una comida, especialmente cuando se compara la actividad de BAT en participantes sanos y diabéticos con posibles diferencias en las concentraciones de glucosa en sangre. Además, las MTD utilizan ácidos grasos como fuente de energía para la producción de calor que no es visible con el PET-CT. ¹⁸ La acumulación de F-FDG en las MTD después de una comida es apenas visible¹⁰ y, por lo tanto, se interpreta como un resultado negativo en la mayoría de los casos. Como era de esperar, recientemente, se sugirió que la activación de BAT es más pronunciada en la población humana de lo que habíamos pensado anteriormente; por lo tanto, es necesario un nuevo enfoque para detectar la actividad de las MTD y su participación en los trastornos metabólicos⁷. Un intento de resolver este problema es medir el volumen de MTD con resonancia magnética (RM) en pacientes prediabéticos y pacientes con diabetes mellitus tipo 2 (DM2) con resistencia a la insulina¹¹. Sin embargo, el volumen de MTD medido por RM no es un indicador suficiente para estimar la función diaria y el uso de glucosa y ácidos grasos por BAT. Por lo tanto, para estimar las diferencias reales en la actividad de las MTD en pacientes sanos frente a la DMT2, se necesita un nuevo enfoque que ofrezca la posibilidad de descubrir el mecanismo patológico del mal funcionamiento de las MTD en pacientes con DMT2.

Para determinar la activación de las MTD, realizamos mediciones de la producción de calor de MTD antes y después de una comida utilizando termografía infrarroja (IR) (Figura 1)^12,13. Establecer la termografía IR como un método de elección para medir la actividad de BAT después de una comida en individuos sanos y obesos o pacientes con diabetes mellitus tendrá un gran impacto en el campo. Hasta el día de hoy, la termografía IR se utiliza para la determinación de la activación inducida por frío de BAT^13,14,15. En la historia humana reciente, la actividad de BAT inducida por el frío ya no es muy pronunciada (debido al calentamiento adecuado de los hábitats, la ropa adecuada), mientras que la activación de BAT después de una comida ocurre todos los días. Además, la regulación fisiológica de estas dos funciones BAT a través del hipotálamo es completamente diferente. Después de una comida, la activación de las neuronas que expresan proopiomelanocortina (POMC) en el núcleo arqueado hipotalámico (Arc) conduce a un aumento de la actividad nerviosa simpática a través de rRPa¹⁶. La activación de BAT inducida por frío medida por termografía IR o PET-CT es inadecuada cuando se usa como medida para la actividad diaria de BAT. El aumento de la actividad de las MTD después de una comida es seguido por la utilización de la glucosa, que en última instancia es importante para mantener la homeostasis de la glucosa, la sensibilidad a la insulina y la regulación diaria de la concentración de glucosa. La activación de las MTD posprandiales conduce a un aumento en el consumo de glucosa postprandial, seguido de un aumento en la producción de calor y la temperatura corporal (DIT). Se demostró que era dependiente del sexo, la edad y el IMC¹². Se observan diferencias de género similares en la activación de las MTD después de una comida en ratones de laboratorio machos y hembras¹⁷. Estos hallazgos corresponden a las diferencias de género recientemente descubiertas en la regulación de BAT por Burke et al., quienes mostraron que la regulación hipotalámica del pardeamiento de BAT a través de una subpoblación de neuronas POMC difiere en ratones machos y hembras¹⁸. La activación posprandial de BAT es menor en mujeres, poblaciones mayores y personas obesas. La falta de activación de las MTD después de una comida (disminución de la utilización de glucosa) podría conducir a una mayor prevalencia de intolerancia a la glucosa en las mujeres 19,20,21,22. Desafortunadamente, la mayoría de los estudios sobre la activación de las MTD se realizaron solo en hombres. Al activar las MTD después de una comida, la absorción de glucosa aumenta en la población masculina delgada. No es sorprendente que, después de la activación de las MTD, la TID sea mayor en los sujetos masculinos con MTD positiva ^8,9. Además, el trasplante de MTD en ratones machos mejora la tolerancia a la glucosa, aumenta la sensibilidad a la insulina y disminuye el peso corporal y la masa grasa²³.

La PET-CT falla como método de elección para medir la actividad de las MTD, especialmente después de una comida. Por lo tanto, se desarrolló un método no invasivo y más sensible. La termografía IR permite estimar la actividad de las MTD en diferentes animales de laboratorio (ratones knock-out), así como en participantes humanos, independientemente del sexo, la edad o los efectos de diferentes afecciones patológicas en la actividad de las MTD. Un beneficio adicional de este método es la simplicidad para los participantes y los animales de laboratorio, lo que nos permite estimar los beneficios potenciales de la terapia de refuerzo BAT. Los estudios recientes que utilizan termografía IR para determinar el comportamiento fisiológico de las MTD después de la exposición al frío o una comida se describen en la reciente publicación de Brasil et ^al.24.

Protocol

Todos los procedimientos experimentales en animales de laboratorio fueron aprobados por el Comité Nacional de Ética y el Ministerio de Agricultura (EP 185/2018). Los experimentos se llevaron a cabo de acuerdo con el Codex Ético de la Sociedad Croata para la Ciencia de los Animales de Laboratorio y las directrices ARRIVE. Todos los procedimientos realizados en estudios con participantes humanos estaban de acuerdo con la Declaración de Helsinki y aprobados por el Comité de Ética de la Facultad de Medicina de la Unive…

Representative Results

La forma más fácil de determinar la actividad de las MTD es restar la temperatura máxima de la piel por encima de las MTD antes y después de una comida en sujetos humanos. Una mejor manera de calcular la actividad de las MTD es seleccionar dos regiones de interés: el área de la piel por encima del MTD, que se encuentra en el área supraclavicular, y el área interclavicular de la piel donde no se encuentra tejido BAT en humanos, designada como área de referencia (según PET-CT; Figura 1</stron…

Discussion

Estudios recientes presentan evidencia creciente sobre la regulación fisiológica y la importancia de la actividad BAT en humanos adultos y animales en el desarrollo de obesidad y diabetes mellitus. Además, la posible activación de MTD por activadores exógenos se está convirtiendo en un objetivo para las empresas farmacéuticas. Para poder estimar la regulación fisiológica y la importancia fisiopatológica de las MTD en enfermedades muy onerosas, así como descubrir un posible enfoque terapéutico, la termografía…

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