褐色脂肪組織活性の変化を検出するための赤外線サーモグラフィ
Summary
ここでは、ヒトおよび実験動物における食後の褐色脂肪組織活性を測定するためのプロトコルを提示する。
Abstract
食後または肥満または糖尿病患者における18F-フルオロデオキシグルコース(FDG)の蓄積を介した陽電子放出断層撮影コンピュータ断層撮影(PET-CT)による褐色脂肪組織(BAT)活性の測定は、選択方法として失敗します。主な理由は、18F-FDGがBAT細胞の膜上の同じグルコーストランスポーターについて食後の高グルコース血漿濃度と競合するためです。さらに、BATは脂肪酸をエネルギー源としても使用していますが、これはPET-CTでは見えず、肥満や糖尿病患者のグルコース濃度とともに変化する可能性があります。そこで、動物およびヒトにおけるBATの生理的重要性を推定するために、最近の刊行物で用いられている新しい赤外線サーモグラフィ法が適用される。
一晩絶食後、BAT活性は、ヒトボランティアおよび雌野生型マウスにおける食餌の前後に赤外線サーモグラフィにより測定した。カメラソフトウェアは、物体からの距離、皮膚の放射率、反射室温、気温、相対湿度を使用して物体の温度を計算します。マウスでは、BATの上の剃毛領域は、平均温度と最高温度が測定された関心領域でした。雌マウスにおける発情周期の段階は、クレシルバイオレット(0.1%)染色溶液で染色された膣塗抹標本による実験後に決定された。健康なボランティアでは、首の2つの皮膚領域が選択されました:鎖骨上領域(鎖骨の上、BAT細胞が存在する場所)と鎖骨間領域(鎖骨の間、BAT組織が検出されない場所)。BATアクティビティは、これら2つの値を減算することによって決定されます。また、皮膚領域の平均温度と最高温度は、動物と人間の参加者で決定することができます。
非侵襲的でより感度の高い方法である赤外線サーモグラフィによって測定された食後のBAT活性の変化は、実験動物において性別、年齢、および発情周期の段階に依存することが示されました。食事誘発性熱発生の一環として、ヒトにおけるBAT活性化は、性別、年齢、およびボディマス指数に依存することも証明されました。食後のBAT活性の病態生理学的変化をさらに決定することは、高グルコース血漿濃度(肥満および真性糖尿病2型)を有する参加者、ならびに異なる実験動物(ノックアウトマウス)にとって非常に重要である。この方法は、BAT活性を若返らせる可能性のある活性化薬を決定するための可変ツールでもあります。
Introduction
褐色脂肪組織(BAT)は、白色脂肪組織(WAT)とは対照的に、エネルギーを蓄えるのではなく、消費します。交感神経刺激を受けると、BATは脂肪酸とグルコースを利用し、脱共役タンパク質1(UCP1)の活性化によって熱を発生させます。UCP1の機能は、2つのミトコンドリア膜間のH+勾配を使用して、ATPの代わりに熱を生成することです。BATの機能は、低温条件下での熱生成を増加させることであり、これはエネルギー消費の増加につながります1。低温曝露後、皮膚からの感覚入力は、視床下部視索前野(POA)の正中視索前(MnPO)核の温感受性ニューロンを阻害し、吻側眼瞼球(rRPa)に対するPOAニューロンの阻害効果を低下させます。rRPaニューロンの活性化は交感神経活動を増加させ、続いてBAT活性が増加する2,3。寒冷誘発性BAT活性化は、ヒトのインスリン感受性を改善し4、この活性は、ボディマス指数(BMI)および年齢が増加したヒトでは減少します1,5,6,7。
寒冷誘発性熱発生におけるその役割とは別に、食後、BATにおけるグルコース取り込みは除脂肪型男性集団で増加し、BAT陽性の男性被験者でより高い食事誘発性熱発生(DIT)に寄与する8,9。BAT活性を測定するために使用される最先端の技術は、PET-CTとして知られる陽電子放出断層撮影コンピュータ断層撮影法です。この方法は、放射性トレーサーフルオロデオキシグルコース(18F-FDG)の蓄積を測定することによってBAT活性を決定する。しかし、PET-CTは、食後のBATの活性化を検出するための選択方法として失敗します。その理由の1つは、食後、18F-FDGが同じグルコーストランスポーターについて食後高血糖と競合するため、特に健康な参加者と糖尿病の参加者のBAT活性を血糖値の違いと比較する場合、食後のBAT活性化を決定するのに不適切です。さらに、BATはPET-CTでは見えない熱生成のためのエネルギー源として脂肪酸を使用します。18名食後のBATにおけるF-FDG蓄積はほとんど見えない10ため、ほとんどの場合、否定的な結果として解釈されます。当然のことながら、最近、BATの活性化は、私たちが以前に考えていたよりもヒト集団においてより顕著であることが示唆されました。したがって、BAT活性とその代謝障害への関与を検出するための新しいアプローチが必要です7。この問題を解決する試みは、前糖尿病患者およびインスリン抵抗性を有する2型糖尿病(T2DM)患者における磁気共鳴画像法(MRI)によるBATの体積を測定することである11。しかし、MRIで測定したBAT量は、BATによるグルコースや脂肪酸の日常機能や使用量を推定するための十分な指標ではありません。したがって、健康な患者と2型糖尿病患者のBAT活性の実際の差を推定するには、2型糖尿病患者のBAT機能不全の病理学的メカニズムを見つける可能性を提供する新しいアプローチが必要です。
BATの活性化を決定するために、赤外線(IR)サーモグラフィを使用して、食前後のBAT熱産生の測定を行いました(図1)12,13。健康で肥満の個人または糖尿病患者の食後のBAT活性を測定するための選択方法としてIRサーモグラフィを確立することは、この分野に大きな影響を与えます。今日まで、IRサーモグラフィはBAT13,14,15の低温誘発活性化の測定に使用されています。最近の人類の歴史では、寒さによるBAT活動はもはやあまり顕著ではありませんが(生息地の適切な加熱、適切な衣服のため)、食事後のBAT活性化は毎日発生します。さらに、視床下部を介したこれら2つのBAT機能の生理学的調節は完全に異なります。食後、視床下部弓状核(Arc)におけるプロオピオメラノコルチン(POMC)発現ニューロンの活性化は、rRPa16を介して交感神経活動の増加につながります。IRサーモグラフィまたはPET-CTによって測定されたBATの低温誘発活性化は、日常のBAT活動の尺度として使用すると不適切です。食後のBAT活性の増加に続いてグルコース利用が行われ、これはグルコース恒常性、インスリン感受性、およびグルコース濃度の毎日の調節を維持するために最終的に重要です。食後のBAT活性化は、食後のグルコース消費量の増加をもたらし、続いて熱産生および体温(DIT)の増加をもたらす。これは、性別、年齢、およびBMI依存であることが示されました12。食後のBAT活性化における同様の性差は、雄と雌の実験用マウスで観察されています17。これらの発見は、POMCニューロンの亜集団を介したBAT褐変の視床下部調節が雄と雌のマウスで異なることを示したBurkeらによって最近発見されたBATの調節の性差に対応しています18。BATの食後の活性化は、女性、高齢者、肥満の人では小さいです。食後のBAT活性化の欠如(グルコース利用率の低下)は、女性の耐糖能障害の有病率が高くなる可能性があります19,20,21,22。残念ながら、BAT活性化に関する研究の大部分は男性でのみ行われました。食後にBATを活性化することにより、痩せた男性集団のグルコース取り込みが増加します。BAT活性化後、BAT陽性の男性被験者でDITが高いことは驚くべきことではありません8,9。さらに、雄マウスにおけるBAT移植は、耐糖能を改善し、インスリン感受性を増加させ、そして体重および脂肪量を減少させる23。
PET-CTは、特に食後のBAT活性を測定するための選択方法として失敗します。したがって、非侵襲的でより感度の高い方法が開発されました。IRサーモグラフィは、性別、年齢、またはBAT活性に対するさまざまな病理学的状態の影響に関係なく、さまざまな実験動物(ノックアウトマウス)およびヒト参加者のBAT活性を推定することができます。この方法の追加の利点は、参加者と実験動物にとって単純であることであり、BATブースター療法の潜在的な利点を推定することができます。低温暴露または食事後のBATの生理学的挙動を決定するためのIRサーモグラフィを用いた最近の研究は、Brasilらの最近の出版物に記載されている24。
Protocol
Representative Results
Discussion
最近の研究では、肥満および糖尿病の発症における成人のヒトおよび動物におけるBAT活性の生理学的調節および重要性に関する証拠が増えています。さらに、外因性活性化剤によるBAT活性化の可能性は、製薬会社のターゲットになりつつあります。非常に厄介な疾患におけるBATの生理学的調節と病態生理学的重要性を推定し、潜在的な治療アプローチを発見するために、赤外線サーモグラフ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、クロアチア科学財団の研究助成金(IP-2018-01-7416)によって資金提供されました。
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 |
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