Human Brown VetWeefsel Depots automatisch gesegmenteerd op basis van Positron Emissie Tomografie / Computed Tomography en geregistreerde Magnetic Resonance Images

Summary

De hier gepresenteerde methode gebruikt ^{18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG)} positron emissie tomografie / computertomografie (PET-CT) en vet-water gescheiden magnetische resonantie beeldvorming (MRI), elk afgetast na 2 uur blootstelling aan thermisch (24 ° C ) en koude omstandigheden (17 ° C) om bruin vetweefsel (BAT) bij volwassen proefpersonen kaart.

Abstract

Betrouwbaar differentiëren bruin vetweefsel (BBT) van andere weefsels met behulp van een niet-invasieve beeldvorming methode is een belangrijke stap in de richting van het bestuderen van BBT bij de mens. DETECTEREN BAT wordt typisch bevestigd door de opname van het geïnjecteerde radioactieve tracer ^{18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG)} in vetweefsel depots, zoals gemeten door positron emissie tomografie / computertomografie (PET-CT) scans na blootstellen van de onder koude stimulus . Fat-water gescheiden magnetische resonantie beeldvorming (MRI) het vermogen om BAT onderscheiden zonder het gebruik van een radioactieve tracer. Tot op heden, MRI van BBT bij volwassen mens is niet samen ingeschreven bij koude-geactiveerde PET-CT. Daarom is dit protocol maakt gebruik van ¹⁸ F-FDG PET-CT-scans om een BAT masker, die vervolgens wordt toegepast op mede-geregistreerde MRI-scans van hetzelfde onderwerp automatisch te genereren. Deze aanpak maakt het meten van kwantitatieve MRI-eigenschappen van de BBT zonder handmatige segmentatie. BAT maskers worden gemaakt uit twee PET-CT scans: na blootstelling gedurende 2 uur ofwel thermisch (TN) (24 ° C) en koude-geactiveerde (CA) (17 ° C) omstandigheden. De TN en CA PET-CT scans worden geregistreerd, en de PET gestandaardiseerde opname en CT Hounsfield waarden worden gebruikt om een ​​masker met alleen BAT creëren. CA en TN MRI-scans worden ook verworven over hetzelfde onderwerp en geregistreerd bij de PET-CT-scans om kwantitatieve MRI eigenschappen binnen het automatisch gedefinieerd BAT masker vast te stellen. Een voordeel van deze benadering is dat de segmentatie volledig geautomatiseerd en is gebaseerd op de algemeen aanvaarde methoden voor identificatie van geactiveerde BAT (PET-CT). De kwantitatieve MRI eigenschappen van BBT vastgesteld aan de hand van dit protocol kan dienen als basis voor een MRI-only BAT onderzoek dat de straling in verband met PET-CT vermijdt.

Introduction

Door de sterke toename van obesitas wereldwijd, is er een toegenomen belangstelling onderzoeksgebieden gericht op het begrijpen energiebalans. Obesitas kan leiden tot dure en verwoestende medische aandoeningen zoals diabetes, leverziekte, hart- en vaatziekten en kanker, waardoor het een belangrijk gebied van volksgezondheidsprobleem ^1. Een gebied van onderzoek gericht op het begrijpen van de balans van de energie-inname ten opzichte van de energie-uitgaven is de studie van bruin vetweefsel of BAT. Hoewel genoemd een vetweefsel, BAT verschilt van de meer gebruikelijke wit vetweefsel (WAT) op vele manieren ^2. De functie van de witte adipocyten is triglyceriden slaan in een grote lipide vacuole per cel, en deze triglyceriden als energiebron vrij in de bloedstroom indien nodig. In een andere wijze de werking van bruine adipocyten is om warmte te produceren. Een mechanisme dat dit gebeurt door blootstelling aan koude. Dit veroorzaakt een toename sympathetic activiteit van het zenuwstelsel, die op zijn beurt activeert BAT. Wanneer geactiveerd, bruine vetcellen warmte. Hiervoor gebruiken ze de triglyceriden in de vele kleine lipide vacuolen per cel, en door de aanwezigheid van ontkoppelingseiwit 1 (UCP1) in de overvloedige mitochondria, zet de triglyceriden metabole substraten zonder de productie van ATP, waardoor entropic verlies als warmte. Aangezien de triglyceriden opgeslagen in de kleine lipide vacuolen zijn uitgeput, de adipocyten neemt zowel glucose en triglyceriden in het bloed ^3.

De belangstelling voor het bestuderen van BAT is dramatisch toegenomen in de afgelopen jaren als gevolg van de bijdrage aan de niet-rillen thermogenese, zijn rol bij het ​​moduleren van het energieverbruik van het lichaam, en de mogelijke omgekeerde relatie tussen BAT en obesitas ^3-9. Bovendien recente dierstudies wijzen BAT speelt een cruciale rol bij het opruimen triglyceriden en glucose fROM De bloedstroom, vooral na inname van een vetrijke maaltijd ^10,11. Echter, de meeste van wat we weten over BBT is een resultaat van onderzoek in kleine zoogdieren, die vele depots van BAT ^4,9,12 bevatten ^{– 15.} Ondanks een paar vroege studies ^16-18, werd de aanwezigheid van BBT bij de mens in brede kring te verminderen met de leeftijd tot voor kort toen de belangstelling voor het bestuderen van de menselijke BBT is vernieuwd. Recent onderzoek suggereert dat relatief kleine hoeveelheden van BBT aanhouden in de volwassenheid ^19-24. Een bijkomende factor die het bestuderen BAT is dat naast biopsie en histologische kleuring, de momenteel aanvaarde eenduidige werkwijze voor het detecteren BBT ^{18F-fluorodeoxyglucose (18F-FDG)} positron emissie tomografie (PET). Moderne PET scanners worden typisch gecombineerd met een computertomografie (CT) scanner. Wanneer geactiveerd door blootstelling aan kou, BAT neemt de ¹⁸ </sup> F-FDG radiotracer, een metabolische analoog glucose en zichtbaar op PET beelden, in vergelijking met de veel lagere ^18F-FDG opname als BBT inactief ^20,21,23,25. CT-beelden tijdens een PET-examen op een PET-CT-scanner hulp verworven om onderscheid te maken tussen weefsels met een hoge ¹⁸ F-FDG-opname door het verstrekken van anatomische informatie. Dit gebruik van PET-CT beeldvorming loopt de onder ioniserende straling (voornamelijk uit PET, maar de dosis van de CT-scan niet verwaarloosbaar), en derhalve een ongewenste methode BAT detectie.

Hoewel het aantal studies over BBT bij gezonde volwassen mensen toeneemt, hebben recente studies van de menselijke BBT voornamelijk beperkt gebleven tot retrospectieve PET-CT bestudeert ^19,25, mensenkind kadavers ^26,27, menselijk adolescenten die al zijn toegelaten tot de ziekenhuizen voor andere redenen ^27-30, en een paar menselijke studies van gezonde volwassenen31 ^{– 35.} Een van de uitdagingen met beide studies van kinderen en retrospectieve studies is de mogelijkheid van veranderde resultaten bij het bestuderen van een patiëntenpopulatie die ziek is, die van invloed kunnen BBT. Bovendien, omdat glucose is niet de brandstof bron van BBT ³⁶ voorkeur, PET studies kunnen niet altijd detecteren geactiveerd BAT, en kan daarom de aanwezigheid van BAT underrepresent. Een ander probleem bij het bestuderen BAT met biomedische beeldvorming wordt gerelateerd aan het uitvoeren beeldsegmentatie de grenzen van weefsel depots definiëren. Momenteel, segmentatie van BAT in humane studies maakt steeds enige mate van manuele beeldsegmentatie en is daardoor kwetsbaar voor verkeerde identificatie van BAT depots, evenals interbeoordelaar variabiliteit.

Door deze uitdagingen, betrouwbare ruimtelijke mapping technieken die BBT kunnen onderscheiden van WAT distributies, samen met geautomatiseerde segmentatie methoden, zouden de onderzoekers te voorzien van een krachtige nieuwe aanol waarmee BBT-studie. Magnetic resonance imaging (MRI) heeft de mogelijkheid voor identificatie, ruimtelijke afbeelding en volumetrische kwantificatie van BBT, en in tegenstelling bestaande hybride PET-CT beeldvorming benaderingen die een radioactieve dosis voor het afgebeelde onderwerp omvatten MRI houdt geen ioniserende straling en kan veilig worden gebruikt en herhaaldelijk. Het vermogen om te identificeren en te kwantificeren BBT met behulp van MRI kan een dramatisch positief effect op de klinische endocrinologie en het nastreven van nieuwe wegen van obesitas onderzoek. Vorige vet-water MRI (FWMRI) studies van BAT in zowel muizen als mensen zien dat de vet-signaal-fractie (FSF) van BBT in het traject van 40-80% vet, terwijl WAT is dan 90% vet ^{15,26 , 27.} Onze hypothese is dan ook dat deze kwantitatieve FWMRI metrisch, in combinatie met andere kwantitatieve MRI metrics, kan gebruikt worden in toekomstige werkzaamheden te visualiseren en kwantificeren BAT depots bij de mens. Dit zou de onderzoeksgemeenschap te voorzien van een krachtig instrument om de BBT's invloed te bestuderen op ontmoetteabolism en het energieverbruik zonder het gebruik van ioniserende straling.

Onze onderzoeksgroep is het bestuderen van de BBT in volwassen mensen voor de afgelopen drie jaar. Onze eerste publieke presentatie over het gebruik van MRI om verdacht BBT te onderzoeken in een volwassen menselijk onderwerp vond plaats in februari 2012 op de International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM) Fat-waterscheiding Workshop in Long Beach, Californië ^37. Twee maanden later, onze groep gepresenteerd FSF waarden in verdenking BAT in twee volwassenen op de ^20e jaarlijkse bijeenkomst van de ISMRM in april 2012 in Melbourne, Australië ^38. Een jaar later op de ^st jaarlijkse bijeenkomst van de ISMRM 21 in april 2013 in Salt Lake City, Utah, de in dit manuscript beschreven protocol werd gebruikt voor de eerste (aan het beste van onze kennis) publieke presentatie van MRI kwantificering van PET-bevestigde BAT bij volwassen proefpersonen ^39. Concreet hebben we gepresenteerd waaruit blijkt dat de previously verdacht BAT werd bevestigd aan activeerbare BBT worden met behulp van zowel koude-geactiveerd en thermoneutral ¹⁸ F-FDG PET-CT-beeldvorming. Sinds 2013, ons cohort van gezonde volwassen proefpersonen afgebeeld met zowel MRI en PET / CT onder thermoneutral en koude-geactiveerde voorwaarden heeft uitgebreid tot meer dan 20 personen met de resultaten voor het laatst in februari 2014 gepresenteerd op de workshop "Verkenning van de rol van Brown Fat bij de mens ", gesponsord door de NIH NIDDK ^40. Concreet hebben we gemeld FWMRI FSF en _R2 * ontspanning woningen in de regio's van supraclaviculaire BBT bevestigd door ¹⁸ F-FDG PET-CT in volwassen mensen, met de BAT ROI afgebakend met behulp van geautomatiseerde segmentatie algoritmen gebaseerd op de koude-geactiveerd en thermoneutral PET-CT scans. Meest recent we gepresenteerde resultaten van de temperatuur in kaart brengen in ¹⁸ F-FDG PET-CT bevestigd BAT in volwassen mensen met behulp van geavanceerde FWMRI thermometrie ^41,42.

De procedure hier gepresenteerde verwervens zowel MRI en ¹⁸ F-FDG PET-CT-scans over hetzelfde onderwerp, elk na blootstelling aan zowel koude-geactiveerd en thermisch neutrale temperatuurbereik. De koude-geactiveerd en thermoneutral ¹⁸ F-FDG PET-CT-scans worden gebruikt om automatisch gesegmenteerd BAT regio van belang (ROI), over een onderwerp specifieke basis te creëren. Deze BBT ROI worden vervolgens toegepast op de co-geregistreerde MRI-scans om te meten de MRI-woningen in de PET-CT bevestigd BAT.

Een beperking van dit protocol is dat de temperatuur gebruikt bij blootstellen onderwerpen ofwel de warme of koude stimulus consistent voor elk vak. Dit is een beperking omdat de temperatuur waarbij elke proefpersoon ervaringen warm gevoel of gekoeld verschillend zijn. Daarom, door het uitvoeren van een proef sessie waarbij de temperatuur wordt aangepast aan de individuele respons passen, en dan met deze temperaturen tijdens de thermisch en koud activatie protocollen, kan het mogelijk zijn om een ​​betere respons te verkrijgenvan het bruine vetweefsel.

Protocol

OPMERKING: De lokale ethische commissie van dit instituut goedgekeurd deze studie, en alle vakken gaven schriftelijk toestemming voor deelname. Om in aanmerking te komen voor de studie, moet onderwerpen aan de volgende eisen: geen bekende diabetes mellitus; geen gebruik van bètablokkers of angst medicijnen, nu of in het verleden; niet roken of kauwen tabaksproducten, nu of in het verleden; niet meer dan 4 kopjes cafeïne per dag; niet meer dan 2 glazen alcohol per dag; en als vrouw, niet zwanger zijn of borstvoeding ge…

Representative Results

Het verwerven van zowel MRI en PET-CT-scans over hetzelfde onderwerp, en het uitvoeren van co-registratie op alle scans maakt betrouwbare meting van kwantitatieve MRI metrics van BAT. Figuur 1 toont de onbewerkte warm (TN) en koude (CA) PET-CT en MRI scans van het ene onderwerp. Door de overname van zowel TN en CA PET-CT-gegevens, is het mogelijk om een duidelijk onderscheid van de koude-geactiveerde BAT depots door de toegenomen 18 F-FDG opname. Na co registreren vier scans (figuur 2…

Discussion

De studie die beschreven protocol is ontworpen om zowel thermisch en koud-geactiveerde PET / CT gebruiken om automatisch segment BAT depots op een onderwerp specifieke basis. Deze automatisch gegenereerde gebieden van belang kan vervolgens worden toegepast op zowel thermisch en koud geactiveerde MRI scans die zijn samen geregistreerd op de PET / CT-scans van hetzelfde onderwerp. Om het beste van onze kennis, dit is het eerste onderzoek naar zowel MRI en PET / CT voeren na thermoneutral en koude-geactiveerde condities op…

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