Umano Brown adipose Depositi tessuti segmentato automaticamente da Positron Emission Tomography / tomografia computerizzata e registrati Risonanza Magnetica Images

Summary

Il metodo qui presentata utilizza ¹⁸ F-Fluorodeoxyglucose ⁽¹⁸ F-FDG) tomografia ad emissione di positroni / tomografia computerizzata (PET-CT) e grasso-acqua separata risonanza magnetica (MRI), ciascuna scansione dopo 2 ore di esposizione a thermoneutral (24 ° C ) e freddo (17 ° C), al fine di mappare tessuto adiposo bruno (BAT) in soggetti umani adulti.

Abstract

Affidabile differenziando tessuto adiposo bruno (BAT) da altri tessuti utilizzando un metodo di imaging non invasivo è un passo importante verso lo studio BAT negli esseri umani. Rilevamento BAT è tipicamente confermata dalla captazione del tracciante radioattivo iniettato ¹⁸ F-Fluorodeoxyglucose ⁽¹⁸ F-FDG) nei depositi tessuto adiposo, come misurato mediante tomografia a emissione di positroni / tomografia computerizzata (PET-CT) scansioni dopo esporre il soggetto a stimolo freddo . Fat-acqua separata risonanza magnetica (MRI) ha la capacità di distinguere BAT senza l'uso di un tracciante radioattivo. Ad oggi, la risonanza magnetica di BAT in esseri umani adulti non è stato co-registrato con attivati ​​freddo PET-CT. Pertanto, questo protocollo utilizza ¹⁸ scansioni F-FDG PET-CT per generare automaticamente una maschera BAT, che viene poi applicata a co-registrato MRI scansioni dello stesso soggetto. Questo approccio permette di misurare le proprietà MRI quantitativi della BAT senza segmentazione manuale. Maschere BAT sono creati da due PEScansioni T-CT: dopo l'esposizione per 2 ore a uno thermoneutral (TN) (24 ° C) o attivato a freddo (CA) (17 ° C) condizioni. I TN e CA PET-TC sono registrati, ed i valori di assorbimento standardizzati PET e CT Hounsfield sono utilizzati per creare una maschera che contiene solo BAT. CA e TN risonanza magnetica sono acquisite sullo stesso tema e registrate le scansioni PET-TC al fine di stabilire le proprietà MRI quantitative all'interno della maschera BAT definito automaticamente. Un vantaggio di questo approccio è che la segmentazione è completamente automatizzato e si basa su metodi ampiamente accettati per l'identificazione del attivata BAT (PET-CT). Le proprietà MRI quantitativi di BAT stabiliti utilizzando questo protocollo può servire come base per una sola MRI esame BAT che evita la radiazione associata alla PET-CT.

Introduction

A causa del marcato aumento dell'obesità in tutto il mondo, vi è un crescente interesse nelle aree di ricerca finalizzati alla comprensione del bilancio energetico. L'obesità può portare a condizioni mediche costose e devastanti come il diabete, malattie del fegato, malattie cardiovascolari e cancro, che lo rende una significativa area di preoccupazione per la salute pubblica ^1. Un settore di ricerca volta a comprendere l'equilibrio di apporto energetico rispetto al dispendio energetico è lo studio del tessuto adiposo bruno o BAT. Anche se definito un tessuto adiposo, BAT si differenzia dalla più comune tessuto adiposo bianco (WAT) in molti modi ^2. La funzione degli adipociti bianchi è per memorizzare trigliceridi in un unico grande vacuolo lipidico per cella, e per liberare tali trigliceridi come fonte di energia nel flusso sanguigno quando necessario. In modo molto diverso, la funzione di adipociti bruni è di produrre calore. Un meccanismo con cui questo avviene è attraverso l'esposizione al freddo. Questo provoca un aumento sympathetic attività del sistema nervoso, che a sua volta attiva BAT. Quando viene attivato, adipociti bruni generano calore. Per fare ciò, si utilizzano i trigliceridi contenuti nei numerosi piccoli vacuoli lipidici per cella, e attraverso la presenza di proteine ​​di disaccoppiamento 1 (UCP1) nei mitocondri abbondante, convertire i trigliceridi a substrati metabolici senza la produzione di ATP, con conseguente perdita entropica la generazione di calore. Poiché i trigliceridi memorizzati nei piccoli vacuoli lipidici sono esaurite, adipociti riprende sia il glucosio e trigliceridi presenti nel flusso sanguigno ^3.

L'interesse per lo studio BAT è drammaticamente aumentata negli ultimi anni grazie al suo contributo alla non-brividi termogenesi, il suo ruolo nel modulare la spesa energetica del corpo, e la potenziale relazione inversa tra BAT e obesità ^{3 – 9.} Inoltre, recenti studi su animali indicano BAT gioca un ruolo fondamentale in trigliceridi compensazione e glucosio fROM sangue, soprattutto dopo l'ingestione di un pasto ricco di grassi ^10,11. Tuttavia, la maggior parte di ciò che sappiamo sulla BAT è il risultato della ricerca in piccoli mammiferi, che contengono molti depositi di BAT ^{4,9,12 – 15.} Nonostante alcuni studi presto ^{16 – 18,} la presenza di BAT negli esseri umani è stato ampiamente pensato a diminuire con l'età fino a poco tempo in cui è stato rinnovato interesse per lo studio BAT umana. Recenti ricerche indicano che quantità relativamente piccole di BAT persistono in età adulta ^19-24. Un ulteriore fattore limitante per studiare BAT è che, a parte la biopsia e colorazione istologica, il metodo inequivocabile attualmente accettato per rilevare BAT ¹⁸ F-fluorodeossiglucosio ⁽¹⁸ F-FDG) tomografia ad emissione di positroni (PET). Scanner PET moderni sono in genere combinati con una tomografia computerizzata (CT) scanner. Quando attivato da esposizione al freddo, BAT riprende il ¹⁸ </sup> radiotracciante F-FDG, che è un analogo metabolica del glucosio, e diventa visibile sulle immagini PET, rispetto al livello molto più basso di ¹⁸ F-FDG quando BAT ^20,21,23,25 inattiva. Immagini TC acquisite nel corso di un esame PET su una PET-CT scanner aiutano a distinguere tra tessuti con alto ¹⁸ F-FDG, fornendo informazioni anatomiche. Questo uso dell'imaging PET-CT espone il soggetto a radiazioni ionizzanti (prevalentemente da PET, sebbene la dose dalla TAC non è trascurabile), ed è quindi un metodo per il rilevamento indesiderato BAT.

Anche se il numero di studi sulla BAT negli esseri umani adulti sani è in aumento, recenti studi di BAT umana sono principalmente sono limitati a retrospettiva PET-CT studi di ^19,25, cadaveri umani infantili ^26,27, gli adolescenti umani che sono già stati ammessi in ospedale per altri motivi ^{27 – 30,} e alcuni studi umani adulti sani31 ^{– 35.} Una delle sfide con entrambi gli studi di bambini e di studi retrospettivi è la possibilità di risultati alterati quando si studia una popolazione di pazienti che è malato, che possono influire BAT. Inoltre, poiché il glucosio non è la fonte di combustibile preferita di BAT ^36, gli studi PET possono non rilevare sempre BAT attivato, e quindi possono underrepresent la presenza di BAT. Un'altra difficoltà nello studio BAT con l'imaging biomedico è legata all'esecuzione di segmentazione di immagini per definire i confini di depositi di tessuto. Attualmente, la segmentazione delle BAT negli studi umani si basa spesso su un certo grado di segmentazione manuale ed è quindi vulnerabile a errori di identificazione dei depositi BAT, nonché alla variabilità inter-rater.

A causa di queste sfide, tecniche di mappatura spaziale affidabili in grado di distinguere BAT da distribuzioni WAT, insieme a metodi di segmentazione automatici, avrebbe fornito agli investigatori un potente nuovo aolo con cui studiare BAT. La risonanza magnetica (MRI) ha la capacità per l'identificazione, la mappatura del territorio, e la quantificazione volumetrica di BAT, ea differenza di approcci di imaging esistenti ibridi PET-CT, che comprendono una dose radioattiva per il soggetto con immagini, risonanza magnetica non comporta radiazioni ionizzanti e può essere utilizzato in modo sicuro e ripetutamente. La capacità di identificare e quantificare BAT utilizzando la risonanza magnetica può avere un drammatico impatto positivo sulla endocrinologia clinica e la ricerca di nuove vie di ricerca di obesità. Grasso-acqua precedente MRI (FWMRI) studi di BAT sia nei topi e gli esseri umani dimostrano che il grasso-segnale frazione (FSF) di BAT è nel range del 40-80% di grassi, mentre WAT è superiore al 90% di grassi ^{15,26 , 27.} Pertanto ipotizziamo che questo quantitativa FWMRI metrica, in combinazione con altre metriche MRI quantitative, può essere utilizzato in futuro lavoro per visualizzare e quantificare depositi BAT nell'uomo. Ciò fornire alla comunità di ricerca con un potente strumento con cui studiare l'influenza di BAT su incontratoabolism e dispendio energetico senza l'uso di radiazioni ionizzanti.

Il nostro gruppo di ricerca ha studiato BAT negli esseri umani adulti per gli ultimi tre anni. La nostra prima presentazione pubblica sull'uso della risonanza magnetica per indagare sospetti BAT nel soggetto umano un adulto si è verificato nel mese di febbraio 2012 presso la Società Internazionale per la Risonanza Magnetica in Medicina (ISMRM) Separazione Fat-Water Workshop a Long Beach, California ^37. Due mesi più tardi, il nostro gruppo ha presentato valori FSF in sospetto BAT in due adulti in occasione della riunione annuale ^° 20 del ISMRM nell'aprile 2012 a Melbourne, Australia ^38. Un anno più tardi alla riunione annuale ^st 21 del ISMRM aprile 2013 a Salt Lake City, nello Utah, il protocollo descritto in questo manoscritto è stato utilizzato per la prima (al meglio delle nostre conoscenze) presentazione pubblica di MRI quantificazione della PET-confermata BAT in umano soggetti adulti ^39. In particolare, abbiamo presentato le prove che dimostrano che la precedente ay sospetto BAT è stato confermato per essere BAT attivabile utilizzando sia thermoneutral attivato freddo e di imaging ¹⁸ F-FDG PET-CT. Dal 2013, la nostra coorte di adulti volontari sani, ripreso sia con MRI e PET / CT in condizioni di temperatura e attivato freddo ha ampliato a più di 20 soggetti con risultati più recentemente presentati nel mese di febbraio 2014 il workshop "Esplorare il ruolo di Brown Fat in esseri umani "promosso dal NIH NIDDK ^40. In particolare, abbiamo riportato FWMRI FSF e R ₂ * proprietà di rilassamento nelle regioni della BAT sopraclavicolare confermati da ¹⁸ F-FDG PET-CT negli esseri umani adulti, con le ROI BAT delineati utilizzando algoritmi di segmentazione automatici basata sul termoneutrale attivato freddo e PET-CT scansioni. Più di recente abbiamo presentato i risultati di mappatura della temperatura a ¹⁸ F-FDG PET-CT ha confermato BAT negli esseri umani adulti, utilizzando l'avanzata FWMRI termometria ^41,42.

La procedura qui presentata acquisires sia MRI e ¹⁸ scansioni F-FDG PET-TC sullo stesso argomento, ognuno dopo l'esposizione a entrambe le condizioni di temperatura attivati ​​freddo e. Le ¹⁸ scansioni F-FDG PET-CT temperatura neutra attivate freddo e sono usati per creare le regioni segmentati automaticamente BAT di interesse (ROI), su base oggetto specifico. Questi ROI BAT vengono poi applicati alle co-registrato risonanza magnetica per misurare le proprietà di risonanza magnetica della PET-CT confermato BAT.

Una limitazione di questo protocollo è che la temperatura dell'aria utilizzata quando espone soggetti a uno stimolo caldo o freddo è costante per ogni soggetto. Questa è una limitazione in quanto la temperatura alla quale ciascun soggetto vive sensazione di calore o refrigerate può essere differente. Pertanto, eseguendo una sessione di prova durante il quale la temperatura dell'aria è regolata per adattarsi risposta individuale, e quindi utilizzando queste temperature durante i protocolli di temperatura neutra e fredda-attivazione, potrebbe essere possibile ottenere risposte miglioridal tessuto adiposo bruno.

Protocol

NOTA: Il comitato etico locale di questo istituto ha approvato questo studio, e tutti i soggetti previsti scritto consenso informato prima della partecipazione. Per essere eleggibili per lo studio, i soggetti devono soddisfare i seguenti requisiti: diabete mellito non nota; nessun uso di beta-bloccanti o farmaci ansia, attualmente o in passato; non fumare o masticare il tabacco, attualmente o in passato; non più di 4 tazze di caffeina ogni giorno; non più di 2 bicchieri di alcol ogni giorno; e se di sesso femminile, n…

Representative Results

L'acquisizione sia MRI e PET-TC sullo stesso argomento, e l'esecuzione di co-registrazione su tutte le scansioni consente la misurazione affidabile di metriche MRI quantitativi di BAT. La Figura 1 mostra la non trasformati calda (TN) e fredda (CA) PET-TC e RM scansioni da un soggetto. Con l'acquisizione sia TN e CA PET-CT dati, è possibile distinguere chiaramente i depositi BAT-attivato a freddo da parte del maggiore assorbimento 18 F-FDG. Dopo co-registrazione tutti quattro scan…

Discussion

Il protocollo dello studio descritto è stato progettato per utilizzare sia thermoneutral e attivati ​​freddo PET / CT per automaticamente segmento depositi BAT su base oggetto specifico. Queste regioni generate automaticamente di interesse possono essere applicate a entrambe le scansioni MRI temperatura neutra e attivato freddo che sono stati co-registrate per le scansioni PET / TC dello stesso soggetto. Per quanto a nostra conoscenza, questa è la prima ricerca di eseguire sia MRI e PET / CT dopo condizioni di tem…

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