人間の褐色脂肪組織デポは自動的に陽電子放射断層撮影/コンピュータ断層撮影法で区分されると磁気共鳴画像登録

Summary

ここに提示された方法は、各々が温熱（24°Cに2時間暴露後にスキャンし^、18 F-フルオロデオキシ^（18 F-FDG）陽電子放出断層撮影/コンピュータ断層撮影法（PET-CT）および脂肪-水分離、磁気共鳴イメージング（MRI）を使用し）と成人のヒト対象における褐色脂肪組織（BAT）をマッピングするために冷たい条件（17℃）。

Abstract

確実に非侵襲的イメージング法を用いて、他の組織から褐色脂肪組織（BAT）を微分すると、ヒトにおけるBATを研究するための重要なステップである。検出陽電子放出断層撮影/コンピュータ断層撮影（PET-CT）により測定されるBATは、典型的には、冷刺激に対する対象の曝露後の走査は、脂肪組織貯蔵所に注射し、放射性トレーサー¹⁸ F-フルオロデオキシ^（18 F-FDG）の取り込みによって確認される。脂肪 – 水分離、磁気共鳴イメージング（MRI）は、放射性トレーサーを使用することなく、BATを区別する能力を有する。今日までに、ヒト成人におけるBATのMRIは、コールド活性化PET-CTと同時登録されていない。したがって、このプロトコルは、自動的にその後の共同登録されたために、同じ被験者のMRIスキャンを適用するBATマスクを生成するために^、18 F-FDG PET-CTスキャンを使用しています。このアプローチは、手動セグメンテーションすることなく、BATの定量的MRI特性の測定を可能にします。 BATマスクは2のPEから作成されるT-CTスキャン：2時間のいずれかに温熱（TN）（24℃）または低温の活性化（CA）（17℃）の条件に暴露した後。 TNおよびCA PET-CTスキャンは、登録されており、標準化されたPETの取り込みおよびCTハウンズフィールド値のみBATを含むマスクを作成するために使用される。 CAおよびTN MRIスキャンは、同じ被写体に取得し、自動的に定義BATマスク内の定量的なMRIのプロパティを確立するために、PET-CTスキャンに登録されている。このアプローチの利点は、セグメント化が完全に自動化され、活性化されたBAT（PET-CT）を同定するための広く受け入れられている方法に基づいていることである。 BATの定量的MRI特性は、PET-CTに関連した放射線を回避MRI専用のBAT審査の基礎として役立つことができるこのプロトコルを使用して確立。

Introduction

による世界的な肥満の著しい上昇、エネルギーバランスを理解することを目的とした研究分野の関心の高まりがある。肥満はそれ公衆衛生¹の関心の重要な地域作り、糖尿病、肝臓病、心血管疾患や癌などのコストがかかり、壊滅的な医学的状態を招くおそれがあります。エネルギー消費に対するエネルギー摂取量のバランスを理解するための研究の一領域は、褐色脂肪組織またはBATの研究である。脂肪組織と呼 ​​ばれるが、BATは多くの点²で、より一般的な白色脂肪組織（WAT）とは異なる。白色脂肪細胞の機能は、細胞当たり単一の大きな脂質液胞にトリグリセリドを保存するために、必要なとき血流へのエネルギー源として、これらのトリグリセリドを解放することである。非常に異なるようにして、褐色脂肪細胞の機能は、熱を生成することである。これが発生することで1つのメカニズムは、寒さへの曝露を介して行われます。これはsympathetiの増大を引き起こす今度はBATを活性化し、C神経系の活動、。活性化されると、褐色脂肪細胞は、熱を発生させる。そうするために、それらは、細胞当たり多数の小さな脂質小胞に含まれるトリグリセリドを使用して、脱共役タンパク質1（UCP1）の存在を通じて豊富なミトコンドリアにおいて、エントロピー損失をもたらす、ATPの生産なしに代謝基質にトリグリセリドを変換する発熱など。小さ ​​な脂質液胞に格納トリグリセリドが枯渇しているように、脂肪細胞は、血流³中に存在するグルコースおよびトリグリセリドの両方を占める。

^{9 –} BATを研究への関心が劇的に起因する非震え熱発生、身体のエネルギー消費の調節におけるその役割、およびBATと肥満³との間の潜在的な逆の関係への貢献に、近年増加している。さらに、最近の動物研究は、BATがクリアトリグリセリドおよびグルコースfのに重要な役割を果たして示す特に高脂肪食^10,11の摂取後、血流中にデキュー。 ^{15 –}しかし、我々はBATについて知っていることのほとんどはBAT ^4,9,12の多くのデポが含まれている小型哺乳類、研究の結果である。いくつかの初期の研究にもかかわらず^{、16 – 18、}ヒトでのBATの存在は広く人間のBATの研究に興味が更新された際に、最近まで、年齢とともに減少すると考えられていた。 ^{24 –}最近の研究では、BATの比較的少量成人¹⁹に続くことを示唆している。 BATを研究するための付加的な制限因子は別として、生検及び組織学的染色から、BATを検出するための現在受け入れられている明確な方法は^、18 F-フルオロ^（18 F-FDG）ポジトロン放出断層撮影法（PET）であることである。現代のPETスキャナは、典型的には、コンピュータ断層撮影（CT）スキャナと組み合わされる。寒冷曝露によって活性化されると、BATは^18を占める</s>アップBATが非アクティブ^{20,21,23,25で}ある場合に¹⁸ F-FDG取り込みの非常に低いレベルと比較して、グルコースの代謝アナログであり、PET画像に見えるようになるF-FDG放射性トレーサー、。 PET-CTスキャナの助けにPET検査の間に取得されたCT画像は、解剖学的情報を提供することにより、高¹⁸ F-FDGの取り込みと組織とを区別する。 PET-CTイメージングの使用は、（CTスキャンからの線量は無視できないが、PETから主に）電離放射線への被験体を露出させるため、BAT検出のために望ましくない方法である。

健康な成人ヒトでのBATに関する研究の数が増加しているが、人間のBATの最近の研究は、主に回顧PET-CTに限られていた人間の乳児の死体^26,27、すでにのために病院に入院してきた人間の青年^、19,25研究その他の理由で^{27から30、}および健康な成人の少数のヒトの研究³¹から^35。 BATに影響を与える可能性がある、病気のある患者集団を研究するとき、子供と後ろ向き研究の両方の研究と課題の一つは、変更された結果の可能性である。グルコースは、BAT ³⁶の好ましい燃料源ではないのでさらに、PET研究は常にアクティブにBATが検出されないことがあり、したがって、BATの存在をunderrepresentことがあります。生物医学イメージングとBATの研究に別の困難は、組織デポの境界を定義するために画像分割を実行することに関連している。現在、ヒトでの研究でBATのセグメンテーションは、多くの場合、手動の画像分割のある程度に依存しているため、BATデポの誤認と同様に、評価者間の変動に対して脆弱である。

そのため、自動化された分割方法と一緒に、WAT分布からBATを区別することができる強力な新しいと研究者を提供するこれらの課題に、信頼性の高い空間マッピング技術のBATを勉強するとOL。磁気共鳴イメージング（MRI）は、識別、空間マッピング、およびBATの体積定量化のための機能を有しており、撮像対象のための放射性用量を含む既存のハイブリッドPET-CTイメージング手法とは異なり、MRIは電離放射線を伴わない、安全に使用することができ繰り返し。 MRIを用いて、BATを特定し、定量する能力は、臨床内分泌学と肥満研究の新しい道の追求に劇的なプラスの影響を与える可能性があります。 WAT 90％の脂肪^15,26の上にあるのに対して、マウスおよびヒトの両方におけるBATの前脂肪水MRI（FWMRI）の研究では、BATの脂肪信号フラクション（FSF）が40〜80％の脂肪分の範囲であることを示している^、27。したがって、我々は、この定量FWMRIメトリックは、他の定量的なMRI測定基準と組み合わせて、ヒトでのBATデポを視覚化し、定量化するために、将来の研究に使用することができると仮定した。会った上でこれはBATの影響を研究するための強力なツールを使って研究コミュニティを提供する電離放射線を使用することなくabolism及びエネルギー消費。

我々の研究グループは、過去3年間、成人のヒトでのBATを研究してきた。 1成人のヒト対象における疑わBATを調査するMRIの使用についての私たちの最初の公開プレゼンテーションでは、ロングビーチ、カリフォルニア州³⁷における磁気共鳴医学のための国際協会（ISMRM）脂肪水分離ワークショップ2012年2月に発生した。 2ヵ月後、私たちのグループは、オーストラリアのメルボルン³⁸で2012年4月におけるISMRMの^第 20 ^回年次総会で、大人2名で疑われるBATでFSFの値を提示した。ソルトレイクシティ、ユタ州で2013年4月におけるISMRMの^第 21回年次総会で一年後、この原稿に記載されているプロトコルは、PET-確認されたのMRI定量化の最初の（私たちの知る限り）公共のプレゼンテーションのために使用された成人ヒト被験者³⁹でBAT。具体的には、previouslことを示す証拠を提示しyの疑いのBATが活性冷及び温熱¹⁸ F-FDG PET-CTイメージングの両方を使用して活性化可能BATであることを確認した。 2013年以来、健康な成人被験者の私たちのコホートは、温熱と寒冷活性化条件の下で、MRIとPET / CTの両方で画像化は、褐色脂肪の役割を探る」、最近のワークショップで、2014年2月に示された結果との20以上の被験者に拡大している人間の「NIH NIDDK ⁴⁰が主催。 BATのROIがアクティブに冷たいと温熱PET-CTに基づく自動セグメント化アルゴリズムを使用して線引きして具体的には、成人で¹⁸ F-FDG PET-CTで確認された鎖骨上BATの地域でのFWMRI FSFおよびR ₂ *緩和特性を報告したスキャン。最近では、我々は¹⁸ F-FDG PET-CTで温度マッピングの結果を発表し、高度なFWMRI温度測定^41,42を使用して、成人で、BATを確 ​​認した。

手順は、ここで提示獲得同じテーマのS MRIと¹⁸ F-FDG PET-CTスキャンの両方、活性化した冷や温熱条件の両方に暴露した後、それぞれ。活性化した冷や温熱¹⁸ F-FDG PET-CTスキャンは、被験者の特定に基づき、関心（ROIを）の自動的にセグメント化されたBAT領域を作成するために使用されている。これらのBATのROIがその後PET-CTにおけるMRIの特性を測定するために共同登録MRIスキャンに適用されるBATを確認した。

このプロトコルの制限は、温かいまたは冷たい刺激のいずれかに被写体を露光する際に使用される空気の温度がすべての教科のために一貫しているということです。各被験者の経験が温かく感じたり冷やしれる温度が異なる可能性があるためこれが制限です。従って、空気の温度は、個々の応答に合わせて調整されている間のトライアルセッションを実行し、次に温熱および寒冷活性化プロトコルの間に、これらの温度を使用することによって、より良好な応答を得ることができるかもしれない褐色脂肪組織から。

Protocol

注：この研究所の現地倫理委員会は、この研究を承認し、そしてすべての被験者は、事前の参加の書面によるインフォームドコンセントを提供した。研究に適格であるためには、対象者は、次の要件を満たしている必要があります知られていない糖尿病を。 β遮断薬や不安薬の使用しない、現在または過去には、現在または過去に、タバコ製品を喫煙かかむはありません。カフェインの4カッ…

Representative Results

（CA）は、PET-CTやMRI、同じ被写体にMRIやPET-CTスキャンの両方を取得し、すべてのスキャンに共同登録を実行すると、BATの定量的MRI測定基準の信頼性の高い測定を可能にします。 図1は未処理（TN）暖かく寒さを示しています1被験者からスキャンします。 TNおよびCA PET-CTデータの両方を取得することによって、それは明らかに増加した18 F-FDG取り込みによってコールド活性?…

Discussion

記載した試験プロトコルは、特定の対象に基づいて自動的にセグメントBATデポ温熱および寒冷活性化の両方のPET / CTを使用するように設計されている。関心のあるこれらの自動的に生成された領域は、その後、同じ被験者のPET / CTスキャンに同時登録されている両方の温熱および寒冷活性化MRIスキャンに適用することができる。我々の知る限り、これは同じ健康成人のボランティアでの温熱と…

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