Kahverengi yağ dokusu aktivitesindeki değişikliklerin tespiti için kızılötesi termografi
Summary
Burada, insanlarda ve laboratuvar hayvanlarında bir yemekten sonra kahverengi yağ dokusu aktivitesini ölçmek için bir protokol sunuyoruz.
Abstract
Bir yemekten sonra veya obez veya diyabetik hastalarda pozitron emisyon tomografisi bilgisayarlı tomografi (PET-BT) ile kahverengi yağ dokusu (BAT) aktivitesinin ölçülmesi, bir yemekten sonra 18F-florodeoksiglukoz (FDG) birikimi ile tercih edilen yöntem olarak başarısız olmaktadır. Bunun temel nedeni, 18F-FDG’nin, BAT hücrelerinin zarındaki aynı glikoz taşıyıcısı için postprandiyal yüksek glikoz plazma konsantrasyonu ile rekabet etmesidir. Ek olarak, BAT, PET-BT ile görünmeyen ve obez ve diyabetik hastalarda glikoz konsantrasyonu ile birlikte değiştirilebilen bir enerji kaynağı olarak yağ asitlerini de kullanır. Bu nedenle BAT’ın hayvanlarda ve insanlarda fizyolojik önemini tahmin etmek için son yayınlarda kullanılan yeni bir kızılötesi termografi yöntemi uygulanmaktadır.
Gece oruç tuttuktan sonra, BAT aktivitesi, insan gönüllüleri ve dişi vahşi tip farelerde yemekten önce ve sonra kızılötesi termografi ile ölçüldü. Kamera yazılımı, nesneden uzaklığı, cilt yayılımı, yansıyan oda sıcaklığını, hava sıcaklığını ve bağıl nemi kullanarak nesnenin sıcaklığını hesaplar. Farelerde, BAT’ın üzerindeki traş edilmiş alan, ortalama ve maksimum sıcaklıkların ölçüldüğü ilgi çekici bir bölgeydi. Dişi farelerde östrus döngüsünün fazı, kresil menekşe (% 0.1) leke çözeltisi ile boyanmış vajinal yaymalarla yapılan bir deneyden sonra belirlendi. Sağlıklı gönüllülerde, boynun iki cilt bölgesi seçildi: supraklaviküler alan (BAT hücrelerinin bulunduğu köprücük kemiğinin üstünde) ve interklaviküler alan (BAT dokusunun tespit edilmediği köprücük kemikleri arasında). BAT etkinliği, bu iki değerin çıkarılmasıyla belirlenir. Ayrıca, cilt bölgelerinin ortalama ve maksimum sıcaklıkları hayvanlarda ve insan katılımcılarında belirlenebilir.
İnvaziv olmayan ve daha hassas bir yöntem olan kızılötesi termografi ile ölçülen bir yemekten sonra BAT aktivitesindeki değişikliklerin, laboratuvar hayvanlarında östrus döngüsünün cinsiyeti, yaşı ve fazına bağlı olduğu gösterilmiştir. Diyete bağlı termogenezin bir parçası olarak, insanlarda BAT aktivasyonunun cinsiyet, yaş ve vücut kitle indeksine bağlı olduğu kanıtlanmıştır. Bir yemekten sonra BAT aktivitesindeki patofizyolojik değişikliklerin daha fazla belirlenmesi, yüksek glukoz plazma konsantrasyonlarına (obezite ve diabetes mellitus tip 2) sahip katılımcılar ve farklı laboratuvar hayvanlarında (nakavt fareleri) büyük önem taşıyacaktır. Bu yöntem aynı zamanda BAT aktivitesini gençleştirebilecek olası aktive edici ilaçları belirlemek için değişken bir araçtır.
Introduction
Kahverengi yağ dokusu (BAT), beyaz yağ dokusunun (WAT) aksine, enerji depolamaz, aksine enerji harcar. Sempatik stimülasyon üzerine, BAT yağ asitleri ve glikoz kullanır ve ayrışan protein 1’in (UCP1) aktivasyonu ile ısı üretir. UCP1’in işlevi, ATP yerine ısı üretmek için iki mitokondriyal membran arasında bir H + gradyanı kullanmaktır. BAT’ın işlevi, soğuk koşullar altında ısı üretimini arttırmaktır, bu da enerji harcamasında bir artışa yol açar1. Soğuğa maruz kaldıktan sonra, deriden gelen duyusal girdiler, hipotalamik preoptik alanın (POA) medyan preoptik (MnPO) çekirdeğindeki sıcaklığa duyarlı nöronları inhibe eder ve bu da POA nöronlarının rostral raphe pallidus (rRPa) üzerindeki inhibitör etkisini azaltır. rRPa nöronlarının aktivasyonu sempatik aktiviteyi arttırır, bunu BAT aktivitesinde bir artış izler 2,3. Soğuğa bağlı BAT aktivasyonu insanlarda insülin duyarlılığını artırır4 ve bu aktivite vücut kitle indeksi (VKİ) artmış veyaşı 1,5,6,7 olan insanlarda azalır.
Soğuğa bağlı termojenezdeki rolünün yanı sıra, bir yemekten sonra, BAT’taki glikoz alımı yağsız erkek popülasyonunda artar ve BAT pozitif erkek deneklerde daha yüksek olan diyete bağlı termojeneze (DIT) katkıda bulunur 8,9. BAT aktivitesini ölçmek için kullanılan en son teknoloji, PET-BT olarak bilinen pozitron emisyon tomografisi bilgisayarlı tomografidir. Bu yöntem, radyotracer florodeoksiglukoz birikimini (18F-FDG) ölçerek BAT aktivitesini belirler. Bununla birlikte, PET-BT, bir yemekten sonra BAT’ın aktivasyonunu tespit etmek için tercih edilen yöntem olarak başarısız olur. Bunun nedenlerinden biri, bir yemekten sonra, 18F-FDG’nin aynı glikoz taşıyıcısı için postprandiyal hiperglisemi ile rekabet etmesidir, bu da özellikle sağlıklı ve diyabetik katılımcılardaki BAT aktivitesini kan şekeri konsantrasyonlarındaki olası farklılıklarla karşılaştırırken, bir yemekten sonra BAT aktivasyonunu belirlemek için uygun değildir. Ayrıca, BAT, PET-CT ile görünmeyen ısı üretimi için yağ asitlerini bir enerji kaynağı olarak kullanır. 18 Bir yemekten sonra BAT’ta F-FDG birikimi zar zor görülebilir10 ve bu nedenle çoğu durumda olumsuz bir sonuç olarak yorumlanır. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, son zamanlarda, BAT’ın aktivasyonunun insan popülasyonunda daha önce düşündüğümüzden daha belirgin olduğu öne sürüldü; Bu nedenle, BAT aktivitesini ve metabolik bozukluklara katılımını saptamak için yeni bir yaklaşım gereklidir7. Bu sorunu çözmeye yönelik bir girişim, prediyabetik hastalarda ve insülin direnci olan diabetes mellitus tip 2 (T2DM) hastalarında manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ile BAT hacmini ölçmektir11. Bununla birlikte, MRG ile ölçülen BAT hacmi, BAT tarafından glikoz ve yağ asitlerinin günlük fonksiyonunu ve kullanımını tahmin etmek için yeterli bir gösterge değildir. Bu nedenle, sağlıklı ve T2DM hastalarında BAT aktivitesindeki gerçek farklılıkları tahmin etmek için, T2DM hastalarında BAT fonksiyon bozukluğunun patolojik mekanizmasını bulma imkanı sunan yeni bir yaklaşıma ihtiyaç vardır.
BAT’nin aktivasyonunu belirlemek için, kızılötesi (IR) termografi kullanarak yemekten önce ve sonra BAT ısı üretiminin ölçümlerini gerçekleştirdik (Şekil 1)12,13. IR termografisinin, sağlıklı ve obez bireylerde veya diabetes mellituslu hastalarda yemekten sonra BAT aktivitesini ölçmek için tercih edilen bir yöntem olarak oluşturulması, alan üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır. Bu güne kadar, IR termografisi, BAT13,14,15’in soğuğa bağlı aktivasyonunun belirlenmesi için kullanılmaktadır. Yakın insanlık tarihinde, soğuğa bağlı BAT aktivitesi artık çok belirgin değildir (habitatların uygun şekilde ısıtılması, uygun kıyafetler nedeniyle), bir yemekten sonra BAT aktivasyonu her gün gerçekleşir. Ayrıca, bu iki BAT fonksiyonunun hipotalamus yoluyla fizyolojik düzenlenmesi tamamen farklıdır. Bir yemekten sonra, hipotalamik kavisli çekirdekte (Arc) proopiomelanokortin (POMC) eksprese eden nöronların aktivasyonu, rRPa16 yoluyla sempatik sinir aktivitesinde bir artışa yol açar. IR termografisi veya PET-BT ile ölçülen BAT’ın soğuğa bağlı aktivasyonu, günlük BAT aktivitesi için bir ölçü olarak kullanıldığında uygun değildir. Bir yemekten sonra artan BAT aktivitesini, glikoz homeostazını, insülin duyarlılığını ve glikoz konsantrasyonunun günlük düzenlenmesini korumak için sonuçta önemli olan glikoz kullanımı izler. Postprandiyal BAT aktivasyonu, postprandiyal glikoz tüketiminde bir artışa, ardından ısı üretiminde ve vücut ısısında (DIT) bir artışa yol açar. Bunun cinsiyet, yaş ve VKİ’ye bağlı12 olduğu gösterilmiştir. Bir yemekten sonra BAT aktivasyonunda benzer cinsiyet farklılıkları erkek ve dişi laboratuvar farelerinde gözlenir17. Bu bulgular, POMC nöronlarının bir alt popülasyonu yoluyla BAT kahverengileşmesinin hipotalamik düzenlemesinin erkek ve dişi farelerde farklılık gösterdiğini gösteren Burke ve ark. tarafından BAT’ın düzenlenmesinde yakın zamanda keşfedilen cinsiyet farklılıklarına karşılık gelmektedir18. BAT’ın postprandiyal aktivasyonu kadınlarda, yaşlı popülasyonlarda ve obez kişilerde daha küçüktür. Bir yemekten sonra BAT aktivasyonunun olmaması (glikoz kullanımının azalması), kadınlardabozulmuş glikoz toleransı prevalansının daha yüksek olmasına neden olabilir 19,20,21,22. Ne yazık ki, BAT aktivasyonu ile ilgili çalışmaların çoğu sadece erkekler üzerinde yapılmıştır. Bir yemekten sonra BAT’ı aktive ederek, yağsız erkek popülasyonunda glikoz alımı artar. BAT aktivasyonundan sonra, DIT’in BAT pozitif erkek deneklerde daha yüksek olması şaşırtıcı değildir 8,9. Ayrıca, erkek farelerde BAT transplantasyonu glikoz toleransını arttırır, insülin duyarlılığını arttırır ve vücut ağırlığını ve yağ kütlesini azaltır23.
PET-BT, özellikle bir yemekten sonra, BAT aktivitesini ölçmek için tercih edilen bir yöntem olarak başarısız olur. Bu nedenle non-invaziv ve daha hassas bir yöntem geliştirilmiştir. IR termografisi, cinsiyet, yaş veya farklı patolojik koşulların BAT aktivitesi üzerindeki etkilerinden bağımsız olarak, farklı laboratuvar hayvanlarında (nakavt fareler) ve insan katılımcılarında BAT aktivitesinin tahmin edilmesini sağlar. Bu yöntemin ek bir yararı, katılımcılar ve laboratuvar hayvanları için basitliktir ve bu da BAT güçlendirici tedavisinin potansiyel faydalarını tahmin etmemizi sağlar. Soğuğa maruz kaldıktan veya bir yemekten sonra BAT’ın fizyolojik davranışını belirlemek için IR termografisini kullanan son çalışmalar, Brasil ve ark.24’ün son yayınında açıklanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Son zamanlarda yapılan çalışmalar, obezite ve diabetes mellitus gelişiminde yetişkin insan ve hayvanlarda BAT aktivitesinin fizyolojik regülasyonu ve önemi ile ilgili artan kanıtlar sunmaktadır. Ayrıca, eksojen aktivatörler tarafından olası BAT aktivasyonu, ilaç şirketleri için bir hedef haline gelmektedir. Çok külfetli hastalıklarda BAT’ın fizyolojik regülasyonunu ve patofizyolojik önemini tahmin edebilmek ve potansiyel bir terapötik yaklaşım keşfetmek için kızılötesi termografi tercih edi…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Hırvat Bilim Vakfı araştırma hibesi (IP-2018-01- 7416) tarafından finanse edilmiştir.
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 |
Referências
- van Marken Lichtenbelt, W. D., et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. New England Journal of Medicine. 360 (15), 1500-1508 (2009).
- Morrison, S. F., Nakamura, K. Central neural pathways for thermoregulation. Frontiers in Bioscience. 16 (1), 74-104 (2011).
- Contreras, C., et al. The brain and brown fat. Annals of Medicine. 47 (2), 150-168 (2015).
- Chondronikola, M., et al. Brown adipose tissue improves whole-body glucose homeostasis and insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (12), 4089-4099 (2014).
- Ouellet, V., et al. Outdoor temperature, age, sex, body mass index, and diabetic status determine the prevalence, mass, and glucose-uptake activity of 18F-FDG-detected BAT in humans. Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 96 (1), 192-199 (2011).
- Pfannenberg, C., et al. Impact of age on the relationships of brown adipose tissue with sex and adiposity in humans. Diabetes. 59 (7), 1789-1793 (2010).
- Leitner, B. P., et al. Mapping of human brown adipose tissue in lean and obese young men. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (32), 8649-8654 (2017).
- Vosselman, M. J., et al. Brown adipose tissue activity after a high-calorie meal in humans. American Journal of Clinical Nutrition. 98 (1), 57-64 (2013).
- Hibi, M., et al. Brown adipose tissue is involved in diet-induced thermogenesis and whole-body fat utilization in healthy humans. International Journal of Obesity. 40 (11), 1655-1661 (2016).
- Fenzl, A., Kiefer, F. W. Brown adipose tissue and thermogenesis. Hormone Molecular Biology and Clinical Investigation. 19 (1), 25-37 (2014).
- Koksharova, E., et al. The relationship between brown adipose tissue content in supraclavicular fat depots and insulin sensitivity in patients with type 2 diabetes mellitus and prediabetes. Diabetes Technology & Therapeutics. 19 (2), 96-102 (2017).
- Habek, N., Kordić, M., Jurenec, F., Dugandžić, A. Infrared thermography, a new method for detection brown adipose tissue activity after a meal in humans. Infrared Physics & Technology. 89, 271-276 (2018).
- Lee, P., Ho, K. K. Y. Hot fat in a cool man: Infrared thermography and brown adipose tissue. Diabetes, Obesity and Metabolism. 13 (1), 92-93 (2011).
- Ang, Q. Y., et al. A new method of infrared thermography for quantification of brown adipose tissue activation in healthy adults (TACTICAL): A randomized trial. Journal of Physiological Sciences. 67 (3), 395-406 (2017).
- Jang, C., et al. Infrared thermography in the detection of brown adipose tissue in humans. Physiological Reports. 2 (11), 12167 (2014).
- Dodd, G. T., et al. Leptin and insulin act on POMC neurons to promote the browning of white fat. Cell. 160 (1-2), 88-104 (2015).
- Habek, N., et al. Activation of brown adipose tissue in diet-induced thermogenesis is GC-C dependent. Pflügers Archiv: European Journal of Physiology. 472 (3), 405-417 (2020).
- Burke, L. K., et al. Sex difference in physical activity, energy expenditure and obesity driven by a subpopulation of hypothalamic POMC neurons. Molecular Metabolism. 5 (3), 245-252 (2016).
- Glumer, C., Jorgensen, T., Borch-Johnsen, K. Prevalences of diabetes and impaired glucose regulation in a Danish population: The Inter99 study. Diabetes Care. 26 (8), 2335-2340 (2003).
- Sicree, R. A., et al. Differences in height explain gender differences in the response to the oral glucose tolerance test-the AusDiab study. Diabetic Medicine. 25 (3), 296-302 (2008).
- van Genugten, R. E., et al. Effects of sex and hormone replacement therapy use on the prevalence of isolated impaired fasting glucose and isolated impaired glucose tolerance in subjects with a family history of type 2 diabetes. Diabetes. 55 (12), 3529-3535 (2006).
- Williams, J. W., et al. Gender differences in the prevalence of impaired fasting glycaemia and impaired glucose tolerance in Mauritius. Does sex matter. Diabetic Medicine. 20 (11), 915-920 (2003).
- Stanford, K. I., et al. Brown adipose tissue regulates glucose homeostasis and insulin sensitivity. Journal of Clinical Investigation. 123 (1), 215-223 (2013).
- Brasil, S., et al. A systematic review on the role of infrared thermography in the brown adipose tissue assessment. Reviews in Endocrine and Metabolic Disorders. 21 (1), 37-44 (2020).
- Byers, S. L., Wiles, M. V., Dunn, S. L., Taft, R. A. Mouse estrous cycle identification tool and images. PLoS One. 7 (4), 35538 (2012).
- Crane, J. D., Mottillo, E. P., Farncombe, T. H., Morrison, K. M., Steinberg, G. R. A standardized infrared imaging technique that specifically detects UCP1-mediated thermogenesis in vivo. Molecular Metabolism. 3 (4), 490-494 (2014).
- Hartwig, V., et al. Multimodal imaging for the detection of brown adipose tissue activation in women: A pilot study using NIRS and infrared thermography. Journal of Healthcare Engineering. 2017, 5986452 (2017).
- James, L., et al. The use of infrared thermography in the measurement and characterization of brown adipose tissue activation. Temperature. 5 (2), 147-161 (2018).
- Folgueira, C., et al. Hypothalamic dopamine signaling regulates brown fat thermogenesis. Nature Metabolism. 1 (8), 811-829 (2019).
- Ratko, M., Habek, N., Kordić, M., Dugandžić, A. The use of infrared technology as a novel approach for studies with female laboratory animals. Croatian Medical Journal. 61 (4), 346-353 (2020).
