Bruker gratis, åpen kildekode programvare, har vi utviklet en analytisk tilnærming for å kvantifisere totalt og regionale brun fettvev (BAT) volum og metabolsk aktivitet av BAT med 18F-FDG PET/CT.
I endoterm dyr, er brun fettvev (BAT) aktivert for å produsere varme for å forsvare kroppstemperatur svar på kalde. BATS evne til å bruke energi har gjort det et mulig mål for romanen terapi for å bøte fedme og tilknyttede metabolske forstyrrelser hos mennesker. Selv om dette vevet har vært godt studert i små dyr, forblir BAT thermogenic kapasitet i mennesker hovedsakelig ukjent på grunn av vanskelighetene med å måle dens volum, aktivitet og distribusjon. Identifisere og kvantifisere aktive human BAT utføres vanligvis med 18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) fantes et positron utslipp tomografi og beregnede tomografi (PET/CT) skanner etter kald-eksponering eller farmakologiske aktivisering. Her beskriver vi en detaljert bilde-analyse tilnærming for å kvantifisere sum-kropp human BAT 18F-FDG PET/CT skanner bruker en åpen kildekode programvare. Vi viser tegningen av brukerdefinert regioner av interesse å identifisere metabolically aktiv fettvev mens du unngår vanlige ikke-BAT vev, måle BAT volum og aktivitet, og ytterligere karakterisere anatomiske distribusjon. Selv om denne strenge tilnærming er tidkrevende, tror vi det vil til slutt gi grunnlag for å utvikle fremtidige automatisert BAT kvantifisering algoritmer.
Den økende utbredelsen av fedme verdensomspennende1 har bedt om en etterforskning romanen therapeutics å hindre og bøte fedme og dens tilknyttede komplikasjoner. Fedme skyldes delvis overflødig energi lagret i hvit fettvev (WAT) i form av triglyserider2. Brun fettvev (BAT) skiller seg fra WAT særlig på grunn av sin høyere mitokondrie innhold, mindre og multilocular lipid dråper, forskjellige anatomiske distribusjon, større sympatisk gir og varmegenererende evne. Selv om BAT en gang syntes eksisterer bare i små pattedyr og nyfødt spedbarn, ble tilstedeværelse av funksjonelle BAT bekreftet i voksne mennesker i 20093,4,5. Human BAT thermogenic kapasitet er ennå ikke kjent, men omfattende studie i små dyr har vist at ikke-skjelving termotilblivelsen kan utgjøre opptil 60% av metabolismen under kalde eksponering6. Som et resultat, blir human BAT nå undersøkt som et mål for behandling og forebygging av fedme og relaterte lidelser7. Flere kliniske studier har vist at BAT termotilblivelsen korrelerer med økt glukose opptak og energiforbruk ved aktivering av mild kulde eksponering8,9,10. Likevel, BATS bidrag til kalde-indusert termotilblivelsen restene kontroversielle11,12,13,14, med mye debatt sentrert rundt hvordan kvantifisere human BAT15. For bedre å forstå hvis BAT termotilblivelsen kan bli brukt til å bekjempe fedme, er det avgjørende å ha en nøyaktig måling av volum og metabolsk aktivitet.
Få nøyaktige mål av BAT er utfordrende på grunn av BAT unike anatomiske distribusjon i mennesker. BAT distribueres i de hvite adipose depoter i halsen, thorax og buk i områder som er utilgjengelige ukomplisert biopsier14. Obduksjoner har blitt brukt til å beskrive BAT anatomisk16, men det er umulig for de fleste forskning laboratorier gjør store studier og ikke oppgi langsgående eller funksjonelle. Siden BAT har en lignende tetthet Wat og kan oppstå i smale fascial lag eller i små lommer ispedd WAT16, er det vanskelig å identifisere ved hjelp av en enkelt, konvensjonelle tenkelig teknikk. Denne heterogene gjør også automatisk kvantifisering av BAT vanskeligere enn kvantifisering av homogene strukturer som de lever17.
For å overvinne disse utfordringene, er BAT volum og aktivitet vanligvis kvantifisert ved kobling beregnet tomografi (CT) og fantes et positron utslipp tomografi (PET). Den radiolabeled glukose analoge 18F-Fluourodeoxyglucose (18F-FDG) er de mest brukte tracer å studere BAT metabolsk aktivitet18. Fettvev kan være differensiert fra andre vev og luften basert på tetthet informasjon levert av CT-bilde i Hounsfield enheter (HU). PET bilder viser 18F-FDG tatt opp til et volum av vev i enheter av standardiserte opptak verdier (SUV). Aktive BAT kan skilles fra vev med ubetydelig tracer opptak, inkludert WAT og inaktive balltre, co registrerer PET bilder med tilsvarende CT skanner og velge en passende SUV terskel.
Gjennom dette papiret ønsker vi å gi en trinnvis tilnærming med en Instruksjonsvideo som kan brukes av kliniske forskere for å kvantifisere human BAT med 18F-FDG PET/CT skanner. Bildet analyse teknikken brukes ideelt etter emne (r) er utsatt for kulden eller behandlet med farmakologiske BAT sentralstimulerende midler. Spesielt, viser vi til brukere om hvordan områder av interesse (ROIs) samtidig minimere falske positiver bruke et gratis, åpen kildekode bildebehandling programvare (ImageJ) med en bestemt plug-in (petctviewer.org). Resultatet av denne tilnærmingen kan brukes å studere BAT volum, aktivitet (glukose opptak) og anatomisk distribusjon i personlige studien fag.
Siden bekreftelse på funksjonell BAT i voksne, har det vært stor interesse i forståelsen av BAT i menneskelige fysiologi. Men fordi dette thermogenic vevet er ofte funnet i smale fascial flyene, ispedd i hvite fett og rundt andre organer, det er utfordrende for å kvantifisere. I 2016 publisert et konsensus dokument av en internasjonal BAT ekspert panel med anbefalinger for rapportering relevante deltaker egenskapene, kriterier for emnet forberedelse og en protokoll for å skaffe PET/CT bilder21. Panelet også identifisert behovet for mer konsistens i behandling av PET/CT for BAT kvantifisering, bemerker at metoder for å identifisere BAT har variert mye og i de fleste tilfeller er bare begrenset detalj av BAT kvantifisering prosedyren gitt. Derfor, mens rapporter om i studien reproduserbarhet høy22,23,24, merkbart forskjellige BAT volum og aktivitet har rapportert grupper med forskjellige kvantifisering metoder selv når deltakerne er av samme alder, kjønn og BMI25,26. Disse inkonsekvensene gjøre sammenligne resultatene vanskelig, og har ført til en kontrovers over mengden BAT i voksen menneskelige15.
En iboende begrensning av PET/CT bildebehandling er inkluderingen av voxels som oppfyller både PET og CT men er anatomisk steder som tilsvarer strukturer enn BAT. Perfekt co-registrering av PET og CT bilder er nesten umulig på grunn av forskjeller i oppløsning og emnet bevegelse under skanner. Som en konsekvens, er strukturer grenser luft eller bein og regioner i høy tracer opptak ofte feilaktig identifisert som aktive BAT. For å begrense inkludering av falske positive voxels, bør en bruke PET og CT kriterier innenfor ROIs som brukere konstruere. Men dagens tilnærminger å kvantifisere BAT med brukerdefinert ROIs eller automatisert analyser varierer i brukeren og kunnskap som de krever. Vi har vist at bruker en enkelt, todimensjonal brukerdefinerte Koronal avkastning brukes hele bunken med bilder kan være mer utsatt for inkludert falske positive områder19. Flere grupper har utviklet automatiserte metoder for å kvantifisere BAT som kan raskt håndtere store datasett uten mye brukerinndata. Men metodene enten ikke ta alle potensielle BAT inneholder regioner, spesielt i de lavere kropp27, eller pådra seg forholdsvis høye tall for falske positiver28 og falske negativer26. Siden volumet av human BAT er generelt lavt (< 600 mL, eller < 2% av total body mass), små absolutt feil i kvantifisering kan føre til store relative forskjeller.
Strengere tilnærming beskrevet av denne studien på tegningen ROIs hver aksial PET-CT skive gjør påvisning av BAT i smale fascial lag samtidig som det gir mer tillit at falske positiver er utelatt. Dette gir en detaljert kvantifisering i hver egen, i stedet for en binær vurdering av BAT tilstedeværelse eller fravær29. Derfor kan det være mer egnet for kontrollerte forsøk i små utvalgsstørrelser som skal studere BAT fysiologi og/eller effekter fra intervensjoner. Videre, muligheten til å definere regionspesifikke BAT depoter kan gi mer innsikt i BAT funksjonell relevans og utviklingsmessige opprinnelse. Vi tror disse kvantitative tiltak er viktig ikke bare for sammenligning i feltet, men også å bedre estimat BAT bidrag til energi metabolisme og thermoregulation hos voksne mennesker.
Flere anatomiske funksjoner i BAT vil hjelpe brukerne av våre metoden grense inkludering av falsk positiv voxels. BAT finner du vanligvis i kontinuerlig og symmetrisk fascial lag. Dermed tegning og raffinering en avkastning, kan undersøke og nedsenkede aksial sektorene for kontinuitet og symmetri av valgte fettvev hjelpe brukere å maksimere inkludering av fettvev samtidig som inkludering av skjelettlidelser muskler, bein og andre åpenbart ikke-BAT strukturer. Aktive BAT finnes også sjelden i subcutaneous adipose depoter, så vi anbefaler brukere å unngå disse områdene når du konstruere ROIs. Som nevnt i protokollen, er BAT fordelt på flere forskjellige anatomiske regioner, inkludert livmorhalsen, dorsocervical, supraclavicular, aksillær, mediastinal, paraspinal og abdominal depoter. Disse depoter er fordelt slik at en aksial skjær kan inneholde mer enn BAT fra flere depoter. For eksempel kan en aksial skive i regionen thorax inneholde BAT fra mediastinal depot (proksimale og fremre), paraspinal depot (proksimale og bakre, langs ryggraden) og axillaris depot (laterale og nær midten av antero bakre linjen). Kunnskap om disse depoter kan hjelpe brukerne opprette ROIs i ulike områder av kroppen, siden de forekommer i pre beskrevet steder er i stor grad sammenhengende, som beskrevet i våre protokollen. Men fordi vi oppfordrer brukere å trekke eneste avkastning per stykke for å unngå ROI overlapping, forholdsregler genererer en BAT maske og tegning sagittal ROIs er nødvendig å skille tidligere identifisert BAT voxels i de distinkte regionale depoter hvis informasjon om BAT distribusjon er ønsket, dvs. skille mediastinal, paraspinal og aksillær BAT oppdaget i samme aksial Avkastningen til depoter basert på sagital plassering (Figur 3).
PET/CT seer programvare kan også brukes til å kvantifisere aktiviteten til vev enn balltre, for eksempel skjelving skjelettmuskulatur, som også store spiller en rolle kald indusert termotilblivelsen19, eller ulike områder av hjernen eller leveren som er foreslått referanse vev for PET/CT analyse21. Disse vevsprøvene vil imidlertid ha tettheter og anatomisk distribusjoner som avviker fra BAT og utenfor fokus for vår nåværende protokollen. Vi henvise leserne til konsensus dokumentet for nærmere på disse fagene21. Til slutt, vi anbefaler alle brukere kontinuerlig oppdatere ImageJ og besøke petctviewer.org for Plug-in oppdateringer og programvarehjelp.
Selv om vi mener at denne strenge metoden er mer presis enn automatiserte metoder26,28 og metoder som bruker en forenklet, enkelt avkastning til å beregne totale BAT volum9,30, er det ikke uten begrensninger. Det finnes ingen ideelle metode ikke-invasively kvantifisere BAT hos mennesker, og 18F-FDG representerer bare glukose opptak, som ikke er det samme som glukose metabolisme11. Men selv om andre radioaktivt tracers har vært brukte31,32,33, er 18F-FDG de mest fremtredende tracer brukes til å studere human BAT. Dermed vil utvikle standardiserte metoder for å analysere 18F-FDG PET/CT-bildene fortsette å være slagkraftige i studiet av menneskelig BAT fysiologi i overskuelig fremtid.
Metoden vi foreslår å lage en avkastning på hver BAT inneholder aksial skive mens du unngår vanlige problemområder, er arbeidsintensiv og krever at brukeren har kjennskap til underliggende anatomi. Det er også mulig at strenge ROI utvalget kan introdusere feilaktige negativer, siden noen BAT inneholder depoter kan unngås. Tegning ROIs på hver aksial stykke smeltet PET/CT bildet gir forsiktig diskriminering mellom fettvev og nærliggende metabolically aktivt vev og/eller regioner påvirket av utslipp og delvis volum effekter34. Men kan tiden det tar for å fullføre analyse av et enkelt søk variere fra tre å åtte timene, med mulighet for kortere tidsramme med praksis og erfaring. Ulike maskinlæring tilnærminger kunne redusere arbeidskraft og ekspertisen som kreves for å utføre denne oppgaven. Men vil å skape en mer automatisert metode som kan nøyaktig oppdage BAT og er robust til falske positiver opprettet av nåværende tenkelig begrensninger kreve store datasett med enkeltpersoner variert kroppssammensetning og BAT distribusjon. Vi håper at denne metoden kan brukes til å produsere en detaljert BAT atlas som kan tjene som en mal for mer avanserte store data tilnærminger.
Avslutningsvis viste vi en trinnvis bildet analyse tilnærming for å kvantifisere menneskelige brun fettvev volum, aktivitet og distribusjon med kalde-indusert FDG PET/CT skanner. Kritisk trinnene inkluderer 1) kontinuerlig og sekvensielt analyse aksial ROIs og 2) vurdere aktuelle BAT depoter etter anatomiske plassering og unngå andre metabolsk aktive vev. Denne strenge kvantifisering kan brukes av etterforskere i feltet å studere BAT fysiologi og tjene som referanse standard for å utvikle automatiserte human BAT kvantifisering metoder i fremtiden.
The authors have nothing to disclose.
Vi ønsker å takke alle de studie frivillige, sykepleie og kliniske personalet, og dieticians ved NIH kliniske senter for deres deltakelse i våre kalde eksponering studier og omsorg gitt under institusjon forblir. Vi vil også gjerne takke Dr. Bill Dieckmann for alle hans hjelp med oppkjøp og distribusjon av PET-CT-bilder for våre studier. Dette arbeidet ble støttet av Intramural forskningsprogram av National Institute Diabetes og fordøyelsesenzymer og nyre sykdommer tilskudd Z01 DK071014 (til K.Y.C.) og DK075116-02 (til A.M.C.).
ImageJ/Fiji Software | ImageJ | https://imagej.net/Fiji/Downloads | Open Source Software |