Använda fri, öppen källkod, har vi utvecklat en analytisk metod för att kvantifiera totala och regionala brun fettvävnad (BAT) volym och metabolisk aktivitet av BAT med 18F-FDG PET/CT.
Endoterma djur aktiveras brun fettvävnad (BAT) för att producera värme för att försvara kroppstemperatur svar på kalla. Bats förmåga att förbruka energi har gjort det ett potentiellt mål för nya behandlingar för att lindra fetma och associerade metabola störningar hos människor. Om denna vävnad har varit väl studerat i små djur, fortfarande Bats termogena kapacitet hos människor till stor del okända på grund av svårigheterna med att mäta dess volym, aktivitet och distribution. Att identifiera och kvantifiera aktiv mänsklig BAT utförs vanligen med 18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) positron emissions tomografi och datortomografi (PET/CT) scanning efter kalla-exponering eller farmakologiska aktivering. Här beskriver vi en detaljerad bild-analys-metod för att kvantifiera hela kroppen mänskliga BAT från 18F-FDG PET/CT File använder en programvara med öppen källkod. Vi visar ritningen av användaren angivna regioner av intresse att identifiera metaboliskt aktiva fettvävnaden samtidigt undvika gemensamma icke-BAT vävnader, åtgärd BAT volym och aktivitet, och att ytterligare karakterisera dess anatomiska utbredning. Även om detta strikt tillvägagångssätt är tidskrävande, tror vi att det i slutändan ger en grund för att utveckla framtida automatiserade BAT kvantifiering algoritmer.
Den ökande förekomsten av fetma i världen1 har föranledde en utredning i romanen therapeutics att förebygga och lindra fetma och dess komplikationer. Fetma beror delvis på Överskottsenergi lagras i vit fettväv (WAT) i form av triglycerider2. Brun fettvävnad (BAT) skiljer sig från WAT främst på grund av dess högre mitokondriell innehåll, mindre och multilocular lipid droppar, skilda anatomiska distribution, större sympatiska innervation och värme genererar förmåga. Även om BAT trodde att existera endast i små däggdjur och nyfödda barn, bekräftades förekomst av funktionella BAT i vuxna människor 20093,4,5. Mänskliga BAT termogena kapacitet är ännu inte känt, men omfattande studie i små djur har visat att icke-shivering thermogenesis kan utgöra upp till 60% av deras metabolism under kalla-exponering6. Som ett resultat, är mänskliga BAT nu utforskas som mål för behandling och förebyggande av fetma och relaterade sjukdomar7. Flera kliniska studier har visat att BAT thermogenesis korrelerar med ökad glukos upptag och energi utgifter vid aktivering av mild kallt exponering8,9,10. Ännu, Bats bidrag till kalla-inducerad thermogenesis förblir kontroversiella11,12,13,14, med mycket debatt centrerad kring hur man kvantifiera mänskliga BAT15. För att bättre förstå om BAT thermogenesis kan utnyttjas för att motverka fetma, är det viktigt att ha en exakt mätning av dess volym och metabolisk aktivitet.
Att erhålla exakta mätningar av BAT är utmanande på grund av Bats unika anatomiska distribution hos människor. BAT distribueras inom de vita fett depåerna i hals, thorax och buk i webbplatser som är otillgängliga för okomplicerad biopsier14. Obduktioner har använts för att karakterisera BAT anatomiskt16, men är omöjligt för de flesta forskningslaboratorier som gör stora studier och kan inte ge längsgående eller funktionell information. Eftersom BAT har en liknande densitet till WAT och kan uppstå i smala fascian lager eller i små fickor varvat med WAT16, är det svårt att identifiera med hjälp av en enda, konventionella bildteknik. Denna heterogenitet gör också automatisk kvantifiering av BAT svårare än kvantifiering av homogena strukturer såsom de lever17.
För att övervinna dessa utmaningar, är BAT volym och aktivitet vanligen kvantifierade av koppling datortomografi (CT) och positronemissionstomografi (PET). Det radioaktivt glukos analoga 18F-Fluourodeoxyglucose (18F-FDG) är den mest använda tracer att studera BAT metabolisk aktivitet18. Fettvävnad kan skiljas från andra vävnader och air baserat på densitet information som tillhandahålls av CT bilden i Hounsfield enheter (HU). SÄLLSKAPSDJUR bilderna visar mängden 18F-FDG tas i en volym av vävnad i enheter av standardiserade upptag värden (SUV). Aktiva BAT kan separeras från vävnad med obetydlig tracer upptag, inklusive WAT och inaktiva BAT, genom samtidig registrering av PET-bilder med motsvarande datortomografi och välja en lämplig SUV-tröskel.
Genom detta papper, vi strävar efter att ge en stegvis strategi med en instruktions video som kan användas av kliniska forskare för att kvantifiera mänskliga BAT med 18F-FDG PET/CT-scanning. Denna bild analys teknik används helst efter ämne (n) har utsätts för kyla eller behandlats med farmakologiska BAT stimulantia. Specifikt, visar vi att användare om hur man konstruera regioner av intresse (ROIs) samtidigt minimera falska positiva med en fri, öppen källkod bildbehandling programvara (ImageJ) med en särskild plug-in (petctviewer.org). Resultatet av detta tillvägagångssätt kan användas för att studera BAT volym, aktivitet (glukosupptag) och anatomiska distribution i individuella studieplanen ämnen.
Sedan bekräftelse av funktionella BAT i vuxna människor, har det varit stort intresse i att förstå rollen som BAT i människans fysiologi. Men eftersom denna termogena vävnad finns ofta i smala fascian plan, interspersed inom vitt fett, och kring andra organ, det svårt för att kvantifiera. I 2016 publicerades en samförståndsdokumentet av en internationell BAT expertpanel med rekommendationer för att rapportera relevanta deltagare egenskaper, kriterier för angående beredning och ett protokoll för att förvärva PET/CT bilder21. Panelen också identifierat behovet av mer konsekvens i behandlingen av PET/CT för BAT kvantifiering, att notera att metoder att identifiera BAT har varierat mycket och i de flesta fall föreskrivs bara begränsad detalj av BAT kvantifiering förfarandet. Följaktligen, medan rapporter inom studien reproducerbarhet är hög22,23,24, väsentligt annorlunda BAT volym och aktivitet har rapporterats av grupper med olika kvantifiering metoder, även när deltagarna är av liknande ålder, kön och BMI25,26. Dessa inkonsekvenser försvårar jämföra resultaten, och har lett till en tvist över mängden BAT i vuxen människa15.
En inneboende begränsning av PET/CT bildbehandling är införandet av voxlar som uppfyller kriterier för både PET och CT men i anatomiska platser som motsvarar strukturer än BAT. Perfekt samtidig registrering av PET och CT bilder är nästan omöjligt på grund av skillnader i upplösning och ämnet rörelse under genomsökningar. Strukturer som gränsar till luft eller ben och regioner av hög tracer upptag identifieras som en följd ofta felaktigt som aktiva BAT. Om du vill begränsa införandet av falska positiva voxlar, bör man tillämpa PET och CT kriterier endast inom de ROIs som användare konstruera. Men nuvarande metoder att kvantifiera BAT med användardefinierade ROIs eller automatiserade analyser skiljer sig mängden användare engagemang och kunskap som de kräver. Vi har visat att använda en enda, tvådimensionell användardefinierade koronala ROI tillämpas på hela bunten med bilder kan vara mer benägna att inklusive falska positiva områden19. Flera grupper har utvecklat automatiserade metoder för att kvantifiera BAT som klarar av att snabbt bearbetning av stora datamängder utan mycket användarindata. Men dessa metoder misslyckas antingen inkludera alla potentiella BAT-innehållande regioner, särskilt i lägre kroppen27eller ådra sig relativt höga andelen falskt positiva28 och falskt negativ26. Eftersom volymen av mänskliga BAT är generellt låg (< 600 mL, eller < 2% av totala kroppsmassa), små medelabsolutfel i kvantifiering kan leda till stora relativa skillnader.
Det stränga tillvägagångssätt som beskrivs av denna studie av ritning ROIs på varje axiella PET-CT-skiva tillåter detektion av BAT i smala fascian lager samtidigt som den ger mer förtroende att falsklarm har uteslutits. Detta ger en detaljerad kvantifiering i varje enskilda, snarare än en binär bedömning av Bats närvaro eller frånvaro29. Det kan därför lämpligare för kontrollerade experiment i små urvalsstorlekar som avser att studera BAT fysiologi och/eller effekter interventioner. Dessutom kan möjligheten att definiera regionspecifika BAT depåer ge mer insikt i Bats funktionella relevans och utvecklingsmässiga ursprung. Vi anser att dessa kvantitativa åtgärder är viktiga inte bara för jämförelse över fältet, men också till bättre uppskattning Bats bidrag till energiomsättning och värmereglering i vuxna människor.
Flera anatomiska funktioner av BAT hjälper användare med vår metod begränsa införandet av falska positiva voxlar. BAT är normalt återfinns i kontinuerlig och symmetriska fascian lager. Således, medan ritning och förfina en ROI, undersöka de överlägsna och underlägsna axiella skivorna för kontinuitet och symmetri av utvalda fettvävnaden kan hjälpa användarna maximera inkludering av fettvävnad samtidigt minimera införandet av skelettmuskulaturen, ben och andra uppenbara icke-BAT strukturer. Aktiva BAT är också sällan närvarande i subkutan fett depåer, så vi rekommenderar användare att undvika dessa områden när konstruera ROIs. Som noterades i protokollet, distribueras BAT i flera olika anatomiska regioner, inklusive de cervikala, dorsocervikal, supraklavikulära, axillär, mediastinum, paraspinal och buken depåer. Dessa depåer är fördelade så att en axiell skiva maj innehåller mer än BAT från flera depåer. En axiell slice i bröstkorg regionen kan exempelvis innehålla BAT från mediastinum depot (proximala och främre), paraspinal depot (proximala och bakre, längs ryggraden) och axillär depot (laterala och nära mitten av-antero-posterior linje). Kunskap om dessa depåer kan hjälpa användare att skapa ROIs i olika regioner av kroppen, eftersom de förekommer i pre beskrivs platser är till stor del sammanhängande, som beskrivs i våra protokoll. Dock ytterligare åtgärder för att generera en BAT mask och sagittal ROIs krävs att separera den tidigare identifierade BAT voxlar i de olika regionala depåerna om eftersom vi uppmuntrar användare att dra endast en ROI per segment för att undvika ROI överlappning, information av BAT distribution önskas, dvs separera mediastinum, paraspinal och axillär BAT upptäckt i samma axiella ROI i depåer utifrån sagital läge (figur 3).
PET/CT viewer programvaran kan också användas för att kvantifiera aktiviteten av vävnader än BAT, exempelvis frossa skelettmuskulatur, vilket också stora spelar en roll kall inducerad thermogenesis19, eller olika områden i hjärnan eller lever som har varit föreslås som referens vävnader för PET/CT analys21. Dessa vävnader måste dock tätheter och anatomiska distributioner som skiljer sig från BAT och utanför fokus för vårt nuvarande protokoll. Vi direkt läsare i samförstånd dokumentet för detalj på dessa ämnen21. Slutligen, vi rekommenderar alla användare att kontinuerligt uppdatera ImageJ och besöka petctviewer.org för plugin-uppdateringar och programvara stöd.
Om vi anser att denna rigorösa metod är mer precisa än automatiserade metoder26,28 och metoder som använder en förenklad, enda ROI för att uppskatta totala BAT volym9,30, är det inte utan begränsningar. Det finns ingen idealisk metod att icke-invasivt kvantifiera BAT i människor och 18F-FDG representerar endast glukosupptag, vilket inte är detsamma som glukos metabolism11. Men även om andra radioaktiva spårämnen har varit begagnade31,32,33, är 18F-FDG den mest framträdande tracer som används för att studera mänskliga BAT. Därför kommer att utvecklar standardiserade metoder för att analysera 18F-FDG PET/CT-bilder fortsätta att vara effektfulla i studien av BAT humanfysiologi under överskådlig framtid.
Metoden föreslår vi, att skapa en ROI på varje BAT-innehållande axiella skiva samtidigt undvika gemensamma problemområden, är arbetsintensivt och kräver att användaren har viss kunskap om underliggande anatomi. Det är också möjligt att stränga ROI markeringen får införa falska negativa, eftersom vissa BAT-innehållande depåer kan undvikas. Ritning ROIs på varje axiella bit av den sammanslagna PET/CT-bilden möjliggör noggrann diskriminering mellan fettvävnad och angränsande metaboliskt aktiva vävnader och/eller regioner påverkas av spill över och delvis volym effekter34. Dock kan den tid det tar för att slutföra analysen av en enda skanning variera från tre till åtta timmar, med möjligheten att förkorta tidsramen med övning och erfarenhet. Olika maskininlärning metoder kan kunna minska arbetskraft och kompetens som krävs för att utföra denna uppgift. Dock kommer att att skapa en mer automatiserad metod som kan upptäcka BAT och är robust till falska positiva skapad av nuvarande tänkbar begränsningar kräva en stor datamängd med individer av varierad kroppssammansättning och BAT distribution. Vi hoppas att denna metod kan användas för att producera en detaljerad BAT-atlas som kan fungera som en mall för mer sofistikerade stordata metoder.
Sammanfattningsvis visade vi en stegvisa bild analys metod för att kvantifiera mänskliga brun fettvävnad volym, aktivitet och distribution via kalla-inducerad FDG PET/CT-scanning. De kritiska steg inkluderar 1) kontinuerligt och sekventiellt analysera axiella ROIs och 2) att bedöma relevanta BAT depåer av deras anatomiska läge samtidigt undvika andra metaboliskt aktiva vävnader. Denna rigorösa kvantifiering strategi kan användas av utredarna i fältet att studera BAT fysiologi och fungera som referens standard för utveckling av automatiserad mänskliga BAT kvantitering strategier i framtiden.
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka alla de studie frivilliga, omvårdnad och kliniska personal och dietister av NIH klinisk centrerar för deras deltagande i våra kalla exponeringsstudier och vård under slutenvården stannar. Vi vill också tacka Dr Bill Dieckmann för alla hans hjälp med köp och distribution av PET-CT bilderna för våra studier. Detta arbete stöds av intramurala forskningsprogram av nationella institutet för Diabetes och mag och njure sjukdomar bidrag Z01 DK071014 (till K.Y.C.) och DK075116-02 (till A.M.C.).
ImageJ/Fiji Software | ImageJ | https://imagej.net/Fiji/Downloads | Open Source Software |