Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Инфракрасная термография для выявления изменений активности бурой жировой ткани

Published: September 28, 2022 doi: 10.3791/64463
Automatic Translation
1, 1, 2, 2,3, 2,3
1MKP Ltd., 2Croatian Institute for Brain Research, University of Zagreb, School of Medicine, 3Department of Physiology, University of Zagreb, School of Medicine

Summary

Здесь мы представляем протокол измерения активности бурой жировой ткани после еды у людей и лабораторных животных.

Abstract

Измерение активности бурой жировой ткани (БАТ) с помощью позитронно-эмиссионной томографии, компьютерной томографии (ПЭТ-КТ) путем накопления 18F-фтордезоксиглюкозы (ФДГ) после еды или у пациентов с ожирением или диабетом не является методом выбора. Основная причина заключается в том, что 18F-FDG конкурирует с постпрандиальной высокой концентрацией глюкозы в плазме за тот же переносчик глюкозы на мембране клеток BAT. Кроме того, BAT также использует жирные кислоты в качестве источника энергии, который не виден при ПЭТ-КТ и может быть изменен вместе с концентрацией глюкозы у пациентов с ожирением и диабетом. Поэтому для оценки физиологической значимости НДТ у животных и человека применяется новый метод инфракрасной термографии, используемый в последних публикациях.

После ночного голодания активность BAT измерялась с помощью инфракрасной термографии до и после еды у добровольцев и самок мышей дикого типа. Программное обеспечение камеры вычисляет температуру объекта, используя расстояние от объекта, коэффициент излучения кожи, отраженную комнатную температуру, температуру воздуха и относительную влажность. У мышей выбритая область над НДТ была областью интереса, для которой измерялись средние и максимальные температуры. Фазу эстрального цикла у самок мышей определяли после эксперимента по мазкам влагалища, окрашенным раствором красителя крезильной фиалки (0,1%). У здоровых добровольцев были выбраны два участка кожи шеи: надключичная область (над ключицей, где присутствуют клетки БАТ) и межключичная область (между ключицами, где ткань БАТ не обнаружена). Активность BAT определяется вычитанием этих двух значений. Кроме того, средняя и максимальная температура участков кожи может быть определена у животных и людей.

Было показано, что изменения активности НДТ после еды, измеренные с помощью инфракрасной термографии, неинвазивного и более чувствительного метода, зависят от пола, возраста и фазы эстрального цикла у лабораторных животных. Также было доказано, что активация БАТ у людей в рамках термогенеза, вызванного диетой, зависит от пола, возраста и индекса массы тела. Дальнейшее определение патофизиологических изменений активности БАТ после еды будет иметь большое значение для участников с высокими концентрациями глюкозы в плазме (ожирение и сахарный диабет 2 типа), а также у разных лабораторных животных (нокаутированные мыши). Этот метод также является вариативным инструментом для определения возможных активирующих препаратов, которые могут омолодить активность БАТ.

Introduction

Бурая жировая ткань (BAT), в отличие от белой жировой ткани (WAT), не накапливает, а тратит энергию. При симпатической стимуляции BAT использует жирные кислоты и глюкозу и выделяет тепло путем активации разъединяющего белка 1 (UCP1). Функция UCP1 состоит в том, чтобы использовать градиент H+ между двумя митохондриальными мембранами для производства тепла вместо АТФ. Функция НДТ заключается в увеличении выработки тепла в холодных условиях, что приводит к увеличению расхода энергии1. После воздействия холода сенсорные входы от кожи ингибируют чувствительные к теплу нейроны в срединном преоптическом (MnPO) ядре гипоталамической преоптической области (POA), что уменьшает ингибирующее действие нейронов POA на ростральный бледный раф (rRPa). Активация нейронов rRPa повышает симпатическую активность, что сопровождается повышением активности BAT 2,3. Индуцированная холодом активация BAT улучшает чувствительность к инсулину у людей4, и эта активность снижается у людей с повышенным индексом массы тела (ИМТ) и возрастом 1,5,6,7.

Помимо его роли в термогенезе, вызванном холодом, после еды поглощение глюкозы в НДТ увеличивается у худого мужского населения, способствуя индуцированному диетой термогенезу (DIT), который выше у BAT-положительных мужчин 8,9. Современным методом, используемым для измерения активности БАТ, является позитронно-эмиссионная томография, компьютерная томография, известная как ПЭТ-КТ. Этот метод определяет активность БАТ путем измерения накопления радиоактивного индикатора фтордезоксиглюкозы (18F-FDG). Тем не менее, ПЭТ-КТ терпит неудачу в качестве метода выбора для обнаружения активации БАТ после еды. Одна из причин заключается в том, что после еды 18F-FDG конкурирует с постпрандиальной гипергликемией за один и тот же переносчик глюкозы, что делает его непригодным для определения активации BAT после еды, особенно при сравнении активности BAT у здоровых участников и участников с диабетом с возможными различиями в концентрациях глюкозы в крови. Кроме того, BAT использует жирные кислоты в качестве источника энергии для производства тепла, что не видно при ПЭТ-КТ. 18 См. Накопление F-ФДГ в НДТ после еды едва заметно10 и, следовательно, в большинстве случаев интерпретируется как отрицательный результат. Неудивительно, что недавно было высказано предположение, что активация BAT более выражена в человеческой популяции, чем мы думали ранее; Поэтому необходим новый подход к выявлению активности БАТ и ее участия в метаболическихнарушениях7. Попытка решить эту проблему заключается в измерении объема БАТ с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) у пациентов с преддиабетом и пациентов с сахарным диабетом 2 типа (СД2) с инсулинорезистентностью11. Однако объем НИМ, измеренный с помощью МРТ, не является достаточным показателем для оценки повседневной функции и использования глюкозы и жирных кислот с помощью BAT. Таким образом, для оценки реальных различий в активности БАТ у здоровых пациентов с СД2 необходим новый подход, позволяющий выяснить патологический механизм нарушения БАТ у пациентов с СД2.

Для определения активации НДТ были проведены измерения теплопродукции НДТ до и после еды с помощью инфракрасной (ИК) термографии (рис. 1)12,13. Установление ИК-термографии в качестве метода выбора для измерения активности НДТ после еды у здоровых людей и людей с ожирением или пациентов с сахарным диабетом окажет огромное влияние на эту область. По сей день ИК-термография используется для определения холодоиндуцированной активации BAT13,14,15. В новейшей истории человечества активность БАТ, вызванная холодом, уже не очень выражена (из-за правильного обогрева среды обитания, правильной одежды), в то время как активация БАТ после еды происходит каждый день. Кроме того, физиологическая регуляция этих двух функций BAT через гипоталамус совершенно разная. После еды активация нейронов, экспрессирующих проопиомеланокортин (POMC), в дугообразном ядре гипоталамуса (Arc) приводит к увеличению активности симпатического нерва через rRPa16. Индуцированная холодом активация НДТ, измеренная с помощью ИК-термографии или ПЭТ-КТ, ненадлежащая при использовании в качестве меры для повседневной активности НДТ. Повышенная активность БАТ после еды сопровождается утилизацией глюкозы, что в конечном итоге важно для поддержания гомеостаза глюкозы, чувствительности к инсулину и ежедневной регуляции концентрации глюкозы. Постпрандиальная активация БАТ приводит к увеличению постпрандиального потребления глюкозы с последующим увеличением теплопродукции и температуры тела (ДИТ). Было показано, что это зависит от пола, возраста и ИМТ12. Сходные гендерные различия в активации БАТ после еды наблюдаются у самцов и самок лабораторных мышей17. Эти результаты соответствуют недавно обнаруженным гендерным различиям в регуляции БАТ Берком и др., которые показали, что гипоталамическая регуляция потемнения БАТ через субпопуляцию нейронов POMC различается у самцов и самок мышей18. Постпрандиальная активация BAT меньше у женщин, пожилых людей и людей с ожирением. Отсутствие активации БАТ после еды (снижение утилизации глюкозы) может привести к более высокой распространенности нарушения толерантности к глюкозе у женщин 19,20,21,22. К сожалению, большинство исследований по активации БАТ были проведены только на мужчинах. Активируя BAT после еды, усвоение глюкозы увеличивается у худого мужского населения. Неудивительно, что после активации BAT DIT выше у BAT-положительных субъектовмужского пола 8,9. Кроме того, трансплантация БАТ у мышей-самцов улучшает толерантность к глюкозе, повышает чувствительность к инсулину и снижает массу тела и жировую массу23.

ПЭТ-КТ не является методом выбора для измерения активности ВАТ, особенно после еды. Поэтому был разработан неинвазивный и более чувствительный метод. ИК-термография позволяет оценить активность БАТ у различных лабораторных животных (нокаутных мышей), а также у людей, независимо от пола, возраста или влияния различных патологических состояний на активность БАТ. Дополнительным преимуществом этого метода является простота для участников и лабораторных животных, что позволяет оценить потенциальную пользу бустерной терапии БАТ. Недавние исследования с использованием ИК-термографии для определения физиологического поведения НДТ после воздействия холода или еды описаны в недавней публикации Brasil et al.24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все экспериментальные процедуры на лабораторных животных были одобрены Национальным этическим комитетом и Министерством сельского хозяйства (EP 185/2018). Эксперименты проводились в соответствии с Этическим кодексом Хорватского общества лабораторных животных и руководящими принципами ARRIVE. Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием людей, соответствовали Хельсинкской декларации и были одобрены Комитетом по этике медицинского факультета Загребского университета (UP/I-322-01/18-01/56). В этом исследовании мы представляем результаты трех участниц женского пола (ИМТ: 29 кг/м2 ± 5 кг/м2). Информированное согласие было получено от всех добровольцев на их участие в исследовании и на представление данных.

1. Измерение активации бурой жировой ткани после еды у человека

ПРИМЕЧАНИЕ: Проводите эксперименты в летнее время, когда дневная температура не ниже 22 ° C, чтобы поддерживать базальную активность BAT как можно ниже.

  1. Тщательно выбирайте контрольных здоровых участников (если активность БАТ должна оцениваться при патологических состояниях), так как активность БАТ зависит от пола, возраста, ИМТ и даже фазы эстрального цикла.
    1. Чтобы оценить фазу менструального цикла участниц женского пола, задайте им вопросы о продолжительности их среднего менструального цикла и дате первого дня последней менструации. Не забудьте отметить дату проведения экспериментов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Правильный отбор подходящих контрольных субъектов является самой сложной частью клинических исследований, поскольку здоровые люди и участники с патологическими состояниями должны быть как можно более похожими и отличаться только исследуемым заболеванием.
  2. Попросите участников хорошо отдохнуть, не завтракать (натощак - без потребления калорий), собираться в утренние часы для экспериментов и отдыхать не менее 30 минут, чтобы избежать возможной активации БАТ во время мышечной активности через симпатическую активацию.
  3. Попросите участников снять верхнюю одежду за 15 минут до измерения, чтобы избежать возможных эффектов нагревания поверхности кожи (тепловых эффектов одежды) при определении исходной активности BAT. Проводите измерения при соответствующей комнатной температуре (22-27 °C).
  4. Выполняйте инфракрасные измерения.
    1. Пока участники отдыхают, установите тепловизионную камеру (тип детектора: неохлаждаемый микроболометр; шаг детектора: 17 мкм; спектральный диапазон камеры: 7,5-14,0 мкм; тепловая чувствительность: 20 мК при 30 °C; объективы: 36 мм; разрешение: 1024 x 768 пикселей; мгновенное поле зрения [IFOV]: 0,47 мрад) на штативе и расположите его на расстоянии 1 м от места, где будет сидеть участник.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если измерения проводятся в более холодную погоду (температура наружного воздуха ниже 15 °C при влажности 50%), поместите камеру при комнатной температуре и включите ее не менее чем на 1 час перед выполнением измерений. Холодные приборы могут давать разные результаты после прогрева до комнатной температуры из-за автокалибровки.
    2. Подключите тепловизионную камеру к компьютеру и программному обеспечению в соответствии с инструкциями производителя. Запишите алюминиевую фольгу (смятую, затем растянутую алюминиевую фольгу) на фокусном расстоянии 1 м, чтобы определить отраженную температуру помещения, представленную в виде измеренной температуры. В программном обеспечении камеры введите расстояние 0 м и коэффициент излучения 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Отраженная кажущаяся температура - это параметр, полученный, когда излучательная способность камеры установлена на 1,0 и расстояние до 0 м, а измерения проводятся на смятой, а затем растянутой алюминиевой фольге. Отраженная кажущаяся температура представляет собой приближение к общему падающему на детектор инфракрасному излучению из окружающей среды.
    3. Непосредственно перед началом измерений определите температуру воздуха в помещении и влажность воздуха (необходимые для последующего анализа). Вместо того, чтобы делать одно тепловизионное изображение, запишите видео. Из фильма позже выберите наилучший кадр изображения для анализа, чтобы уменьшить вероятность потери ценных данных.
    4. Перед началом записи установите следующие параметры: продолжительность записи видео в 10-15 с (или любое другое желаемое значение), частоту кадров в 5 к/с (кадров в секунду) или любое другое значение (в наших руках 5 к/с — это максимально необходимое), а также место на диске, куда будет сохранен фильм, как описано ниже.
      1. В программном обеспечении над окном основной камеры выберите третий значок слева. Во всплывающем меню выберите «Изменить настройки записи», после чего откроется новое окно.
      2. В режиме записи выберите «Запись на диск», а ниже установите « Запись на эту продолжительность » в нужное время. В параметрах записи того же окна ограничьте частоту записи до 5 (Гц) и выберите место, где будут сохранены записи.
      3. Чтобы установить частоту кадров, закройте существующее окно, откройте «Правка » в главном меню и выберите «Настройки». В правой части открывшегося окна введите 5 в поле Target Frame Rate. В том же окне ниже выберите « Горячая клавиша/Дистанционный запуск может остановить запись» и в раскрывающемся меню выберите « В режиме «Пуск/Остановка».
        ПРИМЕЧАНИЕ: Старайтесь делать как можно более короткие фильмы с минимально возможной частотой кадров, так как это отнимает много памяти. При таких настройках одна запись будет иметь примерно 100 Мб.
  5. Расположите участника так, чтобы надключичная область шеи, над ключицей, где находится БАТ (рис. 1), находилась на фокусном расстоянии 1 м, и запишите короткий видеоролик (10-15 с) с частотой кадров 5 кадров в секунду, нажав клавишу F5. Запись будет остановлена в назначенное время.
  6. Во время измерений в комнате должны присутствовать только участник и лицо, выполняющее измерения. Избегайте движения воздуха или сквозняка (например, от кондиционера). Убедитесь, что участники находятся вдали от холодного сквозняка, солнечного света (прямого или косвенного) или любого источника тепла, такого как лампочки.
  7. При необходимости измерьте концентрацию глюкозы в капиллярной крови от кончика пальца стандартным глюкометром и температуру тела с помощью подмышечного термометра.
  8. Убедитесь, что все участники едят одну и ту же еду. Обратите внимание на пищевые ограничения и требования испытуемых (например, питание для больных сахарным диабетом). Все участники, включая контрольных (здоровых) людей и участников с нарушениями обмена веществ, должны есть один и тот же прием пищи.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения более подробной информации о блюдах, которые могут употреблять больные сахарным диабетом, обратитесь к местному эндокринологу или обсудите это с участниками, страдающими сахарным диабетом.
  9. В нужное время после еды сделайте новую запись, нажав F5 , используя те же значения настройки. Не повторяйте установленный протокол для записей. Повторите измерения через 30 мин, 1 ч, 2 ч и 3 ч после еды12. Для вашего конкретного дизайна исследования время после еды может быть короче или длиннее, но мы рекомендуем, по крайней мере, первые три временных момента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Ограничение на количество участников составляет от четырех до шести, несмотря на то, что измерения выполняются быстро. При большем количестве участников время задержки для некоторых будет слишком большим.

2. Измерение активации бурой жировой ткани после еды у лабораторных животных

ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку животные содержатся в помещении для животных с регулируемой комнатной температурой и циклом день/ночь 12 часов / 12 часов, эксперименты могут проводиться в любое время года. Температура в помещении во время экспериментов должна быть от 22 °C до 27 °C. В этом исследовании были обследованы шесть самок животных диэструса и шесть самцов животных дикого типа (WT) C57Bl/6NCrl.

  1. Обезболивайте животных в соответствии с этическими принципами учреждения. В этом исследовании анестезию проводили с использованием внутримышечного введения кетамина/ксилазина (80-100 мг/кг и 6-8 мг/кг соответственно). Нанесите гель для глаз на оба глаза, чтобы предотвратить высыхание роговицы во время анестезии. За сутки до экспериментов побрейте межлопаточные области испытуемых животных (область кожи между лопатками) с помощью триммера для мелких животных.
  2. За день до экспериментов также определяют фазу эстрального цикла у самок животных.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Фаза эстрального цикла определяется по мазкам из влагалища.
    1. Окуните ватный тампон в стерильный физиологический раствор комнатной температуры (0,9% NaCl) и введите его во влагалище. Аккуратно соскребите стенку влагалища тампоном, распределите прикрепленные клетки по предметному стеклу и дайте ему высохнуть на воздухе.
    2. Посадите животных обратно в клетки. Покрасьте клетки 500 мкл 0,1% крезила фиолетового ацетата в течение 1 мин, после чего промойте их 3 раза водой.
    3. Просматривайте клетки под световым микроскопом со 100-кратным увеличением и яркой подсветкой. Определяют фазу эстрального цикла на основании количества лейкоцитов и ядерных и ороговевших эпителиальных клеток, наблюдаемых в мазке25.
  3. Убирайте корм животных вечером перед экспериментами (голодание в течение ночи) водой ad libitum. Лучше всего пересаживать животных в новые чистые клетки, чтобы избежать возможных остатков пищи в клетках.
  4. Утром в день эксперимента подготовьте тепловизионную камеру и настройки записи, как это было сделано для тестирования участников-людей.
  5. Не беспокойте и не причиняйте стресс животным перед выполнением ИК-измерений. Осторожно поместите животное в чистую клетку (убедитесь, что запах других животных не влияет на симпатическую систему животного). Поместите клетку под тепловизионную камеру на фокусном расстоянии 1 м. Запишите видео, нажав клавишу F5.
  6. Взвесьте гранулы корма, прежде чем давать их каждому животному, чтобы можно было рассчитать потребление пищи. Дайте животному поесть в течение 30 минут в клетке и снова взвесьте пищевые гранулы после еды. В этом исследовании самки животных съедали 0,038 ± 0,004 г пищи на массу тела.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если вы решили измерить концентрацию глюкозы в крови, выполняйте измерения перед едой, но после ИК-измерений, чтобы убедиться, что это не приведет к активации BAT симпатической системой.
  7. Повторите ИК-измерения в нужное время после начала приема пищи (обычно через 30 мин, через 1 ч и через 2 ч после еды)17,26.
  8. После того, как все эксперименты завершены, снова проверьте фазу эстрального цикла у самок животных, как описано выше (самки животных могут выйти из желаемой фазы эстрального цикла раньше, чем ожидалось).

3. Анализ тепловых записей

ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение тепловизионной камеры вычисляет температуру объекта, используя пять переменных.

  1. Перед анализом задайте в программном обеспечении следующие переменные: коэффициент излучения кожи, e = 0,9815,27, отраженная температура в помещении (рассчитанная по изображению алюминиевой фольги), температура воздуха, относительная влажность, расстояние до объекта = 1 м. Выполните анализ с помощью программного обеспечения с этими значениями.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Предпочтительной цветовой палитрой является радуга, так как в ней используется больше оттенков, что позволяет легче обнаружить НДТ над ключицей.
  2. Для каждого фильма введите перечисленные переменные в программное обеспечение камеры в правой части главного окна. Выберите подходящий кадр (изображение) из фильма, перемещая головку воспроизведения в нижней части экрана или нажимая кнопку «Пауза ».
  3. Выберите интересующую область (ROI), выбрав желаемую форму области в левой части главного окна. Выберите форму, которая лучше всего соответствует участку кожи над ключицами или между ними.
  4. При выборе ROI минимальная, максимальная и средняя температуры ROI отображаются с правой стороны. На изображении красный треугольник представляет точку максимальной зарегистрированной температуры, а синий треугольник представляет минимальную зарегистрированную температуру. Повторите этот шаг в течение нескольких кадров, чтобы убедиться, что измеренная температура стабильна в течение нескольких секунд записи.
  5. Вычтите максимальные температуры участка кожи выше БАТ до еды из максимальных температур после еды, чтобы определить увеличение постпрандиальной активности БАТ у лабораторных животных.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Самый простой способ определить активность БАТ - это вычесть максимальную температуру кожи выше БАТ до и после еды у людей. Лучшим способом расчета активности НДТ является выбор двух областей интереса: участка кожи над БАТ, который расположен в надключичной области, и межключичного участка кожи, где ткань БАТ не обнаружена у людей, обозначенного как эталонная область (согласно ПЭТ-КТ; Рисунок 1). Активность НДТ легко определяется путем вычитания этих двух температур. Как показано на рисунке 1, активность НДТ была определена как 1,8 °C. Для определения активации БАТ после кормления это повторяли в назначенные моменты времени после приема пищи12. В этом исследовании мы провели эксперименты с тремя участницами женского пола. Аналогичные результаты были получены у участников 1 и 2 с ИМТ 23 кг/м2 и 34 кг/м2 соответственно. У участника 3 был самый низкий ИМТ (18 кг/м2) и самый высокий прирост активности НДТ после еды (рис. 1B, слева). Максимальная температура на надключичной области кожи не является хорошим показателем активности БАТ, так как температура кожи не снижается даже через 3 часа после еды (рис. 1B, справа). Из-за различий в активности НИМ среди человеческой популяции анализ результатов должен проводиться индивидуально и/или выбор участника для исследования должен быть сделан очень тщательно. Такой разницы в активности НДТ у лабораторных животных нет, так как они тесно связаны.

Первое преимущество этого метода по сравнению с использованием ПЭТ-КТ (18F-FDG) заключается в том, что он измеряет активность BAT независимо от источника тепла. По этой причине ИК-термография гораздо более чувствительна и более правдиво отражает активность НДТ в различных физиологических или патофизиологических условиях. Этот метод может быть использован для определения физиологических условий, которые приводят к изменениям активности ВАТ, таких как возраст, пол или фаза эстрального цикла. У людей дополнительным преимуществом является способность определять патофизиологические изменения активности БАТ при метаболических заболеваниях, таких как ожирение и сахарный диабет 2 типа. Особое преимущество можно увидеть при сравнении активности БАТ у людей с высокой концентрацией глюкозы в крови со здоровой контрольной группой, поскольку в ПЭТ-КТ радиоактивная глюкоза конкурирует с теми же переносчиками глюкозы, что и глюкоза в организме, что приводит к ложноотрицательным результатам или искажениям активности БАТ.

Одной из возможных проблем являются различия в толщине кожи, особенно подкожной белой жировой ткани, которая может изменять температуру кожи выше BAT у разных субъектов28. Этой проблемы можно избежать, сравнив активацию BAT до и после еды. Обычно активность и последующее значение для различных патофизиологических состояний определяются активацией БАТ после воздействия холода. Однако этот тип активации НДТ является сезонным и для людей (по сравнению с животными в дикой природе) не очень важен. Чтобы определить влияние активности БАТ на повседневную жизнь, а также на гомеостаз глюкозы, активация БАТ после еды с последующей утилизацией глюкозы и жирных кислот является правильным способом.

Следует обратить внимание на измерения, выполненные в теплой обстановке или слишком рано после мышечной активности. Мышечная активность повышает температуру тела, что приводит к расширению сосудов в коже (рис. 2). Если над НИМ нет видимого более теплого участка кожи по сравнению с окружающими участками кожи, исключите записи из исследования.

Активность НДТ у лабораторных животных определяется максимальной температурой БАТ, расположенной между лопаткой (межлопаточная БАТ, iBAT), и средней температурой кожи над iBAT. Измерить среднюю температуру кожи выше НДТ у лабораторных животных легче, так как она более локализована, чем у человека (рис. 3). В этом исследовании изменения активности БАТ после еды были измерены у самок животных WT в диэструсе (28,2 ± возрасте 0,5 недели). Как показано на рисунке 3, статистически значимые изменения активности НДТ определялись через 30 мин после еды, но только при измерении максимальной температуры (p < 0,05). Когда активность НДТ была представлена в виде изменений средних температур, изменение не было значимым (p = 0,066). Таким образом, представление активности БАТ через изменения максимальной температуры межлопаточной области кожи является лучшим способом представления результатов. Это изменение активности БАТ положительно коррелировало с количеством потребляемой пищи (r = 0,65).

Основными проблемами для обеих групп испытуемых являются биологические различия в активации НДТ у самцов и самок, а также у молодых и старых животных, а также различия в активности НДТ во время эстрального цикла17. Особое внимание следует обратить на количество времени, прошедшее с момента последнего приема пищи, которое будет трудно оценить, если не соблюдать вышеуказанный протокол. Проведение экспериментов в одно и то же время утром недостаточно точно17.

Дополнительная задача при измерении активности НДТ заключается в том, чтобы максимально избежать стресса у животных. Любое нарушение увеличивает симпатическую активность и, следовательно, активность БАТ16. Кроме того, большинство ошибок, связанных с регистрацией температуры, могут появиться, если межлопаточная область мышей не выбрита должным образом, что может привести к измерению неправильного участка кожи.

Figure 1
Рисунок 1: Инфракрасная термография. (A) Выбираются два участка кожи: один над бурой жировой тканью (BAT; надключичная область) и второй в межключичной области (ткань BAT отсутствует под кожей этой области-ориентира). Локация BAT представлена как самая теплая область над ключицей. Схематическое изображение расположения НДТ в области шеи по данным ПЭТ-КТ представлено на левом рисунке. Температура - это максимальная температура, измеренная на окружающих участках кожи. Полоса представляет собой 5 см. (B) Различия между максимальными температурами на обоих участках кожи представлены для каждого участника, демонстрируя увеличение активности БАТ через 2 часа после еды (слева). Активность НДТ не может быть представлена максимальными температурами кожи выше НДТ (справа). Результаты представлены в виде среднего значения ± стандартной погрешности среднего. * p < 0,05 по сравнению со стартовым значением (парный ANOVA). Аббревиатура: SC = надлопаточный. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Условия, при которых активность НИМ не может быть измерена. На рисунке представлены состояния, при которых невозможно определить активность БАТ из-за повышенной вазодилатации кровеносных сосудов кожи. Полоса представляет собой 5 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Бурая жировая ткань у лабораторных мышей . (А, Б) Межлопаточная бурая жировая ткань (БАТ) активируется после воздействия холода и только после этого проявляется в виде накопления 18F-FDG с помощью ПЭТ-КТ. Активность НДТ можно было наблюдать с помощью тепловизионной камеры без воздействия холода. (C) Местоположение НИМ в тепловом сканировании соответствует НИМ, представленному на изображении ПЭТ-КТ стрелкой. Выбритая область больше, чем BAT, чтобы иметь возможность видеть все изменения температуры (местоположение Tmax не может быть точно предсказано, и в некоторых исследованиях можно измерить среднюю температуру). Полоса представляет собой 1 см. (D) Представлены измеренные максимальные и средние температуры кожи над БАТ для шести самок мышей в диэструсе. Результаты представлены в виде среднего значения ± стандартной погрешности среднего. * p < 0,05 по сравнению со стартовым значением (парный ANOVA). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Недавние исследования представляют растущие данные о физиологической регуляции и важности активности НДТ у взрослых людей и животных в развитии ожирения и сахарного диабета. Кроме того, возможная активация НДТ экзогенными активаторами становится мишенью для фармацевтических компаний. Чтобы иметь возможность оценить физиологическую регуляцию и патофизиологическое значение БАТ при очень обременительных заболеваниях, а также открыть потенциальный терапевтический подход, инфракрасная термография становится методом выбора. Несмотря на то, что ИК-технология становится новым методом выбора для измерения активности НДТ 12,13,14,15,17, особое внимание следует уделять не самому применяемому методу, а физиологическим свойствам активации ВАТ. Особое внимание следует обратить на пол, возраст, фазу эстрального цикла, состояние кормления, возможный стресс у участников и лабораторных животных.

Измерения повышения активности НДТ после приема пищи на людях и лабораторных животных очень похожи12,17. Критические шаги при проведении этих измерений включают избегание стресса и мышечной активности (животных не следует беспокоить перед выполнением измерений). Для участниц женского пола следует учитывать функциональные различия в активности БАТ во время эстрального (менструального) цикла. Кроме того, кожа должна быть голой (животных следует брить за день до проведения экспериментов, чтобы избежать ненужного стресса). Кроме того, очень важно правильно настроить программное обеспечение камеры, чтобы получить наилучшее тепловое разрешение. Чтобы представить данные в виде тепловых изображений, лучше всего выбрать правильную палитру окраски, которая подходит для конкретного исследования. При правильном соблюдении протокола вероятность ошибок при выполнении ИК-термографии снижается.

Ограниченность метода заключается в том, что невозможно без малейшего беспокойства сравнить активность НДТ между людьми с разным количеством подкожно-жировой клетчатки (или животными с ожирением и животными с нормальной массой тела). Чтобы избежать этой проблемы, в качестве контроля следует использовать тот же предмет, измеряя активность НДТ до и после еды. Расчет увеличения активности БАТ после еды устранит различия в распределении тепла от подкожной БАТ к поверхности кожи.

На наш взгляд, сообщение об активности НДТ через изменения между максимальными температурами кожи на обоих участках кожи является лучшим способом, поскольку устраняет различия в размере НДТ и/или обозначенной площади кожи в результатах, полученных при измерениях средней температуры29.

Как упоминалось ранее, методом выбора для измерения активности БАТ на сегодняшний день является ПЭТ-КТ с использованием радиоактивной глюкозы (18F-FDG). Со временем этот метод оказался недостаточно чувствительным, его использование радиоактивных материалов вызывает беспокойство, и он очень дорогой. ПЭТ-КТ бесполезна для определения активации БАТ после еды. 18 См. Накопление F-ФДГ в НДТ после еды едва заметно10 и считается отрицательным результатом. Недавно было высказано предположение, что активация НДТ более выражена в человеческой популяции и, следовательно, приобретает все большее значение в развитии и распространении метаболических заболеваний7. Попыткой решения этой проблемы является измерение объема БАТ методом МРТ у пациентов с преддиабетом и СД2 с инсулинорезистентностью11. Однако количество БАТ не дает никакой информации об активности БАТ и утилизации глюкозы и жирных кислот, что важно для больных сахарным диабетом.

Создание ИК-термографии в качестве метода выбора для измерения активности НИМ, особенно у людей с высокой концентрацией глюкозы в крови, окажет огромное влияние на эту область. ИК-термография используется для определения индуцированной холодом активации БАТ 13,14,15 и, в последнее время, активации БАТ после еды у здоровых добровольцев 12 и лабораторных животных 17. Постпрандиальная активация BAT меньше у самок и пожилых людей, независимо от вида. К сожалению, большинство исследований по активации БАТ и метаболических исследований в целом были проведены только на мужчинах (самцах лабораторных животных или мужчинах). Проблема с этим подходом заключается в том, что он игнорирует влияние фазы эстрального цикла на активностьНДТ 30.

Наконец, ИК-термография позволит исследовать физиологическое и патофизиологическое значение НДТ в различных популяциях людей, особенно у женщин в пре- и постменопаузе, исследования которых отсутствуют.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам раскрывать нечего.

Acknowledgments

Это исследование финансировалось исследовательским грантом Хорватского научного фонда (IP-2018-01-7416).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Morrison, S. F., Nakamura, K. Central neural pathways for thermoregulation. Frontiers in Bioscience. 16 (1), 74-104 (2011).
  3. Contreras, C., et al. The brain and brown fat. Annals of Medicine. 47 (2), 150-168 (2015).
  4. Chondronikola, M., et al. Brown adipose tissue improves whole-body glucose homeostasis and insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (12), 4089-4099 (2014).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Fenzl, A., Kiefer, F. W. Brown adipose tissue and thermogenesis. Hormone Molecular Biology and Clinical Investigation. 19 (1), 25-37 (2014).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Jang, C., et al. Infrared thermography in the detection of brown adipose tissue in humans. Physiological Reports. 2 (11), 12167 (2014).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Stanford, K. I., et al. Brown adipose tissue regulates glucose homeostasis and insulin sensitivity. Journal of Clinical Investigation. 123 (1), 215-223 (2013).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Folgueira, C., et al. Hypothalamic dopamine signaling regulates brown fat thermogenesis. Nature Metabolism. 1 (8), 811-829 (2019).
  30. 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).

Tags

Медицина выпуск 187 Термография люди и лабораторные животные постпрандиальная активация бурой жировой ткани позитронно-эмиссионная томография компьютерная томография (ПЭТ-КТ)
Инфракрасная термография для выявления изменений активности бурой жировой ткани
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kordić, M.,… More

Kordić, M., Dugandžić, J., Ratko, M., Habek, N., Dugandžić, A. Infrared Thermography for the Detection of Changes in Brown Adipose Tissue Activity. J. Vis. Exp. (187), e64463, doi:10.3791/64463 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter