使用间接量热法、红外热成像和血糖水平的组合来测量人类棕色脂肪组织的产热

我们在这里展示的方法是一种技术上简单、安全且具有成本效益的方案，用于测量人类的 BAT 产热。该协议通过将IRT与能量消耗（EE）和底物利用率的测量相关联，解决了与单独使用IRT来区分由于皮肤血流改变引起的局部变暖和由于产热引起的更深变暖的可靠性有关的问题。由于该技术不使用电离辐射，因此允许重复测量分析，这是PET成像技术无法实现的。最后，虽然PET成像技术可以识别BAT激活，但它们不报告该协议测量的生理结果（温度升高和EE）。

这里描述的方案的优势在于，有四条证据线支持诱发BAT产热的结论：（1）测量的Tscf增加，同时相邻参考区域的核心温度不变和皮肤温度稳定;（2）增加能量消耗;（3）基板利用率的变化;（4）血糖水平下降。收敛观测结果均与BAT产热的预测结果一致。该方案的基本部分是参与者的碳水化合物负荷，以确保干预前的碳水化合物代谢。BAT产热将底物代谢从碳水化合物转变为游离脂肪酸，如RER的下降所示。虽然BAT产热的首选底物是游离脂肪酸，但葡萄糖对活性BAT的显着摄取是公认的⁵，^6，7。因此，我们观察到血糖水平在BAT产热的同时下降。在禁食状态下，不可能观察到底物利用率（RER）的相互变化和血糖水平的下降。

以前的研究已经得出结论，增加的Tscf（通过IRT测量）足以得出BAT产热的结论。然而，只有当Tscf超过核心温度时，这个结论才是确定的。如果Tscf小于或等于核心温度，则不能排除由于皮肤血流量增加而导致的局部温度变化。一项系统评价得出结论，仅靠 IRT 无法确定锁骨上皮肤温度升高是否是由于 BAT 产热³⁷。该评价指出，最常用的方法（¹⁸F-FDG PET/CT）测量葡萄糖对BAT^的摄取37。然而，BAT产热的首选底物是脂肪酸¹³。这种方法学问题阻碍了PET / CT数据在验证IRT数据时进行任何有意义的比较，因为单独使用这两种测量方法中的任何一种都不是BAT真实代谢活性的合适测量方法，因为它不能指示由于BAT产热引起的能量消耗和底物利用率的变化。然而，通过这里描述的方案，我们不仅可以量化温度的变化，而且我们还可以确认能量消耗的增加 – 这是BAT产热的关键生理结果。IRT是一种非接触式、非侵入性且相对便宜的方法，用于测量与BAT产热相关的温度和温度变化。相比之下，PET-CT价格昂贵，并且使个体暴露于电离辐射，因此限制了该方法对临床影像学研究的小型回顾性分析的适用性。将目前的方案应用于大规模的随机临床试验将相对简单且具有成本效益。

重要的是要注意，咖啡因干预后碳水化合物氧化的减少可以通过干预导致BAT产热增加而导致底物利用率的转变来解释。胰岛素信号传导的测量将使这项研究的结果更加稳健。然而，根据这项研究的结果，尚不清楚咖啡因是否会通过对BAT的作用 影响 胰岛素信号传导，或者血糖下降是否是BAT占用更多能量底物的结果。

¹⁸F-FDG PET/CT 方法在用于量化和测量 BAT 的生理活性时有几个固有的局限性，特别是在研究营养素或膳食成分对 BAT 活性的影响时。¹⁸F-FDG PET/CT 方法要求受试者禁食以避免进食引起的肌肉组织葡萄糖摄取增加，这会显着降低 BAT 和 BAT 功能的检测³⁸。此外，仅凭该技术无法测量BAT激活的生理影响或程度。此外，在PET成像研究中使用电离辐射是设计重复测量交叉研究的道德和健康和安全障碍。此外，¹⁸F-FDG仅代表葡萄糖摄取，这与测量葡萄糖代谢不同。这种在测量BAT温度之前加载碳水化合物的方法，并将血糖水平与间接量热法相结合，使我们能够严格测量产热和底物利用率变化的生理影响，否则在禁食状态下将无法获得。

优势和局限性
该协议比单纯研究BAT具有更广泛的影响。通过在干预前碳水化合物负荷参与者，可以观察到血糖水平响应碳水化合物负荷和咖啡因干预的振荡，以及底物利用率的变化。因此，该技术可用于改善人体间接量热研究和代谢测量。目前尚不清楚这项研究的结果是否可以在其他干预措施（如寒冷暴露或肾上腺素能刺激）后复制。然而，这项研究的结果已经在用不同的膳食成分（即 辣椒²⁷）进行干预后得到复制。使用双盲方法分析所述技术的干预措施时，可以获得对结果的额外严谨性和可信度，这可以很容易地实施²⁷。

不同室温的潜在混淆与该协议无关，因为室温从参与者到参与者都保持稳定。此外，在校准呼吸气体分析仪时还要考虑湿度。这是在该设备的设置中推断出来的，因为校准是根据制造商的说明完成的。

测量和治疗的时间间隔是在进行方案故障排除的小型试点研究后确定的。从本质上讲，测量的时间间隔是根据研究人员进行测量所需的时间和参与者的舒适度确定的。根据碳水化合物负荷后碳水化合物代谢发生所需的时间确定干预时间，以研究干预是否增加了游离脂肪酸氧化（即BAT产热）并降低了碳水化合物氧化。

值得注意的是，毛细血管和静脉葡萄糖水平之间存在差异³⁹。然而，在院外护理的背景下，测量血糖水平的最常见方法是通过手持式即时血糖仪⁴⁰分析的毛细血管血样。此外，在非临床环境中的健康个体（类似于本协议中包含的个体）中，当使用基于毛细管的即时血糖仪测量毛细血管血糖仪时，毛细血管和静脉血糖水平之间存在统计学显着但无临床意义的差异⁴¹。在这种情况下，毛细血管采样仍将是最佳方法，因为市场上大多数即时血糖仪都是为分析毛细血管血液样本而设计的⁴¹。从临床角度来看，可以说静脉血糖是更好的分析方法。然而，静脉采血不仅昂贵，需要专门的设备（同上），而且也是侵入性的。在方案期间增加不良事件风险的伦理考虑需要与报道的文献相平衡，这些文献显示毛细血管血糖作为静脉血糖的替代测量高度相关和可靠性⁴²。当然，这里的关键是，我们还没有开始诊断糖尿病，而是测量血糖水平的变化，毛细血管血糖监测是一个非常合适的方案。

葡萄糖可以诱导产热，单餐可以激活^BAT43。然而，相当重要的是，本手稿中包含的数据显示干预组或安慰剂组的葡萄糖负荷没有显着影响。此外，手稿中包含的数据来自Van Schaik等人的结果，其中包括第三种干预措施（辣椒），葡萄糖负荷对测量没有显着影响²⁷。

应该注意的是，该方案仅用于低体脂和活跃BAT的男性参与者（为了减少可控变量的数量，女性被排除在研究之外）。人类肥胖与BAT质量之间存在已知的负相关关系⁴⁴。此外，众所周知，以前通过饮食和运动减肥的肥胖者基础代谢率较低，必须食用低热量饮食才能维持正常体重^45，46。此外，蝙蝠活动可以刺激蝙蝠生长⁸.这里描述的方法将允许长期研究，以其他技术无法提供的方式调查与代谢疾病相关的BAT活性的变化。

结论
总之，我们展示了一种在碳水化合物负荷后使用 IRT 和间接量热法量化人类棕色脂肪组织活性的测量方法。关键步骤包括1）在测量BAT温度之前加载处于禁食状态的参与者的碳水化合物，同时结合间接量热法和血糖水平，以量化BAT产热的生理程度和改变底物利用率;2）从参考点和核心温度评估相关的IRT BAT库和温度，以证明Tscf的任何增加，这将表明基于解剖位置的BAT激活。我们相信，这些定量测量可以更准确地评估BAT对成人能量代谢和体温调节的贡献。研究人员应该使用这种彻底的方法来研究BAT生理学，并作为未来开发人类BAT激活方法的新标准。