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医学

간접 열량계, 적외선 체온 측정 및 혈당 수치의 조합을 사용하여 인간의 갈색 지방 조직 열 발생을 측정합니다.

Published: June 02, 2023
doi:
10.3791/64451
, , , ,
1La Trobe Institute for Molecular Science, Department of Rural Clinical Sciences,La Trobe University, 2School of Biomedical Sciences, Department of Physiology,The University of Melbourne, 3Melbourne Medical School, Department of Rural Health,The University of Melbourne

Summary

여기에서 우리는 갈색 지방 조직(BAT) 활동이 인간 대사에 미치는 영향의 생리학적 중요성을 정량화하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이것은 탄수화물 부하와 간접 열량계를 쇄골 상 온도 변화의 측정과 결합하여 달성됩니다. 이 새로운 접근법은 인간의 BAT 열 발생에 대한 약리학적 표적을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Abstract

포유류에서 갈색 지방 조직(BAT)은 체온을 유지하기 위해 추위에 반응하여 빠르게 활성화됩니다. BAT는 작은 동물에서 크게 연구되었지만 인간에서 BAT의 활성을 측정하는 것은 어렵습니다. 따라서 식단의 구성 요소가 BAT를 활성화할 수 있는 정도를 포함하여 인간에서 BAT의 발열 능력과 생리학적 중요성에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 이는 양전자 방출 단층 촬영-컴퓨터 단층 촬영 (PET-CT)으로 측정 된 BAT 방사성 표지 포도당 (플루오로 데 옥시 글루코스 또는 18FDG)의 활성화를 평가하기 위해 현재 가장 많이 사용되는 방법의 한계 때문입니다.

이 방법은 일반적으로 섭식이 근육에 의한 포도당 흡수를 유도하여 BAT로의 포도당 흡수를 가릴 수 있기 때문에 공복 피험자에게 수행됩니다. 이 논문은 탄수화물이 많은 성인 남성의 간접 열량계, 적외선 체온 검사 및 혈당 모니터링을 결합하여 BAT 열 발생에서 전신 인체 에너지 소비 및 기질 이용을 정량화하기 위한 자세한 프로토콜을 설명합니다. BAT의 생리학적 중요성을 특성화하기 위해서는 BAT 활동이 인체 건강에 미치는 영향을 측정하는 것이 중요합니다. 우리는 탄수화물 부하와 간접 열량계를 쇄골상 온도 변화의 측정과 결합하여 이를 달성하기 위한 프로토콜을 보여줍니다. 이 새로운 접근법은 인간의 BAT 열 발생의 생리학 및 약리학을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

Introduction

갈색 지방 조직(BAT)은 미토콘드리아 함량, 교감신경 분포, 다발성 지질 방울, 발열 능력 및 해부학적 분포에서 백색 지방 조직(WAT)과 가장 현저하게 다릅니다. BAT는 2009 년 인간 성인에서 그 존재가 확인 될 때까지 유아 및 작은 포유류에만 존재하는 것으로 간주되었다 1,2,3. 따라서 비교적 최근까지 인간 생리학 및 대사 항상성에서 BAT의 역할은 잘 이해되지 않았습니다. 작은 동물에 대한 광범위한 연구에 따르면 추위에 노출되는 동안 신진 대사의 절반 이상이 BAT4의 떨리지 않는 열 발생 능력에 기인합니다. 여러 연구에서 가벼운 추위 노출(17-18°C)시 에너지 소비의 증가와 BAT로의 포도당 흡수가 인간의 BAT 열발생과 밀접한 관련이 있음이 입증되었습니다 5,6,7. 또한, BAT 열 발생은 추위에 노출되는 동안 인간의 휴식 에너지 소비의 최대 10%에 기여할 수 있습니다(검토를 위해 Van Schaik et al.8 참조). 인간의 건강과 질병에 대한 BAT의 생리학 및 영향 연구는 현재 프로토콜 제한에 의해 제한됩니다. 따라서 BAT 열 발생이 비만과 인간의 대사 합병증에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해서는 BAT의 진정한 대사 영향을 측정하는 정확한 방법을 갖는 것이 필수적입니다.

인간 BAT의 해부학적 분포는 BAT의 정확한 측정을 어렵게 만듭니다. 인간 내에서 BAT는 복부, 흉부, 그리고 가장 두드러지게 목9의 WAT 저장소 내부에 분포한다. 부검 및 사체 연구는 BAT를 해부학적으로 특성화하는 데 사용되었지만10,11, 이러한 방법은 기능적 정보를 제공할 수 없습니다. WAT와 BAT8의 밀도가 비슷하기 때문에 기존 이미징 기술을 사용하여 BAT를 구별하는 것은 어렵습니다. 또 다른 혼란스러운 문제는 베이지색 지방 저장소가 WAT8이 있는 동일한 좁은 근막 층 또는 특정 저장소에 위치하여 기존 이미징 기술을 사용하여 구별하기 어렵다는 것입니다.

이 문제를 극복하기 위해 BAT 부피는 일반적으로 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 결합하여 측정됩니다. 방사성 표지 된 포도당 유사체 18 F- 플루 오로 데 옥시 글루코스 (18F-FDG)는 BAT 12연구에 사용되는 가장 일반적인 추적자입니다. 그러나 피사체를 전리 방사선에 노출시키고 침습적이고 비용이 많이 드는 등 몇 가지 한계가 있습니다. 또한, 18F-FDG 추적자의 가장 큰 한계는 글루코스 유사체의 흡수를 측정한다는 것인데, 이는 유리 지방산이 BAT 열발생을 위한 바람직한 기질이라는 점을 감안할 때 이상적이지 않다13. 18F-FDG PET/CT 기술은 열 발생을 위한 기질로서 유리 지방산의 흡수를 측정하지 않으므로 BAT 열 발생의 생리학적 중요성을 측정하지 않습니다. 인간 BAT를 평가하기 위해 사용되는 대체 기술이 있는데, 여기에는 산소-15 표지된 물(15O-O2) 14,11C-아세테이트(15), 장쇄 지방산(18F-플루오로-6-티아-헵타데칸산)16 또는 아데노신(adenosine)17, 자기 공명 분광법(magnetic resonance spectroscopy) 18 및 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging)19의 흡수 측정이 포함된다 , 그러나 이것들은 여전히 매우 비싸고 피사체를 전리 방사선에 노출시킵니다. 그러므로, 인간 BAT의 정량화를 위한 신뢰할 수 있고, 저렴하고, 중요하게는 안전한 금본위제가 결여되어 있다.

적외선 열화상 촬영(IRT)은 공지된 BAT 데포를 덮는 피부 온도를 측정하는 대안적인 비침습적 이미징 기술(20,21)이다. 이것은 증가된 에너지 소비를 추론하지만, 측정된 온도가 심부 온도를 초과하지 않는다면, 측정된 온도 변화가 단순히 혈류 변화의 결과인지 여부를 결정할 수 없다. 또한, 측정된 국소 온도의 증가는 종종 원하는 종점인 변경된 에너지 소비 값을 제공하지 않습니다. 많은 연구 그룹이 IRT를 사용하여 카페인 개입 또는 감기 자극 후 인간 BAT 저장소의 온도 상승을 측정했습니다. 이 저장소는 쇄골 상부 포사 22,23,24,25,26,27입니다.

그러나 BAT에 대한 카페인의 작용이 신경 회로를 통해 직접적인지 매개되는지는 명확하지 않습니다. 카페인이 시험관 내에서 지방세포에서 갈변 특징을 유도한다는 증거가 있으며22, 이전 연구에서는 카페인(100mg)이 심박 변이도를 증가시킨다는 것을 입증했으며, 이는 신체에서 전신적으로 교감신경 구동의 증가를 나타내는 지표일 수 있습니다27. 이는 설치류에서 중추신경계를 통한 카페인이 심장역학적 악영향 없이 열발생을 증가시킨다는 증거와 일치한다28.

BAT 열발생을 위한 바람직한 기질은 트리글리세리드(triglycerides)로부터 유래된 유리 지방산(free fatty acids)이며, 열발생(thermogenesis)을 유지하기 위해 지질을 순환하는 활성 BAT 격리제(active BAT sequesters)이다29, 기질 이용의 측정은 BAT의 생리학적 활성화를 평가하는 데 중요하다. 호흡 교환비(RER)는 소비된 산소의 부피(V̇O 2)와 생성된 이산화탄소(V̇CO2)의 비율입니다.30. 0.7의 RER은 지방산 대사를 나타내고, 1.0의 RER은 탄수화물 대사를 나타낸다31. 따라서 에너지 소비의 증가보다 지방산 이용에 대한 선호의 증거는 BAT 열 발생의 핵심 상관 관계입니다.

또한, 포도당의 흡수가 BAT 활성의 알려진 상관 관계라는 점을 감안할 때(위 참조), 기질 이용의 변화와 병행하여 혈당의 감소는 BAT 열 발생의 핵심 상관 관계입니다. 간접 열량계만 사용하거나 공복한 개인의 체온 기록과 함께 사용한 이전 연구에서는 기질 이용률의 급격한 변화가 거의 또는 전혀 보고되지 않았습니다32,33. 이것은 공복 상태(흡수 전 대사가 지방 이용을 선호하는 경우)에 의해 가려질 가능성이 높기 때문에 IRT와 간접 열량계를 탄수화물 부하와 결합할 것을 제안합니다.

이 기사는 임상 연구자가 IRT, 간접 열량계 및 혈당 수치를 결합하여 인간에서 BAT의 생리학적 중요성을 안정적이고 중요하게는 안전하게 정량화하는 데 사용할 수 있는 단계별 접근 방식을 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 기술은 피험자가 탄수화물을 섭취하고 약리학적 BAT 제제 또는 환경 자극에 노출된 후에 가장 잘 사용됩니다. 이 접근법의 결과는 개별 연구 대상자27에서 BAT 활성화 후 BAT 활성, 기질 활용 및 에너지 소비를 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

Protocol

모든 참가자(n = 8)는 서면 동의서를 제공했으며 모든 실험은 대학 인간 윤리 위원회의 승인을 받았습니다. 데이터는 Van Schaik et al.27에서 파생되었습니다. 1. 장비 및 소프트웨어 설치 Van Schaik et al.27에 따라 이중 에너지 X선 흡수 측정법(DXA)을 통해 체지방량을 측정합니다. 만료된 가스로 인한 기판 활용 및 에너지 소비를 추정합니다. 제조업체의 지침에 따라 호흡 가스 분석기를 사용하여 이를 측정하십시오. 손가락(모세관) 천자를 통해 혈액 샘플을 수집하고 제조업체의 지침에 따라 혈당계를 사용하여 혈당 수치를 결정합니다. 비접촉 적외선 온도계를 사용하여 제조업체의 지침에 따라 심부 체온 측정값을 결정합니다(이 장치의 오차는 ±0.2°C). 2. 참가자 방문 전 절차 모든 참가자의 건강 상태를 검사합니다. 다음 제외 기준을 설정합니다: 체질량 지수 >30kg/m2(BAT 활동이 비만과 반비례 상관관계가 있기 때문에34,35, 처방된 약물을 사용하는 참가자 및 당뇨병. 테스트 세션 전후에 BAT 활동이 비만과 반비례하므로 참가자가 체지방량을 측정하기 위해 DXA 스캔을 받도록 하십시오34,35. 연구에 도착하기 전 24시간 동안 참가자가 격렬한 운동이나 활동을 삼가고 실험실에 도착하기 전에 10시간 동안 물 단식을 하도록 합니다. 3. 학창 당일의 절차 데이터가 수집되는 실내 온도가 일정한 온도로 설정되어 있는지 확인하여 실내 온도의 차이로 인한 외부 혼란을 최소화합니다.알림: 이로 인해 열 또는 대사 측정이 잘못될 수 있습니다. 본 실험의 목적을 위해, 열적 중성 조건 하에서 22°C로 유지되는 온도-조절실을 사용하였다. 참가자들에게 매일 호르몬 리듬을 설명하기 위해 오전 08:00에 실험실에 도착하도록 요청하십시오. 참가자의 키와 몸무게를 측정합니다. 참가자들에게 기본 측정을 수행하기 전에 최소 30분 동안 받침대에 누워 있도록 요청합니다. 120분 동안 만료된 O2 및 CO2샘플링 후 15분마다 참가자의 IRT, 간접 열량계, 혈당 및 심부 온도를 측정합니다(그림 1). 기준선 측정 후 참가자가 0분에서 15분 사이의 시점 사이에 3개의 탄수화물 젤(각각 90g 포도당)을 섭취하여 탄수화물이 로드되었는지 확인합니다. 참가자가 탄수화물 부하 후 45분 후에 트리트먼트를 섭취하도록 합니다. 이 프로토콜을 따르려면 중재로 100mg의 카페인 캡슐을 사용하십시오27.참고: 중재와 위약 사이에는 7일의 휴약 기간이 필요하며, 이는 카페인과 위약 치료 사이에 7일의 기간이 필요함을 의미합니다. 4. 간접 열량계 호흡 가스 분석기를 사용하여 측정한 만료된 가스의 에너지 소비 및 기질 활용 값을 추정합니다. 제조업체의 지침에 따라 호흡 가스 분석기의 보정을 완료하십시오. 냉간 멸균 실리콘 마스크를 참가자에게 장착하여 실내 공기를 전달하고 대사 데이터를 수집할 수 있도록 합니다. 마스크에 사전 멸균된 비재호흡 밸브(양방향 비재호흡 밸브)가 장착되어 있는지 확인하고 메쉬 부착물로 참가자의 얼굴에 고정하고 누출이 있는지 확인합니다. 흡기 튜브와 호기 튜브가 연결되어 있는지 확인하십시오. 디지털 데이터 파일을 스프레드시트 형식으로 내보냅니다. 만료된 O 2 및 CO2를 평균 5초로 샘플링합니다. 이것은 에너지 소비와 호흡 교환 비율을 측정합니다(그림 1). 안면 마스크를 제거하여 추가 조치를 완료하십시오. 비단백질 Weir 방정식 1-331,36을 사용하여 기질 산화율(탄수화물 및 지질 산화)과 총 에너지 소비를 계산합니다.지방 산화율(g/min−1) = (1.695 VO 2)-(1.701 VCO 2) (1)탄수화물 산화율 (g / min-1) = (4.585 VCO 2) – (3.226 VO 2) (2)에너지 소비(kcal/min) = (3.94 × VO 2)+ (1.1 × VCO2) (3) 5. 혈장 혈당 측정 만료된 가스 측정의 각 라운드 후에 손가락 찌르기와 혈당계를 통해 혈당 측정을 수행합니다(그림 2). 6. 심부 온도 만료된 가스 측정의 각 라운드 후에 코어 온도(Tcore)를 기록합니다. 이상적으로는 직장 또는 청각 내에서 심부 온도를 측정합니다(그림 2).알림: COVID-19 안전 관행으로 인해 개인 간 접촉을 최소화하십시오. 참가자가 앙와위이고 머리가 중립 위치에 있는지 확인하십시오. 비접촉 체온계를 참가자의 이마 중앙으로 일관되게 향하게 합니다. 7. 적외선 열화상 촬영 만료된 가스 측정의 각 라운드 후에 IRT를 수행합니다(그림 2). 참가자들에게 가슴 부위에서 목 부위가 노출된 상태에서 정면을 바라보는 똑바로 선 자세로 앉도록 요청합니다(그림 3). 열화상 카메라를 사용하여 앞쪽 목과 가슴 위쪽 부위의 적외선 이미지를 획득합니다.카메라를 피사체의 얼굴에서 1m 떨어진 목 높이의 삼각대에 놓습니다(그림 4D). 다음 설정을 사용하십시오: 검출기 유형 = 비냉각 마이크로볼로미터; 검출기 피치 = 17 μm; 카메라 스펙트럼 범위 = 7.5-14.0 μm; 열 감도 = 30°C에서 20mK; 렌즈 = 36mm; 해상도 = 1,024픽셀 x 768픽셀. 카메라를 켭니다. 초점 링을 돌려 카메라의 초점을 조정합니다.알림: 초점을 올바르게 조정하는 것이 매우 중요합니다. 잘못된 초점 조정은 온도 측정에 영향을 미칩니다. 레이저 포인터를 참가자 목의 정중선을 가리킵니다. 이미지를 촬영합니다.참고: 메모리 카드를 사용하면 이미지가 자동으로 저장됩니다. 8. 이미지 분석 표면 온도 분석을 위해 전방 흉부와 목의 세 영역을 선택합니다: 쇄골상와(SCF)에서 BAT를 덮고 있는 피부와 목의 측면 영역, 흉골 영역은 BAT를 포함하지 않기 때문에 제어 기준점(Tref)으로 간주됩니다(그림 4A-C). 삼각형 관심 영역(ROI)을 왼쪽 및 오른쪽 SCF 영역에 배치하고 원형 ROI를 흉골 영역에 배치합니다. 필요한 영역을 교차 배치한 경우 소프트웨어가 선택한 각 영역에 대한 온도의 평균 및 표준 편차를 표시하는지 확인합니다. 9. 데이터 분석 설명된 기술을 사용하여 개입을 분석하기 위해 이중 맹검 접근 방식을 사용합니다. 데이터 수집 또는 분석에 관여하지 않은 연구원이 개입을 일반적으로 코딩하도록 합니다. 통계 분석을 수행합니다.측정된 단일 시점에서 IRT, 심부 온도 및 혈당 데이터의 평균을 계산합니다. 10분 Epochs의 RER, 지방 산화, 탄수화물 산화 및 에너지 소비에 대한 평균을 계산합니다. 에너지 소비의 경우 각 그룹의 에너지 소비 비율을 합산하고 개입 전후로 구분합니다.참고: 데이터를 분석하기 위한 통계적 테스트에 대해서는 Van Shaik et al.을 참조하십시오27.

Representative Results

그림 1과 그림 2는 연구 설계의 순서도를 나타냅니다. 프로토콜 설정 이미지는 그림 3에 나와 있습니다. 참가자 특성은 표 1에서 확인할 수 있습니다. 기준선(그림 4A), 탄수화물 후 부하(그림 4B) 및 카페인 보충 후 60분(그림 4C)을 포함한 참가자 이미지의 IRT의 대표적인 예와 카메라 설정의 대표 이미지가 그림 4D에 나와 있습니다. 특히, 그림 4A-C는 개입 후 쇄골상와와 온도(Tscf)의 변화를 시각적으로 표현합니다. 온도의 차이는 특히 그림 4B와 그림 4C 사이에 두드러집니다. 도 5A-C에서, Van Schaik 등으로부터의 결과는 Tscf (도 5A)의 기준점 (Tref; 도 5C) 및 코어 온도(Tcore; 그림 5B) 기준선(0분)부터 데이터 수집 완료(120분)까지. 데이터는 위약과 비교한 카페인 중재를 보여준다27. 이 원고에 설명된 결과는 순전히 이 출판된 논문을 대표합니다. 또한 Tscf의 데이터는 그룹 효과를 나타내지 않습니다. 통계는 Van Schaik et al.27의 보충 데이터에서 찾을 수 있습니다. 쇄골상 온도의 현저한 증가는 그림 6에서 볼 수 있듯이 기질 이용의 변화 및 중재 후 혈당 수치의 급격한 저하와 일치합니다. 이러한 결과는 Tref 및 Tcore 온도에 대한 온도 변화의 부족과 결합하여(그림 5B, C) BAT 열발생을 나타냅니다. 또한 에너지 소비가 증가함에 따라(그림 6E) RER이 감소하며(그림 6A), 이는 개입 후 지방 산화 증가(그림 6B)와 일치합니다. 그림 1: 각 15분 동안 완료하는 데 걸리는 시간이 포함된 측정 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 2: 연구 설계의 흐름도 개략도. 실험 과정. 흑색 제곱 = 탄수화물 부하 시간; 검은색 원 = 개입 시간. 약어: IRT = 적외선 열화상 촬영; BGL = 혈당 수치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 3: 프로토콜의 대표 이미지. (A) 참가자가 없는 상태에서 설정; (B) 기준선에서 참가자의 데이터 수집; (c) 간접 열량계 컴퓨터; (D) 기준선 측정 후 탄수화물 부하를 소비하는 참가자. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 4: IRT 및 카메라 설정의 대표적인 예. (A) 기준선, (B) 탄수화물 부하 후, (C) 카페인 개입 후 60분에 참가자의 열화상 이미지, (D) 카메라 설정의 대표 이미지. 약어: IRT = 적외선 서모그래피. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 5 : 온도 측정에 대한 개입의 효과. 탄수화물 부하(시점 = 0) 및 카페인 개입 또는 위약 캡슐 투여(시간 = 45분에서 120분) 투여 후 참가자의 (A) Tscf, (B) Tcore 및 (C) Tref의 기준선 원시 온도 변화27. 이 그림은 Van Schaik et al.27에서 수정되었습니다. (ᄀ씨) 밝은 회색 상자 1 = 탄수화물 부하 시간; 상자 2 = 사전 개입; 짙은 회색 상자 3 = 개입 후; 파란색 원 = 카페인 개입; 검은색 삼각형 = 위약 개입. 데이터는 최소값에서 최대값까지 표현되며, 모든 점이 상자와 수염 그림에 표시됩니다. 분산은 평균 ± SD, 개입당 n = 8로 표현됩니다. *는 카페인 상호작용 효과를 나타냅니다(*p < 0.05). 데이터 값은 반복 측정 3원 분산 분석을 사용하여 분석되었습니다. 약어: Tscf = 쇄골상와(supraclavicular fossa)의 온도; Tcore = 코어 온도; Tref = 기준점. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 6: 대사 측정에 대한 개입의 효과. (A) RER, (B) 지방 산화율, (C) 탄수화물 산화율, (D) 혈당 수치 및 (E) 탄수화물 부하(시간 = 0) 및 카페인 캡슐 또는 위약 캡슐 투여(시간 = 45분에서 120분). 밝은 회색 상자 1 = 탄수화물 부하 시간; 상자 2= 사전 개입; 짙은 회색 상자 3 = 개입 후; 파란색 원 = 카페인 개입; 검은색 삼각형 = 위약 개입. 데이터는 최소값에서 최대값까지 표현되며, 모든 점이 상자와 수염 그림에 표시됩니다. (E) 중재의 사전 및 사후 관리; 회색 막대 = 위약 개입; 파란색 막대 = 카페인 개입. 분산은 평균 ± SD, 개입당 n = 8로 표현됩니다. *는 카페인 상호작용 효과를 나타냅니다(*p < 0.05). 데이터 값은 반복 측정 3원 분산 분석을 사용하여 분석되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 모든 참가자 n 8 나이, 년 22 ± 2 높이, cm 176 ± 5 무게, kg 74 ± 8 BMI, kg/m2  23 ± 2 체지방, % 20 ± 8 표 1: 참가자 인구 통계. 값은 달리 나타내지 않는 한 SD± 의미합니다. 이 표는 Van Schaik et al.27에서 가져온 것입니다.

Discussion

여기에서 보여드린 방법은 인간의 BAT 열 발생을 측정하기 위한 기술적으로 간단하고 안전하며 비용 효율적인 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 IRT를 에너지 소비(EE) 및 기질 활용 측정과 연관시켜 피부 혈류 변화로 인한 국소 온난화와 열 발생으로 인한 더 깊은 온난화를 구별하기 위해 IRT를 단독으로 사용하는 신뢰성과 관련된 문제를 해결합니다. 이 기술은 전리 방사선을 사용하지 않기 때문에 PET 이미징 기술로는 불가능한 반복 측정 분석이 가능합니다. 마지막으로, PET 이미징 기술은 BAT 활성화를 식별할 수 있지만 이 프로토콜이 측정하는 생리학적 결과(온도 및 EE 증가)에 대해서는 보고하지 않습니다.

여기에 설명된 프로토콜의 강점은 유발된 BAT 열 발생의 결론을 뒷받침하는 4가지 증거가 있다는 것입니다: (1) 인접한 기준 영역에 걸쳐 변하지 않은 코어 온도 및 안정적인 피부 온도와 병행하여 증가된 측정된 Tscf; (2) 에너지 소비 증가; (3) 기판 이용률의 변화; (4) 혈당 수치의 감소. 수렴 관찰은 모두 BAT 열 발생에 대한 예측 결과와 일치합니다. 프로토콜의 필수적인 부분은 개입 전에 탄수화물 대사를 보장하기 위해 참가자의 탄수화물 부하입니다. BAT 열 발생은 RER의 감소에서 알 수 있듯이 기질 대사를 탄수화물에서 유리 지방산으로 전환합니다. BAT 열발생을 위한 바람직한 기질은 유리 지방산이지만, 활성 BAT로의 글루코스의 상당한 흡수는 잘 확립되어 있습니다 5,6,7. 따라서 우리는 BAT 열 발생과 동시에 혈당 수치가 떨어지는 것을 관찰합니다. 공복 상태에서 기질 이용률(RER)의 상호 변화와 혈당 수치의 하락을 관찰하는 것은 불가능합니다.

이전 연구에서는 증가된 Tscf(IRT로 측정)가 BAT 열발생을 결론짓기에 충분하다고 결론지었습니다. 그러나 이러한 결론은 Tscf가 코어 온도를 초과하는 경우에만 확실합니다. Tscf가 심부 온도보다 작거나 같으면 피부 혈류 증가로 인한 국소 온도 변화를 배제 할 수 없습니다. 체계적인 검토는 IRT만으로는 쇄골상 피부 온도의 증가가 BAT 열발생에 의한 것인지 여부를 결정할 수 없다고 결론지었습니다37. 이 문헌고찰은 가장 일반적인 방법(18F-FDG PET/CT)이 포도당의 BAT37 흡수를 측정한다고 언급했다. 그러나, BAT 열발생을 위한 바람직한 기질은 지방산13이다. 이러한 방법론적 문제는 BAT 열 발생으로 인한 에너지 소비 및 기질 이용의 변화를 나타낼 수 없기 때문에 이러한 측정 중 하나만으로는 BAT의 실제 대사 활동에 대한 적절한 측정이 아니기 때문에 IRT 데이터를 검증할 때 PET/CT 데이터 간의 의미 있는 비교를 방해합니다. 그럼에도 불구하고 여기에 설명된 프로토콜을 사용하면 온도 변화를 정량화할 수 있을 뿐만 아니라 BAT 열 발생의 주요 생리학적 결과인 에너지 소비의 증가도 확인할 수 있습니다. IRT는 BAT 열 발생과 관련된 온도 및 온도 변화를 측정하기 위한 비접촉식, 비침습적, 비교적 저렴한 방법입니다. 대조적으로, PET-CT는 비용이 많이 들고 개인을 전리 방사선에 노출시키므로 이 방법의 적용 가능성을 임상 영상 연구의 소규모 후향적 분석으로 제한합니다. 현재 프로토콜을 대규모 무작위 임상 시험에 적용하는 것은 비교적 간단하고 비용 효율적입니다.

카페인 개입 후 탄수화물 산화의 감소는 개입으로 인한 BAT 열 발생 증가의 결과로 기질 이용의 전환으로 설명될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 인슐린 신호 전달의 측정은 이 연구의 결과를 더욱 강력하게 만들 것입니다. 그러나 카페인이 BAT에 대한 작용을 통해 인슐린 신호 전달에 영향을 미치는지 또는 혈당 강하가 BAT가 더 많은 에너지 기질을 차지한 결과인지에 대해서는 이 연구의 결과에 근거하여 명확하지 않습니다.

18F-FDG PET/CT 방법은 BAT의 생리적 활성을 정량화하고 측정하는 데 사용될 때, 특히 BAT 활성에 대한 영양소 또는 식이 성분의 영향을 조사할 때 몇 가지 고유한 한계가 있습니다. 18F-FDG PET/CT 방법은 BAT 및 BAT 기능 모두의 검출을 현저히 감소시킬 수 있는 근육 조직에 의한 포도당 흡수의 섭식으로 인한 증가를 피하기 위해 피험자를 금식시킬 것을 요구한다38. 또한, 이 기술만으로는 BAT 활성화의 생리학적 영향이나 정도를 측정할 수 없습니다. 또한 PET 이미징 연구에서 전리 방사선을 사용하는 것은 반복 측정 교차 연구를 설계하는 데 윤리적, 건강 및 안전 장애물입니다. 또한, 18F-FDG는 포도당 흡수만을 나타내며, 이는 포도당 대사를 측정하는 것과 동일하지 않습니다. BAT 온도를 측정하고 혈당 수치를 간접 열량계와 결합하기 전에 피험자에게 탄수화물을 로딩하는 이 방법을 사용하면 공복 상태에서는 사용할 수 없는 열 발생 및 변경된 기질 이용의 생리학적 영향을 엄격하게 측정할 수 있습니다.

강점과 한계
이 프로토콜은 순전히 BAT를 연구하는 것보다 더 넓은 의미를 가지고 있습니다. 개입 전에 탄수화물 부하 참가자를 통해 탄수화물 부하와 카페인 개입 모두에 대한 반응으로 혈당 수치의 진동과 기질 이용의 변화를 관찰할 수 있습니다. 따라서 이 기술은 인간의 간접 열량계 연구 및 대사 측정을 개선하는 데 사용할 수 있습니다. 이 연구의 결과가 감기 노출이나 아드레날린 자극과 같은 다른 개입 후에 복제될 수 있는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다. 그러나 이 연구의 결과는 다른 식이 성분, 즉 Capsicum annuum27을 사용한 개입 후에 복제되었습니다. 결과에 대한 추가적인 엄격함과 확신은 설명된 기술을 사용하여 중재를 분석하기 위한 이중 맹검 접근법을 사용하여 얻을 수 있으며 이는 쉽게 구현될 수 있습니다27.

실내 온도가 참가자에서 참가자로 안정적으로 유지되었기 때문에 다양한 실내 온도의 잠재적인 혼란은 이 프로토콜과 관련이 없습니다. 또한 호흡 가스 분석기를 교정하는 동안 습도가 고려되었습니다. 이것은 제조업체의 지침에 따라 보정이 완료됨에 따라 이 장비의 설정에서 추론됩니다.

측정 및 치료를 위한 시간 간격은 프로토콜의 문제 해결이 수행된 소규모 파일럿 연구에 따라 결정되었습니다. 기본적으로 측정 시간 간격은 연구원이 측정을 수행하는 데 필요한 시간과 참가자의 편의를 기준으로 결정되었습니다. 개입 시간은 탄수화물 부하 후 탄수화물 대사가 발생하는 데 걸리는 시간을 기준으로 결정되어 개입이 유리 지방산 산화를 증가시키는지(즉, BAT 열 발생) 및 탄수화물 산화를 감소시키는지 여부를 조사했습니다.

특히, 모세혈관 포도당 수치와 정맥 포도당 수치 사이에는 차이가 있다39. 그러나, 병원 밖 치료의 맥락에서, 혈당 수준이 측정되는 가장 일반적인 방법은 핸드헬드, 현장 진료 혈당계(40)에 의해 분석된 모세혈관 기원의 혈액 샘플을 통하는 것이다. 추가적으로, 비임상 환경에서 건강한 개인(이 프로토콜에 포함된 것과 유사)의 경우, 현장 진료, 모세관 기반 혈당계를 사용하여 측정할 때 모세혈관 및 정맥 혈당 수준 사이에 통계적으로 유의하지만 임상적으로 유의하지는 않은 차이가 있습니다(41). 이러한 맥락에서, 모세관 샘플링은 시중에서 이용가능한 대부분의 현장 진료 혈당계가 모세혈관 샘플을 분석하도록 설계되었기 때문에 최적의 접근법으로 남아 있을 것이다(41). 임상적 관점에서 볼 때 정맥 혈당이 우수한 분석 방법이라고 주장할 수 있습니다. 그러나 정맥혈 샘플링은 비용이 많이 들고 특수 장비가 필요할 뿐만 아니라(ibid) 침습적이기도 합니다. 프로토콜 동안 부작용의 위험을 증가시키는 윤리적 고려 사항은 정맥 혈당의 대리 척도로서 모세혈관 혈당의 높은 상관관계 및 신뢰성을 보여주는 보고된 문헌과 균형을 이루어야 합니다42. 물론 여기서 핵심은 우리가 당뇨병을 진단하는 것이 아니라 혈당 수치의 변화를 측정하기 시작했기 때문에 모세 혈관 혈당 모니터링이 적절한 프로토콜 이상이라는 것입니다.

포도당은 열 발생을 유도 할 수 있으며 단일 식사는 BAT43을 활성화 할 수 있습니다. 그러나 오히려 중요한 것은 이 원고에 포함된 데이터가 개입 그룹 또는 위약 그룹에서 포도당 부하의 유의미한 영향을 나타내지 않는다는 것입니다. 또한, 원고에 포함된 데이터는 세 번째 개입(Capsicum annuum)을 포함하는 Van Schaik et al.의 결과에서 파생되었으며 포도당 부하는 측정27에 큰 영향을 미치지 않았습니다.

이 프로토콜은 체지방이 적고 활동적인 BAT가 있는 남성 참가자에게만 사용되었다는 점에 유의해야 합니다(제어 가능한 변수의 수를 줄이기 위해 여성은 연구에서 제외됨). 인간의 비만과 박쥐 질량 사이에는 알려진 역 상관 관계가 있습니다44. 또한식이 요법과 운동을 통해 체중을 감량 한 이전에 비만인 사람들은 기초 대사율이 낮고 정상 체중을 유지하기 위해 저칼로리 식단을 섭취해야하는 것으로 알려져 있습니다45,46. 또한, BAT 활성은 BAT 성장을 자극할 수 있다8. 여기에 설명된 방법은 다른 기술로는 제공되지 않는 방식으로 대사 질환과 관련된 BAT 활성의 변화를 조사하기 위한 장기 연구를 허용합니다.

결론
결론적으로, 우리는 탄수화물 부하에 따른 IRT 및 간접 열량계를 사용하여 인간 갈색 지방 조직 활동을 정량화하는 측정 접근 방식을 보여줍니다. 중요한 단계에는 1) 간접 열량계와 혈당 수준을 결합하여 BAT 열 발생 및 변경된 기질 활용의 생리학적 범위를 정량화할 수 있도록 하는 동시에 BAT 온도를 측정하기 전에 공복 상태에 있는 참가자에게 탄수화물을 로딩하는 것이 포함됩니다. 2) 해부학적 위치에 따라 BAT 활성화를 나타내는 Tscf의 증가를 입증하기 위해 기준점 및 코어 온도에서 관련 IRT BAT 저장소 및 온도를 평가합니다. 우리는 이러한 정량적 측정을 통해 성인 인간의 에너지 대사 및 체온 조절에 대한 BAT의 기여도를 보다 정확하게 평가할 수 있다고 믿습니다. 이 철저한 접근법은 연구자들이 BAT 생리학을 연구하고 향후 인간 BAT 활성화 접근법을 개발하기 위한 새로운 표준으로 사용되어야 합니다.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리 연구에 참여해 주신 모든 연구 자원 봉사자들에게 감사드립니다. 이 연구는 Holsworth Research Initiative, La Trobe University 및 Defence Science Institute (DSI, Australia)의 지원을 받았습니다.

Materials

Automated Sphygmomanometer Omron SEM-2 advanced, Omron, Kyoto, Japan
Dual-energy X-ray absorptiometry scanner  Hologic Horizon, Hologic Inc., Bedford, MA, USA
ECG electrodes Ambu Blue Sensor R, Malaysia
Five lead ECG Medilog AR12 plus; Schiller, Germany
FLIR E60 camera FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia
FLIR Research Studio Professional Edition FLIR Systems Australia, Melbourne , Australia
Freestyle Optium Xceed Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada
Glucose Gel Winners Sports Nutrition, Mt Martha, Victoria, Australia
MaskA cold-sterilized silicone mask 7400 series Oro-Nasal Mask, Hans Rudolph
Medilog Darwin2 software Professional; Schiller, Germany
Non-contact Infrared Thermometer  Berrcom, JXB-178, Guangdong, China
Optium Glucose Strip Xceed Abbott Diabetes Care, Alameda, Canada
ParvoMedics TrueOne 2400 respiratory gas analyser ParvoMedics Inc, East Sandy, UT, USA
Pre-sterilized Non-rebreathing Valve Two-way non-rebreathing valve T-Shape configuration, 2600 Medium or 2700 Large, Hans Rudolph
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Van Schaik, L., Kettle, C., Green, R. A., Irving, H. R., Rathner, J. A. Using a Combination of Indirect Calorimetry, Infrared Thermography, and Blood Glucose Levels to Measure Brown Adipose Tissue Thermogenesis in Humans. J. Vis. Exp. (196), e64451, doi:10.3791/64451 (2023).
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