Met behulp van gratis, open-source software, hebben we een analytische aanpak om te kwantificeren van totale en regionale bruin vetweefsel (BAT) volume en metabole activiteit van BBT met 18F-FDG PET/CT.
In endotherme dieren, wordt bruin vetweefsel (BAT) geactiveerd zodat het produceren voor de verdediging van de lichaamstemperatuur in reactie op koude. BAT de mogelijkheid om te verbruiken energie heeft een potentieel doelwit voor nieuwe therapieën ter verbetering van obesitas en bijbehorende metabolische stoornissen bij de mens gemaakt. Hoewel dit weefsel goed bij kleine dieren onderzocht is, blijft BAT de thermogene capaciteit bij de mens grotendeels onbekend als gevolg van de moeilijkheden van het meten van haar volume, activiteit en distributie. Identificeren en kwantificeren van actieve menselijke BAT wordt vaak uitgevoerd met behulp van 18F-Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) positron emissie tomografie en computertomografie (PET/CT) scant na blootstelling aan koude of farmacologische activering. Hier beschrijven we een gedetailleerde beeldanalyse-aanpak om te kwantificeren totaal-lichaam die menselijke VLEERMUIS uit 18F-FDG PET/CT scant met behulp van een open-source software. We tonen de tekenen van gebruiker opgegeven regio’s van belang om te identificeren metabolisch actief adipeus weefsel terwijl het vermijden van gemeenschappelijke niet-BAT weefsels, aan maatregel BAT omvang en activiteit, en verder zijn anatomische verdeling kenmerkt. Hoewel deze strikte aanpak tijdrovend is, wij geloven dat het uiteindelijk zal zorgen voor een basis voor de ontwikkeling van toekomstige geautomatiseerde algoritmen van de kwantificering van het BAT.
De toenemende prevalentie van overgewicht wereldwijd1 heeft geleid tot een onderzoek naar nieuwe therapieën te voorkomen en verzachten van obesitas en zijn bijbehorende complicaties. Obesitas is gedeeltelijk te danken overtollige energie opgeslagen in witte vetweefsel (WAT) in de vorm van triglyceriden2. Bruin vetweefsel (BAT) verschilt van WAT vooral toe te schrijven aan zijn hogere mitochondriale inhoud, kleiner en multilocular lipide druppels, verschillende anatomische distributie, grotere innervatie sympathiek arm en warmte genereren van vermogen. Hoewel BAT ooit gedacht was bestaan alleen in kleine zoogdieren en pasgeboren zuigelingen, was de aanwezigheid van functionele BAT bevestigd bij de volwassen mens in 20093,4,5. De thermogene capaciteit van menselijke BAT is nog niet bekend, maar uitgebreide studie in kleine dieren heeft aangetoond dat niet-rillen thermogenese kan tot 60% van hun metabolisme tijdens koude-blootstelling6vormen. Menselijke BAT is daardoor nu onderzocht als een doelwit voor de behandeling en preventie van obesitas en verwante stoornissen7. Verschillende klinische studies hebben aangetoond dat BAT thermogenese met verhoogde glucose-opname- en energie uitgaven na activatie door milde koude blootstelling8,9,10 correleert. Nog, BAT de bijdrage aan koude-geïnduceerde thermogenese blijft controversieel11,12,13,14, met veel discussie gecentreerd rond hoe te kwantificeren van menselijke BAT15. Om beter te begrijpen als BAT thermogenese kan worden aangewend om de strijd tegen obesitas, is het van cruciaal belang om een nauwkeurige meting van het volume en de metabole activiteit.
Verkrijgen van nauwkeurige metingen van BAT is een uitdaging als gevolg van de VLEERMUIS de unieke anatomische distributie bij de mens. BAT wordt verdeeld binnen de witte obesitas depots in de nek, de thorax en de buik in sites die niet toegankelijk voor ongecompliceerde biopsieën14 zijn. Lijkschouwingen zijn gebruikt voor het karakteriseren van BAT anatomisch16, maar zijn onhaalbaar voor de meeste onderzoek laboratoria doet grote studies en longitudinale of functionele informatie niet verstrekken. Aangezien VLEERMUIS een soortgelijke dichtheid aan WAT heeft en plaatsvinden kan in smalle fasciaal lagen of in kleine zakken afgewisseld met WAT16, is het moeilijk om te bepalen met behulp van een enkele, conventionele beeldvormende techniek. Deze heterogeniteit maakt ook automatische kwantificering van BAT moeilijker dan kwantificering van homogene structuren zoals de lever17.
Om deze uitdagingen te overwinnen, zijn BAT volume en activiteiten vaak gekwantificeerd door koppeling computertomografie (CT) en positron emissie tomografie (PET). De radiolabeled glucose analoge 18F-Fluourodeoxyglucose (18F-FDG) is de meest gebruikte tracer te bestuderen BAT metabole activiteit18. Adipeus weefsel kan worden onderscheiden van andere weefsel en lucht op basis van dichtheid door de CT-afbeelding in Hounsfield eenheden (HU) verstrekte informatie. HUISDIER beelden tonen de hoeveelheid 18F-FDG overgenomen in een volume van weefsel in eenheden van gestandaardiseerde opname waarden (SUV). Actieve BAT kan worden losgekoppeld van weefsel met onbelangrijke tracer opname, met inbegrip van WAT en inactieve VLEERMUIS, door mede registreren PET beelden met overeenkomstige CT-scans en het kiezen van een geschikte SUV-drempel.
Door middel van deze paper streven wij naar een stapsgewijze benadering voorzien van een instructie-video die kan worden gebruikt door klinische onderzoekers te kwantificeren van menselijke VLEERMUIS met 18F-FDG PET/CT-scans. Deze afbeelding analysetechniek is idealiter gebruikt nadat onderwerp(en) zijn blootgesteld aan koude of behandeld met farmacologische BAT stimulerende middelen. Specifiek, we laten zien gebruikers op hoe de bouw van de regio’s van belang (ROIs) terwijl het minimaliseren van de verkeerd stellig een gratis, open-source-beeldverwerking software (ImageJ) met een specifieke plug-in (petctviewer.org). Het resultaat van deze aanpak kan worden gebruikt om te studeren BAT volume, activiteit (glucose-opname) en anatomische distributie in individuele studie-onderwerpen.
Sinds de bevestiging van functionele BAT bij volwassen mensen, is er grote belangstelling voor inzicht in de rol van VLEERMUIS in de menselijke fysiologie. Echter, omdat dit thermogene weefsel wordt vaak aangetroffen smalle fasciaal vliegtuigen, afgewisseld binnen Wit vet, en de omliggende andere organen, het is uitdagend om te kwantificeren. In 2016, werd een consensusdocument gepubliceerd door een panel van deskundigen van internationale VLEERMUIS met aanbevelingen voor het melden van de relevante kenmerken van de deelnemer, criteria voor de voorbereiding van het onderwerp, en een protocol voor de verwerving van PET/CT afbeeldingen21. Het deelvenster ook gewezen op de noodzaak voor meer samenhang bij de verwerking van PET/CT voor VLEERMUIS kwantificering, overwegende dat methoden voor het identificeren van BAT hebben sterk uiteen en, in de meeste gevallen wordt slechts beperkte detail van de VLEERMUIS kwantificering procedure verstrekt. Dus, terwijl verslagen van binnen studie reproduceerbaarheid zijn hoge22,23,24, aanzienlijk verschillende BAT volume en activiteit is gemeld door groeperingen die zich bedienen van verschillende kwantificering methoden, zelfs wanneer deelnemers zijn van dezelfde leeftijd, geslacht en BMI25,26. Deze inconsistenties vergelijken bevindingen te bemoeilijken, en hebben geleid tot een controverse over het bedrag van VLEERMUIS in de volwassen mens15.
Een inherente beperking van PET/CT beeldverwerking is de opneming van voxels die voldoen aan de criteria van zowel CT als huisdier maar op anatomische locaties die overeenkomen met structuren dan BAT. Perfecte co registratie van PET- en CT-beelden is bijna onmogelijk als gevolg van verschillen in resolutie en onderwerp beweging tijdens scans. Dientengevolge, worden structuren grenzend aan lucht of bot en gebieden van hoge tracer opname vaak ten onrechte geïdentificeerd als actieve BAT. Als u wilt beperken opneming van valse positieve voxels, gelden een PET- en CT criteria alleen binnen de ROIs die gebruikers construeren. Maar huidige benaderingen te kwantificeren VLEERMUIS met gebruiker opgegeven ROIs of geautomatiseerde analyses verschillen van het bedrag van de betrokkenheid van de gebruikers en kennis die ze nodig hebben. We hebben aangetoond dat met een honkslag, tweedimensionale gebruiker gedefinieerde coronale die ROI op de hele stapel afbeeldingen toegepast meer vatbaar zijn kan voor met inbegrip van valse positieve gebieden19. Verschillende groepen hebben ontwikkeld geautomatiseerde methoden om te kwantificeren VLEERMUIS die kunnen snel verwerken van grote datasets zonder veel input van de gebruiker. Echter, deze methoden niet ofwel omvatten alle mogelijke BAT-bevattende regio’s, met name in de lagere lichaam27of relatief hoge tarieven van valse positieven28 oplopen en valse negatieven26. Aangezien de omvang van de menselijke BAT over het algemeen laag is (< 600 mL of < 2% van de totale lichaam massa), kleine absolute fouten in de kwantificering kunnen leiden tot grote relatieve verschillen.
De strengere aanpak beschreven door deze studie van ROIs puttend uit elk axiale PET / CT-segment kan het opsporen van VLEERMUIS in smalle fasciaal lagen terwijl het verstrekken van meer vertrouwen dat valse positieven zijn uitgesloten. Dit levert een gedetailleerde kwantificering in elke Guardias, in plaats van een binaire beoordeling van BAT de aanwezigheid of afwezigheid29. Het kan dus meer geschikt voor gecontroleerde experimenten in kleine steekproeven die voornemens is om te studeren BAT fysiologie en/of effecten van interventies. Bovendien, de mogelijkheid te definiëren van de land / regiospecifieke BAT depots kan meer inzicht geven in BAT van functionele relevantie en ontwikkelingsstoornissen oorsprong. Wij zijn van mening dat deze kwantitatieve maatregelen zijn belangrijk, niet alleen voor vergelijking over het veld, maar ook betere schatting BAT bijdrage aan energiemetabolisme en thermoregulatie bij volwassen mensen.
Verschillende anatomische eigenschappen van de VLEERMUIS zal gebruikers van onze methode limiet opneming van valse positieve voxels helpen. BAT wordt meestal gevonden in continue en symmetrische fasciaal lagen. Dus, terwijl tekening en raffinage van een ROI, bestuderen van de superieure en inferieure axiale segmenten voor de continuïteit en de symmetrie van de geselecteerde adipeus weefsel kan gebruikers helpen maximaliseren van de opname van vetweefsel terwijl het minimaliseren van de opneming van de skeletspieren, been en andere duidelijk niet-BAT structuren. Actieve VLEERMUIS is ook zelden aanwezig in onderhuids obesitas depots, dus wij gebruikers adviseren om te voorkomen dat deze gebieden bij het construeren van ROIs. Zoals opgemerkt in het protocol, is VLEERMUIS verdeeld in meerdere verschillende anatomische gebieden, met inbegrip van de cervicale, dorsocervical, supraclavicular, axillaire, mediastinale, paraspinal en abdominale depots. Deze vestigingen bevinden zich zodanig dat een axiale snijd mei bevatten meer dan BAT van meerdere vestigingen. Bijvoorbeeld, kan een axiale segment in de thoracale regio BAT bevatten uit de mediastinale depot (proximale en anterior), paraspinal depot (proximale en posterior, langs de wervelkolom) en axillaire depot (laterale en in de buurt van de medio-antero-posterior-lijn). Kennis van deze depots gebruikers ROIs maken in de verschillende gebieden van het lichaam kan helpen, omdat ze zich voordoen vooraf omschreven locaties zijn grotendeels aaneengesloten, zoals beschreven in ons protocol. Omdat we raden gebruikers aan te trekken van slechts één ROI per segment Voorkom ROI overlapping, de extra stappen voor het genereren van een VLEERMUIS-masker en tekening Sagittaal ROIs is echter vereist om te scheiden van de eerder geïdentificeerde BAT voxels in de verschillende regionale depots als informatie van BAT distributie gewenst is, dat wil zeggen, scheiden mediastinale, paraspinal en axillaire VLEERMUIS ontdekt in de dezelfde axiale ROI in depots op basis van sagital locatie (Figuur 3).
De PET/CT viewer software kan ook worden gebruikt om te kwantificeren van de activiteit van weefsels dan VLEERMUIS, bijvoorbeeld rillen skeletspieren, welke ook grote speelt een rol koude geïnduceerde thermogenese19, of verschillende gebieden van de hersenen of de lever die geweest voorgesteld als referentie weefsels voor PET/CT analyse21. Deze weefsels hebben echter dichtheden en anatomische distributies die verschillen van de VLEERMUIS en zijn buiten de focus van onze huidige protocol. We directe lezers aan het consensusdocument voor nader op deze onderwerpen21. Tot slot raden wij alle gebruikers voortdurend bijwerken ImageJ en bezoek petctviewer.org voor Plug-in updates en software hulp.
Hoewel wij zijn van mening dat deze rigoureuze methode nauwkeuriger dan geautomatiseerde methoden26,28 en methoden die gebruikmaken van een vereenvoudigde, één ROI is te schatten van de totale BAT volume9,30, is het niet zonder beperkingen. Er is geen ideale methode te kwantificeren niet-gebeurt BAT bij de mens, en 18F-FDG vertegenwoordigt alleen glucose opname, die niet hetzelfde als glucose metabolisme11 is. Echter, hoewel andere radioactieve tracers tweedehands31,32,33 geweest, 18F-FDG is de meest prominente tracer gebruikt bij het bestuderen van de menselijke BAT. Dus, de ontwikkeling van gestandaardiseerde methoden voor het analyseren van 18F-FDG PET/CT-beelden zal blijven impactful in de studie van de menselijke fysiologie van de BAT voor de nabije toekomst.
De methode die wij voorstellen, het creëren van een ROI op elk BAT-bevattende axiale segment terwijl het vermijden van gemeenschappelijke probleemgebieden, is arbeidsintensief en vereist de gebruiker om enige kennis van onderliggende anatomie. Het is ook mogelijk dat de strenge selectie van de ROI valse negatieven, invoeren kan, aangezien sommige BAT-bevattende depots kunnen worden vermeden. ROIs puttend uit elke axiale segment van de gesmolten PET/CT-afbeelding zorgt voor de zorgvuldige discriminatie tussen adipeus weefsel en naburige metabolisch actieve weefsels en/of regio’s die beïnvloed door spill over en gedeeltelijke volume effecten34. Echter, de tijd die het duurt om te voltooien van de analyse van een enkele scan kan variëren van drie tot acht uur, met de mogelijkheid tot verkorting van de tijd-frame met praktijk en ervaring. Verschillende machine leerbenaderingen mei zitten kundig voor vermindering van de arbeid en de expertise die nodig is om deze taak te volbrengen. Creëren van een meer geautomatiseerde methode die nauwkeurig BAT kan detecteren en solide blijkt in valse positieven gemaakt door huidige beeldvorming beperkingen vergt echter een grote dataset met individuen van gevarieerde lichaamssamenstelling en BAT distributie. Wij hopen dat deze methode kan worden gebruikt voor de productie van een gedetailleerde BAT atlas die als een sjabloon voor een meer verfijnde aanpak van de grote gegevens dienen kan.
Kortom, toonden we een stapsgewijze beeld analyse aanpak om te kwantificeren van menselijke bruin vetweefsel volume, activiteit en distributie met behulp van koude-geïnduceerde FDG PET/CT-scans. De kritische stappen omvatten 1) doorlopend en opeenvolgend analyseren van axiale ROIs en 2) evaluatie van relevante BBT depots door hun anatomische locatie terwijl het vermijden van andere metabolisch actieve weefsels. Deze strenge kwantificering aanpak kan worden gebruikt door onderzoekers in het veld te bestuderen BAT fysiologie en dienen als referentie voor de ontwikkeling van geautomatiseerde menselijke BAT kwantificatie benaderingen in de toekomst standaard.
The authors have nothing to disclose.
Wij willen iedereen bedanken van de vrijwilligers van de studie, verpleegkunde en klinisch personeel, en de diëtisten van het NIH Clinical Center voor hun deelname aan onze koude blootstelling studies en verzorging tijdens de intramurale blijft. Ook bedank wij Dr. Bill Dieckmann voor al zijn hulp met de aanschaf en distributie van de PET-CT-beelden voor onze studies. Dit werk werd gesteund door intramurale onderzoeksprogramma van het nationale Instituut van Diabetes en spijsverterings en nier ziekten subsidies Z01 DK071014 (voor K.Y.C.) en DK075116-02 (tot A.M.C.).
ImageJ/Fiji Software | ImageJ | https://imagej.net/Fiji/Downloads | Open Source Software |