Использование комбинации непрямой калориметрии, инфракрасной термографии и уровня глюкозы в крови для измерения термогенеза бурой жировой ткани у людей

Метод, который мы показали здесь, является технически простым, безопасным и экономически эффективным протоколом для измерения термогенеза НДТ у людей. Протокол решает проблемы, связанные с надежностью использования IRT сам по себе для различения локального потепления из-за изменения кожного кровотока и более глубокого потепления из-за термогенеза путем корреляции IRT как с показателями расхода энергии (EE), так и с использованием субстрата. Поскольку этот метод не использует ионизирующее излучение, он позволяет проводить анализ повторных измерений, что невозможно при использовании методов визуализации ПЭТ. Наконец, хотя методы ПЭТ-визуализации могут идентифицировать активацию BAT, они не сообщают о физиологических результатах (повышенная температура и EE), которые измеряет этот протокол.

Сила описанного здесь протокола заключается в том, что существует четыре линии доказательств, подтверждающих вывод о вызванном термогенезе НИМ: (1) увеличение измеренного Tscf параллельно с неизменной внутренней температурой и стабильной температурой кожи над соседней эталонной областью; (2) повышенный расход энергии; (3) изменение использования субстрата; и (4) падение уровня глюкозы в крови. Все сходящиеся наблюдения согласуются с предсказанными результатами термогенеза НИМ. Существенной частью протокола является углеводная нагрузка участников для обеспечения углеводного обмена перед вмешательством. Термогенез НДТ переключает субстратный метаболизм с углеводов на свободные жирные кислоты, о чем свидетельствует падение RER. В то время как предпочтительным субстратом для термогенеза НДТ являются свободные жирные кислоты, значительное поглощение глюкозы в активную БАТ хорошо известно ^5,6,7. Таким образом, мы наблюдаем падение уровня глюкозы в крови одновременно с термогенезом БАТ. Невозможно было бы наблюдать взаимный сдвиг в использовании субстрата (RER) и падение уровня глюкозы в крови натощак.

Предыдущие исследования пришли к выводу, что повышенный Tscf (измеренный IRT) достаточен для вывода о термогенезе BAT. Однако этот вывод достоверен только в том случае, если Tscf превышает внутреннюю температуру. Если Tscf меньше или равен внутренней температуре, то нельзя исключать локальное изменение температуры из-за усиления кожного кровотока. Систематический обзор пришел к выводу, что IRT сам по себе не может определить, связано ли повышение надключичной температуры кожи с термогенезом^{BAT 37}. В обзоре отмечено, что наиболее распространенный метод (¹⁸F-FDG ПЭТ/КТ) измеряет поглощение глюкозы в BAT³⁷. Однако предпочтительным субстратом для термогенеза НДТ являются жирные кислоты¹³. Эта методологическая проблема препятствует какому-либо значимому сравнению между данными ПЭТ/КТ при проверке данных IRT, поскольку ни одна из этих мер сама по себе не является подходящей мерой истинной метаболической активности НДТ, поскольку она не может указывать на изменение расхода энергии и использования субстрата из-за термогенеза НДТ. Тем не менее, с помощью протокола, описанного здесь, мы можем не только количественно оценить изменение температуры, но и подтвердить увеличение расхода энергии – ключевой физиологический результат термогенеза БАТ. IRT – это бесконтактный, неинвазивный и относительно недорогой метод измерения температуры и изменений температуры, связанных с термогенезом BAT. Напротив, ПЭТ-КТ является дорогостоящей и подвергает людей воздействию ионизирующего излучения, что ограничивает применимость этого метода небольшими ретроспективными анализами клинических исследований визуализации. Применение нынешнего протокола к крупномасштабным рандомизированным клиническим испытаниям было бы относительно простым и экономически эффективным.

Важно отметить, что снижение окисления углеводов после вмешательства кофеина можно объяснить переключением использования субстрата в результате увеличения термогенеза БАТ из-за вмешательства. Измерения передачи сигналов инсулина сделают результаты этого исследования более надежными. Однако на основании результатов этого исследования неясно, повлияет ли кофеин на передачу сигналов инсулина посредством действия на БАТ или падение уровня глюкозы в крови является результатом того, что БАТ поглощает больше энергетических субстратов.

Метод ¹⁸F-FDG PET/CT имеет ряд неотъемлемых ограничений, когда он используется для количественной оценки и измерения физиологической активности НИМ, особенно при исследовании влияния питательных веществ или пищевых ингредиентов на активность НДТ. Метод ¹⁸ПЭТ/КТ F-FDG требует, чтобы испытуемые голодали, чтобы избежать увеличения поглощения глюкозы мышечной тканью, вызванного кормлением, что может значительно снизить обнаружение как BAT, так и функции^{BAT 38}. Кроме того, этот метод сам по себе не может измерить физиологическое воздействие или степень активации BAT. Кроме того, использование ионизирующего излучения в исследованиях ПЭТ-визуализации является этическим препятствием, а также препятствием для здоровья и безопасности при разработке перекрестных исследований с повторными измерениями. Кроме того, ¹⁸F-FDG представляет собой только поглощение глюкозы, что не то же самое, что измерение метаболизма глюкозы. Этот метод загрузки углеводами испытуемых перед измерением температуры BAT и сочетание уровней глюкозы в крови с косвенной калориметрией позволяет нам строго измерить физиологическое воздействие термогенеза и измененного использования субстрата, которое в противном случае было бы недоступно в состоянии натощак.

Сильные и слабые стороны
Этот протокол имеет более широкие последствия, чем просто изучение НДТ. У участников с углеводной нагрузкой до вмешательства могут наблюдаться колебания уровня глюкозы в крови в ответ как на углеводную нагрузку, так и на кофеиновое вмешательство, а также изменения в использовании субстрата. Таким образом, этот метод может быть использован для улучшения исследований непрямой калориметрии человека и метаболических показателей. Пока неизвестно, могут ли результаты этого исследования быть воспроизведены после других вмешательств, таких как воздействие холода или адренергическая стимуляция. Тем не менее, результаты этого исследования были воспроизведены после вмешательства с другим диетическим ингредиентом, а именно Capsicum annuum²⁷. Дополнительная строгость и уверенность в результатах могут быть достигнуты с помощью двойного слепого подхода к анализу вмешательств с использованием описанных методов, и это может быть легко реализовано²⁷.

Потенциальная путаница с различной комнатной температурой не имеет значения в этом протоколе, поскольку комнатная температура поддерживалась стабильной от участника к участнику. Дополнительно учитывалась влажность при калибровке анализатора дыхательных газов. Это подразумевается при настройке этого оборудования, так как калибровка выполняется в соответствии с инструкциями производителя.

Временные интервалы для измерения и лечения были определены после небольшого пилотного исследования, в ходе которого было проведено устранение неполадок протокола. По сути, временные интервалы для измерения были определены на основе времени, необходимого исследователю для выполнения измерений, и для комфорта участника. Время вмешательства было определено на основе времени, необходимого для того, чтобы произошел углеводный обмен после углеводной нагрузки, чтобы исследовать, увеличивает ли вмешательство окисление свободных жирных кислот (т.е. термогенез BAT) и снижает ли окисление углеводов.

Примечательно, что существуют различия между капиллярным и венозным уровнями глюкозы³⁹. Однако в контексте внебольничной помощи наиболее распространенным способом измерения уровня глюкозы в крови является образец крови капиллярного происхождения, анализируемый с помощью портативного глюкометра⁴⁰ в месте оказания медицинской помощи. Кроме того, у здоровых людей (аналогичных тем, которые включены в этот протокол) в доклинических условиях существует статистически значимая, но не клинически значимая разница между уровнями глюкозы в капиллярной и венозной крови при измерении с помощью капиллярного глюкометра⁴¹ в месте оказания медицинской помощи. В этом контексте отбор проб капилляров останется оптимальным подходом в связи с тем, что большинство глюкометров в местах оказания медицинской помощи, доступных на рынке, предназначены для анализа образцов капиллярной крови⁴¹. С клинической точки зрения можно утверждать, что уровень глюкозы в венозной крови является лучшим методом анализа. Однако забор венозной крови не только дорог и требует специализированного оборудования (там же), но и является инвазивным. Этические соображения увеличения риска нежелательных явлений во время протокола должны быть сбалансированы с опубликованной литературой, показывающей высокую корреляцию и надежность уровня глюкозы в капиллярной крови в качестве косвенного показателя уровня глюкозы в венозной крови⁴². Ключевым моментом здесь, конечно, является то, что мы намеревались не диагностировать диабет, а измерять изменения уровня глюкозы в крови, для чего капиллярный мониторинг уровня глюкозы в крови является более чем подходящим протоколом.

Глюкоза может индуцировать термогенез, а однократные приемы пищи могут активировать BAT⁴³. Однако, что весьма важно, данные, включенные в эту рукопись, не показывают существенного влияния нагрузки глюкозой в группе вмешательства или группе плацебо. Кроме того, данные, включенные в рукопись, были получены из результатов Van Schaik et al., которые включали третье вмешательство (Capsicum annuum), и нагрузка глюкозой не оказала существенного влияния на показатели²⁷.

Следует отметить, что этот протокол использовался только у участников мужского пола с низким содержанием жира в организме и активной БАТ (для уменьшения количества контролируемых переменных женщины были исключены из исследования). Существует известная обратная корреляция между ожирением и массой НДТ у людей⁴⁴. Кроме того, известно, что ранее страдающие ожирением люди, которые похудели с помощью диеты и физических упражнений, имеют более низкую базальную скорость метаболизма и должны потреблять низкокалорийные диеты для поддержания нормального веса^45,46. Кроме того, активность НДТ может стимулировать рост^{НДТ 8}. Метод, описанный здесь, позволит проводить долгосрочные исследования для изучения изменений активности BAT, связанных с метаболическими заболеваниями, способом, недоступным для других методов.

Заключение
В заключение мы демонстрируем подход к измерению количественной оценки активности бурой жировой ткани человека с использованием IRT и непрямой калориметрии после углеводной нагрузки. Критические шаги включают в себя: 1) углеводную загрузку участников, которые находятся в состоянии голодания до измерения температуры ВАТ, при сочетании косвенной калориметрии и уровней глюкозы в крови, чтобы позволить количественно оценить физиологическую степень термогенеза БАТ и измененное использование субстрата; 2) оценка соответствующих депо ИРТ НДТ и температур от контрольной точки и внутренней температуры, чтобы продемонстрировать любое увеличение Tscf, которое будет указывать на активацию НДТ на основе анатомического расположения. Мы считаем, что эти количественные измерения позволяют более точно оценить вклад НДТ в энергетический обмен и терморегуляцию взрослого человека. Этот тщательный подход должен быть использован исследователями для изучения физиологии БАТ и служить новым стандартом для разработки подходов к активации БАТ человека в будущем.