Met behulp van een combinatie van indirecte calorimetrie, infraroodthermografie en bloedglucosespiegels om de thermogenese van bruin vetweefsel bij mensen te meten

De methode die we hier hebben laten zien, is een technisch eenvoudig, veilig en kosteneffectief protocol voor het meten van BBT-thermogenese bij mensen. Het protocol pakt zorgen aan met betrekking tot de betrouwbaarheid van het gebruik van IRT op zichzelf om onderscheid te maken tussen lokale opwarming als gevolg van veranderde doorbloeding van de huid en diepere opwarming als gevolg van thermogenese door IRT te correleren met zowel metingen van energieverbruik (EE) als substraatgebruik. Omdat deze techniek geen ioniserende straling gebruikt, maakt het analyse met herhaalde metingen mogelijk, wat niet mogelijk is met PET-beeldvormingstechnieken. Ten slotte, hoewel PET-beeldvormingstechnieken BBT-activering kunnen identificeren, rapporteren ze niet over de fysiologische uitkomsten (verhoogde temperatuur en EE) die dit protocol meet.

De kracht van het hier beschreven protocol is dat er vier bewijslijnen zijn die de conclusie van de opgewekte BBT-thermogenese ondersteunen: (1) verhoogde gemeten Tscf, parallel aan onveranderde kerntemperatuur en stabiele huidtemperatuur over het aangrenzende referentiegebied; (2) verhoogd energieverbruik; (3) een verandering in het gebruik van het substraat; en (4) een daling van de bloedglucosespiegels. De convergerende waarnemingen komen allemaal overeen met de voorspelde uitkomsten voor BBT-thermogenese. Het essentiële onderdeel van het protocol is de koolhydraatbelasting van de deelnemers om het koolhydraatmetabolisme vóór interventie te waarborgen. BBT-thermogenese schakelt het substraatmetabolisme over van koolhydraten naar vrije vetzuren, zoals blijkt uit de daling van de RER. Hoewel het voorkeurssubstraat voor BBT-thermogenese vrije vetzuren is, is een significante opname van glucose in actieve BBT goed vastgesteld ^5,6,7. Daarom zien we een daling van de bloedglucosespiegels gelijktijdig met BBT-thermogenese. Het zou niet mogelijk zijn om de wederzijdse verschuiving in substraatgebruik (RER) en de daling van de bloedglucosespiegels in nuchtere toestand waar te nemen.

Eerdere studies hebben geconcludeerd dat verhoogde Tscf (gemeten door IRT) voldoende is om BBT-thermogenese te concluderen. Deze conclusie is echter alleen zeker als de Tscf de kerntemperatuur overschrijdt. Als de Tscf lager is dan of gelijk is aan de kerntemperatuur, kan een lokale temperatuurverandering als gevolg van een verhoogde doorbloeding van de huid niet worden uitgesloten. Een systematische review concludeerde dat IRT alleen niet in staat is om te bepalen of verhogingen van de supraclaviculaire huidtemperatuur te wijten zijn aan BBT-thermogenese³⁷. In de review werd opgemerkt dat de meest voorkomende methode (¹⁸F-FDG PET/CT) de opname van glucose in BBT³⁷ meet. Het voorkeurssubstraat voor BBT-thermogenese is echter vetzuren¹³. Deze methodologische kwestie verhindert een zinvolle vergelijking tussen PET/CT-gegevens bij het valideren van IRT-gegevens, aangezien een van deze metingen alleen geen geschikte maat is voor de werkelijke metabole activiteit van de BBT, aangezien deze de verandering in energieverbruik en substraatgebruik als gevolg van BBT-thermogenese niet kan aangeven. Niettemin kunnen we met het hier beschreven protocol niet alleen de verandering in temperatuur kwantificeren, maar we kunnen ook een toename van het energieverbruik bevestigen – een belangrijk fysiologisch resultaat van BBT-thermogenese. IRT is een contactloze, niet-invasieve en relatief goedkope methode voor het meten van temperatuur en temperatuurveranderingen geassocieerd met BBT-thermogenese. PET-CT daarentegen is duur en stelt individuen bloot aan ioniserende straling, waardoor de toepasbaarheid van deze methode wordt beperkt tot kleine retrospectieve analyses van klinische beeldvormingsstudies. De toepassing van het huidige protocol op grootschalige, gerandomiseerde klinische onderzoeken zou relatief eenvoudig en kosteneffectief zijn.

Het is belangrijk op te merken dat de afname van koolhydraatoxidatie na cafeïne-interventie kan worden verklaard door de schakelaar in substraatgebruik als gevolg van verhoogde BAT-thermogenese als gevolg van de interventie. Metingen van insulinesignalering zouden de resultaten van deze studie robuuster maken. Het is echter niet duidelijk op basis van de resultaten van deze studie of cafeïne de insulinesignalering zou beïnvloeden via actie op de BBT of dat de daling van de bloedglucose het gevolg is van het feit dat de BBT meer energiesubstraten opneemt.

De ¹⁸F-FDG PET/CT-methode heeft verschillende inherente beperkingen wanneer deze wordt gebruikt om de fysiologische activiteit van BBT te kwantificeren en te meten, met name bij het onderzoeken van de invloed van voedingsstoffen of voedingsingrediënten op de BBT-activiteit. De ¹⁸F-FDG PET/CT-methode vereist dat proefpersonen nuchter zijn om door voeding geïnduceerde verhogingen van de glucoseopname door het spierweefsel te voorkomen, wat de detectie van zowel de BBT- als de BAT-functie aanzienlijk kan verminderen³⁸. Bovendien kan deze techniek alleen de fysiologische impact of omvang van BBT-activering niet meten. Bovendien is het gebruik van ioniserende straling in PET-beeldvormingsstudies een ethische en gezondheids- en veiligheidshindernis voor het ontwerpen van cross-overstudies met herhaalde maatregelen. Bovendien vertegenwoordigt ¹⁸F-FDG alleen glucoseopname, wat niet hetzelfde is als het meten van glucosemetabolisme. Deze methode van koolhydraatbelasting voorafgaand aan het meten van de BBT-temperatuur en het combineren van bloedglucosewaarden met indirecte calorimetrie stelt ons in staat om de fysiologische impact van thermogenese en veranderd substraatgebruik rigoureus te meten, wat anders niet beschikbaar zou zijn in een nuchtere toestand.

Sterke punten en beperkingen
Dit protocol heeft bredere implicaties dan alleen het bestuderen van BBT. Door koolhydraat-ladende deelnemers voorafgaand aan de interventie, kan de oscillatie van de bloedglucosespiegels als reactie op zowel koolhydraatbelasting als de cafeïne-interventie, evenals veranderingen in het gebruik van het substraat, worden waargenomen. Daarom kan deze techniek worden gebruikt om indirecte calorimetriestudies en metabole metingen bij mensen te verbeteren. Het is nog niet bekend of de resultaten van deze studie kunnen worden gerepliceerd na andere interventies, zoals blootstelling aan koude of adrenerge stimulatie. De resultaten van deze studie zijn echter gerepliceerd na interventie met een ander voedingsingrediënt, namelijk Capsicum annuum²⁷. Extra striktheid en vertrouwen in de resultaten kunnen worden verkregen met behulp van een dubbelblinde benadering voor de analyse van interventies met behulp van de beschreven technieken, en dit kan gemakkelijk worden geïmplementeerd²⁷.

De mogelijke confound van gevarieerde kamertemperatuur is niet relevant in dit protocol, omdat de kamertemperatuur stabiel werd gehouden van deelnemer tot deelnemer. Bovendien werd rekening gehouden met de vochtigheid tijdens de kalibratie van de ademhalingsgasanalysator. Dit wordt afgeleid uit de installatie van dit apparaat, omdat de kalibratie wordt voltooid volgens de instructies van de fabrikant.

De tijdsintervallen voor de meting en behandeling werden bepaald na een kleine pilotstudie waarin probleemoplossing van het protocol werd uitgevoerd. In wezen werden de tijdsintervallen voor meting bepaald op basis van de tijd die de onderzoeker nodig had om de metingen uit te voeren en voor het comfort van de deelnemer. De tijd voor de interventie werd bepaald op basis van de tijd die nodig was voor het koolhydraatmetabolisme na de koolhydraatbelasting om te onderzoeken of de interventie de vrije vetzuuroxidatie (d.w.z. BAT-thermogenese) verhoogde en de koolhydraatoxidatie verlaagde.

Met name zijn er verschillen tussen capillaire en veneuze glucosespiegels³⁹. In de context van zorg buiten het ziekenhuis is de meest gebruikelijke manier waarop bloedglucosespiegels worden gemeten echter via een bloedmonster van capillaire oorsprong geanalyseerd door een handbediende, point-of-care glucometer⁴⁰. Bovendien is er bij gezonde personen (vergelijkbaar met die in dit protocol) in een niet-klinische setting een statistisch significant, maar niet klinisch significant verschil tussen capillaire en veneuze bloedglucosespiegels wanneer gemeten met behulp van een point-of-care, capillaire glucometer⁴¹. In deze context zou capillaire bemonstering de optimale aanpak blijven vanwege het feit dat de meeste point-of-care glucometers die op de markt verkrijgbaar zijn, zijn ontworpen om capillaire bloedmonsters te analyseren⁴¹. Vanuit een klinisch perspectief kan worden gesteld dat veneuze bloedglucose de superieure analysemethode is. Veneuze bloedafname is echter niet alleen duur en vereist gespecialiseerde apparatuur (ibid), maar het is ook invasief. De ethische overwegingen van het verhogen van het risico op bijwerkingen tijdens het protocol moeten worden afgewogen tegen de gerapporteerde literatuur die de hoge correlatie en betrouwbaarheid van capillaire bloedglucose als proxymaat voor veneuze bloedglucose^{aantoont 42}. De sleutel hier is natuurlijk dat we niet zijn begonnen met het diagnosticeren van diabetes, maar met het meten van veranderingen in de bloedsuikerspiegel, waarvoor capillaire bloedglucosemonitoring een meer dan geschikt protocol is.

Glucose kan thermogenese induceren en enkele maaltijden kunnen de BBT⁴³ activeren. Echter, en nogal belangrijk, de gegevens in dit manuscript tonen geen significant effect van glucosebelasting in de interventiegroep of de placebogroep. Bovendien zijn de gegevens in het manuscript afgeleid van de resultaten van Van Schaik et al., waaronder een derde interventie (Capsicum annuum), en de glucosebelasting had geen significant effect op de metingen²⁷.

Opgemerkt moet worden dat dit protocol alleen is gebruikt bij mannelijke deelnemers met een laag lichaamsvet en actieve BAT (om het aantal controleerbare variabelen te verminderen, werden vrouwen uitgesloten van het onderzoek). Er is een bekende omgekeerde correlatie tussen adipositas en BAT-massa bij mensen⁴⁴. Bovendien is bekend dat eerder zwaarlijvige mensen die zijn afgevallen door middel van dieet en lichaamsbeweging een lagere basale stofwisseling hebben en caloriearme diëten moeten consumeren om een normaal gewicht te behouden^45,46. Bovendien kan BBT-activiteit de BBT-groei stimuleren⁸. De hier beschreven methode zal langetermijnstudies mogelijk maken om veranderingen in BBT-activiteit geassocieerd met metabole ziekten te onderzoeken op een manier die niet wordt geboden door andere technieken.

Conclusie
Tot slot demonstreren we een meetbenadering om de activiteit van menselijk bruin vetweefsel te kwantificeren met behulp van IRT en indirecte calorimetrie na een koolhydraatbelasting. De kritieke stappen omvatten 1) het laden van koolhydraten van de deelnemers die zich in een nuchtere toestand bevinden voorafgaand aan het meten van de BBT-temperatuur, terwijl indirecte calorimetrie en bloedglucosespiegels worden gecombineerd om de kwantificering van de fysiologische omvang van BBT-thermogenese en veranderd substraatgebruik mogelijk te maken; 2) het beoordelen van relevante IRT-BBT-depots en -temperaturen vanaf een referentiepunt en kerntemperatuur om een eventuele toename van Tscf aan te tonen die indicatief zou zijn voor BBT-activering op basis van de anatomische locatie. Wij zijn van mening dat deze kwantitatieve metingen een nauwkeurigere evaluatie mogelijk maken van de bijdrage van BBT aan het energiemetabolisme en de thermoregulatie van volwassen mensen. Deze grondige aanpak moet door onderzoekers worden gebruikt om de fysiologie van BBT te bestuderen en te dienen als een nieuwe standaard voor het ontwikkelen van menselijke BBT-activeringsbenaderingen in de toekomst.