Avec le logiciel gratuit, open-source, nous avons développé une approche analytique afin de quantifier le volume total et régionales tissu adipeux brun (TAB) et l’activité métabolique de BAT à l’aide de 18F-FDG TEP/CT.
Chez les animaux endothermes, tissu adipeux brun (TAB) est activé pour produire de la chaleur pour avoir défendu la température du corps en réponse au froid. Capacité de chauve-souris à dépenser de l’énergie a fait une cible potentielle pour des traitements novateurs améliorer l’obésité et troubles métaboliques associés chez les humains. Bien que ce tissu a été bien étudié chez de petits animaux, capacité thermogène de chauve-souris chez l’homme reste largement inconnue en raison des difficultés de mesurer son volume, l’activité et distribution. Identifier et quantifier les actif homme chauve-souris sont fréquemment exécutée à l’aide de la tomographie par émission de 18F-fluorodésoxyglucose (18F-FDG) et la tomodensitométrie (TEP/CT) analyse après l’activation de froid-exposition ou pharmacologique. Nous décrivons ici une approche d’analyse d’images détaillées afin de quantifier l’homme chauve-souris de 18F-FDG TEP/CT balaye en utilisant un logiciel open-source complète du corps. Nous démontrons le dessin des régions définies par l’utilisateur d’intérêt pour identifier le tissu adipeux métaboliquement actif tout en évitant les tissus non-BAT communs, mesure BAT volume et activité et afin de caractériser davantage sa répartition anatomique. Bien que cette approche rigoureuse est fastidieux, nous pensons qu’il fournira en fin de compte une fondation pour développer de futurs algorithmes de quantification BAT automatisés.
L’augmentation de la prévalence de l’obésité dans le monde1 a conduit une enquête sur les nouvelles thérapeutiques pour prévenir et atténuer l’obésité et ses complications associées. L’obésité est due en partie à l’excès d’énergie stockée dans le tissu adipeux blanc (WAT) sous forme de triglycérides2. Tissu adipeux brun (TAB) diffère de WAT, notamment en raison de sa teneur plus élevée en mitochondries, gouttelettes lipidiques plus petits et multiloculaires, distribution anatomique distincte, plus grande innervation sympathique et capacité de production de chaleur. Bien que BAT a jadis été considérée n’existent que dans les petits mammifères et chez le nouveau-né, la présence de BAT fonctionnelle a été confirmée chez l’homme adulte en 20093,4,5. La capacité thermogène de l’homme chauve-souris n’est pas encore connue, mais une vaste étude chez de petits animaux a montré que la thermogenèse non-frissons peut constituer jusqu’à 60 % de leur métabolisme au cours de l’exposition froid6. En conséquence, homme chauve-souris est maintenant examiné comme une cible pour le traitement et la prévention de l’obésité et des troubles connexes7. Plusieurs études cliniques ont montré que la thermogenèse correspond au glucose accru l’absorption et la dépense énergétique lors de l’activation par exposition au froid doux8,9,10. Pourtant, la contribution de chauve-souris à la thermogenèse induite par le froid reste controversé11,12,13,14, avec beaucoup de discussion centrée sur la façon de quantifier l’homme chauve-souris15. Pour mieux comprendre si la thermogenèse peut être exploitée pour lutter contre l’obésité, il est essentiel de disposer d’une mesure précise de son volume et l’activité métabolique.
Obtenir des mesures précises de chauve-souris est difficile en raison de la distribution d’anatomique unique de chauve-souris chez l’homme. BAT est distribué dans les dépôts adipeux blancs dans le cou, thorax et abdomen chez les sites qui sont inaccessibles aux simples biopsies14. Autopsies ont été utilisées pour caractériser les chauve-souris anatomiquement16, mais ils sont infaisable pour la plupart fait de grandes études de laboratoires de recherche et ne peut pas fournir d’informations longitudinales ou fonctionnelles. Comme BAT a une densité similaire à WAT et peut survenir dans les couches fasciales étroites ou petites poches entrecoupées de WAT16, il est difficile d’identifier à l’aide d’une technique d’imagerie unique, conventionnelle. Cette hétérogénéité rend également plus difficile que la quantification des structures homogènes tels que le foie17quantification automatique des chauve-souris.
Pour surmonter ces défis, l’activité et le volume de la chauve-souris sont communément quantifiés en couplant la tomodensitométrie (TDM) et la tomographie par émission de positrons (PET). Le glucose radioactif analogique 18F-Fluourodeoxyglucose (18F-FDG) est le plus largement utilisé traceur pour étudier BAT activité métabolique18. Le tissu adipeux peut être différencié des autres tissus et air d’après les informations de densité de l’image de CT en unités Hounsfield (HU). Pour animaux de compagnie images montrent la quantité de 18F-FDG absorbé dans un volume de tissu en unités de valeurs normalisées de l’absorption (SUV). MTD active peut être séparé du tissu avec l’absorption de traceur non significatifs, y compris WAT et BAT inactif, en enregistrant des images PET avec correspondant de tomographie par ordinateur et en choisissant un seuil approprié de SUV.
Par le biais de cet article, nous visons à fournir une approche étape par étape avec une vidéo d’instruction qui peut être utilisée par les chercheurs de la cliniques pour quantifier l’homme chauve-souris en utilisant 18F-FDG TEP/CT scans. Cette technique d’analyse image sert idéalement après que sujet (s) ont été exposés au froid ou traités avec des stimulants pharmacologiques de chauve-souris. Plus précisément, nous démontrons aux utilisateurs sur la façon de construire des régions d’intérêt (ROIs) tout en minimisant les faux positifs en utilisant un logiciel de traitement d’image gratuit, open-source (ImageJ) avec un plug-in spécifique (petctviewer.org). Le résultat de cette approche permet d’étudier les BAT volume, l’activité (absorption de glucose) et distribution anatomique chez les sujets de l’étude individuelle.
Confirmation de chauve-souris fonctionnelle chez l’homme adulte, depuis beaucoup d’intérêt dans la compréhension du rôle de chauve-souris dans la physiologie humaine. Cependant, parce que ce tissu thermogène est souvent trouvé en étroite avions fasciales, intercalés dans la graisse blanche et autour des autres organes, il est difficile de quantifier. En 2016, un consensus a été publié par un groupe d’experts International BAT avec recommandations pour avoir signalé des caractéristiques pertinentes de participants, les critères pour la préparation de l’objet et un protocole d’acquisition d’images TEP/CT21. Le Comité a également identifié la nécessité d’une plus grande cohérence dans le traitement de la TEP/CT pour la quantification des chauve-souris, notant que méthodes pour identifier les chauves-souris varient considérablement et, dans la plupart des cas, seulement peu détaillés de la procédure de quantification de chauve-souris est fourni. Par conséquent, alors que les rapports au sein de l’étude de reproductibilité sont élevés22,23,24, volume BAT sensiblement différentes et l’activité a été rapporté par groupes à l’aide de méthodes de quantification différents, même lorsque les participants sont du même âge, le sexe et IMC25,26. Ces incohérences compliquent la comparaison des résultats et ont donné lieu à une controverse sur la quantité de chauve-souris dans les humains adultes15.
Une limitation inhérente de traitement d’image TEP/CT est l’inclusion de voxels qui répondent aux critères de la TEP et CT mais qui sont dans des endroits anatomiques qui correspondent aux structures autres que les chauve-souris. Co-registration parfaite d’images TEP et CT est presque impossible en raison des différences dans la proposition de résolution et le sujet lors des analyses. En conséquence, structures qui bordent l’air ou des os et des régions d’absorption élevée de traceur sont souvent incorrectement identifiés comme actif BAT. Pour limiter l’inclusion des voxels positifs faux, on doit appliquer des critères TEP et CT uniquement dans la ROIs qui construisent des utilisateurs. Mais les approches actuelles de quantifier BAT avec ROIs spécifié par l’utilisateur ou des analyses automatiques diffèrent d’un montant de la participation des usagers et les connaissances que dont ils ont besoin. Nous avons montré qu’à l’aide d’un seul, deux dimensions définies par l’utilisateur coronale que roi appliqué à l’ensemble de la pile d’images peut-être être plus enclin à y compris zones positif faux19. Plusieurs groupes ont développé des méthodes automatisées afin de quantifier les chauve-souris qui sont capables de traiter rapidement de grands ensembles de données sans beaucoup d’entrée de l’utilisateur. Cependant, ces méthodes ne soit pas inclure toutes les régions contenant du BAT potentielles, particulièrement dans le bas de corps27, ou engage un taux relativement élevé de faux positifs28 et des faux négatifs26. Puisque le volume de l’homme chauve-souris est généralement faible (< 600 mL, ou < 2 % du total de la masse corporelle), petites erreurs absolues dans la quantification peuvent conduire à grandes différences relatives.
L’approche plus rigoureuse décrite par cette étude du dessin des ROIs sur chaque tranche de TEP-TDM axiale permet la détection de chauve-souris en couches fasciales étroits tout en offrant plus de confiance que les faux positifs ont été exclus. Cela donne une quantification détaillée dans chaque individial, plutôt qu’une évaluation binaire de présence ou d’absence de29de chauve-souris. Par conséquent, il serait plus approprié pour les expériences contrôlées dans les échantillons de petite taille qui ont l’intention d’étudier la physiologie BAT et/ou des effets des interventions. En outre, la possibilité de définir des dépôts BAT propres à chaque région peut fournir plus de perspicacité dans la pertinence fonctionnelle et l’origine du développement de la chauve-souris. Nous pensons que ces mesures quantitatives sont importants non seulement pour la comparaison à travers le champ, mais aussi à la contribution de la meilleure estimation chauve-souris au métabolisme énergétique et la thermorégulation chez l’homme adulte.
Plusieurs caractéristiques anatomiques de chauve-souris aidera les utilisateurs de notre inscription de limite de méthode de voxels positif faux. BAT se trouve généralement dans des couches de fascias continus et symétriques. Ainsi, en dessinant et un retour sur investissement de raffinage, examinant les tranches axiales supérieures et inférieures pour la continuité et la symétrie du tissu adipeux sélectionné peut aider les utilisateurs maximiser l’inclusion du tissu adipeux tout en minimisant l’inclusion du muscle squelettique, OS et autres structures non-BAT évidentes. MTD active est également rarement présent dans les dépôts adipeux sous-cutané, pourquoi nous conseillons aux utilisateurs d’éviter ces zones lors de la construction des ROIs. Tel que mentionné dans le protocole, BAT est distribué dans plusieurs régions anatomiques distinctes, y compris le col de l’utérus, tronculaire, sus-claviculaires, axillaires, le médiastin, paravertébraux et dépôts abdominales. Ces dépôts sont distribués tels qu’un axial trancher mai contenance maximale BAT de plusieurs dépôts. Par exemple, une tranche axiale dans la région thoracique peut contenir BAT du depot du médiastin (proximal et antérieur), paravertébraux depot (proximal et postérieur, le long de la colonne vertébrale) et dépôt axillaire (près de la ligne de milieu-antéro-postérieure et latérale). Connaissance de ces dépôts peut aider les utilisateurs à créer des ROIs dans les différentes régions du corps, car ils se retrouvent dans endroits préalablement décrits sont en grande partie contiguës, comme décrit dans notre protocole. Cependant, parce que nous encourageons les utilisateurs à ne tirer qu’un seul ROI par tranche pour éviter les chevauchements ROI, les étapes supplémentaires de générer un masque de chauve-souris et dessin des ROIs sagittales est nécessaire pour séparer les voxels BAT précédemment identifiés dans les dépôts régionaux distincts, si informations de distribution BAT sont souhaitées, c’est-à-dire séparant du médiastin, paravertébraux et axillaires BAT détecté dans le même ROI axial en dépôts basé sur emplacement sagittale (Figure 3).
Le logiciel de visualisation de TEP/CT permet également de quantifier l’activité des tissus autres que les chauve-souris, frissons par exemple le muscle squelettique, qui joue aussi importante un rhume rôle induite par thermogenèse19, ou les différentes zones du cerveau ou de foie qui ont été suggère que les tissus de référence pour l’analyse de TEP/CT21. Cependant, ces tissus auront des densités et des distributions anatomiques qui diffèrent de la chauve-souris et ne relèvent pas de la mise au point de notre protocole actuel. Nous dirigeons des lecteurs pour le document de consensus pour plus de détails sur ces sujets21. Enfin, nous conseillons à tous les utilisateurs de continuellement mettre à jour ImageJ et visitez petctviewer.org pour les mises à jour de plug-in et l’aide de logiciels.
Bien que nous croyons que cette méthode rigoureuse est plus précise que les méthodes automatisées26,28 et les méthodes qui utilisent un ROI simplifié, seul pour estimer le volume total de BAT9,30, il n’est pas sans limites. Il n’y a aucune méthode idéale pour quantifier non invasive BAT chez l’homme, et 18F-FDG représente seulement captation du glucose, qui n’est pas le même que le métabolisme de glucose11. Toutefois, même si les autres traceurs radioactifs ont été utilisés31,32,33, 18F-FDG est le plus important traceur utilisé pour étudier l’homme chauve-souris. Ainsi, développer des méthodes normalisées pour analyser les images de 18F-FDG TEP/CT continuera d’être percutants dans l’étude de la physiologie humaine BAT dans un avenir prévisible.
La méthode que nous proposons, créant un retour sur investissement sur chaque tranche d’axial BAT contenant tout en évitant les problématiques communes, est beaucoup de travail et l’utilisateur doit avoir une certaine connaissance de l’anatomie sous-jacente. Il est également possible que la sélection drastique du ROI peut-être introduire des faux négatifs, étant donné que certains dépôts contenant BAT peuvent être évités. Dessin des ROIs sur chaque tranche axiale de l’image fusionnée de TEP/CT permet attention discrimination entre le tissu adipeux et tissus métaboliquement actives voisins et/ou régions touchées par le déversement sur et effets de volume partiel34. Cependant, le temps que nécessaire pour effectuer l’analyse d’un seul balayage peut varier de trois à huit heures, avec la possibilité de raccourcir les délais avec la pratique et l’expérience. Approches diverses machine d’apprentissage peuvent être en mesure de réduire le travail et les compétences requises pour accomplir cette tâche. Cependant, créant ainsi une méthode plus automatisée qui peut détecter avec précision les chauve-souris et est très robuste aux faux positifs émanant des limitations d’imagerie actuelles nécessitera un dataset grand avec des individus de composition corporelle variées et de la distribution de la chauve-souris. Nous espérons que cette méthode peut être utilisée pour produire un atlas détaillé de BAT qui peut servir de modèle pour des approches plus sophistiquées de données volumineuses.
En conclusion, nous avons démontré une approche d’analyse image étape par étape afin de quantifier le volume du tissu adipeux brun humain, l’activité et distribution à l’aide d’analyses de FDG TEP/CT induite par le froid. Les étapes critiques incluent 1) continuellement et de façon séquentielle analysant les ROIs axiales et 2) évaluer les dépôts BAT par leur localisation anatomique tout en évitant les autres tissus métaboliquement actives. Cette approche de quantification rigoureuse permet d’étudier la physiologie BAT et servent de référence standard pour le développement automatisés approches humaines de quantification BAT à l’avenir par des chercheurs dans le domaine.
The authors have nothing to disclose.
Nous tenons à remercier tous les volontaires de l’étude, infirmiers et personnel médical et les diététistes de la NIH Clinical Center pour leur participation à nos études d’exposition au froid et les soins dispensés au cours de l’hospitalisation reste. Nous tenons également à remercier le Dr Bill Dieckmann pour toute son aide à l’acquisition et la distribution des images TEP-CT pour nos études. Ce travail a été soutenu par Intramural programme de recherche de l’Institut National du diabète et digestif et reins maladies subventions Z01 DK071014 (pour K.Y.C.) DK075116-02 (à a.m.C.).
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