1 Institutul de Fiziologie Clinică, CNR, Via Moruzzi 1, 56124 Pisa, Italia

imagistica

2 Fondazione G. Monasterio, CNR-Regione Toscana, Via G. Moruzzi 1, 56124 Pisa, Italia

3 Institutul de Științe ale Vieții, Scuola Superiore Sant’Anna, Piazza Martiri della Libertà 33, 56127 Pisa, Italia

Abstract

1. Introducere

Țesutul adipos maro (BAT) este un regulator cheie în echilibrul energetic, protejând sugarii de hipotermie și contribuind major la termogeneza indusă de dietă [1]. La nou-născuți, BAT este localizată în principal în jurul gâtului și a regiunilor interscapulare. În trecut, se credea că BAT s-a pierdut după primii câțiva ani de viață și, prin urmare, a fost considerată lipsită de importanță la adulți. Recent, odată cu apariția imagisticii metabolice, sa stabilit că BAT persistă dincolo de perioada neonatală și este localizată în principal în regiunile supraclaviculare la adulți [2-4].

În prezent, principalele metode disponibile pentru evaluarea activității BAT sunt tomografia cu emisie de pozitroni (PET) și scanarea cu tomografie computerizată cu emisie de fotoni unici (SPECT). Pentru a detecta și prezența BAT, se poate utiliza biopsia tisulară [5-7]. 18 F-FDG-PET asociat tomografiei computerizate (PET-CT) este actualul standard de referință pentru detectarea BAT activate, dar această tehnică este costisitoare și necesită administrarea de radiofarmaceutice. Mai mult, poate produce un număr mare de rezultate fals pozitive, precum și rezultate fals negative. RMN cu schimbare chimică a fost recent propus ca o alternativă neinvazivă la FDG-PET pentru detectarea BAT, dar nu permite discriminarea între BAT activ și inactiv [8, 9].

Recent s-a demonstrat o legătură clară între obezitate și disfuncția BAT [10, 11]. Cu toate acestea, rolul BAT în metabolismul uman și echilibrul energetic nu a fost încă pe deplin înțeles. O alternativă practică și mai puțin costisitoare la PET-CT pentru a studia activarea BAT ar putea fi foarte utilă. Deoarece BAT este un organ termogen, studii recente au folosit imagistica termică [12] pentru detectarea activării BAT [2-4].

Modificări semnificative ale temperaturii în regiunile supraclaviculare (SCV) au fost raportate atât la copii, cât și la adulți ca răspuns la expunerea la frig sau la ingestia de masă. Mai mult, Symonds și colab. [13] a demonstrat o creștere foarte localizată a temperaturii în cadrul SCV după o provocare standard la rece (prin plasarea mâinii participantului în apă rece) la voluntari slabi sănătoși.

Recent, într-un studiu de șaptesprezece adulți, utilizând IRT, Jang și colab. [14] au constatat modificări semnificative ale temperaturii în regiunea SCV și în partea superioară a pieptului lateral după 2 ore de expunere la frig, aceste modificări au fost legate de scanarea activării BAT-PET-CT BAT.

La începutul anului 2016, van der Lans și colab. [15] a investigat relația dintre temperatura pielii supraclaviculare și valorile activității BAT folosind un protocol de răcire a aerului strict controlat de temperatură, constatând o corelație pozitivă semnificativă între modificările temperaturii pielii supraclaviculare cu activitatea BAT.

Alte studii au folosit tehnici noninvazive suplimentare pentru studiul BAT, inclusiv spectroscopia în infraroșu apropiat (NIRS) pentru a obține informații despre consumul de țesut de oxigen. Nirengi și colab. [16] au evaluat densitatea BAT la adulți care utilizează NIRS în regiunea SCV în timpul expunerii la 2 ore la rece, dar nu au găsit modificări în parametrii NIRS în timpul protocolului. Deci, au comparat parametrii NIRS cu absorbția medie standardizată de glucoză, evaluată prin 18 F-FDG-PET/CT. Au descoperit o relație semnificativă a parametrului PET în timpul expunerii la rece și a concentrației totale de hemoglobină determinată de NIRS în condiții termoneutrale. Mai mult, Muzik și colab. [17] utilizând atât 15O-PET cât și NIRS (pentru estimarea fluxului sanguin și, respectiv, a consumului de oxigen, în grăsimea brună umană activată la rece), s-a găsit o relație semnificativă între rata metabolică a absorbției de oxigen derivată din PET și NIRS la subiecții cu BAT activată.

Prin urmare, în general, termogeneza și eliminarea substratului BAT au fost investigate cu expunerea la frig, concluzionând că BAT este o potențială țintă terapeutică împotriva obezității și diabetului. Întrebarea, încă controversată, care va fi investigată în continuare este evaluarea contribuției BAT la consumul de energie și utilizarea substratului atunci când alimentele activate definesc „termogeneza indusă de dietă (DIT)” pentru a înțelege rolul BAT în condiții de termoneutralitate. Recent, Lee și colab. [18] au găsit dovezi care leagă activarea BAT umană de termogeneza indusă de glucoză (GIT). GIT (numit și efect termic al glucozei) este exprimat ca creșterea cheltuielilor energetice (măsurate prin intermediul calorimetriei indirecte) care are loc după ingerarea unei sarcini de glucoză și este bine stabilită în literatură [19, 20].

Scopul specific al acestui studiu pilot a fost de a determina dacă NIRS/IRT este capabil să identifice răspunsul termic și vascular în zonele SCV utilizând o sarcină orală de glucoză ca stimulare termogenă și să discearnă răspunsul diferit între subiecții slabi și supraponderali. Am efectuat un studiu pilot BAT pe două grupuri mici de femei adulte slabe și supraponderale care utilizează atât NIRS, cât și IRT. Imaginile prin ambele tehnici au fost achiziționate pe gât în ​​regiunea SCV în timpul unui test oral de toleranță la glucoză de 3 ore urmat de o stimulare la rece a mâinii stângi. Această lucrare face parte dintr-un proiect mai amplu care are scopul de a investiga rolul BAT prin metode de imagistică neinvazivă în metabolismul energetic în condiții termoneutre.

Din câte știm, acesta este primul studiu care folosește combinația NIRS cu IRT pentru imagistica BAT la omul adult.

2. Materiale și metode

2.1. Termografie cu infraroșu


2.2. NIRS

Tehnica NIRS se bazează pe două caracteristici fundamentale [23, 24]: transparența relativă a țesutului uman la lumină în regiunea infraroșie apropiată (700-1000 nm) și absorbția dependentă de oxigenare a oxigenhemobobinei și oximiooglobinei (HbO2, MbO2) și a dezoxihemoglobinei și deoximioglobina (Hb, Mb). Semnalul NIRS din piele este derivat în principal din hemoglobina conținută în sângele care curge în vasele mici (arteriole, capilare și venule) prezente în zona eșantionată. Măsurile de oxigen și deoxihemoglobină permit calcularea saturației globale de oxigen a hemoglobinei (StO2) conținută în microvasele încorporate în țesutul explorat.

2.3. Subiecte

Au fost studiate zece subiecți asortați vârstei și sexului: cinci femei sănătoase cu indice de masă corporală scăzut (vârsta 35,2 ± 9,8, IMC = 19,6 ± 2,3 kg/m 2) și cinci femei sănătoase supraponderale (vârsta 38,9 ± 10,3, IMC = 27,5 ± 1,8 kg/m 2). Studiul a fost autorizat de Comitetul Etic local. Fiecare subiect a dat consimțământul scris în scris.

2.4. Protocol experimental

Toți subiecții au fost selectați din Unitatea Metabolică a Fondazione G. Monasterio CNR-Regione Toscana, Pisa, Italia. În primul rând, s-au măsurat înălțimea și greutatea și apoi s-a calculat IMC. Mai mult, au fost colectate imagini NIRS și termografice de bază (după o perioadă de aclimatizare de 15 minute).

Pentru fiecare subiect a fost efectuat un test oral de toleranță la glucoză oral (OGTT) de 3 ore, cu ingestia a 75 g de glucoză orală [18]. Imaginile NIRS și IRT au fost realizate în fiecare oră timp de 180 de minute. La sfârșitul OGTT, s-a efectuat o stimulare la rece prin scufundarea mâinii stângi a subiectului în apă cu gheață (5 până la 9 ° C) timp de un minut [2, 28, 29]. În cele din urmă, imaginile NIRS și IRT au fost achiziționate imediat după stimulul rece. Fiecare set de imagini NIRS și IRT a fost achiziționat cu subiectul în aceeași poziție pentru a compara aria de interes StO2 și valorile temperaturii, respectiv.

Temperatura ambiantă a fost controlată și a rămas constantă (20 ° C) pentru toate măsurătorile.

Toate măsurătorile au fost efectuate primăvara.

2.5. Procesarea imaginii

Atât imaginile NIRS achiziționate, cât și imaginile termografice sunt procesate utilizând un script IDL special conceput. Valorile saturației oxigenului (%) și temperaturii (° C) sunt extrase dintr-o regiune de interes pătrată (10 × 10 mm) în fosa stângă SCV, cunoscută în literatură ca locație BAT la adulți [2] –4, 13, 30]. ROI a fost ales pornind de la markerul aplicat pe subiect în zona de interes. StO2 sau temperatura a fost calculată ca medie a valorii pixelilor incluși în rentabilitatea investiției aleasă.

Pentru fiecare etapă a protocolului experimental (bazală, 60

, 120 și 180 după administrarea de glucoză, imediat după stimularea la rece) au fost achiziționate trei imagini NIRS/IRT consecutive. La fiecare punct de timp din protocolul de măsurare, media a trei imagini consecutive a fost raportată ca valoare a saturației de oxigen sau a temperaturii.

2.6. Analize statistice

Diferențele intragrup de StO2 și temperatură în timp au fost evaluate de Student t-test pentru probe pereche (variabilele au fost testate pentru normalitate folosind testul de normalitate Shapiro-Wilk), în timp ce diferențele de parametri între cele două grupuri au fost evaluate de ANOVA.

valoare
(A)
(b)

), diamantele indică diferențele semnificative ale măsurării intragrupului după stimulul de gheață față de 180 de minute (), iar stelele indică diferențe semnificative între cele două grupuri pentru măsurătorile corespunzătoare la același pas de timp (). • pentru diferența intragrup față de timpul 0;

pentru diferența dintre grupurile slabe și supraponderale; și ♦ pentru diferența intragrup față de timpul 180.

La ambele grupuri, s-a observat o creștere progresivă a temperaturii pielii în timpul OGTT. În raport cu valoarea inițială, răspunsul termografic pozitiv la încărcarea cu glucoză a fost semnificativ în regiunea SCV în ambele grupuri (Figura 2 (a)). În ceea ce privește valoarea la 180 de minute după ingestia de glucoză, temperatura SCV după stimulul de gheață este mai mare pentru ambele grupuri ().

Atât în ​​timpul OGTT, cât și după stimularea la rece, temperatura pielii a fost persistent mai mare la slabă comparativ cu obezitatea (Figura 2 (a)).

Nu s-au observat modificări atât în ​​timpul sarcinii de glucoză, cât și după stimularea la rece în fosa SCV prin imagistica NIRS și nu au fost evidente diferențe între cele două grupuri.

4. Discuții și concluzii

În acest studiu, am proiectat o tehnică de imagistică multimodală neinvazivă (NIRS și IRT) pentru a identifica și monitoriza termogeneza legată de BAT umane la adulți cu IMC diferit. Niciun studiu anterior nu a examinat imagistica combinată NIRS/IRT ca instrument pentru determinarea cheltuielilor de energie ale BAT la adulți. Imagistica NIRS/IRT are mai multe avantaje, în primul rând absența expunerii la radiații, în timp ce utilizarea PET-CT este limitată. Procedura este convenabilă pentru studii de investigație la subiecți normali.

Am detectat aici, atât la subiecții slabi, cât și la cei supraponderali, o creștere constantă și foarte localizată a temperaturii locale în regiunea supraclaviculară indusă de o ingestie de glucoză urmată de un stimul rece în condiții termoneutrale (20 ° C). Rezultatele noastre confirmă rezultatele găsite de Lee și colab. [18] în aceleași condiții experimentale care oferă dovezi care leagă activarea BAT umană de răspunsul la termogeneză indus de glucoză în timpul provocării glucozei. De asemenea, am constatat o diferență semnificativă a temperaturii SCV la subiecții slabi și supraponderali cu valori mai mari la slab versus obezi în timpul OGTT. Cu toate acestea, valorile temperaturii SCV ale celor două grupuri sunt anterior diferite în starea inițială.

În scopul nostru, am considerat valoarea temperaturii supraclaviculare la 180 de minute după încărcarea cu glucoză ca valoare inițială pentru evaluarea creșterii temperaturii din cauza stimulului rece, deoarece toți subiecții se află în aceeași stare în acest moment. Interesant, după stimularea la rece, cele două grupuri au un răspuns diferit ().

Gatidis și colab. [31] a constatat o temperatură locală a pielii semnificativ mai mare a regiunii supraclaviculare la indivizii cu BAT activă în raport cu temperatura la indivizii fără BAT activă. Ei au emis ipoteza că probabil temperatura relativ crescută a pielii supraclaviculare la indivizii slabi a fost cauzată de vasele de sânge mari situate în această zonă anatomică care transmite energie termică de la miezul corpului la extremități, ceea ce ar putea duce la o detectare îmbunătățită a slăbii comparativ cu indivizii obezi. . Cu toate acestea, în studiul nostru, răspunsul termic nu a fost cuplat cu o modificare a saturației cu oxigen a țesutului subcutanat din aceeași zonă. De fapt, nu s-au observat diferențe semnificative în StO2 în timpul OGTT și al stimulării la rece în regiunea SCV atât a subiecților slabi, cât și a celor supraponderali.

În Lee și colab. [30], autorii au folosit IRT pentru a măsura temperatura care acoperă fosa SCV după răspunsul la expunerea la frig și provocarea mesei. Au indicat ca o limită majoră a studiului lor incertitudinea dacă modificările temperaturii pielii care stau la baza foselor SCV apar dintr-o creștere a fluxului sanguin sau dintr-un răspuns termogen în BAT. Descoperirile noastre oferă un răspuns la această incertitudine, deoarece imaginile NIRS nu au dezvăluit nicio modificare a oxigenării țesuturilor. Cu toate acestea, acest lucru s-ar putea datora limitării imaginii NIRS în studierea BAT superficială, în special a fosei SCV, dar nu există diferențe în răspunsul la saturația oxigenului la stimulare, chiar și la subiecții slabi unde se preconizează că adâncimea grăsimii subcutanate va fi mică. Mai mult, semnalul NIRS ar putea fi contaminat de contribuțiile altor țesuturi, în special având în vedere natura foarte eterogenă a BAT.

În concluzie, NIRS/IRT poate fi o metodă nouă, neinvazivă, fără radiații, ușor de utilizat și cu costuri reduse pentru monitorizarea, în timpul practicii clinice standard, a dietei și a intervenției farmacologice care are ca scop stimularea BAT ca potențială țintă terapeutică împotriva obezității și diabetului [32]. Studii suplimentare trebuie să coreleze direct modificările temperaturii suprafeței pielii cu măsurători directe ale activității BAT și/sau fluxului sanguin cutanat și să verifice dacă NIRS/IRT pot furniza informații funcționale suplimentare în timp real cu privire la informațiile obținute din imaginile statice PET/CT. Mai mult, o serie de provocări tehnice rămân de depășit în utilizarea NIRS/IRT pentru a cuantifica funcția BAT, de exemplu, impactul potențial al adâncimii pielii asupra regiunii supraclaviculare asupra temperaturii suprafeței pielii [33]. De exemplu, grosimea locală a țesutului adipos subcutanat din regiunea supraclaviculară ar putea fi măsurată prin CT medie [31].

Conflicte de interes

Autorii declară că nu există niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

Referințe