Multimodality imaging of brown adipose tissue

Abstract

There are two types of adipose tissue in the human body. White adipose tissue (WAT) stores energy, while brown adipose tissue (BAT) consumes it. BAT can be activated by exposure to cold to generate heat. Human adults seem to have recruitable ‘beige’ or ‘brite’ fat, which is derived from WAT. The cells can take on the appearance and function of BAT upon prolonged stimulation by cold, but the process can also be reversed. Thus adult human BAT contains a mixture of brown and white adipocytes at different stages, the triglyceride content being a continuous spectrum.

Human BAT is highly insulin-sensitive. Decreases in BAT mass and activity may have a role in the development of obesity and diabetes in adulthood. The prevalence of these conditions is growing worldwide, leading to a global health issue and socioeconomic problem. This poses a great need for rapid and affordable means of studying fat tissue.

The in vivo localization and activation state of BAT has been assessed by 18F-fluorodeoxyglucose positron emission tomography (18FDG-PET/CT), which involves the intravenous injection of radioactive tracer, as well as exposure to radiation by computed tomography. Due to the differences in the tissue structure, water and iron content, magnetic resonance imaging (MRI) can reliably measure BAT volume and water content regardless of the activation state. As a method it is noninvasive, safe and more readily available than 18FDG-PET.

The aim was to develop and test MRI methods for detecting, quantifying and examining BAT. The methods include in-phase and out-of-phase (in/opp) imaging, signal-fat-fraction (SFF) analysis based on the Dixon method, T2* relaxation time mapping and single-voxel proton magnetic resonance spectroscopy (1H MRS). Our results suggest that MRI methods can identify BAT and quantify fat deposit triglyceride content independent of cold-induced BAT activation and without radiation burden. It was also shown that the triglyceride content in supraclavicular fat deposits measured by 1H-MRS may be an independent marker of whole-body insulin sensitivity.

Ruskean rasvakudoksen kuvantaminen eri kuvantamismenetelmillä

Ihmiskehossa on kahdenlaista rasvakudosta. Valkoinen rasva (WAT) varastoi energiaa, ruskea rasva (BAT) kuluttaa sitä. Kylmäaltistus voi aktivoida ruskean rasvan tuottamaan lämpöä. Aikuisilla on hankinnaista "beige" tai "brite" rasvaa, joka on muuntunutta valkoista rasvaa. Pitkittyneessä kylmäaltistuksessa WAT-solut voivat ulkonäöltään ja toiminnaltaan muuntua BAT-solujen kaltaisiksi, mutta tapahtumasarja voi kulkea myös toiseen suuntaan. Aikuisella ihmisellä BAT on siis sekoitus eri asteisesti kypsyneitä ruskeita ja valkoisia rasvasoluja, joiden triglyseridipitoisuus muuttuu liukuvasti.

Ihmisellä BAT on vahvasti insuliiniherkkää. BAT:n määrän ja aktiivisuuden vähentymisellä voi olla merkitystä lihavuudessa ja aikuisiän diabeteksessa. Näiden esiintyminen on globaalisti kasvussa, mikä johtaa maailmanlaajuisiin terveysongelmiin ja sosioekonomisiin ongelmiin. On siis tarvetta nopeille ja edullisille tavoille tutkia rasvakudosta.

BAT:n sijaintia ja aktivoitumista on tutkittu 18F-fluorodeoksiglukoosipositroniemissio-tomografialla (18FDG-PET/CT), jossa aiheutuu sädealtistus suonensisäisestä radioaktiivisesta merkkiaineesta ja tietokonetomografiakuvauksesta. Kudoksen rakenne-eroista sekä vesi- ja rautapitoisuudesta johtuen magneettiresonanssikuvantaminen (MRI) mittaa luotettavasti BAT:n tilavuutta ja vesipitoisuutta. Menetelmänä se on kajoamaton, turvallinen ja helpommin saatavissa kuin PET.

Tavoitteena oli kehittää ja testata MRI-menetelmiä ruskean rasvan toteamiseen, mittaamiseen ja arviointiin. Menetelminä olivat in-phase/out-of-phase (in/opp) -kuvantaminen, dixon-menetelmään perustuva signaalirasvasuhdekuvantaminen (SFF), T2*-relaksaatioaikakartoitus sekä yksittäisen vokselin protonimagneettispektroskopia (1H MRS). Tuloksiemme mukaan MRI-menetelmät pystyvät arvioimaan rasvan triglyseridipitoisuutta kylmäaktivaatiosta riippumatta ja ilman säderasitusta. Osoitimme myös, että solisluun alapuolisen BAT-kertymän triglyseridipitoisuus voi olla kehon insuliiniherkkyyden itsenäinen merkkitekijä.