Characterisation of Functional Brown Adipose Tissue In Adult Humans

Abstract

The white adipose tissue mainly serves the purpose of energy storage, while brown adipose tissue (BAT) has the capacity to generate heat under cold conditions in mammals and in human infants. BAT is controlled by the central nervous system, and BAT function is accompanied by increased energy expenditure. However, it was not previously certain whether adult humans also have functional BAT.

The aim of this doctoral work was to identify functional BAT in adult humans and to characterise its glucose uptake and blood flow under cold and insulin stimulation conditions in lean and in obese humans, by using positron emission tomography. Further, the impact of weight loss on BAT glucose uptake was assessed. Cerebral glucose uptake was also studied in relation to BAT function and cold exposure.

The results showed that healthy adult humans have functional BAT, as assessed by the intense cold-induced glucose uptake and by biopsies. BAT was also found to be a highly insulinsensitive tissue in lean humans, but the effects of insulin and cold exposure were attenuated in obese humans, although the glucose uptake capacity of cold-activated BAT might be increased by weight loss. Blood flow in the BAT of lean humans was associated with whole-body energy expenditure. The presence of cold-activated BAT was related to lower body mass index and higher insulin sensitivity. Finally, BAT activation was linked to the activity of the cerebellum, the thalamus and certain neocortical regions. The cold-induced cerebral glucose uptake was also lower in obese than in lean adult humans.

Aikuisten ihmisten toiminnallisen ruskean rasvakudoksen karakterisointi

Nisäkkäiden ja vastasyntyneiden ihmisten valkoiset rasvasolut toimivat ensisijaisesti energiavarastona toisin kuin ruskeat rasvasolut, joilla on kyky tuottaa lämpöä ja kuluttaa siten samalla energiaa elimistön kohdatessa kylmän ympäristön. Ruskean rasvakudoksen toimintaa säätelee keskushermosto. Aiemmin ei kuitenkaan ollut varmaa, onko aikuisilla ihmisillä toiminnallista ruskeaa rasvakudosta.

Väitöskirjan tavoitteena oli osoittaa, että aikuisilla ihmisillä on toiminnallista ruskeaa rasvaa ja lisäksi karakterisoida kylmäaltistuksen ja insuliinin vaikutuksia ruskean rasvakudoksen glukoosin käyttöön ja verenvirtaukseen hyödyntämällä positroniemissiotomografiaa. Lisäksi tutkittiin lihavuuden vaikutusta ruskean rasvakudoksen aineenvaihduntaan ja sitä, muuttaako laihduttaminen ruskean rasvan glukoosin käyttöä. Myös aivojen glukoosin käyttöä mitattiin suhteessa ruskean rasvakudoksen toimintaan ja kylmäaltistukseen.

Tulokset osoittivat, että terveillä aikuisilla ihmisillä on toiminnallista ruskeaa rasvaa, sillä tutkitun rasvakudoksen glukoosin käyttö lisääntyi voimakkaasti kylmäaltistuksen aikana, ja kyseiseltä alueelta otetuissa kudosnäytteissä oli ruskeaa rasvakudosta. Normaalipainoisten aikuisten ruskea rasva osoittautui myös erittäin insuliiniherkäksi kudokseksi. Lihavien ihmisten ruskea rasvakudos ei ollut yhtä herkkä kylmäaltistuksen ja insuliinin vaikutuksille, mutta laihduttaminen saattaa lisätä kylmäaltistukseen liittyvää glukoosin kulutusta ruskeassa rasvassa. Ruskean rasvakudoksen verenvirtauksen todettiin myös olevan yhteydessä suurentuneeseen kokokehon energiankulutukseen. Lisäksi koehenkilöillä, joilla oli aktiivista ruskeaa rasvaa, oli myös alempi painoindeksi ja suurempi kokokehon insuliiniherkkyys kuin niillä, joilla aktiivista ruskeaa rasvaa ei todettu. Ruskean rasvakudoksen aktivaation todettiin liittyvän pikkuaivojen, talamuksen ja isoaivojen kuorikerroksen tiettyjen osien toimintaan. Lisäksi havaittiin, että kylmäaltistuksen aikana lihavilla ihmisillä aivojen glukoosin käyttö oli alentunut verrattuna normaalipainoisiin henkilöihin.