冬季水泳を行う健康な若年男性における褐色脂肪の体温調節機能の変化と寒さによる熱産生の亢進

強調オフ

温熱療法・寒冷曝露・サウナ・発熱

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Altered brown fat thermoregulation and enhanced cold-induced thermogenesis in young, healthy, winter-swimming men

オンラインで2021年10月11日公開

www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC8561167/

概要

スカンジナビアの冬の水泳文化は、短時間の冷水への浸漬と高温のサウナセッションを組み合わせたもので、体温への影響が考えられる。我々は、週に2~3回の冬季水泳を行っている経験豊富な男性を対象に、熱産生褐色脂肪組織(BAT)を研究した。その結果、冬期水泳をする男性は、対照群に比べて体温が低く、BATの活動が見られないことから、熱的快適性が低いことが示唆された。寒さに対する反応では、寒さによる熱発生と鎖骨上皮膚温度の上昇が冬季水泳参加者に見られ、BATのグルコース摂取量と筋活動は対照者と同様に増加した。すべての被験者で鎖骨上皮膚温の夜間低下が見られたが、冬季水泳選手では午前4時30分から5時30分に明確なピークが見られた。これらのデータは、成人ヒトの体温調節におけるBATについての理解を深めるとともに、冬季水泳選手における暑さと寒さの両方への順応を示唆しており、冬季水泳がエネルギー消費を増加させる可能性のある戦略であることを提案している。

キーワード:ヒト褐色脂肪、寒冷順化、暑熱順化、エネルギー消費、冷水浸漬、サウナ、脂肪組織、熱的快適性、コア温度、ヒト概日リズム
図解入り要旨

はじめに

BATは、遊離脂肪酸を用いてミトコンドリアのアンカップリングにより熱を産生する熱産生組織であり、熱産生が活発な寒冷環境下では高いエネルギー消費量を示す。また、マウスでは、BATの熱産生遺伝子の発現は、寒冷刺激とは無関係に日周リズムで制御されている3。ヒトでは、BATは、グルコースや脂肪酸の取り込みにおいて日周リズムを示す4,5が、BATや鎖骨上皮膚温の日周リズムの制御については、現在までに記録がない。BATは、交感神経の活性化とノルエピネフリンによるアドレナリンシグナルによって誘導されるが、ヒトの場合、マウスのようにβ3アドレナリン受容体ではなく、β2アドレナリン受容体を介して誘導されることが明らかになっている6。しかし,BATの活動は,循環脂肪酸とグルコースの同時取り込みとも関連しており,グルコーストレーサーである2-デオキシ-2-[18F]フルオロ-D-グルコース(FDG)を注入したPET/CTスキャンでは,グルコースの取り込みによってBATが活性化していることが示されている。BATが活性化すると、代謝率が上昇する。8 しかし、βアドレナリンアゴニストのミラベグロンを用いた反復的な冷却介入や慢性的な薬物治療は、寒冷反応性BATの増加に関連して、インスリン感受性を高める9。10, 11, 12 最後に、最近の大規模なレトロスペクティブ研究では、BATの活性と心血管疾患の有病率の低下との関連が示されている13。 FDG-PET/CTデータを解析するための分子的特徴や代替的なアプローチは、グルコーストレーサーの取り込みが既存のBATの量に完全には比例しないことを示している1, 14。さらに、BATにおける寒冷時のグルコーストレーサーの取り込みは、肥満度(BMI)とインスリン感受性に応じて変化する16。前述のような代謝上の利点に加え、ヒトには休眠状態のBATが存在することを考えると、成人のBATの調節機能を向上させることは、代謝性疾患の発症に対抗するための潜在的な戦略となり得る。冷水に浸かると交感神経が活性化され、1分以内の冬季水泳ではノルエピネフリンの血漿レベルが急激に上昇するが、定期的に行う冬季水泳ではこの上昇が抑えられる17。この適応は、BATの寒冷順応時に生じる神経支配の増加に関連している可能性があるが18、この点については冬季水泳選手ではまだ調査されなかった。冬季水泳では、冷たい水(プール、湖、海)に浸かり、高温のサウナセッションと交互に行うのが一般的である。そのため、冬の水泳選手は、寒さと暑さの両方に適応していると考えられる。BATの体温調節機能を考慮して、我々は、年齢、性別、BMI、体力を一致させた対照群と比較して、冬季水泳選手はこの組織の調節機能に差があるという仮説を立てた。そこで,2-deoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose PETスキャンを用いてBATの活動を測定し,これを主要評価項目とした。介入を無作為化した順序で行うクロスオーバーデザインで、被験者は知覚に基づく冷却プロトコルと熱的快適性状態プロトコルを行った。その結果、冬期水泳選手と対照群を比較したところ、BATにおけるグルコース取り込みに相互作用が認められたため、体温調節、代謝、日内リズムの観点から両群を分けて比較することにした。

結果と考察

ヒト被験者

ヒトのBATに関するこれまでの研究では、BATの活動には大きなばらつきがあることが明らかになっている。そのため、下流の特性評価の際に、著者はUCP1 mRNAの発現に基づいてサンプルをBAT高とBAT低に分けたり19、冷却に反応したBATにおけるグルコーストレーサーの取り込みに基づいてBAT陰性とBAT陽性に分けたりした20。他の研究では、BATの活動に寄与する決定要因として、年齢、21 BMI、22,23および外気温が挙げられている24,25。本研究では、これらの要因を一定に保つことを目的とし、週に2〜3回の冷水水泳/水泳セッションを行い、少なくとも2回目の冬季水泳シーズンに入った経験のある冬季水泳選手を対象とした。冬季水泳選手の多くはサウナも利用するため、これらの被験者は寒さと暑さの両方の環境に慣れていると考えられる。冷水に反応して交感神経が大量に活性化されることから26、我々は、冬季水泳選手は寒さに反応して熱を大量に産生する寒冷適応したBATを持っているのではないかと考えた。そこで,若くて健康な水泳選手(n=8)と,年齢,性別,BMI,および排泄運動時の最大酸素消費量(VO2max)を一致させた対照群(n=8)を募集した。冬季水泳選手のうち、1名を除く全員がサウナを利用していた。対照的に、被験者はサウナを利用しておらず、研究期間中に寒冷療法や温熱療法も行っていなかった。被験者の初期診断では、BMIに差がないにもかかわらず、対照被験者の方が総脂肪率が高いことが判明した(p<0.007)。さらに、空腹時の血液生化学検査では、冬期水泳選手の方が、サイロキシン(T4)、アルカリホスファターゼ、トランスフェリンが低く、カリウムが高いなど、わずかな違いが見られた(表1、表S1)。

表1 対象者の特徴

被験者の特徴

被験者の特徴 冬の水泳選手(n = 7) 対照群(n = 8) p
年齢(年) 25(2.5) 23.6(2.0) 0.25
重量(kg) 76.7 78.9 0.55
体力トレーニング/週(h) 7 6 0.32
ベジタリアン(n) 1 1
BMI(kg / m 2 23.7(4.8) 23.3(1.8) 0.87
VO 2 max(mL O 2 / kg / min) 53.1(4.8) 51.2(6.0) 0.50
空腹時血漿インスリン(pmol / L) 37(15.5) 33(11.4) 0.60
空腹時血糖値(mmol / L) 4.6(0.3) 4.5(0.5) 0.58
総コレステロール(mmol / L) 4.3(0.9) 4.0(0.4) 0.48
HDLコレステロール(mmol / L) 1.5(0.4) 1.4(0.2) 0.53
LDLコレステロール(mmol / L) 2.7(0.9) 2.5(0.5) 0.57
組織脂肪(%) 12.0(4.6) 18.2(4.3) 0.01
ガイノイド脂肪(%) 16.6(6.1) 23.3(5.4) 0.03
アンドロイド脂肪(%) 16.8(8.7) 23.3(6.9) 0.12
安静時エネルギー消費熱的快適状態(kcal / 24 h) 2,038(96.0) 2,005(209.6) 0.69
30分間の冷却中の安静時のエネルギー消費量(kcal / 24時間) 3,044(337.2) 2,560(348.1) 0.01

冬の水泳

寒中水泳シーズン合計 1.8(0.9)
先月の総水泳 10.6(3.3)
実験前の先月の水泳/週 2.6(0.1)
浸漬/訪問の数 2.6(0.8)
水中での時間/浸漬(分) 1.4(2.6)
サウナユーザー(はい/いいえ) (7/1)
サウナの訪問/訪問の数 2
サウナ/訪問時間(分) 11.1(14.3)
冷水に浸した合計時間/週(分) 11
サウナヒートの合計時間/週(分) 57

HDLは高密度リポ蛋白質、LDLは低密度リポ蛋白質を表す。データは平均値で、括弧内には標準偏差(SD)を示す。グループ間の差はStudentのpaired t testで評価した。表S1も参照。

被験者の特徴と実験設定

経口ブドウ糖負荷試験の結果,米国糖尿病協会の基準27に従って,すべての被験者が正常なブドウ糖耐性を有していることが確認されたが,1名の対照被験者は例外的にブドウ糖耐性が低下していた(図1Aおよび1B)。冬季水泳選手グループは,ブドウ糖摂取後120分時点での血糖値が低かった(図1B)ことから,コントロールグループよりも末梢でのブドウ糖の処分が進んでいることが示唆された。今回の研究デザインでは、偶然の効果を結論づけることはできなかったが、我々の観察結果は、中年の被験者のインスリン感受性が冬季水泳シーズン後に改善されたことを示した過去の研究と一致している28。ヒトの寒冷順応後のグルコースクリアランスの改善は、少なくとも部分的には、骨格筋によるインスリン媒介のグルコース取り込みがより効率的であることによって媒介されると考えられる29,30。次に、交感神経の反応性と冷却耐性を評価するためにヒトで頻繁に用いられるストレスプロトコルである冷間圧迫試験を被験者に行った31。31 被験者は片手を4℃の冷水に3分間浸した。このテストでは、両群とも脈拍、収縮期血圧、拡張期血圧が上昇したが、対照群の方がより強い効果を示したことから、冬季水泳選手群の寒冷順応が示唆された。また、過敏症の基準を満たす者はいなかった(図1D-1F)。このように、最初のテストでは、被験者グループはともに、異なる感度ではあるが、寒さに反応すると判断した。その後、別の日に、知覚に基づく冷却と熱的快適性の状態に対する反応を評価した(図1G)。冷却プロトコルは3日目にも実施し、その間に腹部皮下の白色脂肪組織(WAT)のバイオプシーを採取し、安静時エネルギー消費量(REE)を測定した。重要なのは、冷却日には、熱的快適性のある状態のセグメントを基準期間として設定したことである(図1G)。被験者は45分間の熱的快適性からスタートし,195分間の冷却と45分間の再加熱にさらされた。BATが皮膚の近くに存在する鎖骨上の皮膚温度は,PET/MRIを用いて被験者をスキャンするまでの冷却プロトコルの間,赤外線サーモグラフィ(IRT)を用いてリアルタイムで測定した(図1G)。BATのFDG摂取量を主要評価項目としたことで、冬季水泳選手と対照者を分けて2つの異なるグループとして分析することができ、また、図3で説明したように1人の被験者を除外することもできた。

図1 被験者の特徴と実験計画

被験者(冬季水泳選手[WS]、n = 7;対照者[C]、n = 8)は、経口ブドウ糖負荷試験(OGTT)を行った。nは各グループの人数を表し、特に断りのない限り、この図では一貫している。

(A)グルコース摂取前(時点0)と摂取後の血漿グルコース濃度。

(B)グルコース摂取2時間後の血漿グルコース濃度。

(C)ブドウ糖摂取前(0時点)と摂取後の血漿中インスリン濃度。

(D) 冷却前、冷却中、再加熱後の脈拍。

(E) cold pressor test時の冷却に応じた収縮期血圧。

(F) 冷却に対応した拡張期血圧。

(G) 3日間の実験で行われた測定を示した実験計画。

データは平均値±SDで示した。データは平均値±SDで示した。差は二元配置反復測定ANOVAを用いて評価し、特定の差を評価するためにSidakの多重比較検定を行った。∗p < 0.05, ∗p < 0.01, ∗∗p < 0.001.

図3 知覚に基づく冷却や温熱環境に応じた被験者のPET/MRIスキャン

PET/MRI検査は、図1および図2,2で説明した知覚に基づく冷却または熱的快適性状態のプロトコルの一部であり、データはWS(n = 7)およびC(n = 8)で示されている。

(A) 被験者(ウインタースイマー)の熱的快適状態(左)と冷却中(右)の代表的な画像。

(B)BATにおけるグルコーストレーサー(FDG)の取り込みを、(A)に示した部位における平均標準化取り込み値(SUVmean)として測定。

(C)SUVmeanの取り込み量に、TC状態または冷却時にSUVが2.0以上であったBATの体積を乗じたものを、BAT代謝体積(BMV)の指標とする。

(D)腎周囲のBATにおけるグルコーストレーサーの取り込みを示す代表的な画像(左)。各被験者について定量化し、グループ間およびTC状態と冷却(右)に対する反応を比較した。

(E) 冬季水泳選手と対照者における熱的快適性状態または冷却に応じた安静時エネルギー消費量(REE)。実際の分析は30分間行ったが、24時間のエネルギー消費量は、この期間にエネルギー消費量が一定であった場合の計算値を示す。

(F)冷房によって誘発される熱発生、冷房によって誘発されるエネルギー消費量のデルタ増加として算出。

(G)筋肉量の推定としてDEXAスキャンで測定した除脂肪体重。

(H)温熱環境下での5分間および5分間の冷却時に記録した筋電図(EMG)の測定値。値は,個人ごとに算出した負のピークを含む曲線下の面積。

(I)一部の被験者は、冷却後に肋間筋および/または頸部筋にグルコーストレーサーの取り込みを示した(左)。肋間筋のシグナルは強度に応じて1~4段階で評価し、頸部にもシグナルがある場合は0.5を加えた。肋間筋と頸部の筋肉における寒冷時のグルコース取り込み量を任意の値で推定した。

(J) 冷房の効いた日のMRIスキャンの例。BAT(上段および中段)、皮下WAT(上段および下段)、骨格筋(中段)の領域における水分率を計算するための関心領域(ROI)の描画。

(K) MRIデータから算出したWAT、BAT、骨格筋の水分率。

(L)冷却によるBATの水分量の変化。

(M-O) WATにおけるLIPE、PLIN1、ELOVL6の遺伝子発現を、群間および冷却に応じて解析した。

グループ間および治療法間の差は、混合モデルとその後の事後検定を用いて評価した。AUCの差はpaired t-testで評価した。特に明記しない場合、データは平均値±SDで示した。∗p < 0.05, ∗∗p < 0.01, ∗∗∗p < 0.001, ∗∗∗∗p < 0.0001。図S2も参照。

知覚に基づく冷却で鎖骨上皮膚温度が上昇した

IRTは、IRT画像が鎖骨上領域などの表層のBATデポの近くで得られた場合、BAT活動の推定値として皮膚温度の非侵襲的な測定を行うために使用することができる。本研究では、サンプリングの安価で非侵襲的な性質を利用して、冷却中または熱的快適性のある状態で熱産生の連続測定を行った。ゴールドスタンダードの方法であるFDG-PET/CTまたはPET/MRI36と比較したIRTの重要な特徴は、FDG-PET/CTまたはPET/MRIスキャンで定量化されるグルコーストレーサーの取り込みではなく、BATの活動のエンドポイント(すなわち、熱)を測定することである。鎖骨上皮膚温は、BATからの熱産生以外にも、脂肪や皮膚の断熱性、血流の変化、血管の拡張・収縮、近くの筋肉からの熱産生、供給する血液の温度などの影響を受け、さらに遠くの筋肉や他の臓器からの熱産生の影響を受けるため、BATの活動を間接的に測定していることになる。

知覚に基づく冷却のプロトコルは、我々の研究開始時に発表された先行研究を参考にし、修正したものである37,38。知覚に基づく熱的快適性状態のプロトコルに関する先行研究は見当たらなかった。当研究室では、冷房時および温熱環境下でIRTを用いてBAT機能を長時間リアルタイムで評価するのに適した冷房プロトコルのリハーサルと実行を目的としたパイロットスタディを実施した。Blanketrol III高低体温システムを使用した。このシステムは2枚の水封式毛布に接続されており,被験者がさらされる温度を正確に調整し,記録することができた(図S1A)。水温は,カスタマイズされたVAS(Visual Analog Scale)を用いて,寒さの感覚に基づいてリアルタイムに調整された。VASは,不安などの知覚の程度を評価するためのツールとして確立されている39。BATの研究でも,同様の方法を用いて,寒さの知覚と筋肉の震えの制御を評価している40。冷房日には,被験者は最初に45分間温熱環境に置かれ,その後,冷房開始から1時間の間に水温が徐々に低下し(図2A),個人の寒さの知覚のVASスコアが上昇した(図2B)。直腸体温計で測定したコア温度は,最初は安定していたが,冷却プロトコルの終了時には低下していた(図2C)。これらのデータは、知覚温度と冷却温度はグループ間で差がないことを示している。これは、2回目の冷房日に、知覚に基づく冷房プロトコルを繰り返し行った際にも再現された(図S1B~S1D)。温度快適化日には、冷却日1と同じ実験装置を用いて、温度快適化状態におけるBATの活動を評価した。ただし、被験者は主観的な温度快適化状態、すなわち寒くもなく暖かくもない状態(VASで4~5の値を表す)に保たれた(図2D~2F)。両グループとも冷却中に鎖骨上皮膚温度が上昇したが,冬季水泳選手グループではその反応がより顕著であり,冷却中のいくつかの個別の時点で温熱状態(45分時点)の違いが観察された(図2Gおよび2M)。胸骨の皮膚温度は冬期水泳選手グループで全体的に高かったが、冷却によって誘発される差はなかった(図2H)。胸骨温度と温熱環境温度で正規化すると、鎖骨上皮膚温度は冬季水泳選手グループの方が高く、その差は2回目の冷却日にも再現された(図S1EおよびS1F)。温熱環境試験日では、鎖骨上と胸骨の皮膚温度の時間依存的な調節が観察されたが、45分後の時点では特定の時間を逸脱することはなかった(図2Iおよび2J)。体の周辺5か所の皮膚温度ロガーを使用したところ、冬季水泳選手のグループでは、周辺温度が全般的に高いことが示唆された(図S1F-S1I)。この観察結果は、冬季水泳選手グループの熱損失が大きいことを示唆しており、これは以前に観察された熱暴露に対する適応の観察結果と一致している41,42。対照群では組織脂肪率が高かったため,鎖骨上の皮膚の厚さが異なるかどうかを調べたところ,IRTの測定値に影響を与える可能性があることがわかった。MRIスキャンを解析し、皮膚表面と活性化されたBATの間の距離を測定した。活性化したBATはIRTでBAT温度を測定する領域の皮膚まで到達していたため、臨床専門家はすべての被験者でこの距離は無視できると結論づけた(図2N)。したがって、鎖骨上BATの断熱性の違いは、冷却時の発熱反応の群間差を説明できないと考えられた。しかし、鎖骨上皮膚の温度は、近くの筋肉から発生した熱や、他の臓器から循環して運ばれた熱の影響を受ける可能性もある。結論として、IRTを用いた鎖骨上皮膚温度の測定は、BAT活性の推定値として、慎重に解釈する必要がある。

図2 冷房時および温熱環境下での鎖骨上BATの発熱量の赤外線サーモグラフィーによる測定結果

被験者(WS, n = 7; C, n = 8)は、Blanketrol IIIシステムを用いて、ブランケット内の循環水の温度を制御することで冷却した。nは各グループの人間の数を表し、特に明記しない限り、この図では一貫している。

(A)冷却中のブランケット内の水温。

(B)VASスコアを用いた被験者の温度感覚の推定値。

(C)直腸体温計で推定した体温。別の日に、熱的快適性状態プロトコルで被験者を観察した。

(D) 温熱環境下での水の温度。

(E) VASスコアを用いた被験者の温度感覚の推定値。

(F)直腸体温計で推定した体温。

(G)IRTで測定した冷却時の鎖骨上BAT皮膚温度。グループと冷却の効果は、45~105分の時点で評価した。45分後の時点(熱的快適状態)と冷却中の時点との差を評価するためにSidakのpost-testを用いた。

(H)IRTで測定し、(G)と同様に分析した冷却時の胸骨皮膚温度。

(I)冷却時の胸骨の温度に対する鎖骨上BAT皮膚温度。グループ間の曲線下面積(AUC)を右に表示。

(J)熱的快適性状態でIRTにより測定され、(G)に記載されたように分析された鎖骨上BAT皮膚温度。

(K)温熱環境下でIRTにより測定し、(G)と同様に解析した胸骨の皮膚温度。

(L)IRTで記録した鎖骨上BATの熱的快適性状態に対する温度変化を胸骨の温度と比較したもの。実験誤差のため、すべての被験者のすべての時点での測定ができなかった。3人以下の被験者のデータしか記録されていない時点は除外した。

(M) 対照的な被験者(上パネル)と冬季水泳選手(下パネル)の代表的なIRT画像。スケールバーは温度(℃)を表す。

(N)MRIでIRT画像が得られた部分の活性化したBATと皮膚表面との距離を評価した。

I)および(L)の相対的なIRT値は、「STAR Methods」の項に記載したように算出した。データは平均値±SDで示した。∗p < 0.05, ∗∗p < 0.01, ∗∗p < 0.001。図S1も参照。

冬季水泳選手の寒冷時の熱発生の高さ

被験者は,冷却状態または熱的快適性状態のプロトコルを開始してから60分後にFDGトレーサーを注射し,その60分後にPET/MR統合システム(Biograph mMR,Siemens,Erlangen,Germany)の3Tマグネットを用いて,脊椎コイルとフレキシブルボディコイルを組み合わせたPET/MRIスキャンプロトコルを約60分間実施した。その結果,冬季水泳選手の1人を除くすべての被験者(図S2A)で,頸部から横隔膜の高さまでのBAT領域に,寒冷時に活性化されたグルコーストレーサーの取り込みが確認された。被験者間のBATに関連した生理的変化を検出する目的で、このBAT陰性の被験者1名をすべての分析から除外することにした。FDG-PETスキャンに基づいて、代謝活性のあるBATを、標準化された取り込み値(SUV)の閾値2.0を用いて、頭蓋骨の底から横隔膜の上まで半自動的に輪郭を描いた。SUVは,FDGの取り込み量(注入量/患者の体重)をグラム/ミリリットルの単位で算出した。口、鼻、甲状腺など、BAT以外の構造物における生理的な取り込みは手動で除外した。このようにして得られた関心領域(VOI)から、BATの体積をVOIの体積、最大SUV(SUVmax)をVOI内で最もFDGが検出されたボクセルの信号、平均SUV(SUVmean)をVOI内の平均SUVと定義した。この方法は、PET/CTスキャンを用いてBATの活動を判定するBAT研究において最も頻繁に発表されている方法の一つであり、CTデータとは無関係である43。血糖値はグループ間で差が見られなかったが(図S2B)、冬季水泳選手は全体的にインスリン値が低かった(図S2C)。血圧(図S2D-S2F)と心拍数(図S2G-S2I)には、グループ間の差はなかった。肝臓におけるグルコーストレーサーの取り込みは,肝臓右葉の3cm球内のSUVmeanを解析することで推定した。二元配置分散分析の結果、群間および治療法間の差は見られなかったが、冬季水泳選手群では取り込み量が少ない傾向が見られた(対照群の平均値1.7g/mLに対し、冬季水泳選手群の平均値1.5g/mL、p=0.06)(図S2J)。グループにかかわらず,すべての被験者が,冷却プロトコルに反応して同等のレベルのBAT SUVmeanを示した(図3Aおよび3B,ビデオS1)。一方、熱的に快適な状態では、ウインタースイマーグループとコントロールグループの間に興味深い違いが見られた。後者ではほとんどの被験者のBATにグルコーストレーサーが適度に取り込まれたのに対し、ウインタースイマーではどの被験者にも取り込まれなかったのである(図3Aと3B、ビデオS2)。このようにウインタースイマーグループにグルコーストレーサーの取り込みが見られない理由は、個人の知覚に基づく温熱環境プロトコルに関連している可能性があり、ウインタースイマーグループでは生理的反応に関連して寒さの経験が変化している可能性がある。あるいは、サウナに頻繁に入ることによる熱順化を反映している可能性もある。暑熱順化は、コア温度設定値の低下を引き起こすことが示唆されており41、その結果、熱産生の低下や熱損失の増加に反映されると考えられる。今回の結果は、健康な若年男性の多くが、寒さを感じなくてもBATが代謝的に活性化していることを示している。これらの観察結果は、スキャン手順に関連して被験者が軽度の寒さにさらされた可能性が議論された臨床研究におけるFDG取り込みの早期検出と一致している2。また、BATの乳酸分泌と同様にグルコース取り込みが暖かい条件で発生することを示すより最近の研究とも一致している44。寒冷な環境下では明らかにBATが活性化されるが、温熱環境下でのBATの活性化は、現代のライフスタイルに起因するBATの機能低下を議論する際に考慮すべき重要なポイントとなるだろう。重要なことは、BATの代謝量(BMV)を分析して活発な取り込み量を調整すると、もはやグループ間の差はなかったが、ポストテストではコントロールグループのみに冷却の有意な効果が見られた(図3C)。ミラベグロン補給によるBATの3週間にわたる慢性的な薬理学的刺激を行った先行研究12では、腹部BATに特異的にグルコーストレーサーの取り込みが増加していることが示されている。そこで,我々は腎周囲のBATを個別に定量化した。その結果、温熱環境下でも同様のパターンが見られ、冬季水泳選手グループではグルコーストレーサーの取り込みが減少したが、対照グループでは緩やかな取り込みが見られた(図3D)。一方、上部BATでは、グループ間で全体的な差は見られなかったものの、冬季水泳選手グループのみが、周囲BATの冷却に反応してグルコース取り込み量の有意な増加を示した(図3D)。

動画S1。図3に関連した、冬季水泳選手の冷却時のPETスキャン

原文参照

ビデオS2. 図3に関連した温熱環境下での水泳選手のPETスキャン

原文参照

冷却時のREEは、BATの活動と正の相関があることが示されている23。ここでは、図2で観察された鎖骨上皮膚温度の高さと一致するように、冷却時のREEがウインタースイマー群で高いことがわかった(図3E)。寒冷時の熱発生は、REEのデルタ値の増加によって計算される。寒冷時の熱発生は,冬季水泳選手のグループで大幅に高いことが確認された(図3F)。興味深いことに,エネルギー消費量は500〜1,000kcal/24時間増加したが,以前の研究では,ヒトのBATが生み出すエネルギーは20kcal/24時間程度と報告されていた45。したがって、年齢とBAT活性の低下との間に強い相関関係があることを考慮すると13、本研究の被験者は、前の研究の被験者よりもBATでのエネルギー消費が大きかったと考えられる。しかし,寒冷時のエネルギー消費量の差は,BATにおけるグルコーストレーサーの取り込み量の差では説明できず,寒冷時の熱産生には別の要因があることが示唆された。

次に、筋肉の貢献の可能性について検討した。二重エネルギーX線吸収法(DEXA)による分析の結果、除脂肪体重には群間で差がなく、骨格筋の量が推定された(図3G)。冷却プロトコル中の筋熱生成の可能性を評価するために,筋電図(EMG)を用いて筋活動をモニターした。この方法では,常に記録を取り続け,大量のデータセットを作成した。45分間の温熱環境下での最後の5分間の筋活動を分析し、30分間の冷却後の5分間の筋活動と比較した。その結果、1人の被験者、1つの時点につき300,000個のデータが得られた。各被験者の曲線下の面積(負のピークを含む)を計算することで、温熱状態と冷却状態の間の筋活動の違いを評価し、その後、冷却の効果をグループで比較した。この方法では,ポストテストで評価したときに,冬季水泳選手のグループでのみ有意な冷却効果が観察されたが,二元配置のANOVA分析ではグループ間の差は検出されなかった(図3H)。最後に,一部の被験者では,冷却に反応して肋間筋にグルコーストレーサーが取り込まれたことが確認された。CTデータがなかったため,この信号を定量化することはできなかった。しかし,当社の臨床PET専門家がスキャンのブラインドグレーディングを行ったところ,冬季水泳選手の肋間筋における取り込みは,対照群に比べて全般的に大きいという印象を受けた(図3I)。また、BATと筋肉におけるグルコーストレーサーの取り込みには、正負の相関は見られなかった。結論として、寒さに反応してBATと筋肉の両方が活性化されたが、グルコースの取り込みには両群間で明確な差はなく、冬季水泳選手群で観察された高い寒さによる熱発生を説明することができ、IRTで観察された高い鎖骨上皮膚温度にも裏付けられた。これらの観察結果から、BATのグルコーストレーサーの取り込みは、必ずしもBATの活動に比例していないのではないかと考えられる。成人のBATの熱発生は、健康で痩せた被験者では、細胞内のトリグリセリド(TG)から加水分解された脂肪酸が主な燃料となり7、グルコースの取り込みは、細胞内の脂質貯蔵量を補充するために行われると考えられる。寒冷地に適応したマウスでは、脂肪酸の利用と代謝が促進されることが以前に報告されている46。したがって、長期的に寒冷地に適応したBATでは、グルコースの利用が減少し、遊離脂肪酸の取り込みが増加し、細胞内のTGを加水分解した脂肪酸が利用されるなど、燃料の取り込みが変化することが考えられる。

我々は、PETスキャンと直接関連してMRIスキャンを行った(図3J)。スキャンは重なっていたが、「研究の限界」の項で述べたように、MRIを使ってPETの信号検出の限界を設定することはできなかった。しかし、MRIを使ってBATの水分率を評価することも目的とした。水分率は、BATの重要な特性であるミトコンドリア活性47の代替指標として記載されている18。したがって、水と比較してBATでは高い水分率が期待される。さらに,BATは,細胞内の脂質含有量が少なく,毛細血管網が発達しているため,BAT脂肪率が比較的低いと仮定することで,水癌と区別できるかもしれない48。冬季水泳選手のグループでは、骨格筋の水分率はWATやBATよりも高かったが、WATとBATでは水分率に差は見られなかった(図3K)。しかし、WATとBATの間では水の割合に違いは見られなかった(図3K)。このことは、冬季水泳選手グループのWATにおける血管新生とミトコンドリア生合成の増加を示唆している可能性がある。同様に、寒冷地に適応した被験者では、水 分の血管拡張が増加することが観察されている49。もう一つの可能性は、冬季水泳選手グループにおける脂質の貯蔵と代謝の変化である。いずれの群においても、BATの水分率に対する冷却の急性効果は認められなかった(図3L)。

次に,急性寒冷刺激の前後に採取した腹部皮下脂肪組織のバイオプシーにおける遺伝子発現を評価することにより,WATにおいて熱源分化と脂質代謝のマーカーが異なる制御を受けているかどうかを調べた。PPARGC1A, TBX1, TMEM26, CKMT2などの発熱性分化マーカーは、群や急性冷却では制御されておらず、少なくとも腹部皮下脂肪層では褐変が起きていないと考えられた(図S2K-S2N)。マウスの長期冷却では、脂肪分解、グリセロン生成、脂肪酸再エステル化、脂肪酸酸化、ミトコンドリア生合成に関与する遺伝子の発現が誘導されたことから、脂肪生成が痩せ型の表現に寄与していることが示唆された46。ホルモン感受性リパーゼをコードするLIPEは、冷却によって急激に誘導された(図3M)。ホルモン感受性リパーゼによる分解から脂質滴を保護するペリリピン1をコードするPLIN1は、冬季水泳選手グループで発現が低下した(図3N)。最後に,デノボ脂肪生成(DNL)のマーカーであるELOVL6(elongation of long-chain fatty acids family member 6)51は,冬季水泳選手グループのWATで高い発現を示した(図3O)。これらのわずかな違いと遺伝子発現の変化を総合すると、冬季水泳選手グループの水中での脂質代謝の違いが裏付けられる。今回のデータでは、冬期水泳グループでBATの脂質ターンオーバーが亢進しているかどうかを結論づけることはできないが、デノボ脂肪生成のマーカーがBATの活動マーカーであるUCP1と相関していることが以前に示されている52。ほとんどの対照群のBATは代謝が活発であったのに対し、冬季水泳参加者はグルコースを取り込まなかった。それにもかかわらず、冬期水泳選手は対照者よりも寒冷時の熱発生が大幅に高かった。このグループ間のエネルギー消費の差の原因は、今回の測定では明確に特定できなかった。しかし、BATと骨格筋の両方が関与していることは明らかであり、おそらく脂質代謝が変化していると考えられる。

冬季水泳選手の鎖骨上皮膚温度の低いコア温度と明確な日内リズム

今回のデータは、以前の観察結果と一致しており44、少なくとも対照群では、BATは熱的に快適な状態で活動していることを示唆している。これまでの研究では、BATの糖代謝および脂質代謝の日周リズムが明らかになっている4,5。そこで次に、温熱環境下での冬季水泳選手と対照群の日周体温調節を調べた。24時間にわたるBATの温度変化を調べ、冬季水泳選手には寒冷適応があると考えられるため、グループ間で差があるかどうかを調べた。対象者のサブグループ(冬期水泳選手,n=5,対照者,n=6)を対象とした。これらの被験者は,FDG-PET/MRIおよびIRTによって,冷却に対する反応がすでに明らかになっていた。昼夜を問わずBATの熱生成を一定に測定するために、鎖骨上皮膚温度の主要な測定値としてiButtonsを使用した。先の冷却実験で使用したIRTは、ツールが直立の座位と正確な固定距離を必要とするため、睡眠中の測定には適していなかった。各被験者の冷却実験(前述)で得られた画像は,表在性BATをターゲットにするためのiButtonsの配置を決定するためのガイドとなった(図S3A)。実験前日の午後4時に被験者が実験室にチェックインした時点で,慣れと順応が始まった。22:30に消灯し,翌朝7:00に実験を開始し,概略図に従ってiButtonsの配置,食事,採血を行った(図4A).被験者は全員,体温認識VASに慣れており,VASの4~5で表される熱的快適性のある状態を目指すように指示された。これを1日中評価し、被験者には、毛布、靴下、スリッパなどを使って温度知覚を調整し、熱的快適性のある状態に到達するように指示した。被験者はコンピュータの使用を許可されたが、できるだけベッドにとどまるように求められ、トイレに行くなどの軽い活動のみが許可された。歩数はステップカウンターで記録し、グループ間で差がないことを示した(図4B)。拡張期血圧、収縮期血圧ともにグループ間で差はなかった(図4Cおよび4D)。予想通り、体温は日周リズムを示し、被験者がベッドで休んでいる間は一晩中体温が低下した53(図4E)。冬季水泳参加者は,24時間のプロトコルにおいて,対照群よりも体温が低かった(図4E)。これは、対照群ではなく、冬季水泳群では定期的にサウナに入っていたため、熱順化の影響ではないかと考えられる。暑熱順化は、末梢血流の増加と発汗量の増加により、中核体温の低下と血液量の増加を引き起こすことが報告されている42。胸骨部の皮膚温度には日周リズムが見られなかったが,ここでも冬期水泳参加者は対照者よりも低い温度を示しており,これは夜間の差が大きく影響していると考えられる(図4F)。対照的に、冬期水泳参加者の鎖骨上皮膚温度は、対照者に比べて高いことがわかった(図4G)。さらに,左こめかみ付近の皮膚温度も対照群に比べて高く,冬季水泳参加者の熱損失が大きいことを反映していると考えられた(図S3C)。このように,冬期水泳参加者はコア温度が低く,熱損失が大きい可能性があり,このグループでは熱的快適性のある状態でグルコースが取り込まれないことが説明できる。

図4 成人の日中の体温調節と循環ホルモンの関係

前述の実験に参加した被験者の一部を、次の実験に招待し、熱的快適性のある状態での日中の体温調節を調べた(冬期水泳選手、n = 5、対照者、n = 6)。

(A)実験のセットアップ。被験者は記録開始前に実験室に入室して一晩を過ごし,その後24時間追跡した。

(B)2群の歩数。

(C) 収縮期血圧

(D) 拡張期血圧。

(E) 体温計を用いて記録した体温。平均値からSDを除いた値を示す。右側に群間の曲線下面積を示す。

(F)iButtonsによって記録された胸骨温度。平均値(SDなし)を示す。グループ間の曲線下面積を右に示す。

(G)冷却中のIRT画像から検出された鎖骨上BATの上に置かれたiButtonsを用いて記録されたBAT温度。平均値からSDを除いた値を示す。右側にグループ間の曲線下面積を示す。

(H)日中(午後1時1分~2時1分)、夜間(午前4時1分~4時11分)、夜間(午前4時49分~4時59分)の平均値を比較したBAT温度。

(I)24時間にわたる血漿コルチゾール。サンプル数が不足していたため、コルチゾール分析のためのnは、冬季水泳選手がn = 3、対照被験者がn = 3であった。

(J) 24時間にわたる血漿中のIL-6。

(K) 24時間後の血漿レプチン。

(L) 24時間にわたる血漿アディポネクチン。

グループおよび治療法間の差は、二元配置のANOVAまたは混合モデルおよびその後の事後検定を用いて評価した。AUCの差は、不対式t検定で評価した。データは平均値±SDで示した。∗p<0.05、***p<0.01、***p<0.001。図S3も参照。


次に、変動に一貫したパターンがあるかどうかを調べた。BATの活動は寒さによって調節されるだけでなく、軽度の寒さに反応して観察されるのと同じ大きさの食後の誘導が、成人のヒトで観察されている54。したがって、食後に鎖骨上皮膚温度のわずかな変動しか観察されなかったことに興味を持った(図4G)。このようにDinら54の結果と明らかに異なるのは、鎖骨上皮膚温の調節が血流や他の臓器からの熱の寄与に大きく影響され、鎖骨上皮膚温の期待される上昇が抑制されているためと考えられる。また、日中の室温が安定していなかったため、個人の体温調節に影響を与えたと考えられる。一方、夜間には顕著な体温調節パターンが見られた。ここでは、鎖骨上皮膚温度が、体温リズムと一致するパターンで大幅に低下していた。冬季水泳選手の鎖骨上皮膚温度を拡大してみると、温度のピークのパターンが観察された。最も大きなピークは午前5時前に発生し、午前7時の起床前に体温が上昇した(図4G)。このピークの大きさが午前5時の採血の影響を受けている可能性は否定できないが,午前5時の採血で目が覚めたと朝に報告した被験者は2人だけであった。さらに,この温度のピークは,午前5時の採血の前である午前4時30分頃にはすでに上昇し始めていたため,このピークが採血による障害を反映しているとは考えにくいと考えられる。また、午前2時にも同様の手順で採血を行ったが、この時点では温度のピークは見られなかった。以上のことから、採血による乱れが体温のピークになったとは考えにくいと考えられる。重要なことは、冬期水泳参加者と対照群の両方で、夜間のBAT温度が昼間に比べて低下した(nightlow)のに対し、冬期水泳参加者では、早朝(nighthigh)の温度のピークは昼間の温度と変わらなかったことである(図4H)。室温は、夜間は安定していたが、日中は高くなっていた(図S3B)。このことは、日中の皮膚温度に影響を与えている可能性があるが、それだけではグループ間の違いを説明できない。これらのデータは、人間のBATの活動と熱産生には、温熱環境下の安静時に見られる日周リズムがあることを示唆している。グループ間の違いは、冬季水泳選手グループのBATの成熟度と寒冷適応の増加によって説明される可能性がある。ここでiButtonsを使用することの利点は、被験者に迷惑をかけることなく、直接皮膚の温度を記録できることである。iButtonsを正確に配置するには、熱発生したBATのIRT画像を使用することが重要であった。これらの技術を評価した研究では、IRTとiButtonsの測定値の間に矛盾が見られた35が、これらの方法が異なる用途に有利であることを強調している。

冬季水泳選手の体温低下とBAT温度の調節は、睡眠の質に影響を与える可能性がある。睡眠と覚醒のサイクルは、コルチゾールの分泌を介して視床下部-下垂体-副腎(HPA)軸と関連している55。ストレスホルモンであるコルチゾールは、朝に最も高い値を示し、その後、日中は徐々に低下する。55 ストレスホルモンであるコルチゾールは、朝に最も高い値を示し、その後、日中は徐々に低下し、入眠後、2〜3時間後に再び上昇に転じるという調節パターンが、今回の被験者にも確認できた(図4I)。これまでの文献と同様に、両グループとも午後10時30分には午前8時よりもコルチゾールレベルが低下していた(図4I)。対照群ではなく、冬季水泳選手群では、午後8時と午前2時のコルチゾールレベルも午前8時に比べて低かった(図4I)。今回の研究では睡眠を測定していないが、被験者全員が「よく眠れた」と回答した。午前5時の時点では、両グループともコルチゾールレベルが上昇し始めていたため、冬季水泳選手に見られたBAT熱生成の上昇と関連していた(図4I)。今回のデータでは、コルチゾールの上昇と鎖骨上皮膚温の上昇との間に関連性があるかどうかを結論づけることはできない。コルチゾールには血管拡張作用があるため、コルチゾールを介した皮膚温度の上昇は、皮膚を加熱する血流が増加した結果であると考えられる。しかし,グルココルチコイドは,BATのグルコース取り込みと熱産生の両方を急性に誘導することが実証されており57,コルチゾールによるBATの直接的な活性化の可能性がある。副腎からのコルチゾール放出を制御する重要な因子として、インターロイキン6(IL-6)58があり、これまでに、ステージ1-2睡眠や急速眼球運動睡眠との夜間の関連性が調査されている59。最後に、満腹ホルモンであるレプチンが日中に制御されていることを確認し、BATの最低温度と一致する午前2-4時頃にピークを迎えた(図4K)。アディポネクチンの血漿レベルは、昼夜を問わず、時間的にも群間でも調節されなかった(図4L)。赤血球、白血球、リンパ球、単球、好中球などの血球濃度には、グループ間で差がなかった(図S3D〜S3H、表S1)。しかし、血球濃度は24時間の実験サイクルの中で変化していることが確認された(図S3D-S3H)。以上のことから、冬期水泳参加者ではコア温度が低く、熱損失が増加していることがわかった。

結論

本研究で調査した冬季水泳選手は、マッチさせた対照群と比較して体温調節機能に差があった。対照群のほとんどの被験者は、熱的に快適な状態でBATのグルコース取り込みを示し、BATが若年成人の快適な体温の維持に貢献していることを示した。これは、熱損失の増加と熱産生の減少によりコア温度が低下し、熱順化が起こる可能性を示唆している。これらの違いは、対照群と比較して冬季水泳選手の寒冷時の熱産生が高いことの説明にもなるかもしれない。冬季水泳選手の寒冷時の熱産生の主な原因は特定できなかったが、BATと骨格筋の組み合わせによるものと考えられる。以上の結果から、成人のBATは、骨格筋や血流と連携して体温調節システムの一部を担っていることが明らかになった。さらに、BATが睡眠パターンの制御に関与している可能性も示唆され、今後の研究が期待される。最後に、今回の研究結果は、肥満の被験者のエネルギー消費量を増加させるためのライフスタイルへの介入としての冬季水泳を、潜在的な体重減少戦略として調査する動機付けとなる。

研究の限界

今回の研究では、冬季水泳自体が寒冷時の熱産生を増加させ、BATの糖代謝を変化させるかどうかを結論づけることはできない。なぜなら、特定のサーモフェノタイプを持つ人は、趣味として冬季水泳を始める傾向があるからである。冬季水泳選手と対照群は、いくつかのパラメータで一致していたが、対照群では、ブドウ糖摂取後120分時点で、より高い組織脂肪率とより高い血漿グルコース濃度が認められた。これらの違いは、対照群が健康でないことを示している可能性がある。今回の研究では、ダイエット中の被験者、栄養補助食品を摂取している被験者、最近体重が減少した被験者、摂食障害の既往歴のある被験者を除外して募集を行ったが、冬季水泳以外にも、今回の研究では測定されなかった生活習慣の違いがある可能性がある。例えば、食事の好み、好みの食事構成、身体活動の種類と強度などである。重要なのは、サンプルサイズが小さいため、タイプ1およびタイプ2エラーのリスクがあることである。本研究では、BAT活動を推定するために4つの方法を用いたが、いずれも異なる限界があった。PETスキャンはグルコーストレーサーの取り込みを測定するが、これはBATの活動の増加と関連しているが、熱発生そのものを測定するものではない。MRIは水分率を測定するが、これは間接的な方法である。IRTは皮膚温度を測定するが、正確な距離と鎖骨上の皮膚温度と胸骨の皮膚温度の関連付けが必要であった。3番目の方法であるiButtonsもまた、非侵襲的に皮膚温度を記録することができ、皮膚温度を常に記録できるという利点がある。しかし、この方法でBATの温度を測定するには、iButtonsを正確に配置する必要がある。これは、PETスキャンとIRTスキャンの結果を組み合わせてBATの位置を最初に特定しなければ達成できなかった。IRTとiButtonsの両方の交絡因子には、皮膚の灌流と断熱がある。今回の被験者の全員が対象部位の皮下脂肪層は無視できると考えていたが,鎖骨上皮膚温度の測定値を解釈する際には注意が必要である。その理由は,皮膚温度が循環血液の影響を受ける可能性があり,その結果,近くにある器官と遠くにある器官(例えば骨格筋)からの熱生成に影響を受けるからである。本研究のもう一つの限界は、PET解析では1.2g/mLの閾値を使用することが推奨されているが60、CTデータがなかったため、CTデータのない研究で以前に使用されたように2.0g/mLの閾値を選択したことである 43。これにより、BATの検出量が過小評価された可能性がある。MRI検査には30分かかり、呼吸によって画像にアーチファクトが発生するため、PET検査とMRI検査を直接重ね合わせることはできなかった。

日周期研究では、睡眠時間を測定していないため、睡眠パターンの乱れがデータに影響する可能性があり、データの解釈に制限があった。さらに、食事と睡眠のスケジュールが類似しており、慣れるまでの期間が短かったため、日周リズムの測定に偏りが生じた可能性がある。日中の体温調節に関連して指摘しておきたいのは、室温は一定ではなく、一般的に昼間の方が高かったため、被験者の体温調節に影響を与えた可能性があるということである。しかし、寒い環境ではBATの活動が活発になることが予想され、鎖骨上皮膚温度が全般的に低下していることから、我々が観察したBATの日内リズムが室温の変化によって説明される可能性は低いと考えられる。また、年代を特定することはできなかったが、すべての被験者が睡眠障害を訴えておらず、シフトワーカーでもなかった。最後に、このグループの暑さと寒さに対する適応が示唆されていることを考慮すると、冷房のために温度を調整し、VASスコアに応じて熱的快適性の状態を調整することが最適ではないのではないかと議論されるべきである。しかし、グループ間で熱知覚とそれに応じた水温の違いは観察されなかったことから、冬期水泳選手グループでは冷知覚は劇的には変化しないが、下流の生理学的反応には明確な違いがあることが示唆された。最後に,本研究では男性のみを対象としたことが限界である。今後、女性と男性の両方を対象とした介入研究を行い、冬季水泳が人間の代謝に与える影響をより深く理解する必要がある。

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