English Title: Characterization of NMR Properties of Brown Adipose Tissue and their Evaluation under Cold Exposure Using Dixon-Magnetic Resonance Imaging

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Abstract

In dieser Arbeit wurden Kernspinresonanz (NMR)-Eigenschaften von braunem Fettgewebe (BAT) charakterisiert. Mittels Magnetresonanzspektroskopie (MRS)-Messungen wurde zunächst der Wasser- und Fettanteil im thermoneutralen Zustand bestimmt und anschließend die Auswirkungen einer Kälteexposition auf beide Anteile analysiert. Ein Messprotokoll für eine Magnetresonanztomographie (MRT) zur Detektion von BAT im interskapulären Bereich wurde entwickelt. Das Protokoll ermöglicht, neben der Bestimmung des BAT-Volumens, die Quantifizierung des Fettverhältnisses (FF) in BAT. Dazu wurde eine Machbarkeitsstudie mit zehn gesunden Probanden bei 3T durchgeführt und die Reproduzierbarkeit evaluiert. Mit einer Weste wurde die Kälte- und Wärmeexposition des interskapulären Bereichs durchgeführt. Zur FF-Quantifizierung wurden die Wasser- und Fettanteile mit einer 2-Punkt-Dixon (2PD)-Sequenz bestimmt und deren Änderungen für drei verschiedene Temperaturphasen evaluiert. Magnetfeldunabhängige Temperaturmessungen wurden parallel durchgeführt. Mit dem entwickelten Messprotokoll konnte gezeigt werden, dass unter Kälteexposition in einem mittleren Volumen von (1,31 ± 1,43)ml eine mittlere, signifikante (p < 0,001) Abnahme des FF in potentiellem BAT von (−2,9 ± 2,0)%/h stattfand. Ebenso konnte eine Korrelation (r > 0,5) dieser FF-Abnahme mit der mittleren Abnahme der Rückentemperatur von (3,8 ± 1,0)°C der Studienteilnehmer beobachtet werden. Die Körpertemperatur blieb konstant bei (37,2 ± 0,9)°C. Signifikante Änderungen (p = 0,008) der T1-Zeit konnten zwischen kälteexponiertem (T1,4C = (411 ± 69)ms) und thermoneutralem (T1,RT = (373 ± 45)ms) in vitro BAT beobachtet werden. Bei einer ersten 7T Vergleichsmessung konnten vergleichbare Auswirkungen einer Kälteexposition auf BAT beobachtet werden.

Translation of abstract (English)

The purpose of this work was the characterization of nuclear magnetic resonance (NMR) properties of brown adipose tissue (BAT). Using magnetic resonance spectroscopy (MRS), water and fat content were determined in thermoneutral and in cold-activated state. For detection of interscapular BAT, a method was developed which allows for quantification of BAT volume and BAT fat fraction (FF) using MR imaging (MRI). Therefore, a feasibility study with ten healthy volunteers was performed at 3T and evaluated for reproducibility. The clavicular region was exposed to a cold and warm environment using a vest. For FF quantification, water and fat contents were determined using a 2-point-Dixon imaging sequence, while temperature measurements were performed continously. Under cold exposure, the developed measurement protocol showed a mean significant (p< 0.001) FF decrease of (−2.9 ± 2.0)%/h in a mean potential BAT volume of (1.31 ± 1.43)ml. FF decreases were observed to correlate (r > 0.5) with a mean back skin temperature decrease of the volunteers ((3.8 ± 1.0)°C). Body temperatures stayed constant at (37.2 ± 0.9)°C. For T1 measurements, significant changes (p = 0.008) between cold-activated in vitro BAT (T1,cold = (411 ± 69)ms) and thermoneutral BAT (T1,tn = (373 ± 45)ms) were evaluated. A first 7T measurement showed comparable cold stimulation effects on BAT.