Time-domain broadband diffuse optical spectroscopy to study brown and beige adipose tissues and their metabolism

Health is influenced by different factors, of which behavioural ones (diet and lifestyle) are at the origin of excessive weight gain. In turn, this condition can lead to many several non-communicable diseases, the leading global cause of death. Data in hand, prevention is the best weapon to avoid excessive fat accumulation, which is why Science has recently turned its attention to brown and beige fat. In fact, these two tissues exhibit fat-burning properties that, if exploited in a controlled manner, can contribute to the fight against weight gain. Since obesity is claiming more and more victims every year, there is an increasingly urgent need to provide new information about brown and beige fat, but also innovative tools capable of overcoming the limitations of those currently used for their analysis. This work intends to respond to the latter two needs, and therefore has two objectives. Firstly, addressing the lack of suitable tools for brown and beige fat analysis reducing the measurement time of a time-domain spectrometer in order to monitor the fast dynamics that characterize the metabolism of these tissues. Secondly, delivering new knowledge about brown and beige fats, or simply confirm what is already known, quantifying their tissue properties using time-domain diffuse optical spectroscopy in a previously untried way, i.e. using a broad spectrum of frequencies. Furthermore, this is the first time this technique has been used to identify the presence of beige fat in a living human body. Instrumentation results show that the new spectrometer is about 6 times faster than the existing one, making it capable of following the fast variations of the two tissues. In contrast, measurements results are unable to show any useful information other than the ability of brown and beige fat to respond to cold, although there is no absolute certainty that this response is due to the two tissues.

La salute è influenzata da diversi fattori, tra cui quelli comportamentali (dieta e stile di vita) sono all'origine dell'eccessivo aumento di peso. A sua volta, questa condizione può portare a diverse malattie non trasmissibili, la principale causa di morte a livello globale. Dati alla mano, la prevenzione è l'arma migliore per evitare l'accumulo eccessivo di grasso, ed è per questo che la Scienza ha recentemente rivolto la sua attenzione al grasso bruno e beige. Infatti, questi due tessuti presentano proprietà brucia-grassi che, se sfruttate in modo controllato, possono contribuire alla lotta contro l'aumento di peso. Poiché l'obesità miete ogni anno sempre più vittime, urge sempre di più fornire nuove informazioni sul grasso bruno e beige, ma anche strumenti innovativi in grado di superare i limiti di quelli attualmente utilizzati per la loro analisi. Il presente lavoro intende rispondere a queste due ultime esigenze e si pone pertanto due obiettivi. In primo luogo, affrontare la mancanza di strumenti adeguati per l'analisi del grasso bruno e beige riducendo il tempo di misurazione di uno spettrometro nel dominio del tempo, al fine di monitorare le veloci dinamiche che caratterizzano il metabolismo di questi tessuti. In secondo luogo, fornire nuove conoscenze sui grassi bruno e beige, o semplicemente confermare ciò che è già noto, quantificando le loro proprietà tissutali utilizzando la spettroscopia ottica diffusa nel dominio del tempo in un modo mai sperimentato prima, cioè utilizzando un ampio spettro di frequenze. Inoltre, è la prima volta che questa tecnica viene utilizzata per identificare la presenza del grasso beige in un essere umano vivente. I risultati relativi alla strumentazione mostrano che il nuovo spettrometro è circa 6 volte più veloce di quello esistente, il ché lo rende in grado di seguire le rapide variazioni dei due tessuti. I risultati relativi alle misurazioni, invece, non sono in grado di mostrare alcuna informazione utile, se non la capacità del grasso bruno e beige di rispondere al freddo, sebbene non vi sia la certezza assoluta che tale risposta sia proprio dovuta ai due tessuti.