Braunes Fett und Wärmebildung

Auf einen Blick

Textus adiposus fuscus (braunes Fettgewebe) ist auf Wärmebildung spezialisiert. Seine Zellen enthalten viele Mitochondrien und zahlreiche kleine Lipidtropfen. In der inneren Mitochondrienmembran sitzt UCP1, ein Protein, das den Rückstrom von Protonen ermöglicht. Dabei wird Energie aus dem zuvor aufgebauten elektrochemischen Gefälle als Wärme frei. Die Aktivierung ist in die Temperaturregulation des Körpers eingebunden. [1]

Adipocyti (Fettzellen): unterschiedliche Ausstattung

Im Adipocytus albus (weiße Fettzelle) dominiert gewöhnlich ein großer Lipidtropfen. Er beansprucht einen Großteil des Zellraums; der abgeflachte Zellkern liegt am Rand. Der Adipocytus fuscus (braune Fettzelle) besitzt viele kleinere Tropfen und einen eher zentralen, rundlichen Kern. Solche Merkmale wurden auch in menschlichen Gewebeproben aus der Halsregion nachgewiesen. Braune und weiße Zellen können innerhalb eines Gewebebereichs nebeneinander vorkommen. [2]

Abbildung vergrößern ↗

Beige Fettzellen: veränderliche thermogene Eigenschaften

Neben weißen und klassisch braunen Fettzellen werden beige beziehungsweise brite Fettzellen beschrieben. Unter bestimmten Reizen entwickeln sie eine Ausstattung mit UCP1 und erhöhter thermogener Aktivität. Der Begriff bezieht sich auf Zelleigenschaften und Entwicklungsprogramme. Menschliche Fettdepots enthalten unterschiedlich zusammengesetzte Zellpopulationen; ihre Einordnung nutzt deshalb mehrere molekulare und funktionelle Merkmale. [1]

Wo beim Erwachsenen aktives braunes Fett nachgewiesen wurde

Die Region oberhalb der Clavicula (Schlüsselbein) und seitlich am Hals gehört zu den gut untersuchten Fundorten. Virtanen und Mitarbeitende untersuchten 2009 fünf gesunde Erwachsene. Bei Kälte nahm die Glucoseaufnahme im parazervikalen und supraklavikulären Fett deutlich zu. Von den ersten drei Teilnehmenden wurden Gewebeproben gewonnen. Sie zeigten multilokuläre Fettzellen und das Protein UCP1. Bildgebung und Gewebeuntersuchung erschlossen damit zwei verschiedene Eigenschaften: Stoffaufnahme und zelluläre Ausstattung. [3]

Wie Untersuchungsbedingungen den Nachweis beeinflussen

Cypess und Mitarbeitende werteten 2009 insgesamt 3.640 klinische PET/CT-Aufnahmen von 1.972 Personen aus. In 106 Fällen war das charakteristische Aktivitätsmuster nachweisbar. Die Aufnahmen stammten aus der klinischen Versorgung und wurden unter den dort üblichen Bedingungen erstellt. Die Trefferzahl beschreibt diese Untersuchungssituation. In einem getrennten Teil der Arbeit wurden 33 chirurgisch gewonnene Proben aus Hals- und Schlüsselbeinregion histologisch untersucht. [2]

Mitochondrium: zwei Membranen und ein energetisches Gefälle

Ein Mitochondrium besitzt eine äußere und eine innere Membran. Dazwischen liegt der Intermembranraum; die innere Membran umschließt die Matrix. Ihre Faltungen heißen Cristae (Membranleisten). Die Atmungskette überträgt Elektronen und nutzt dabei frei werdende Energie, um Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum zu bewegen. So entsteht über der inneren Membran ein elektrochemisches Gefälle. Ein Teil der Energie aus dem Abbau von Nährstoffen liegt damit vorübergehend in diesem Gradienten vor. [4]

UCP1: Protonenrückstrom und Wärmebildung

UCP1 steht für Uncoupling Protein 1, auf Deutsch Entkopplungsprotein 1. Es gehört zur Familie mitochondrialer Transportproteine. Über UCP1 können Protonen entlang ihres elektrochemischen Gefälles vom Intermembranraum in die Matrix zurückkehren. Dabei wird die gespeicherte Energie als Wärme frei. Fettsäuren beeinflussen die Aktivität des Proteins. Die Wärmebildung verbindet dadurch die innere Membran mit der Bereitstellung von Brennstoffen in der Zelle. [4]

Abbildung vergrößern ↗

Wie die Aktivität von UCP1 auf Molekülebene geregelt wird

Untersuchungen an gereinigtem menschlichem UCP1 zeigen eine Hemmung der Protonenleitung durch verschiedene Nukleotide. Dazu gehören sowohl Purin- als auch Pyrimidinnukleotide. Eine 2025 veröffentlichte Arbeit verband Bindungsversuche, Messungen der Protonenleitung und eine Struktur mit gebundenem UTP. Auch der pH-Wert beeinflusste die untersuchte Bindung. Solche Experimente machen einzelne Regelmechanismen des Proteins zugänglich. [5]

ATP-Synthase und UCP1 nutzen dasselbe Gefälle

Die ATP-Synthase nutzt den Rückstrom von Protonen für die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP). ATP stellt Energie für zahlreiche zelluläre Vorgänge bereit. UCP1 eröffnet einen weiteren Weg für den Protonenrückstrom. Über diesen Weg wird die Energie des Gefälles unmittelbar als Wärme frei. Der Begriff Entkopplung beschreibt die veränderte Beziehung zwischen der Oxidation von Brennstoffen und der ATP-Bildung. In einer braunen Fettzelle arbeiten Atmungskette, ATP-Synthase und UCP1 innerhalb derselben mitochondrialen Ausstattung. [5]

Lipolyse und Oxidation: woher die Brennstoffe kommen

Bei der Lipolyse (Spaltung gespeicherter Fette) werden Fettsäuren aus Triglyceriden freigesetzt. Sie dienen der Zelle als Brennstoff und beteiligen sich an der Aktivierung von UCP1. Braunes Fett kann außerdem Stoffe aus dem Blut aufnehmen. Welche Substrate aufgenommen, gespeichert oder oxidiert werden, hängt vom Zustand des Gewebes und den Versuchsbedingungen ab. Der Austausch mit den intrazellulären Fettvorräten ist dabei besonders bedeutsam. [1]

Sympathische Signale erreichen das thermogene Gewebe

Der Sympathikus ist ein Teil des autonomen Nervensystems. Noradrenalin aktiviert adrenerge Rezeptoren und kann so Stoffwechselreaktionen in braunen Fettzellen anstoßen. Blondin und Mitarbeitende zeigten 2020 in menschlichen Untersuchungen und Zellversuchen eine wichtige Rolle von β2-Adrenozeptoren. Stimulation, Hemmung und Veränderungen der Rezeptorexpression eröffneten dabei unterschiedliche Zugänge zu derselben Signalkette. [6]

β2- und β3-Adrenozeptoren: der Zellkontext gehört zum Befund

Cero und Mitarbeitende untersuchten 2021 menschliche braune und beige Zellmodelle aus supraklavikulärem beziehungsweise tiefem Halsfett. Eine Verringerung der β3-Rezeptoren veränderte die Signalübertragung über cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat), die Lipolyse und thermogene Eigenschaften. cAMP dient dabei als intrazellulärer Botenstoff. Die Arbeiten zu β2 und β3 verwenden unterschiedliche Zellen und experimentelle Eingriffe. Für die Beschreibung eines Rezeptorbefunds gehören deshalb Herkunft der Zellen, Messgröße und Art der Stimulation zusammen. [7]

Temperaturregulation: mehrere Antworten werden koordiniert

Thermische Signale aus dem Körper werden im Zentralnervensystem verarbeitet. Verschiedene Effektorwege steuern die Hautdurchblutung, das Kältezittern und die Wärmebildung im braunen Fett. Dadurch kann der Körper sowohl seinen Wärmeverlust als auch seine Wärmeproduktion verändern. Der jeweilige Anteil der Antworten hängt unter anderem von der Kältebelastung und dem körperlichen Zustand ab. [8]

Kältezittern: Wärmebildung in der Skelettmuskulatur

Kältezittern entsteht durch die Aktivierung von Skelettmuskeln. Der dabei erhöhte Energieumsatz liefert Wärme. Verschiedene Muskeln und motorische Einheiten können in unterschiedlichem Ausmaß beteiligt sein. Neben diesem Weg wird Wärmebildung als nichtzitternde Thermogenese beschrieben, wenn sie während der Untersuchung ohne messbares Zittern auftritt. Die genaue Messung der Muskelaktivität hilft, Beiträge zur gesamten Kälteantwort einzuordnen. [13]

Was FDG-PET/CT über das Gewebe zeigt

Die Positronen-Emissions-Tomographie mit Computertomographie verbindet einen Stoffwechselmarker mit einer räumlichen Aufnahme. Häufig wird markierte Fluordesoxyglucose, kurz FDG, verwendet. Ihre Anreicherung erfasst einen Aspekt der Glucoseaufnahme. Die anatomische Lage, die Dichte des Fettgewebes und die Aktivität des Markers werden gemeinsam ausgewertet. Die in der Untersuchung als aktiv eingestufte Menge hängt damit auch von Kühlung und Auswerteschwellen ab. [3]

Kalorimetrie: der Energieumsatz des ganzen Körpers

Indirekte Kalorimetrie nutzt den Gasaustausch, um den Energieumsatz zu bestimmen. In der Studie von van der Lans und Mitarbeitenden wurde dieses Verfahren mit PET/CT und einem individuell abgestimmten Kühlprotokoll kombiniert. Messungen der Haut- und Kerntemperatur sowie Angaben zum Kälteempfinden ergänzten die Untersuchung. Jede Methode erfasst einen eigenen Teil der Reaktion: Gesamtumsatz, Stoffaufnahme, Temperatur oder Erleben. [9]

Akklimatisation: Veränderungen über mehrere Tage

Van der Lans und Mitarbeitende untersuchten 17 gesunde Erwachsene über zehn Tage. Die Aufenthalte bei 15 bis 16 °C dauerten am ersten Tag zwei, am zweiten vier und anschließend täglich sechs Stunden. Die Personen trugen kurze Hosen und T-Shirts und gingen sitzenden Tätigkeiten nach. Nach der Phase waren die gemessene Aktivität des braunen Fetts und die nichtzitternde Thermogenese erhöht. Auch die subjektive Kältetoleranz veränderte sich. Körpergewicht und Körperzusammensetzung blieben im Untersuchungszeitraum weitgehend gleich. [9]

Eine nächtliche Temperaturfolge über vier Monate

Lee und Mitarbeitende begleiteten fünf gesunde junge Männer über vier aufeinanderfolgende Monate. Die nächtliche Raumtemperatur betrug zunächst 24, dann 19, erneut 24 und zuletzt 27 °C. Nach dem kühlen Monat war das per PET/CT bestimmte aktive braune Fettvolumen größer. Die Veränderung bildete sich beim erneuten Erwärmen zurück. Bei Stoffwechseltests hing die Ausprägung einzelner Insulinindizes auch von der Temperatur während des Tests ab. [10]

Wiederholtes Winterbaden als Untersuchungsmodell

Søberg und Mitarbeitende verglichen erfahrene Winterbader mit Kontrollpersonen. Die meisten Winterbader besuchten zusätzlich die Sauna. Unter Laborkühlung zeigten sich Unterschiede im gesamten kältebedingten Energieumsatz. Die Muster der FDG-Aufnahme ließen sich dabei jeweils nur zusammen mit der vorgegebenen Umgebungstemperatur einordnen. Die Studie verbindet damit mehrere Ebenen: Gewohnheiten, akute Laborbedingungen und einzelne Stoffwechselmessungen. [11]

Häufige Fragen

Kann sich die nachweisbare Aktivität über die Zeit verändern? Ja. Wiederholte milde Kälte veränderte in der zehntägigen Untersuchung die PET/CT-Aktivität und die nichtzitternde Thermogenese. Die Messbedingungen wurden vor und nach der Anpassungsphase festgelegt. [9]

Welche Bedeutung hat die Temperatur eines Stoffwechseltests? In der Studie mit wechselnden nächtlichen Raumtemperaturen wurden Messungen unter verschiedenen akuten Temperaturbedingungen vorgenommen. Die Interpretation von Stoffwechselindizes berücksichtigt deshalb die vorangehende Anpassungsphase und die Temperatur während des jeweiligen Tests. [10]

Medizinische Bezeichnungen

• Textus adiposus fuscus: braunes Fettgewebe.
• Textus adiposus albus: weißes Fettgewebe.
• Adipocytus fuscus: braune Fettzelle.
• Adipocytus albus: weiße Fettzelle. [12]
• Lipolyse: Spaltung gespeicherter Fette.
• Thermogenese: Wärmebildung.
• Akklimatisation: Anpassung an wiederkehrende Umweltbedingungen.

Verbundene Wissensbereiche

• Stoffwechsel: Verarbeitung und Austausch zwischen Organen
• Fettstoffwechsel: Aufnahme, Speicherung und Oxidation
• ATP und Energieumsatz in der Zelle
• Temperaturregulation: Wärmebilanz, Haut und Regelkreise
• Autonomes Nervensystem: verteilte Regulation