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方法文章

体内磷-31磁共振波谱：一种用于测量人体骨骼肌线粒体氧化磷酸化能力的工具

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DOI：

10.3791/54977

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2017年1月19日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Davis Heart and Lung Research Institute, The Ohio State University, 2Laboratory of Clinical Investigation, National Institute on Aging, 3Division of Endocrinology, Diabetes and Metabolism, The Ohio State University, 4Department of Human Sciences, Human Nutrition, The Ohio State University, 5Division of Endocrinology and Diabetes, Department of Pediatrics, University of Pennsylvania

本文内容

摘要

这项工作证明了一种方法的可行性 体内 磷-31磁共振波谱学（31采用磷酸磁共振波谱（PMRS）技术定量人体骨骼肌中线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）能力。

摘要

骨骼肌线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）能力在健康与疾病中具有至关重要的作用，可通过磷-31磁共振波谱（31PMRS）在人体内无创地进行活体测量。然而，由于方法学存在差异且文献中缺乏明确指导，该技术尚未在转化医学和临床研究中得到广泛应用。进一步优化、标准化并推广活体31PMRS检测方法，将有助于开发以提升OXPHOS能力为目标的靶向疗法，并最终对心血管健康产生积极影响。31PMRS可提供一种无创的、活体评估人体骨骼肌OXPHOS能力的方法，相较于通过肌肉活检获取离体且可能已发生改变的线粒体所得到的替代性指标更具优势。该技术仅需在大多数机构已用于临床和转化研究的磁共振成像设备基础上，增加少量附加仪器即可实现。本文介绍了一种用于测量活体骨骼肌OXPHOS能力的方法。该技术以配备适用于31PMRS的硬件和软件的1.5特斯拉全身磁共振扫描仪为例进行演示，并阐述了一种简单而可靠的磁共振扫描仪内抗阻运动方案，可快速使股四头肌达到疲劳状态。该方法在志愿者以及功能能力范围广泛的受试者中均展示了良好的可重复性和可行性。

引言

本研究的目的是概述一种可重复的非侵入性测量方法 体内 骨骼肌线粒体功能在具有广泛能力差异的个体中表现各异。线粒体功能异常是多种代谢综合征和遗传性疾病的重要特征，涵盖从衰老、糖尿病等常见病症到弗里德赖希共济失调等罕见疾病。

代谢综合征与线粒体功能障碍

代谢综合征已被证实会破坏线粒体功能，抑制骨骼肌氧化磷酸化（OXPHOS），并导致骨骼肌内异位脂质蓄积1,2。作为调控代谢和能量稳态的关键细胞器，线粒体参与了肥胖3,4、胰岛素抵抗5、2型糖尿病（T2DM）6,7、糖尿病相关微血管8,9,10,11和大血管并发症12,13，以及非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）14,15,16等多种疾病的病理生理过程。胰岛素抵抗的特征是骨骼肌线粒体活性发生显著改变，包括三羧酸（TCA）循环通量速率、ATP合成速率以及柠檬酸合酶和NADH:O2氧化还原酶活性的下降5。一种假说认为，这些改变可能是由于肌肉中游离脂肪酸（FFA）代谢产物的积累所致，而这种积累在肥胖及其他与肥胖相关的疾病中明显增强2,17。肌肉暴露于升高的FFA和脂质中间产物可降低脂质氧化通路、TCA循环及电子传递链（ETC）相关基因的表达水平18。在线粒体脂质超载的情况下，骨骼肌OXPHOS能力的下降伴随着线粒体数量（含量和生物合成）19和质量功能的减退20。将骨骼肌和肌细胞暴露于FFA会导致严重的胰岛素抵抗，而在人类和啮齿类动物中，肌肉对FFA摄取的增加均与胰岛素抵抗相关21。脂质中间产物神经酰胺和二酰基甘油（DAG）已被证明可通过改变蛋白激酶C和蛋白激酶B等激酶的活性，直接抑制胰岛素信号通路21。因此，脂质来源的分子似乎在骨骼肌胰岛素抵抗和T2DM的发生发展中起着重要作用。然而，目前尚不清楚线粒体功能能力的改变是胰岛素抵抗的原因还是其结果22。

弗里德赖希共济失调与线粒体功能障碍

OXPHOS 降低也可能由遗传缺陷引起。弗里德赖希共济失调（FA）是最常见的遗传性共济失调类型，是一种由frataxin（FXN）基因突变引起的遗传性疾病，导致线粒体内铁蓄积、活性氧产生以及氧化磷酸化异常。23,24,25,26这一重要发现推动了靶向治疗的发展，旨在改善细胞亚微结构水平上的线粒体功能。尽管对此已有一定认识，但在该领域仍缺乏足够的进展 体内，用于FA临床研究的可重复生物标志物。事实上，FA靶向治疗有效评估面临的一个关键障碍是无法追踪线粒体功能的变化。目前的功能性检测方法例如能够识别心输出量下降；然而，它们无法确定功能障碍发生的具体水平（图1开发一种可靠的线粒体功能标志物，用于识别和评估弗里德赖希共济失调症的疾病进展，对于衡量靶向治疗的相关机制影响至关重要。

氧化磷酸化功能障碍与心脏功能异常

线粒体功能异常（无论是获得性还是遗传性）可能促进心脏功能障碍的发生或发展。在压力超负荷和心力衰竭条件下，主要能量底物偏好会从游离脂肪酸（FFA）转变为葡萄糖。这与电子传递链（ETC）活性及氧化磷酸化能力下降相关27。线粒体生物能量学在心脏功能障碍中的病理生理机制可能因线粒体缺陷的初始病因不同而有所差异。糖尿病和代谢综合征会导致心肌中出现线粒体异常，例如生物合成受损和脂肪酸代谢障碍，从而引起底物灵活性降低、能量效率下降，并最终导致舒张功能障碍28,29。而在法布里病（FA）中，frataxin 缺乏会导致心肌细胞线粒体内铁大量积聚30,31。铁的积聚可通过芬顿反应（Fenton reaction）促进自由基生成32，增加自由基诱导的心肌细胞损伤风险。线粒体内铁积聚还与氧化应激敏感性增加以及氧化能力下降相关30,31。因此，由于frataxin缺乏所导致的铁积聚及其继发的线粒体功能异常，可能是FA患者出现心肌能量代谢障碍和心肌病的原因33,34。值得注意的是，骨骼肌线粒体氧化能力下降与心力衰竭（HF）患者的运动耐受性降低和代谢能力减退呈平行关系35。如本文所述，骨骼肌OXPHOS能力的测定方法易于实施且结果可靠；结合骨骼肌OXPHOS在心力衰竭中的重要意义，这些特性使其成为心血管疾病综合研究中一个具有吸引力的生物标志物36。

氧化磷酸化（OXPHOS）功能受损及其伴随的心脏功能障碍并非代谢性疾病和线粒体疾病中无关紧要的方面。患有糖尿病和代谢性疾病的个体发生心血管疾病的风险更高，并且在心肌梗死（MI）后具有更高的超额死亡率37,38,39,40,41；超过一半的脂肪酸氧化障碍（FA）患者存在心肌病，其中许多死于心律失常或心力衰竭42。因此，对OXPHOS降低程度进行定量检测不仅有助于心脏功能障碍的早期发现和治疗，还可能减轻这些疾病中的主要临床负担。

直接增强氧化磷酸化（OXPHOS）能力的靶向治疗是改善患者治疗效果的一个有前景的方向，无论代谢功能障碍的病因是遗传性的还是获得性的。目前，开发新型靶向药物，以缓解异常的线粒体功能43或纠正原发性遗传缺陷44，可改善脂肪酸氧化障碍（FA）所特有的生物能量代谢紊乱。对于获得性线粒体功能障碍，增加体力活动可改善线粒体功能45,46,47。

31磷磁共振波谱作为线粒体功能的非侵入性生物标志物

无论测试何种疗法，对骨骼肌生物能量学进行整合的体内评估都是评估靶向干预效果的关键工具，尤其是在严重运动不耐受或无法接受常规代谢检测的受试者中。针对磷元素调谐的磁共振波谱技术（31PMRS）利用体内各种高能底物中天然存在的磷原子核，已被用于量化线粒体氧化能力，其方法包括磁体内运动-恢复方案和肌肉刺激方案48。运动-恢复方案所依赖的装置复杂程度不一，从可调节和测量负荷的磁共振兼容功率计，到仅由绑带和垫片组成的简单结构，均可实现爆发性抗阻运动或准静态运动。这些方案的主要目标之一是诱发能量失衡，使三磷酸腺苷（ATP）的需求最初通过磷酸肌酸（PCr）经肌酸激酶反应的酶解来满足49。运动停止后，ATP的生成速率主要由氧化磷酸化（OXPHOS）主导，反映了线粒体在体内的最大功能容量50。此外，运动后恢复期的OXPHOS过程可用一级反应动力学描述51。因此，PCr在运动后的恢复过程可通过拟合指数时间常数（τPCr）进行量化，τPCr值越小，代表氧化ATP合成能力越强。已有大量研究致力于将31PMRS结果与体外及更直接的OXPHOS测量方法进行验证，并展示了该技术潜在的临床应用价值52,53,54,55。

值得注意的是，本研究中描述的方案可在临床可用的扫描仪上实施，并已被广泛验证为线粒体功能的一种非侵入性生物标志物56。然而，针对具有不同严重程度神经肌肉功能障碍或行动能力受限个体的运动31磷磁共振波谱（PMRS）方案尚未得到充分建立57。一个定义明确且具有广泛适用性的运动方案与31PMRS技术，对于评估存在线粒体功能基本异常的疾病将尤为有用。

既往多项研究已探讨了非侵入性技术在量化受试者线粒体功能方面的应用。例如，这些技术已显示出2型糖尿病患者存在氧化磷酸化（OXPHOS）功能受损36。Lodi et al. 首次在弗里德赖希共济失调（FA）患者中测试了磷磁共振波谱（PMRS）技术的可行性，并发现：1）FA中的基本遗传缺陷会损害骨骼肌的OXPHOS功能；2）GAA三核苷酸重复次数与骨骼肌OXPHOS功能呈负相关33。最近，Nachbauer et al. 在一项针对7名FA患者的药物试验中将PMRS作为次要结局指标。与对照组相比，FA患者的磷酸肌酸（PCr）恢复时间显著延长，这一结果再次证实了Lodi的早期研究结论，表明FA中异常的frataxin表达可导致线粒体功能下降，而该变化可通过PMRS技术检测到58。

可靠的方法以充分界定 体内 以可行、经济且可重复的方式评估骨骼肌功能，对于改善多种影响线粒体功能疾病的患者预后至关重要。

本研究概述了一种获得 体内 使用骨骼肌最大氧化能力测定 31PMRS。磁体内运动方案可被身体功能和活动能力差异较大的个体良好耐受，且使用廉价且广泛可得的设备，简化了受试者的准备工作。

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方案

本方案已获得俄亥俄州立大学机构审查委员会（Institutional Review Board）的批准，并遵循其关于人体研究的指导方针。所有涉及磁共振（MR）设备的操作必须由经过充分培训的人员严格按照最高标准的磁共振安全规范执行59。

1. 材料与准备

  1. 确保实验前所有必需材料均已备齐（图2）。
  2. 将31P线圈插入检查床靠近磁体孔端的内置线圈连接口。在MR检查床头部附近放置一个大型三角形泡沫垫，但不要直接放在31P线圈上。在MR检查床远离磁体孔的一端放置头枕，以提高受试者的舒适度。

2. 受试者体位（图 3a）

  1. 指导受试者仰卧于磁共振检查床上，足部先进入。在膝盖下方放置泡沫垫，使腿部保持轻度屈曲状态。
  2. 将受试者置于检查床右侧（以受试者自身右侧为准），以便尽可能使左大腿中心对准磁体等中心，从而确保待检大腿肌肉区域具有最佳的B0磁场均匀性。为受试者提供耳塞和/或耳机。
  3. 将31P射频线圈置于左侧股四头肌上，位置大约在髌骨与股骨头之间的中点处，并使用绑带将其固定于腿部。线圈应放置于腿部外侧，位于股外侧肌上方。
  4. 使用固定线圈的相同绑带，将婴儿油固定于大腿内侧。这有助于扫描定位。
  5. 在线圈下方、膝盖上方用绑带将双腿绑在一起。另用两条绑带将受试者的双腿固定于磁共振检查床上，一条位于膝盖上方，另一条位于膝盖与踝关节之间的中点处。
  6. 利用激光光标标示线圈中心，并以该中心为定位标志，移动检查床至磁体等中心位置。

3. 运动方案

  1. 向受试者说明，运动实验方案包括三个阶段：初始的基线期、短暂的高强度运动期以及恢复期。
  2. 指导受试者在光谱数据采集的基线期和恢复期保持平躺，放松腿部肌肉，以尽量减少运动伪影。
  3. 向受试者进行倒数，提示运动开始。此时，要求受试者尽可能用力且快速地对抗绑带阻力进行膝关节伸展/屈曲运动。
    注意：使用股四头肌带动左下肢上下运动，直至收到停止指令。
  4. 当磷酸肌酸（PCr）峰高下降30%时，终止运动。
    1. 在数据采集显示窗口中观察PCr峰高的变化，并在运动阶段结束后再次查看。
      注意：一般而言，PCr峰高下降约30%时，无机磷（Pi）峰高约为PCr峰高的50%。若在运动阶段PCr消耗不足30%，可鼓励受试者在运动时踢得更用力或更快。
      注意：运动终止的判断依据是PCr峰高的变化及运动持续时间。不同受试者的运动时长可能略有差异，此情况可在后续分析中予以校正。

4. 扫描方案

  1. 获取三平面定位像以验证受试者体位是否正确，并确定目标区域的位置 31P线圈
    注意：定位序列将自动开始，并利用激光导向（步骤 2.9）在指定位置居中。
  2. 获取第二个三平面定位像。
    1. 在首个三平面定位图像上打开切片视图。
      注意：此过程可能因不同的软件和硬件系统而异。
    2. 通过左键单击并按住切片组来居中并旋转切片方向。旋转切片组，确保切片的最终方向与婴儿油的位置相匹配。
    3. 在序列程序窗口中，增加层面数量，以在轴向和矢状图像中覆盖整个腿部图3b).
  3. 31P 谱学序列：
    1. 使用以下非定域脉冲-采集序列参数：TR：1,000 msec；TE：0.34 msec；谱宽：2,000 Hz；翻转角：90度；采集数据点：1,024；4次累加，时间分辨率为每6秒1个谱
  4. 31P型垫片盒放置：
    1. 使用鼠标将第二组三平面定位图像拖至屏幕顶部的查看窗口中。将波谱序列拖至方案窗口并双击打开。
    2. 使用位置工具栏可视化匀场体素（选择带水平线的黑色矩形）。选择此选项后，在定位图像上观察一个绿色框。
      注意：这是匀场体素。
    3. 通过左键单击并按住体素中心来移动体素。通过左键单击并按住方框角落处的体素来调整体素大小并旋转其方向。放置匀场盒时，应确保其位于线圈正下方，且与股四头肌平面平行，以保证B0磁场的均匀性。
      注意：这是为了确保线圈下方敏感区域内的正确匀场，该区域即位于线圈中心正下方的组织体积。
    4. 使用三平面定位图像识别线圈的敏感区域，并调整匀场盒以包含股四头肌内的该区域。
      注意：为了确保数据采集体素内的B0均匀性，垫片盒的尺寸可以大于表面线圈的实际覆盖范围图3c).
    5. 31P 测试获取：
      1. 打开采集查看窗口，然后在采集工具栏中选择头部图标。这将实现实时查看波谱采集过程。
      2. 放置31P匀场体素后，点击协议窗口顶部的“run”按钮运行序列，以获取单个谱图。
      3. 检查B0匀场质量。在采集窗口中观察所得谱图，应看到以0 ppm为中心的明显PCr峰，且无显著噪声。图4a，左侧。
        注意：故障排除：若谱图显示噪声较大，请确保匀场框位于肌肉组织内。调整匀场框的大小和位置以提高信噪比。根据需要重复测试采集。
      4. 为了观察PCr峰的高度，需在波谱分析工具中打开波谱（“Applications” → “Spectroscopy”）。打开患者文件夹（文件夹树图标），选择相应的扫描数据，双击以加载波谱。
  5. 运动前T1加权像：
    1. 在线圈中心获取单层轴向T1加权图像。
  6. 31运动前P值采集：
    1. 复制第4.4步中获得最佳光谱质量的序列：在协议窗口中，通过左键点击并拖动选中该序列。后续所有测量均使用此序列。
    2. 在序列程序窗口中，将测量次数从1次增加至10次。选择运行，以在受试者静息状态下采集10次测量数据。
  7. 31P运动训练数据采集：
    注意：请仔细记录运动开始和结束的时间，这对后续分析非常重要。
    1. 静息：应用上一次扫描的匀场参数，设置序列以采集20次测量数据。指导受试者在倒数结束后开始踢腿运动，随后指示受试者保持静息状态，持续2次测量。
    2. 运动：要求受试者进行约30秒的膝关节伸展运动（或持续至PCr峰振幅降低30%所需的时间）。当受试者达到足够的PCr耗竭后，要求其休息。
  8. 31运动后采集：
    1. 在静息状态下再采集20次测量数据。确保运动后的数据采集紧随运动流程结束后立即开始，中间不得暂停或进行匀场。图 4a，右侧。
      注意：将此恢复期分为两次独立采集，可在进行第二组20个动态谱采集的同时分析前20个动态谱，从而使操作者在需要重复运动试验时避免完成整个恢复期的采集。
  9. 确保运动质量：
    1. 比较运动开始和结束时的磷酸肌酸（PCr）峰高度。高质量的运动过程会导致PCr浓度下降约30%。
    2. 验证PCr峰高在休息开始时与恢复结束时相同（通常情况下， < 期望差异为10%。这可确保在数据采集过程中磁场均匀性几乎没有损失。
      注意：如果磷酸肌酸（PCr）分解不足，或磁场均匀性丧失，则需重复检查中的运动/恢复部分（注意避免疲劳），确保线圈和绑带已牢固固定，并延长运动时间和/或鼓励进行更剧烈的运动（图4b).
      注意：对第6步和第11步获得的图像进行比较，可作为额外的质量控制步骤，用于观察运动过程中大腿和线圈是否发生位移，从而确保在实验过程中位移最小，避免对采集的数据产生显著影响。
  10. 运动后T1成像完成后，使用相同的采集参数重复进行运动前轴位T1成像（步骤4.5）。
    1. 除了充分耗尽磷酸肌酸（PCr）外，还需测定运动结束时的pH值，以确保运动未引起肌肉酸中毒。
    2. 通过测量无机磷（Pi）与磷酸肌酸（PCr）之间的化学位移（δP）来完成此操作i）并使用以下公式60:
      pH = 6.77 + log[(δPi-3.29)/(5.68-δPi)]
      注意：pH 应保持在 6.8 以上61如果磷酸肌酸分解充分但pH值过低，可缩短运动时间 和/或 降低运动强度，重复进行该次运动。
  11. 保存数据：
    1. 将所有采集的光谱保存为DICOM文件，并导出以供使用JMRUI进行处理。
    2. 如果使用扫描仪，在“Navigator”窗口中选择所有光谱采集。
    3. 在“应用”中选择“Dicom 工具” → “导出 MR 波谱”，并将 DICOM (*.dcm) 文件保存至 C:/User/MedCom/temp/CDROFFLINE
      （该工具将自动选择此位置）。
    4. 在“传输”下，选择“导出至离线设备”，并保存到指定位置。

5. 数据处理与分析62

  1. 使用免费的 JMRUI 软件（版本 5.2；http://www.jmrui.eu/）分析 MR 谱图。
  2. 对谱图进行加窗处理和相位校正，以确保所有采集时间点之间的一致性（图 5）。谱图中 PCr 峰将位于 0 ppm 处。
  3. 使用内置的 AMARES 算法量化每张采集谱图中 PCr 峰的幅值。该峰幅值代表在特定时间点表面线圈敏感区域内 PCr 的浓度。
  4. 在计算软件中，将 PCr 浓度随采集时间作图。利用软件内置的曲线拟合工具，将 PCr 恢复期数据拟合至以下方程52,63：
    磷酸肌酸衰减公式，PCR(t)=PCR₀+PCRΔ*e^(1/τ)，动力学分析方程。
  5. 记录基线 PCr（静态平衡；方程；PCR₀ + PCRΔ；物理公式；研究用途；分析方法。）、最低 PCr（静态平衡方程，ΣFx=0，物理学研究中的公式。）以及恢复时间（LaTeX 数学方程，显示静态平衡，ΣF=0，含力矩分量分析示意图。）的数值。
  6. 通过计算 PCr 耗竭程度（即基线 PCr 与最低 PCr 之间的百分比差异）来确保运动阶段满足适当条件。理想的运动阶段应导致 20–50% 的 PCr 耗竭。
    注意：可通过验证拟合优度 R2 值是否大于 0.75 来保证曲线拟合的质量。R2 值由拟合软件自动计算。

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结果

可重复性研究

六名无自报心脏病、代谢疾病或线粒体疾病的志愿者（4名男性和2名女性；平均年龄：24.5 ± 6.2岁）在1周内的不同两天接受了所述的31PMRS运动与成像技术检查，以评估该技术的可重复性（图6a）。在健康志愿者中进行的研究证实了31PMRS技术在定量评估线粒体功能方面的可重复性。磷酸肌酸（PCr）恢复时间的Bland-Altman分析显示，平均差异的标准差为1.03 ± 4.83秒，试验间变异系数为4.66（图6b）。如方案第4步所述，无需对方法部分描述的数据采集或分析流程进行任何修改即可获得高质量数据。这些结果表明，本文所述的采集与分析技术具有良好的可重复性。

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讨论

本文介绍了一种用于31P磁共振波谱（MRS）检查的标准方案，可对骨骼肌线粒体功能进行系列、无创的活体in vivo检测。鉴于代谢综合征日益加重及其导致的发病率与死亡率问题，该方法在广泛的相关研究中具有重要应用价值。本31P MRS方案所需扫描时间较短，可整合至任何配备商用MRS设备的机构所开展的综合性代谢研究中。

方案中的关键步骤

禁忌症- 在进行磁共振（MR）检查之前，必须对受试者进行潜在禁忌症的筛查。除常规的MR排除标准外，在实施本方案前还应考虑以下情况：1）同侧膝关节或髋关节植入物（无论是否与MR兼容），以避免产生伪影；2）可能限制下肢血流或氧气输送的疾病（例如，外周动脉疾病）；3）无法完成抗阻性股四头肌伸展运动；4）无法仰卧约30分钟。

运动伪影减少 - 应尽量减少31

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作部分得到了戴维斯心脏与肺研究所Trifit奖以及美国国立卫生研究院国家衰老研究所院内研究计划的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1.5 T 磁共振扫描仪Siemens制造商不会影响结果
10 cm 31P 发射-接收线圈，兼容 1.5TPulseTeq制造商不会影响结果
3 fl oz 婴儿油Johnson & Johnson制造商不会影响结果
泡沫三角垫（膝部）Siemens制造商不会影响结果
(3) 塑料搭扣电阻带；床体至床体Siemens制造商不会影响结果
(1) 塑料搭扣电阻带；自连接式Siemens

参考文献

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