Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Fosfor-31 magnetische resonantie spectroscopie: een instrument voor het meten In Vivo Mitochondrial Oxydatieve Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

11K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/54977

⸱

19 januari 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

Dit werk toont de haalbaarheid aan van een in vivo fosfor-31 magnetische resonantiespectroscopie (31PMRS) techniek om mitochondriale oxidatieve fosforylering (OXPHOS) capaciteit in menselijke skeletspier te kwantificeren.

Samenvatting

De capaciteit van mitochondriale oxidatieve fosforylering (OXPHOS) van skeletspieren, die van cruciaal belang is voor gezondheid en ziekte, kan worden gemeten in vivo en non-invasief bij mensen via fosfor-31 magnetische resonantiespectroscopie (31PMRS). Echter, de aanpak is niet op grote schaal toegepast in translationeel en klinisch onderzoek, met variaties in methodologie en beperkte begeleiding uit de literatuur. Verhoogde optimalisatie, standaardisatie en verspreiding van methoden voor in vivo 31PMRS zou de ontwikkeling van gerichte therapieën om de OXPHOS-capaciteit te verbeteren, faciliteren en uiteindelijk een gunstige invloed kunnen hebben op de cardiovasculaire gezondheid. 31PMRS produceert een non-invasieve, in vivo maat voor OXPHOS-capaciteit in menselijke skeletspieren, in tegenstelling tot alternatieve metingen verkregen uit explanted en mogelijk gewijzigde mitochondriën via spierbiopsie. Het vereist slechts bescheiden aanvullende instrumentatie bovenop wat er al aanwezig is op magnetische resonantiescanners beschikbaar voor klinisch en translationeel onderzoek bij de meeste instellingen. In dit werk schetsen we een methode om in vivo skeletspier OXPHOS te meten. De techniek wordt gedemonstreerd met behulp van een 1,5 Tesla whole-body MR-scanner uitgerust met de geschikte hardware en software voor 31PMRS, en we leggen een eenvoudig en robuust protocol uit voor resistieve oefening in de magneet om snel de quadriceps-spier te vermoeien. Reproduceerbaarheid en haalbaarheid worden gedemonstreerd bij vrijwilligers evenals bij subjecten over een breed scala aan functionele capaciteiten.

Inleiding

Het doel van dit werk is om een reproduceerbare methode om niet-invasief te meten in vivo skeletspier mitochondriale functie in natuurlijke personen die een breed scala aan mogelijkheden te schetsen. Afwijkende mitochondriale impairment is een kenmerk van een breed scala van metabool syndroom en genetische ziekten, van gemeenschappelijke voorwaarden, zoals de vergrijzing en diabetes om zeldzame aandoeningen zoals ataxie van Friedreich.

Metabool syndroom en mitochondriale dysfunctie

Metabool syndroom is aangetoond dat mitochondriale functies verstoren, drukt skeletspier OXPHOS en ectopische lipide opslag in skeletspier 1, 2. Zo kritisch organellen regeling van het metabolisme en energie homeostase, worden mitochondriën betrokken bij de pathofysiologie van obesitas 3, 4, 5 insulineresistentie , Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM) 6, 7, diabetes gerelateerde micro- 8, 9, 10, 11 en macrovasculaire complicaties 12, 13, en non-alcoholische fatty leverziekte (NAFLD) 14, 15, 16, onder anderen .Insulin weerstand wordt gekenmerkt door ingrijpende veranderingen in de skeletspier mitochondriale activiteit, met inbegrip van verminderde mitochondriale tricarbonzuur (TCA) flux rate, ATP-synthese rate, en citraat synthase en NADH: O 2 oxidoreductase activiteit 5. Een hypothese is dat deze veranderingen kan worden veroorzaakt door de accumulatie van vrije vetzuren (FFA) metabolieten in de spier, die aanzienlijk zijn verhoogd bij obesitas en andere obesitas-ropgetogen ziekten 2, 17. De blootstelling van spier FFAs verhoogde lipide en tussenproducten kunnen de expressie van genen in de lipide oxidatieve route en de TCA cyclus elektronen transportketen (ETC) 18 verlagen. Deze vermindering van mitochondriale skeletspier OXPHOS capaciteit in de setting van een lipide overbelasting gaat gepaard met een daling van de kwantitatieve (inhoud en biogenese van mitochondria) 19 en kwalitatieve functie van skeletspieren mitochondriën 20. Blootstellen skeletspier en myocyten aan FFA leidt tot ernstige insulineresistentie en verhoogde FFA-opname in spieren geassocieerd met insulineresistentie bij zowel mensen als knaagdieren 21. De lipide ceramide tussenproducten en diacylglycerol (DAG) is aangetoond dat de insuline-signaleringsroute remt rechtstreeks door het veranderen van de activiteit van kinasen, zoals proteïne kinase C en protein kinase B 21. Daarom lipide afgeleide moleculen lijken een belangrijke rol in de ontwikkeling van skeletspieren insulineresistentie en T2DM spelen. Het blijft echter onduidelijk of veranderingen in het mitochondriaal capaciteit zijn een oorzaak of een gevolg van insulineresistentie 22.

Friedrich Ataxie en mitochondriale dysfunctie

Verminderde OXPHOS kan ook het gevolg zijn van genetische defecten. Friedrich's ataxie (FA), de meest voorkomende vorm van erfelijke ataxie, een erfelijke aandoening veroorzaakt door een mutatie in het frataxin (FXN) gen, wat resulteert in intra-mitochondriale ijzeraccumulatie, productie van reactieve zuurstof en afwijkingen van oxidatieve fosforylering 23, 24, 25, 26. Deze belangrijke ontdekking heeft geleid tot de ontwikkeling van doelgerichte therapie, which doel om de mitochondriale functie in het sub-cellulair niveau te verbeteren. Ondanks dit inzicht is er beperkte ontwikkeling van de in vivo, reproduceerbare biomarkers voor FA klinisch onderzoek geweest. In feite een kritische barrière in de effectieve evaluatie van gerichte therapieën in FA is het onvermogen om veranderingen in mitochondriale functie volgen. Huidige functionele maatregelen bijvoorbeeld kunnen identificeren verminderde cardiale output; ze zijn echter niet in staat de bepaling van de hoogte waar de disfunctie optreedt (figuur 1). De ontwikkeling van een betrouwbare merker van mitochondriale functie die kan worden gebruikt voor het identificeren en evalueren ziekteprogressie in ataxie Friedrich cruciaal is voor de desbetreffende mechanistische effect van gerichte therapieën meten.

Verminderde OXPHOS en Cardiac Dysfunction

Afwijkende mitochondriale functie, ofwel verworven of genetische, kunnen bijdragen tot de ontwikkeling of progressie van Cardiac disfunctie. Onder de voorwaarden van de druk overbelasting en hartfalen, de primaire energie substraat voorkeur schakelt van FFA in glucose. Dit gaat gepaard met een verminderde activiteit ETC en oxidatieve fosforylering 27. De pathofysiologie van mitochondriale bio-energetica in cardiale dysfunctie kunnen verschillen, afhankelijk van de primaire oorsprong van het mitochondriale defect. Diabetes en het metabool syndroom leidt tot mitochondriale afwijkingen in de hartspier, zoals verminderde biogenese en vetzuur metabolisme, wat leidt tot een verminderde substraat flexibiliteit, energie-efficiëntie, en uiteindelijk, diastolische dysfunctie 28, 29. In FA, daarentegen, een frataxin deficiëntie resulteert in significante mitochondriale ijzer accumulatie in cardiomyocyten 30, 31. Ijzer accumulatie leidt tot de productie van vrije radicalen via de Fenton reactie 32 </ Sup> en verhoogt de kans van vrije radicalen geïnduceerde cardiomyocyt schade. Intra-mitochondriale ijzeraccumulatie wordt ook geassocieerd met een verhoogde gevoeligheid voor oxidatieve stress en een verminderde oxidatieve capaciteit 30, 31. Ijzerstapeling en de daaropvolgende afwijkende mitochondriale functie, als gevolg van frataxin tekort, kan daarom verantwoordelijk voor de verminderde cardiale energetica en cardiomyopathie waargenomen in FA 33, 34. Het is ook interessant om op te merken dat de verminderde oxidatieve capaciteit in de skeletspier mitochondria loopt parallel met de uitoefening intolerantie en verminderde metabole capaciteit bij hartfalen (HF) 35. Meting van skeletspieren OXPHOS capaciteit, zoals hierin beschreven, gemakkelijk uitvoerbaar en robuust; in combinatie met de betekenis van de skeletspier OXPHOS in HF, deze functies maken het een aantrekkelijke biomarker in uitgebreide studies van horent ziekte 36.

Verminderde OXPHOS en de bijbehorende cardiale disfunctie is niet een onbelangrijk aspect van metabole en mitochondriale ziekte. Patiënten met diabetes en metabole ziekten zijn op een hoger risico op het ontwikkelen van hart- en vaatziekten en hebben oversterfte na een myocardinfarct (MI) 37, 38, 39, 40, 41; meer dan de helft van de FA onderwerpen hebben cardiomyopathie, en velen sterven van hartritmestoornissen of hartfalen 42. Daarom kwantificering van verminderde OXPHOS kan niet alleen zorgen voor vroege opsporing en behandeling van cardiale dysfunctie, maar het kan ook vermijden kan een belangrijke klinische last bij deze ziekten.

Therapieën gericht OXPHOS capaciteit gaat plaatsvinden is een veelbelovend gebied voor de behandeling van patiënten verbeteren, whether de oorzaak van metabole stoornissen is genetische of verworven. Momenteel is de ontwikkeling van nieuwe gerichte geneesmiddelen die ofwel abnormale mitochondriale functie 43 verlichten of verbeteren van de primaire genetische defect 44 kan de bio-energetica gestoorde kenmerkend FA verbeteren. Bij verkregen mitochondriale dysfunctie kan verhoogde fysieke activiteit verbeteren mitochondriale functie 45, 46, 47.

31 Fosfor Magnetische Resonantie Spectroscopie als een niet-invasieve Biomarker van mitochondriale functie

Ongeacht het geteste therapie, een geïntegreerd in vivo bepaling van skeletspier bioenergetica is een belangrijk hulpmiddel om het effect van gerichte interventies te beoordelen, vooral bij patiënten met ernstige inspanningsintolerantie of het onvermogen van conventionele metabo ondergaanlic testen. Resonantiespectroscopie afgestemd op fosfor (31 PMRS), een endogene kern in diverse energierijke substraten in cellen in het lichaam, is gebruikt om mitochondriale oxidatieve capaciteit gekwantificeerd met verschillende methoden, met inbegrip van magneet oefening terminaal protocollen spierstimulatie protocollen 48. De uitoefening terminaal protocollen berusten op verschillende inrichting variërend in complexiteit van MRI-compatibele ergometers die regelen en meten werkdruk eenvoudige configuraties van riemen en pads waardoor burst-type ohmse en quasi-statische oefening. Een van de belangrijkste doelen van elke van deze protocollen is een energiebalans waarvoor de vraag naar adenosinetrifosfaat (ATP) aanvankelijk door de enzymatische afbraak van creatinefosfaat (PCR) wordt bereikt met creatine kinase reactiemengsel 49 te produceren. Na stopzetting van de oefening, is de snelheid van de ATP productie wordt gedomineerd door oxidatieve phosphorylation en is de maximale in vivo capaciteit van de mitochondriën 50. Bovendien kunnen OXPHOS tijdens de hersteltijd na het sporten worden beschreven door een eerste-orde snelheid reactie 51. De post-oefening herstel van de PCR kan derhalve worden gekwantificeerd door het aanbrengen van een exponentiële tijdconstante (τ PCR), met kleinere waarden van τ PCR vertegenwoordigen grotere capaciteit voor oxidatieve ATP synthese. Aanzienlijke inspanningen zijn gedaan om 31 DVS tegen ex vivo en meer directe metingen van OXPHOS valideren en demonstreren de mogelijke klinische toepasbaarheid van deze techniek 52, 53, 54, 55.

Met name kan de in dit werk beschreven protocol worden uitgevoerd op klinisch beschikbare scanners, en is op grote schaal gevalideerd als biomarker noninvasive of mitochondriale functie 56. Echter, een oefening 31 DVS protocol geoptimaliseerd voor toepassing op mensen met wisselende ernst van neuromusculaire stoornis of de mobiliteit is niet goed vastgesteld 57. Een goed gedefinieerde, breed toepasbare inspanningsprotocol en 31 DVS techniek zou bijzonder nuttig zijn bij de evaluatie van ziekten met afwijkingen in fundamentele mitochondriale functie.

Verschillende eerdere studies hebben de toepassingen van niet-invasieve technieken onderzocht om de mitochondriale functie te kwantificeren bij patiënten. Zo hebben deze technieken getoond verminderde OXPHOS bij patiënten met type 2 diabetes 36. Lodi et al. Eerst de haalbaarheid van DVS technieken getest bij patiënten met FA en vonden dat 1) de fundamentele genetisch defect in FA schaadt skeletspier OXPHOS en 2) het aantal GAA triplet herhaling omgekeerd evenredig skeletspier OXphos 33. Recenter Nachbauer et al. gebruikte PMRS als secundaire uitkomstmaat in een FA drug proef met 7 vakken. PCR hersteltijd significant langer bij patiënten in vergelijking met controles, versterkend eerdere werk Lodi en waaruit blijkt dat de effecten van afwijkende frataxin meningsuiting in FA kan resulteren in een daling van de mitochondriale capaciteit die kan worden opgespoord met behulp van DVS technieken 58.

Betrouwbare methoden adequaat definiëren vivo skeletspierfunctie op een haalbare, kosteneffectieve en reproduceerbaar zijn cruciaal voor verbetering voorwerp resultaten bij een reeks van ziekten die mitochondriale functie beïnvloeden.

Dit werk schetst een deugdelijke procedure voor het verkrijgen van in vivo maximale oxidatieve capaciteit van de skeletspieren met behulp van 31 DVS. De in-magneet oefening protocol wordt goed verdragen door mensen verspreid over een breed scala aan fysieke en functionaliteitenl vaardigheden en biedt een vereenvoudigde onderwerp setup met behulp van goedkope en alom beschikbare apparatuur.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Dit protocol wordt goedgekeurd door en volgt de richtlijnen van de Ohio State University Institutional Review Board voor menselijke proefpersonen onderzoek. Het is van cruciaal belang dat alle procedures met betrekking tot MR-apparatuur worden uitgevoerd door adequaat opgeleid personeel vast te houden aan de hoogste normen van veiligheid MR 59.

1. Materialen en Voorbereiding

  1. Dat alle benodigde materialen zijn voor de proef (figuur 2).
  2. Steek de 31P spoel in de in-tafel spoel connector aan het eind van het examen tabel die het dichtst bij de boring. Zet een grote driehoek foam kussen in de buurt van het hoofd van de MR examen tafel, maar niet rechtstreeks op de 31P spoel. Plaats een hoofdkussen aan het andere uiteinde van de MR onderzoekstafel, het verst van het asgat onderworpen comfort.

2. Onverminderd Positioning (figuur 3a)

  1. Instrueer het onderwerp liggende, voeten liggeneerst op de MR tafel. Plaats een schuimkussen onder de knieën om het been in een gedeeltelijk gebogen stand ondersteunen.
  2. Plaats het onderwerp nabij de rechterzijde van de tabel (rechts van de proefpersoon) om de linkerdij zo dicht centrum tot de magneet isocentrum mogelijk, waardoor optimale B0 homogeniteit in de dijspier onderzocht. Voorzie het onderwerp met oordopjes en / of hoofdtelefoon.
  3. Plaats de 31 P RF spoel op de linker quadriceps op ongeveer het middelpunt tussen de knieschijf en de femurkop, en zet het been met behulp van riemen. Plaats de spoel via lateraal gedeelte van het been, boven de vastus lateralis.
  4. Bevestig de babyolie aan de mediale zijde van de dij met dezelfde banden gebruikt om de spiraal te bevestigen aan het been. Dit vergemakkelijkt scan lokalisatie.
  5. Binden benen van de patiënt samen met een riem onder de spoel en boven de knie geplaatst. Beveilig de benen van de patiënt aan de MR tafel met extra straps, een boven de knie en een halverwege tussen knie en enkel.
  6. Gebruik het laserlicht naar het midden van de spoel af te bakenen en verplaats de tafel om de magneet isocentrum met behulp van deze centrering mijlpaal.

3. Oefening Protocol

  1. Leg aan het onderwerp dat de uitoefening protocol bestaat uit drie fasen: een eerste, basislijn fase; een korte, intensieve training fase; en een fase van herstel.
  2. Instrueer het onderwerp stil te liggen en te ontspannen hun beenspieren tijdens de baseline en herstel fasen van de spectroscopie overname om bewegingsartefacten te minimaliseren.
  3. Zorg voor een aftellen naar het onderwerp met vermelding van het begin van de oefening. Op dit punt hebben het onderwerp in te leiden knie-extensie / flexie zo krachtig en zo snel mogelijk tegen de weerstand van de banden.
    OPMERKING: De quadriceps spieren worden gebruikt om de linker onderbeen op en neer bewegen, totdat de opdracht om te stoppen.
  4. Beëindigen oefening na een daling van 30%in de piekhoogte PCR.
    1. Let op De PCR piekhoogte in het venster overname viewer, en ook zien het na afloop van de oefening reeks.
      OPMERKING: Een algemene richtlijn is dat een ongeveer 30% daling van PCR piekhoogte overeenkomt met een Pi piek die 50% van de hoogte van de PCR piek. Als er PCR uitputting niet snel genoeg om een ​​daling van 30% tijdens de oefening fase van het examen te bereiken zich voordoet, aan te moedigen het onderwerp harder of sneller tijdens het sporten te schoppen.
      LET OP: Beëindiging van de oefening wordt bepaald door het monitoren van de PCR piekhoogte en de duur van de oefening. Dit kan resulteren in enigszins verschillende looptijden van oefening in verschillende patiënten en kunnen worden opgenomen in de analyse.

4. Scan Protocol

  1. Acquire een tri-plane localizer de juiste positionering te verifiëren onderwerp voor de plaats van de 31 P spoel.
    LET OP: De localizer reeks begint automatisch en centra op het indicated positie met behulp van het laserlicht gids (stap 2.9)
  2. Schaf een tweede tri-plane localizer.
    1. Open de slice uitzicht op de eerste tri-plane plaatsbepalende beelden.
      OPMERKING: Dit proces kan verschillend zijn voor verschillende software en hardware systemen.
    2. Center en draai de slice oriëntatie door met de linkermuisknop te klikken en vasthouden aan de slice-groep. Draai de slice-groep. Zorg ervoor dat de uiteindelijke oriëntatie van plakjes overeenkomt met de positie van de baby-olie.
    3. In de reeks routine venster, verhogen het aantal segmenten voor het hele been in de axiale en sagittale beelden (figuur 3b) omvatten.
  3. 31P spectroscopie volgorde:
    1. Gebruik de volgende niet-gelokaliseerde pulse-verwerven reeks parameters: TR: 1000 msec; TE: 0,34 msec; spectrale breedte: 2000 Hz; flip hoek: 90 graden; verkregen gegevens punten: 1024; 4 gemiddelden resulteert in een tijdsresolutie van 1 spectrum elke 6 sec.
  4. 31 P shim box plaatsing:
    1. Met behulp van een muis, sleept u de tweede triplane plaatsbepalende beelden in het weergavevenster aan de bovenkant van het scherm. Sleep de spectroscopie sequentie in het venster protocol en dubbelklik om te openen.
    2. Gebruik de positie werkbalk om de shim voxel (selecteer de zwarte rechthoek met horizontale lijnen) te visualiseren. Na het selecteren van deze optie, zich aan een groene doos op de plaatsbepalende beelden.
      LET OP: Dit is de shim voxel.
    3. Verplaats de voxel door met de linkermuisknop te klikken en vasthouden van de voxel in het centrum. Verander de grootte en draai de oriëntatie van de voxel door met de linkermuisknop te klikken en het vasthouden van de voxel op de hoek van de doos. Plaats het vulstuk box teneinde direct onder de spoel te waarborgen B0 veldhomogeniteit en evenwijdig aan het vlak van de quadriceps.
      Opmerking: Zo kan er voldoende vulplaten in het gevoelige gebied zorgen onder de spoel, wat het volume weefsel direct onder het midden van de spoel.
    4. Gebruik de tri-plane localizer beelden naar de sensitiv identificerene gebied van de spoel en stel het vulstuk box dit gebied in de quadriceps omvatten.
      OPMERKING: De vulstuk box kan groter zijn dan de werkelijke bereik van de oppervlaktespoel zijn om B0 homogeniteit binnen het data acquisitie voxel (figuur 3c) waarborgen.
    5. 31 P-test overname:
      1. Open het venster overname viewer en selecteer het pictogram hoofd in de overname werkbalk. Dit zal zorgen voor het bekijken van de spectroscopie overname in real time.
      2. Na plaatsing van de 31P shim voxel, voert u de volgorde om een ​​spectrum te verkrijgen door te klikken op de "run" knop aan de bovenkant van het venster protocol.
      3. Onderzoek de kwaliteit van de B0 shimming. Observeer de resulterende spectrum in het venster overname. Let op een prominente PCR piek gecentreerd op 0 ppm en geen significante ruis (figuur 4a, links).
        LET OP: Problemen oplossen: Als het spectrum lijkt luidruchtig, ervoor te zorgen dat het vulstuk doos wordt geplaatst in de spier. Advertentiealleen de grootte en positie van het vulstuk in om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Herhaal de test overname als dat nodig is.
      4. Om de piekhoogte PCr zien ( "Applications" → "Spectroscopy") opent het spectrum in het spectroscopie tool. Open de map van de patiënt (mapstructuur icoon), selecteert u de juiste scan en dubbelklik om het spectrum te laden.
  5. image Pre-oefening T1:
    1. Verkrijgen van een opname van één plak axiale T1 nadruk op het midden van een spoel.
  6. 31 P pre-oefening overname:
    1. Kopieer de sequentie uit stap 4.4 door met de linkermuisknop te klikken en de volgorde te slepen in het venster protocol (die de beste spectrale kwaliteit geproduceerd). Gebruik deze reeks voor alle volgende metingen.
    2. In de reeks routine venster, verhoging van het aantal metingen van 1 tot 10. Selecteer gerend naar 10 metingen te verwerven, terwijl het onderwerp in rust.
  7. 31 </ Sup> P oefening overname:
    OPMERKING: Maak goede nota van het begin en einde oefening tijden, omdat dit belangrijk voor de analyse zal zijn.
    1. Rest: Breng de shim instellingen van de vorige scan en stel de volgorde om 20 metingen te verwerven. Instrueer het onderwerp te beginnen schoppen na een countdown. Instrueer het onderwerp in rust te blijven voor 2 metingen.
    2. Oefening: de proefpersoon wordt gevraagd de knie-extensie oefening voor ~ 30 seconden (of de tijd vereist om een ​​30% afname in de piekamplitude PCR bereiken) voeren. Na het onderwerp bereikt voldoende PCr uitputting, vraag hen om te rusten.
  8. 31P post-exercise overnames:
    1. Verwerven een extra 20 metingen in rust. Zorg ervoor dat de post-oefening overnames te beginnen onmiddellijk na de oefening reeks, zonder pauze of vulplaten (figuur 4a, rechts).
      OPMERKING: De onderverdeling van deze herstelperiode in twee afzonderlijke acquisities maakt de analyse van de initial 20 dynamische spectra tijdens de acquisitie van de tweede 20 dynamische spectra, zodat de operator de verwerving van het volledige herstelperiode vermijden als de oefening moet worden herhaald.
  9. Zorgen oefening kwaliteit:
    1. Vergelijk de PCR piekhoogten aan het begin en het einde van de oefening. Hoogwaardige trainingssessies tot een ~ 30% afname van de PCR concentratie.
    2. Controleer of de piekhoogte PCR gelijk aan het begin van rust en aan het einde van herstel (typisch <10% verschil gewenst). Dit zorgt ervoor dat er was verwaarloosbaar verlies van het veld homogeniteit tijdens de acquisitie.
      LET OP: Als de PCR afbraak onvoldoende is, of als er een verlies van het veld homogeniteit is, herhaal de oefening / herstel gedeelte van het examen (zorg om vermoeidheid te voorkomen), ervoor te zorgen dat de spoel en riemen stevig bevestigd zijn, en uit te breiden de duur van de oefening en / of aan te moedigen meer krachtige oefening (Figuur 4b).
      NIETE: Een vergelijking van de verkregen beelden in stappen 6 en 11 toe dat een extra kwaliteitscontrole stap om verplaatsing van de dij en spoel visualiseren door de oefening, waardoor die minimale beweging zich tijdens het protocol, dat de verkregen gegevens aanmerkelijk kunnen beïnvloeden .
  10. Naar aanleiding van post-oefening T1 imaging, herhaal dan de pre-oefening axiale T1 imaging (stap 4.5) met behulp van dezelfde acquisitie parameters.
    1. Naast voldoende uitputting van PCR meet het einde oefening pH zodat de uitoefening niet acidose van de spier induceerde.
    2. Voer deze door meting van de chemische verschuiving tussen Pi en PCR (AP i) en met behulp van de volgende vergelijking 60:
      pH = 6,77 + log [(AP i -3,29) / (5,68-AP i)]
      NB: De pH-waarde moet groter zijn dan 6,8 61 blijven. Als de PCR verdeling is voldoende, maar de pH-waarde te laag is, herhaal de oefening Bout voor een korteer duur en / of met een verminderde intensiteit.
  11. Gegevens opslaan:
    1. Sla alle verworven spectra als DICOM-bestanden en te exporteren voor verwerking met behulp van JMRUI.
    2. Als met behulp van een scanner, selecteert u alle spectroscopie acquisities in het venster "Navigator".
    3. Onder "Applications", selecteer "Dicom Tools" → "Export MR Spectroscopy," en sla de DICOM (* .dcm) bestanden naar C: / User / MedCom / temp / CDROFFLINE
      (Het gereedschap kiest automatisch deze locatie).
    4. Onder "Transfer," select "Exporteren naar Offline." Opslaan op de gewenste locatie.

5. Data Processing and Analysis 62

  1. Analyseer de MR spectra met vrij verkrijgbare JMRUI software (versie 5.2; http://www.jmrui.eu/).
  2. Apodize en fase verschuiving van de spectra om de uniformiteit te garanderen over alle verworven tijdstippen (figuur 5). De PCR-piek wordt gecentreerd eent 0 ppm in de spectra.
  3. Gebruik de ingebouwde AMARES algoritme om de amplitude van de piek PCr kwantificeren Iedere afgenomen spectrum. De piekamplitude vertegenwoordigt de concentratie van PCr in het gevoelige gebied van de oppervlaktespoel op dat tijdstip.
  4. In de rekenkundige software plot de PCR concentraties als functie van de acquisitietijd. Met behulp van de ingebouwde rekensoftware curve-fit tool, passen de PCR herstelperiode gegevens naar de volgende vergelijking 52, 63:
    figure-protocol-1
  5. Noteer de waarden van de basislijn PCR ( figure-protocol-2 ), De laagste PCR ( figure-protocol-3 ), En de hersteltijd ( figure-protocol-4 .
  6. Zorg ervoor dat de juiste voorwaarden wordt voldaan tijdens de oefeprecieze sessie door berekening van de PCr uitputting, het procentuele verschil tussen de basislijn PCR en de laagste PCR. Ideaal trainingssessies resulteren in een 20 - 50% uitputting.
    OPMERKING: De kwaliteit van de curve fitting kan worden verzekerd door te controleren dat de R 2-waarde groter dan 0,75. R2 waarden worden automatisch berekend door de fitting software.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

reproduceerbaarheid Study

Zes vrijwilligers (4 mannen en 2 vrouwen, gemiddelde leeftijd: 24,5 ± 6,2 jaar) zonder zelf-gerapporteerde hart, metabole of mitochondriale ziekte ondergingen zittingen van de beschreven 31 DVS lichaamsbeweging en beeldvormende techniek op 2 verschillende dagen binnen 1 week om techniek te evalueren reproduceerbaarheid (figuur 6a). De onderzoeken uitgevoerd...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit artikel beschrijft een standaardprotocol voor 31 DVS onderzoek dat seriële en invasieve in vivo meting van skeletspieren mitochondriale functie verschaft. Het protocol houdt grote aantrekkingskracht bij het overwegen van de breedte van onderzoeken gericht op de groeiende last van metabool syndroom en de resulterende morbiditeit en mortaliteit. Deze 31 PMRS protocol vereist een minimale hoeveelheid scanner tijd en in uitgebreide metabole onderzoeken kunnen worden opgenomen in vakken op ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door een Davis Heart and Lung Research Institute Trifit Award, evenals door het Intramurale Onderzoeksprogramma van het NIH National Institute on Aging.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1.5 T MR ScannerSiemensfabrikant heeft geen invloed op de resultaten
10 cm 31P verzend-ontvangst spoel, 1.5T compatibelPulseTeqfabrikant heeft geen invloed op de resultaten
3 fl oz Baby OilJohnson & Johnsonfabrikant heeft geen invloed op de resultaten
Schuim driehoek kussen (Knee)Siemensfabrikant heeft geen invloed op de resultaten
(3) plastic gesp weerstandsbanden; tafel tot tafelSiemensfabrikant heeft geen invloed op de resultaten
(1) plastic gesp weerstandsband; zelf verbindendSiemens

Referenties

  1. Eckel, R. H., Alberti, K. G., Grundy, S. M., Zimmet, P. Z. The metabolic syndrome. Lancet. 375 (9710), 181-183 (2010).
  2. Shulman, G. I. Ectopic fat in insulin resistance, dyslipidemia, and cardiometabolic disease. N Engl J Med. 371 (12), 1131-1141 (2014).
  3. Holmstrom, M. H., Iglesias-Gutierrez, E., Zierath, J. R., Garcia-Roves, P. M. Tissue-specific control of mitochondrial respiration in obesity-related insulin resistance and diabetes. Am J Physiol Endocrinol Metab. 302 (6), 731-739 (2012).
  4. Jheng, H. F., et al. Mitochondrial fission contributes to mitochondrial dysfunction and insulin resistance in skeletal muscle. Mol Cell Biol. 32 (2), 309-319 (2012).
  5. Petersen, K. F., et al. Mitochondrial dysfunction in the elderly: possible role in insulin resistance. Science. 300 (5622), 1140-1142 (2003).
  6. Kelley, D. E., He, J., Menshikova, E. V., Ritov, V. B. Dysfunction of mitochondria in human skeletal muscle in type 2 diabetes. Diabetes. 51 (10), 2944-2950 (2002).
  7. Liu, R., et al. Impaired mitochondrial dynamics and bioenergetics in diabetic skeletal muscle. PLoS One. 9 (3), 92810(2014).
  8. Ha, H., Hwang, I. A., Park, J. H., Lee, H. B. Role of reactive oxygen species in the pathogenesis of diabetic nephropathy. Diabetes Res Clin Pract. 82, Suppl 1 42-45 (2008).
  9. Akude, E., et al. Diminished superoxide generation is associated with respiratory chain dysfunction and changes in the mitochondrial proteome of sensory neurons from diabetic rats. Diabetes. 60 (1), 288-297 (2011).
  10. Fernyhough, P. Mitochondrial dysfunction in diabetic neuropathy: a series of unfortunate metabolic events. Curr Diab Rep. 15 (11), 89(2015).
  11. Chen, M., Wang, W., Ma, J., Ye, P., Wang, K. High glucose induces mitochondrial dysfunction and apoptosis in human retinal pigment epithelium cells via promoting SOCS1 and Fas/FasL signaling. Cytokine. 78, 94-102 (2016).
  12. Blake, R., Trounce, I. A. Mitochondrial dysfunction and complications associated with diabetes. Biochim Biophys Acta. 1840 (4), 1404-1412 (2014).
  13. Rains, J. L., Jain, S. K. Oxidative stress, insulin signaling, and diabetes. Free Radic Biol Med. 50 (5), 567-575 (2011).
  14. Serviddio, G., et al. Mitochondrial involvement in non-alcoholic steatohepatitis. Mol Aspects Med. 29 (1-2), 22-35 (2008).
  15. Perez-Carreras, M., et al. Defective hepatic mitochondrial respiratory chain in patients with nonalcoholic steatohepatitis. Hepatology. 38 (4), 999-1007 (2003).
  16. Garcia-Ruiz, I., et al. Mitochondrial complex I subunits are decreased in murine nonalcoholic fatty liver disease: implication of peroxynitrite. J Proteome Res. 9 (5), 2450-2459 (2010).
  17. Patti, M. E., Corvera, S. The role of mitochondria in the pathogenesis of type 2 diabetes. Endocr Rev. 31 (3), 364-395 (2010).
  18. Muoio, D. M., Newgard, C. B. Obesity-related derangements in metabolic regulation. Annu Rev Biochem. 75, 367-401 (2006).
  19. Bonnard, C., et al. Mitochondrial dysfunction results from oxidative stress in the skeletal muscle of diet-induced insulin-resistant mice. J Clin Invest. 118 (2), 789-800 (2008).
  20. Jheng, H. F., Huang, S. H., Kuo, H. M., Hughes, M. W., Tsai, Y. S. Molecular insight and pharmacological approaches targeting mitochondrial dynamics in skeletal muscle during obesity. Ann N Y Acad Sci. 1350, 82-94 (2015).
  21. Coen, P. M., Goodpaster, B. H. Role of intramyocelluar lipids in human health. Trends Endocrinol Metab. 23 (8), 391-398 (2012).
  22. Montgomery, M. K., Turner, N. Mitochondrial dysfunction and insulin resistance: an update. Endocr Connect. 4 (1), 1-15 (2015).
  23. Martelli, A., Puccio, H. Dysregulation of cellular iron metabolism in Friedreich ataxia: from primary iron-sulfur cluster deficit to mitochondrial iron accumulation. Front Pharmacol. 5, 130(2014).
  24. Campuzano, V., et al. Frataxin is reduced in Friedreich ataxia patients and is associated with mitochondrial membranes. Hum Mol Genet. 6 (11), 1771-1780 (1997).
  25. Calabrese, V., et al. Oxidative stress, mitochondrial dysfunction and cellular stress response in Friedreich's ataxia. J Neurol Sci. 233 (1-2), 145-162 (2005).
  26. Ristow, M., et al. Frataxin activates mitochondrial energy conversion and oxidative phosphorylation. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (22), 12239-12243 (2000).
  27. Ardehali, H., et al. Targeting myocardial substrate metabolism in heart failure: potential for new therapies. Eur J Heart Fail. 14 (2), 120-129 (2012).
  28. Ren, J., Pulakat, L., Whaley-Connell, A., Sowers, J. R. Mitochondrial biogenesis in the metabolic syndrome and cardiovascular disease. J Mol Med (Berl). 88 (10), 993-1001 (2010).
  29. Marin-Garcia, J., Goldenthal, M. J. Understanding the impact of mitochondrial defects in cardiovascular disease: a review. J Card Fail. 8 (5), 347-361 (2002).
  30. Babcock, M., et al. Regulation of mitochondrial iron accumulation by Yfh1p, a putative homolog of frataxin. Science. 276 (5319), 1709-1712 (1997).
  31. Foury, F., Cazzalini, O. Deletion of the yeast homologue of the human gene associated with Friedreich's ataxia elicits iron accumulation in mitochondria. FEBS Lett. 411 (2-3), 373-377 (1997).
  32. Wardman, P., Candeias, L. P. Fenton chemistry: an introduction. Radiat Res. 145 (5), 523-531 (1996).
  33. Lodi, R., et al. Cardiac energetics are abnormal in Friedreich ataxia patients in the absence of cardiac dysfunction and hypertrophy: an in vivo 31P magnetic resonance spectroscopy study. Cardiovasc Res. 52 (1), 111-119 (2001).
  34. Raman, S. V., et al. Impaired myocardial perfusion reserve and fibrosis in Friedreich ataxia: a mitochondrial cardiomyopathy with metabolic syndrome. Eur Heart J. 32 (5), 561-567 (2011).
  35. Kitzman, D. W., et al. Skeletal muscle abnormalities and exercise intolerance in older patients with heart failure and preserved ejection fraction. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 306 (9), 1364-1370 (2014).
  36. Scheuermann-Freestone, M., et al. Abnormal cardiac and skeletal muscle energy metabolism in patients with type 2 diabetes. Circulation. 107 (24), 3040-3046 (2003).
  37. Allcock, D. M., Sowers, J. R. Best strategies for hypertension management in type 2 diabetes and obesity. Curr Diab Rep. 10 (2), 139-144 (2010).
  38. Katzmarzyk, P. T., Church, T. S., Janssen, I., Ross, R., Blair, S. N. Metabolic syndrome, obesity, and mortality: impact of cardiorespiratory fitness. Diabetes Care. 28 (2), 391-397 (2005).
  39. Wang, J., et al. The metabolic syndrome predicts cardiovascular mortality: a 13-year follow-up study in elderly non-diabetic Finns. Eur Heart J. 28 (7), 857-864 (2007).
  40. Zambon, S., et al. Metabolic syndrome and all-cause and cardiovascular mortality in an Italian elderly population: the Progetto Veneto Anziani (Pro.V.A) Study. Diabetes Care. 32 (1), 153-159 (2009).
  41. Malik, S., et al. Impact of the metabolic syndrome on mortality from coronary heart disease, cardiovascular disease, and all causes in United States adults. Circulation. 110 (10), 1245-1250 (2004).
  42. Ropper, A. H., Samuels, M. A. Adams and Victor's Principles of Neurology. 9 edn. , The McGraw-Hill Companies,Inc. (2009).
  43. Abeti, R., et al. Targeting lipid peroxidation and mitochondrial imbalance in Friedreich's ataxia. Pharmacol Res. 99, 344-350 (2015).
  44. Li, Y., et al. Excision of Expanded GAA Repeats Alleviates the Molecular Phenotype of Friedreich's Ataxia. Mol Ther. 23 (6), 1055-1065 (2015).
  45. Toledo, F. G., Goodpaster, B. H. The role of weight loss and exercise in correcting skeletal muscle mitochondrial abnormalities in obesity, diabetes and aging. Mol Cell Endocrinol. 379 (1-2), 30-34 (2013).
  46. Oldridge, N. B., Guyatt, G. H., Fischer, M. E., Rimm, A. A. Cardiac rehabilitation after myocardial infarction. Combined experience of randomized clinical trials. JAMA. 260 (7), 945-950 (1988).
  47. O'Connor, G. T., et al. An overview of randomized trials of rehabilitation with exercise after myocardial infarction. Circulation. 80 (2), 234-244 (1989).
  48. Ryan, T. E., Brizendine, J. T., McCully, K. K. A comparison of exercise type and intensity on the noninvasive assessment of skeletal muscle mitochondrial function using near-infrared spectroscopy. J Appl Physiol (1985). 114 (2), 230-237 (2013).
  49. Wallimann, T. Bioenergetics. Dissecting the role of creatine kinase. Curr Biol. 4 (1), 42-46 (1994).
  50. Forbes, S. C., Paganini, A. T., Slade, J. M., Towse, T. F., Meyer, R. A. Phosphocreatine recovery kinetics following low- and high-intensity exercise in human triceps surae and rat posterior hindlimb muscles. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 296 (1), 161-170 (2009).
  51. Korzeniewski, B., Rossiter, H. B. Each-step activation of oxidative phosphorylation is necessary to explain muscle metabolic kinetic responses to exercise and recovery in humans. J Physiol. 593 (24), 5255-5268 (2015).
  52. Meyer, R. A. A linear model of muscle respiration explains monoexponential phosphocreatine changes. Am J Physiol. 254 (4), Pt 1 548-553 (1988).
  53. McCully, K. K., Fielding, R. A., Evans, W. J., Leigh, J. S., Posner, J. D. Relationships between in vivo and in vitro measurements of metabolism in young and old human calf muscles. J Appl Physiol (1985). 75 (2), 813-819 (1993).
  54. Layec, G., Haseler, L. J., Richardson, R. S. Reduced muscle oxidative capacity is independent of O2 availability in elderly people. Age (Dordr). 35 (4), 1183-1192 (2013).
  55. Larson-Meyer, D. E., Newcomer, B. R., Hunter, G. R., Hetherington, H. P., Weinsier, R. L. 31P MRS measurement of mitochondrial function in skeletal muscle: reliability, force-level sensitivity and relation to whole body maximal oxygen uptake. NMR Biomed. 13 (1), 14-27 (2000).
  56. Kemp, G. J., Ahmad, R. E., Nicolay, K., Prompers, J. J. Quantification of skeletal muscle mitochondrial function by 31P magnetic resonance spectroscopy techniques: a quantitative review. Acta Physiol (Oxf). 213 (1), 107-144 (2015).
  57. Lynch, D. R., et al. Near infrared muscle spectroscopy in patients with Friedreich's ataxia. Muscle Nerve. 25 (5), 664-673 (2002).
  58. Nachbauer, W., et al. Bioenergetics of the calf muscle in Friedreich ataxia patients measured by 31P-MRS before and after treatment with recombinant human erythropoietin. PLoS One. 8 (7), 69229(2013).
  59. Kanal, E., et al. ACR guidance document on MR safe practices: 2013. J Magn Reson Imaging. 37 (3), 501-530 (2013).
  60. Petroff, O. A., Ogino, T., Alger, J. R. High-resolution proton magnetic resonance spectroscopy of rabbit brain: regional metabolite levels and postmortem changes. J Neurochem. 51 (1), 163-171 (1988).
  61. Jubrias, S. A., Crowther, G. J., Shankland, E. G., Gronka, R. K., Conley, K. E. Acidosis inhibits oxidative phosphorylation in contracting human skeletal muscle in vivo. J Physiol. 553 (2), 589-599 (2003).
  62. Layec, G., et al. Reproducibility assessment of metabolic variables characterizing muscle energetics in vivo: A 31P-MRS study. Magn Reson Med. 62 (4), 840-854 (2009).
  63. Iotti, S., Lodi, R., Frassineti, C., Zaniol, P., Barbiroli, B. In vivo assessment of mitochondrial functionality in human gastrocnemius muscle by 31P MRS. The role of pH in the evaluation of phosphocreatine and inorganic phosphate recoveries from exercise. NMR Biomed. 6 (4), 248-253 (1993).
  64. Wren, T. A., Bluml, S., Tseng-Ong, L., Gilsanz, V. Three-point technique of fat quantification of muscle tissue as a marker of disease progression in Duchenne muscular dystrophy: preliminary study. AJR Am J Roentgenol. 190 (1), 8-12 (2008).
  65. Milani, R. V., Lavie, C. J., Mehra, M. R., Ventura, H. O. Understanding the basics of cardiopulmonary exercise testing. Mayo Clin Proc. 81 (12), 1603-1611 (2006).
  66. Wust, R. C., van der Laarse, W. J., Rossiter, H. B. On-off asymmetries in oxygen consumption kinetics of single Xenopus laevis skeletal muscle fibres suggest higher-order control. J Physiol. 591 (3), 731-744 (2013).
  67. Ryan, T. E., Brophy, P., Lin, C. T., Hickner, R. C., Neufer, P. D. Assessment of in vivo skeletal muscle mitochondrial respiratory capacity in humans by near-infrared spectroscopy: a comparison with in situ measurements. J Physiol. 592 (15), 3231-3241 (2014).
  68. Hamaoka, T., McCully, K. K., Niwayama, M., Chance, B. The use of muscle near-infrared spectroscopy in sport, health and medical sciences: recent developments. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 369, 4591-4604 (2011).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

In vivo metingniet-invasieve techniektrainingsprotocolquadricepsspierfosfocreatineherstelMR-scanneropstellingB0-veldhomogeniteit
Fosfor-31 magnetische resonantie spectroscopie: een instrument voor het meten In Vivo Mitochondrial Oxydatieve Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.