Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Фосфор-31 спектроскопии магнитного резонанса: Прибор для измерения В Vivo Митохондриальной окислительное фосфорилирование потенциала в скелетных мышцах человека

11K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54977

⸱

19 января 2017 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Эта работа демонстрирует осуществимость метода магнитно-резонансной спектроскопии фосфора-31 in vivo (31PMRS) для количественной оценки способности митохондриального окислительного фосфорилирования (OXPHOS) в скелетных мышцах человека.

Аннотация

Способность митохондриального окислительного фосфорилирования скелетных мышц (OXPHOS), которая критически важна для здоровья и болезней, может быть измерена in vivo и неинвазивно у человека с помощью магнитно-резонансной спектроскопии фосфора-31 (31PMRS). Тем не менее, этот подход не получил широкого распространения в трансляционных и клинических исследованиях, с вариациями методологии и ограниченными рекомендациями из литературы. Повышенная оптимизация, стандартизация и распространение методов in vivo 31PMRS будет способствовать разработке таргетной терапии для улучшения потенциала OXPHOS и, в конечном итоге, может благоприятно повлиять на здоровье сердечно-сосудистой системы. 31PMRS позволяет получить неинвазивный in vivo показатель способности OXPHOS в скелетных мышцах человека, в отличие от альтернативных измерений, полученных из эксплантированных и потенциально измененных митохондрий с помощью мышечной биопсии. Он опирается лишь на скромные дополнительные приборы по сравнению с тем, что уже установлено на магнитно-резонансных сканерах, доступных для клинических и трансляционных исследований в большинстве учреждений. В этой работе мы описываем метод измерения in vivo OXPHOS скелетных мышц. Метод демонстрируется с использованием МРТ-сканера всего тела с индукцией магнитного поля 1,5 Тесла, оснащенного подходящим аппаратным и программным обеспечением для 31PMRS, и мы объясняем простой и надежный протокол для резистивных упражнений в магните для быстрой усталости четырехглавой мышцы. Воспроизводимость и осуществимость демонстрируются как на добровольцах, так и на испытуемых в широком диапазоне функциональных возможностей.

Введение

Цель данной работы заключается в определении воспроизводимый метод неинвазивного измерения в естественных условиях скелетных мышц митохондриальной функции у лиц , обладающих широкий спектр возможностей. Ненормальная митохондриальная недостаточность является отличительной чертой широкого спектра метаболических синдромов и генетических заболеваний, от общих условий, таких как старение и диабет редких заболеваний, таких как атаксия Фридрейха.

Метаболический синдром и митохондриальной дисфункцией

Метаболический синдром было показано , чтобы нарушить функции митохондрий, угнетают скелетных мышц OXPHOS, и привести к внематочной хранения липидов в скелетных мышцах 1, 2. Как критические органеллы , регулирующие метаболические и энергетический гомеостаз, митохондрии участвуют в патофизиологии ожирения 3, 4, 5 резистентности к инсулину , Сахарного диабета 2 типа (T2DM) 6, 7, связанные с диабетом микро- 8, 9, 10, 11 и макрососудистых осложнений 12, 13, и неалкогольный жировой болезни печени (НАЖБП) 14, 15, 16, среди прочих .Insulin сопротивление характеризуется глубокими изменениями в скелетной мышечной митохондриальной активности, включая снижение митохондриальной трикарбоновых кислот (TCA) скорости потока, скорости синтеза АТФ и цитрат - синтазы и NADH: O 2 оксидоредуктазы деятельности 5. Одна гипотеза состоит в том, что эти изменения могут быть из-за накопления свободных жирных кислот (СЖК) метаболитов в мышцах, которые заметно дополненной во время ожирения и других ожирением Rприподнятое заболевания 2, 17. Воздействие мышцы к повышенным FFAs и липидные промежуточных может уменьшить экспрессию генов в липидной окислительного пути, а также цикл ТСА и электрон-транспортной цепи (ETC) 18. Это снижение митохондриальной скелетных мышц потенциала OXPHOS в установке перегрузки липидного сопровождается снижением количественного (содержание и биогенеза митохондрий) 19 и качественная функция скелетных мышц митохондрий 20. Разоблачение скелетных мышц и миоцитов к FFAs приводит к тяжелой резистентности к инсулину, а также увеличение поглощения СЖК в мышцах связано с устойчивостью к инсулину у людей и грызунов 21. Липидный промежуточные керамиды и диацилглицеринацилтрансферазы (ДАГ) было показано, что непосредственно ингибирует секрецию инсулина пути путем изменения активности киназ, таких как протеинкиназа С и PROTЭйн - киназы B 21. Поэтому, липидные молекулы, полученные по-видимому, играют важную роль в развитии скелетных мышц резистентности к инсулину и СД2. Тем не менее, остается неясным , являются ли изменения в митохондриальной емкости причиной или следствием резистентности к инсулину 22.

Фридриха атаксия и митохондриальной дисфункцией

Уменьшенные OXPHOS может также возникать в результате генетических дефектов. Атаксия Фридриха (ФА), является наиболее распространенной формой наследственной атаксии, это генетическое нарушение , вызванное мутацией в фратаксина (FXN) гена, в результате чего внутри митохондриальной накопления железа, реактивного производства активных форм кислорода, а также нарушения окислительного фосфорилирования 23, 24, 25, 26. Это важное открытие привело к разработке целенаправленной терапии, whicч целью улучшить митохондриальную функцию на субклеточном уровне. Несмотря на это понимание, было ограниченное развитие в естественных условиях, воспроизводимые биомаркеры для ФА клинических исследований. На самом деле, критический барьер в эффективной оценки целевой терапии в ФА является невозможность отслеживать изменения в митохондриальной функции. Современные функциональные меры, например, может идентифицировать снижение сердечного выброса; Тем не менее, они не способны определить уровень , при котором происходит нарушение функции (рисунок 1). Разработка надежного маркера митохондриальной функции, которые могут быть использованы для идентификации и оценки прогрессирования заболевания в атаксии Фридриха имеет решающее значение для оценки соответствующего механистического воздействия целенаправленной терапии.

Недостатками OXPHOS и дисфункцией сердца

Ненормальная митохондриальной функции, либо приобретенные или генетические, могли бы внести свой вклад в развитие или прогрессирование КардиAC дисфункция. В условиях перегрузки давления и сердечной недостаточности, первичной энергии предпочтения субстрат переходит из СЖК в глюкозу. Это связано со снижением активности ЕТС и окислительного фосфорилирования 27. Патофизиологии митохондриальных биоэнергетика в сердечной дисфункции может быть различным в зависимости от первичного происхождения митохондриальной дефекта. Сахарный диабет и метаболические синдром приводит к митохондриальных нарушений в миокарде, таких как нарушения биогенеза и метаболизм жирных кислот, которые приводят к снижению гибкости подложки, эффективность использования энергии, и в конечном счете, диастолической дисфункции 28, 29. В FA, с другой стороны, дефицит фратаксин приводит к значительному митохондриальной накопления железа в кардиомиоцитах 30, 31. Накопление железа приводит к образованию свободных радикалов , с помощью реакции Фентона 32 </ SUP> и увеличивает вероятность свободных радикалов-индуцированных повреждений кардиомиоцитов. Накопление Intra-митохондриального железа также связан с повышенной чувствительностью к окислительному стрессу и пониженной окислительной способности 30, 31. Накопление железа и последующее аберрантное функции митохондрий, из - за дефицита фратаксина, может поэтому нести ответственность за нарушениями сердечной энергетики и кардиомиопатии , наблюдаемых в FA 33, 34. Также интересно отметить , что уменьшение окислительного потенциала в скелетных мышечных митохондрий параллелен непереносимость физических нагрузок и снижение метаболического потенциала при сердечной недостаточности (СН) 35. Измерение скелетных мышц потенциала OXPHOS, как подробно описано в настоящем документе, легко осуществимыми и надежный; в сочетании со значением скелетных мышц OXPHOS в HF, эти особенности делают его привлекательным биомаркеров в комплексных исследованиях услышатьт болезнь 36.

Недостатками OXPHOS и сопутствующая сердечная дисфункция не является несущественным аспектом метаболических и митохондриальных заболеваний. Пациенты с сахарным диабетом и метаболическим заболеванием подвержены более высокому риску развития сердечно - сосудистых заболеваний и имеют повышенную смертность после инфаркта миокарда (ИМ) 37, 38, 39, 40, 41; более половины субъектов ФА имеют кардиомиопатию, и многие умирают от сердечной аритмии или сердечной недостаточности 42. Таким образом, количественное определение восстановленного OXPHOS может не только позволить для раннего выявления и лечения сердечной дисфункции, но она также может облегчить значительное клиническое бремя этих заболеваний.

Таргетной терапии непосредственно увеличить пропускную способность OXPHOS является перспективной областью для улучшения лечения субъектов, WheTher причиной метаболического дисфункции является генетической или приобретенной. В настоящее время разработка новых целевых препаратов , которые либо облегчить аномальную митохондриальную функцию 43 или исправить основной генетический дефект 44 может улучшить нарушенного биоэнергетический характеристику FA. В случае приобретенной дисфункции митохондрий, увеличение физической активности может улучшить функции митохондрий 45, 46, 47.

31 Фосфор магнитно - резонансная спектроскопия как неинвазивной биомаркером митохондриальной функции

Независимо от испытанной терапии, интегрированный в естественных условиях оценки скелетных мышц биоэнергетики является важным инструментом для оценки воздействия целенаправленных мер, особенно у пациентов с тяжелой физической непереносимости или невозможности пройти обычную MetaboЛИК тестирование. Магнитно - резонансная спектроскопия настроен на фосфором (31 PMRS), эндогенной ядра , найденного в различных высокоэнергетических субстратов в клетках по всему телу, была использована для количественного определения митохондриального окислительного потенциала с использованием различных подходов, в том числе в магнитах протоколы физическими упражнениями по восстановлению и стимуляция мышц протоколы 48. Протоколы физическими упражнениями восстановления полагаются на разнообразие аппаратов в диапазоне сложности от МРТ-совместимых эргометров, которые регулируют и измеряют нагрузку на простые конфигурации ремней и накладок, позволяющих пульсирующего резистивных и квазистатического физических упражнений. Одной из основных задач любого из этих протоколов является создание энергетического дисбаланса , для которого спрос на аденозинтрифосфата (АТФ) сначала удовлетворяются посредством ферментативного расщепления фосфокреатина (ПЦР) через креатин киназной реакции 49. После прекращения упражнений, скорость производства АТФ преобладает окислительное фоsphorylation и представляет собой максимум в естественных условиях способности митохондрий 50. Кроме того, OXPHOS во время восстановления после упражнений можно описать с помощью реакции первого порядка скорости 51. Поэтому восстановление после тренировки пПР может быть количественно определена путем подгонки экспоненциальной постоянной времени (τ пПО), с меньшими значениями т PCr , представляющих большие возможности для синтеза АТФ окислительный. Значительные усилия были предприняты для проверки 31 PMRS против экс естественных условиях и более прямые меры OXPHOS и демонстрируют потенциальную клиническую применимость этого метода 52, 53, 54, 55.

Следует отметить, что протокол, описанный в этой работе, могут быть реализованы на клинически доступных сканеров, и она широко удостоверено как неинвазивного биомаркера OF митохондриальной функции 56. Тем не менее, это упражнение 31 PMRS протокол оптимизирован для применения к лицам с различной степени тяжести нервно - мышечной нарушений или мобильности не было хорошо известно 57. Четкая, широко применяется протокол-упражнения и 31 техника PMRS бы особенно полезно при оценке заболеваний с фундаментальными нарушениями в митохондриальной функции.

Несколько предыдущие исследования исследовали применение неинвазивных методов для количественной оценки митохондриальной функции в субъектах. Например, эти методы показали улучшенный OXPHOS у пациентов с сахарным диабетом 2 типа 36. Лоди и др. впервые опробован целесообразность методов PMRS у субъектов с ФА и обнаружили, что 1) фундаментальный генетический дефект в FA ухудшает скелетных мышц OXPHOS и 2) число GAA триплетных повторов обратно пропорциональна скелетной мышце OXPHOS 33. Совсем недавно, Nachbauer и др. б PMRS в качестве вторичного исхода мерой в суде наркотиков FA с 7 предметов. ПЦР время восстановления было значительно дольше у пациентов по сравнению с контрольной группой , подтвердив более ранние работы Лоди и о том , что последствия аномальным экспрессии фратаксина в ФА может привести к снижению митохондриального потенциала , что может быть обнаружено с использованием методов PMRS 58.

Надежные методы адекватно определить в естественных условиях функции скелетных мышц в возможной, экономически эффективным и воспроизводимым образом имеют решающее значение для улучшения предметных результатов в целом ряде заболеваний , которые влияют на митохондриальную функцию.

Эта работа описывает надежную процедуру получения в естественных условиях максимальной окислительной способности скелетных мышц с использованием 31 PMRS. Протокол упражнения в магнитах хорошо переносится людьми, охватывающих широкий спектр физической и functionaл способности и дает упрощенную установку объекта с использованием недорогого и широко доступного оборудования.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Этот протокол утвержден и соответствует рекомендациям Совета по биомедицинской этике Университета штата Огайо для исследования человеческих субъектов. Крайне важно , чтобы все процедуры , связанные с MR оборудования выполняются хорошо подготовленным персоналом , прилипших к самым высоким стандартам безопасности MR 59.

1. Материалы и подготовка

  1. Убедитесь в том, что все необходимые материалы доступны до эксперимента (рисунок 2).
  2. Подключите 31 P катушки в разъем катушки в-таблице в конце таблицы экзамена ближайший к стволу. Поместите большой треугольник пены подушку возле головы таблицы экзамена MR, но не непосредственно на 31 P катушки. Поместите головную подушку на другом конце МР экзамен таблицы, самой дальней от отверстия, для предметного комфорта.

2. С учетом определения местоположения (Рисунок 3а)

  1. Проинструктировать тему лежать на спине, ногисначала на столе MR. Поместите подушку пены под колени, чтобы поддержать ногу в частично согнутом положении.
  2. Поместите объект ближе к правой стороне стола (право субъекта) для центровки левого бедра, как близко к магниту изоцентру, насколько это возможно, тем самым обеспечивая оптимальную однородность B0 в бедренной мышцы при обследовании. Обеспечить эту тему с пробками уха и / или наушники.
  3. Установите РЧ катушку 31 P на левой четырехглавой приблизительно посередине между коленной чашечки и головки бедренной кости, и прикрепите ее к ноге с помощью ремней. Поместите катушку по боковой части голени, над латеральной широкой.
  4. Закрепите детское масло на медиальной поверхности бедра с теми же ремнями, используемых для крепления катушки к ноге. Это облегчает локализацию сканирования.
  5. Свяжите ноги испытуемого вместе с ремнем, расположенной под катушкой и выше колена. Закрепить ноги испытуемого к столу MR с дополнительным Страпс, один выше колена и один посередине между коленом и лодыжкой.
  6. С помощью лазерного луча руководство, чтобы очертить центр катушки и переместить таблицу магнита изоцентру с помощью этого центрирования ориентир.

Протокол 3. Физические упражнения

  1. Объясните к теме, что протокол упражнение состоит из трех фаз: начальная, исходной фазы; короткая, интенсивная фаза упражнения; и фазы восстановления.
  2. Проинструктировать тему лежать неподвижно и расслабления мышц ног во время базовой линии и восстановления после приобретения спектроскопии с целью минимизации артефактов движения.
  3. Обеспечить обратный отсчет времени до объекта, сообщающий о начале осуществления. На данный момент, есть субъект инициации колена расширение / сгибание, как сильно и как можно быстрее против сопротивления ремней.
    Примечание: четырехглавой мышцы используются для перемещения левой голени вверх и вниз, пока не проинструктированы остановиться.
  4. Прекратить упражнение после спада на 30%в высоту пика ПЦР.
    1. Обратите внимание на высоту пика Pcr в окне просмотра сбора, а также просмотреть его после завершения последовательности упражнений.
      Примечание: Общая рекомендация такова, что приближенное падение PCr высоты пика 30% соответствует пику Pi, что составляет 50% от высоты пика PCr. Если истощение PCr не происходит достаточно быстро, чтобы достичь падение на 30% во время фазы тренировки экзамена, поощрять тему пинать труднее или быстрее во время тренировки.
      Примечание: Прекращение физических упражнений определяется путем мониторинга высоты пика и продолжительность физических упражнений ПЦР. Это может привести к несколько иной продолжительности упражнений в различных пациентов и могут быть учтены при анализе.

4. Протокол сканирования

  1. Приобретите три-плоскость локализатор для проверки правильности расположения предмета и определить местонахождение 31 P катушки.
    Примечание: Последовательность локализатор начинается автоматически и центры в INDICПоложение ованные с помощью лазера световод (шаг 2.9)
  2. Приобретите второй три-плоскость локализатор.
    1. Откройте вид ломтик на первых трех-плоских изображений радиомаяков.
      Примечание: Этот процесс может быть различным для разных программных и аппаратных систем.
    2. Центр и поворот ориентации среза, щелкнув левой кнопкой мыши и удерживая на группе среза. Поверните группу среза. Убедитесь в том, что окончательная ориентация срезов совпадает с положением детского масла.
    3. В обычном окне последовательности, увеличить число срезов , чтобы охватить всю ногу в аксиальной и сагиттальной изображений (рис 3b).
  3. Последовательность спектроскопии 31 P:
    1. Используйте следующие нелокализованный параметры последовательности импульсов Приобретать: TR: 1000 мс; TE: 0,34 мс; спектральная ширина: 2000 Гц; флип угол: 90 градусов; Приобретенные точек данных: 1.024; 4 средние, приводящие к временным разрешением 1 спектра каждые 6 сек.
  4. 31 P регулировочная шайба Ьох размещение:
    1. С помощью мыши, перетащить второй Триплан Локализатор изображения в смотровое окно в верхней части экрана. Перетащите последовательность спектроскопии в окно протокола и дважды щелкните, чтобы открыть.
    2. Используйте панель позиции инструмента для визуализации шайбы вокселя (выберите черный прямоугольник с горизонтальными линиями). После выбора этой опции, наблюдать зеленый ящик на радиомаяка изображениях.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это прокладка вокселей.
    3. Перемещение вокселя левой кнопкой мыши и удерживая вокселя в центре. Изменение размера и поворот ориентации вокселе щелчком левой кнопки мыши и удерживая вокселя в углу коробки. Поместите коробку прокладку таким образом, чтобы обеспечить поле B0 однородностью непосредственно под катушкой и параллельно плоскости четырехглавой мышцы.
      Примечание: Это необходимо для обеспечения надлежащего прокладок в чувствительном регионе под катушкой, что объем ткани непосредственно под центром катушки.
    4. Используйте три плоскости Локализатор изображения для идентификации SENSITIVе область катушки и отрегулировать коробку регулировочной прокладки, чтобы охватить этот регион в пределах четырехглавой мышцы.
      Примечание: Коробка прокладка может быть больше , чем истинное покрытие поверхности катушки, чтобы обеспечить B0 гомогенности в пределах воксельном сбора данных (рис 3в).
    5. 31 P приобретение тест:
      1. Откройте окно просмотра сбора и выберите значок головы в панели инструментов приобретения. Это позволит просматривать приобретения спектроскопии в режиме реального времени.
      2. После размещения 31Р шайбы вокселе, запустить последовательность для получения одного спектра, нажав на кнопку "Выполнить" в верхней части окна протокола.
      3. Проверьте качество B0 шиммирования. Обратите внимание полученный спектр в окне сбора. Отметим , видный пик пПО , центрированный при 0 м.д. и не происходит значительного шума (фиг.4А, слева).
        Примечание: Устранение неполадок: Если спектр появляется шумное, убедитесь, что коробка прокладка помещается внутри мышцы. Объявлениетолько размер и положение окна прокладки, чтобы улучшить отношение сигнал-шум. Повторите приобретение тест по мере необходимости.
      4. Для того, чтобы увидеть высоту пика Pcr, откройте спектр в инструменте спектроскопии ( "Приложения" → "Спектроскопия"). Откройте папку пациента (значок папки дерева), выберите соответствующую проверку, и дважды щелкните, чтобы загрузить спектр.
  5. Предварительное упражнение T1 изображения:
    1. Получают одного ломтика осевую T1-взвешенное изображение в центре катушки.
  6. 31 P приобретение предварительного упражнения:
    1. Скопируйте последовательность из шага 4.4 (который произвел наилучшее качество спектра), щелкнув левой кнопкой мыши и перетащить последовательность в окне протокола. Используйте эту последовательность для всех последующих измерений.
    2. В подпрограмме окне последовательности, увеличить число измерений от 1 до 10. Выберите Run, чтобы получить 10 измерений в то время как объект находится в состоянии покоя.
  7. 31 </ SUP> P приобретение упражнение:
    Примечание: Сделайте тщательное внимание самого начала и конца упражнения раз, так как это будет иметь важное значение для анализа.
    1. Отдых: Примените регулировочные настройки предыдущего сканирования и установить последовательность приобрести 20 измерений. Проинструктировать тему, чтобы начать ногами после того, как обратный отсчет времени. Проинструктировать предмет оставаться в состоянии покоя в течение 2-х измерениях.
    2. Упражнение: Попросите его, чтобы выполнить расширение упражнения колена в течение ~ 30 сек (или время, необходимое для достижения снижения пиковой амплитуды 30 PCr%). После того, как субъект достигает достаточного истощения ПЦР, спросите их, чтобы отдохнуть.
  8. 31 P приобретения после физических упражнений:
    1. Приобретать дополнительные 20 измерений в состоянии покоя. Убедитесь в том, что приобретение после тренировки начинаются сразу же после последовательности упражнений, без пауз или подкладок (рис 4а, справа).
      Примечание: Разделение этого периода восстановления на два отдельных приобретений позволяет анализ Initial 20 динамические спектры при приобретении второй 20 динамических спектров, что позволяет оператору избежать приобретения полного периода восстановления, если необходимо повторить упражнение.
  9. Обеспечение качества упражнений:
    1. Сравните высот пиков основе ПЦР в начале и в конце упражнения. Высококачественные сеансы упражнений приводят к ~ 30% -ное снижение концентрации ПЦР.
    2. Убедитесь, что высота пика PCr одинакова на начале отдыха и в конце восстановления (как правило, <разница 10% желательно). Это гарантирует, что была незначительной потери однородности поля во время приобретения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если неисправность PCr недостаточна, или если имело место потери однородности поля, а затем повторите ту часть упражнения / восстановления экзамена (заботясь, чтобы избежать усталости), убедитесь, что катушка и ремни надежно закреплены, а также продлить продолжительность упражнений и / или поощрять более энергичные упражнения (4б).
      НЕE: Сравнение изображений, полученных на этапах 6 и 11 разрешений на дополнительной стадии контроля качества, чтобы визуализировать любое смещение бедра и катушки из-за физических упражнений, тем самым гарантируя, что минимальное движение произошло во время протокола, которые могли бы существенно повлиять на полученные данные ,
  10. После визуализации после упражнений T1, повторить предварительное упражнение осевую визуализации T1 (этап 4.5), используя те же параметры сбора данных.
    1. В дополнение к достаточному истощением пПР, измеряют конечный рН упражнений, чтобы гарантировать, что осуществление не вызывал ацидоз мышцы.
    2. Выполните это путем измерения химического сдвига между Pi и ОЗП (δP I) и , используя следующее уравнение 60:
      рН = 6,77 + -log [(δP я -3,29) / (5,68-δP я)]
      Примечание: Значение рН должно оставаться больше , чем 6.8 61. Если пробой ПЦР достаточно, но рН слишком низкий, повторите упражнение бой за короткийэр продолжительность и / или с пониженной интенсивностью.
  11. Сохранение данных:
    1. Сохранить все приобретенные спектры как DICOM файлов и экспортировать их для обработки с помощью JMRUI.
    2. При использовании сканера, выберите все приобретения спектроскопии в окне "Навигатор".
    3. В разделе "Приложения", выберите "Dicom Сервис" → "Экспорт MR спектроскопии" и сохраните файлы DICOM (* .dcm) в C: / User / Медком / TEMP / CDROFFLINE
      (Инструмент автоматически выбирает это место).
    4. В разделе "Transfer" выберите "Экспорт в автономный режим." Сохранить в нужное место.

5. Обработка и анализ данных 62

  1. Анализ спектров MR с свободно доступного программного обеспечения JMRUI (версия 5.2; http://www.jmrui.eu/~~HEAD=pobj).
  2. Apodize и фазовый сдвиг спектров , чтобы обеспечить однородность по всем приобретенным моменты времени (рисунок 5). Пик PCr будет сосредоточенот 0 м.д. в спектрах.
  3. С помощью встроенного алгоритма Amares для количественного определения амплитуды пика ПЦР в каждом полученном спектре. Амплитуда пика представляет концентрацию пПР в чувствительном участке поверхности катушки в этот конкретный момент времени.
  4. В вычислительном программном обеспечении, график концентрации ПЦР, как функции от времени сбора. Использование встроенной вычислительной кривой посадки программного инструмента, подходят периода восстановления данных ПЦР к следующему уравнению 52, 63:
    figure-protocol-1
  5. Запишите значения исходных ОЗП ( figure-protocol-2 ), Самый низкий ОЗП ( figure-protocol-3 ), А также время восстановления ( figure-protocol-4 ,
  6. Убедитесь в том, что соответствующие условия выполнены в течение ExerCISE сессия путем расчета истощения ПЦР процентную разницу между базовым ПСП и низкой ПЦР. Идеальное место для тренировок сессий приводят к 20 - 50% истощению.
    Примечание: Качество построения кривой может быть обеспечена путем проверки того, что значение R 2 больше , чем 0,75. Значения R 2 автоматически рассчитываются с помощью установочного программного обеспечения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Воспроизводимость Исследование

Шесть добровольцев (4 мужчин и 2 женщины, средний возраст: 24.5 ± 6,2 года) без самооценка сердца, метаболическими или митохондриального заболевания прошли сеансы описанного 31 PMRS упражнений и визуализации техники на 2 -х разных дней в течение 1 недели , чтобы оценить технику воспроизводимость (рис 6а). Исследования , проведенные на здоровых добровол...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Этот документ описывает стандартный протокол для 31 PMRS экспертизы , что дает последовательный и неинвазивного измерения в естественных условиях скелетных мышц митохондриальной функции. Протокол имеет значительную привлекательность при рассмотрении вопроса о широте исследований, нацеленных на растущее бремя метаболического синдрома и его результате заболеваемость и смертность. Этот протокол 31 PMRS требует минимального количества времени , сканера и могут быть включены в комплексные метаб...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана премией Trifit Института исследований сердца и легких Дэвиса, а также Программой внутренних исследований Национального института старения NIH.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
1,5 Т МРТ сканерПроизводитель Siemensне повлияет на результаты
10 см 31P приемо-передающая катушка, 1,5 Тл совместимыйPulseTeqне повлияет на результаты
3 жидкие унции Baby OilJohnson & Производитель Johnson не повлияет на результаты
Подушка из пенопласта с треугольным покрытием (колено)Производитель Siemensне повлияет на результаты
(3) пластиковые ремешки с пряжкой; от стола к столуПроизводитель Siemensне повлияет на результаты
(1) пластиковый ремешок с пряжкой; самосоединяющийсяSiemens
производитель

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Измерение in vivoнеинвазивный методпротокол физической нагрузкичетырехглавая мышца бедравосстановление фосфокреатинанастройка МР-сканераоднородность поля B0
Фосфор-31 спектроскопии магнитного резонанса: Прибор для измерения В Vivo Митохондриальной окислительное фосфорилирование потенциала в скелетных мышцах человека
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.