Introduction
这项工作的目的是概述可再现的方法来在体内骨骼肌线粒体功能非侵入性测量具有大范围的能力的个体。异常线粒体损伤是多种代谢综合征和遗传性疾病的一个标志，从常见的情况，如老龄化和糖尿病罕见疾病，如弗里德共济失调。
代谢综合征和线粒体功能障碍
代谢综合征已经显示出干扰线粒体功能，抑制骨骼肌OXPHOS，并导致异位脂肪储存在骨骼肌1,2。调节代谢和能量稳态的关键的细胞器，线粒体有牵连的肥胖3,4的病理生理学，胰岛素抵抗5 （T2DM）6，7，与糖尿病有关的微8，9，10，11和大血管并发症12，13，以及非酒精性脂肪肝病（NAFLD）14，15，16，除其他.Insulin性的特点是骨骼肌线粒体活性深刻的变化，其中包括减少线粒体三羧酸（TCA）通量率，ATP合成率和柠檬酸合成酶和NADH：O 2氧化还原酶活性5。一种假设是，这些改变可能是由于游离脂肪酸（FFA）的代谢物在肌肉的积累，这是肥胖等肥胖-R中显着增强兴高采烈的疾病2,17。肌肉的高架游离脂肪酸和脂质中间体曝光可降低基因在脂质氧化途径的表达，以及TCA循环和电子传输链（ETC）18。这种减少在脂质过载的设置线粒体骨骼肌OXPHOS容量是通过在定量（线粒体含量和生物合成）的下降伴随着19和骨骼肌线粒体20的定性作用。曝光骨骼肌和肌细胞对游离脂肪酸导致严重的胰岛素抗性，并增加了在肌肉FFA摄取用在人类和啮齿类动物21胰岛素抗性相关。脂质中间体酰胺和二酰基甘油（DAG）已经显示出，通过改变激酶，例如蛋白激酶C和PROT的活性直接抑制胰岛素信号传导途径EIN激酶B 21。因此，脂质衍生分子似乎发挥骨骼肌胰岛素抵抗和2型糖尿病的发展显着的作用。然而，在线粒体容量的变化是否是一个原因或胰岛素抵抗22的结果目前还不清楚。
弗里德里希共济失调和线粒体功能障碍
下降OXPHOS也可以从基因缺陷引起的。弗里德里希共济失调（FA），遗传性共济失调的最常见的形式，是一种遗传性疾病引起的frataxin的突变（FXN）基因，产生帧内线粒体的铁蓄积，活性氧的产生，和氧化磷酸23的异常， 24，25，26。这一重大发现已导致靶向治疗的发展，whicħ目的是提高在亚细胞水平的线粒体功能。尽管有这样的认识，出现了体内发育受限，为FA临床研究可重复的生物标志物。事实上，在FA靶向治疗的有效评价的关键障碍是不能跟踪线粒体功能的变化。当前功能的措施，例如，可以识别心输出量减少;然而，它们不能确定在哪些功能障碍发生水平（ 图1）的。线粒体功能的可靠标记物可用于鉴定和评估弗里德里希共济失调疾病进展的发展是至关重要的，以评估靶向疗法的相关机械冲击。
受损的氧化磷酸化和心功能不全
异常线粒体功能，无论是后天或遗传性，有助于CARDI的发展或进展AC功能障碍。下压力超负荷和心脏衰竭的条件下，从FFA初级能量底物优先开关为葡萄糖。这是通过ETC活性降低和氧化磷酸化27相关联。在心脏功能障碍的线粒体生物能量学的病理生理学可根据线粒体缺陷的主要起源不同。糖尿病和心肌线粒体异常，如受损的生物合成和脂肪酸代谢，从而导致降低的衬底灵活性，能效，并且最终，舒张功能障碍28,29代谢综合征的结果。在FA，另一方面，一个frataxin缺乏导致心肌30,31显著线粒体的铁蓄积。铁积累通过芬顿反应32 <导致产生的自由基/ SUP>和增加的自由基诱导的心肌损伤的机会。内线粒体的铁蓄积也与氧化应激的增加的灵敏度和减小的氧化能力30,31相关联。铁的积累和随后的异常线粒体功能，由于frataxin缺乏，因此可负责在FA 33,34观察到受损心脏能量和心肌病。这也是有趣的是，在骨骼肌线粒体减少氧化能力的平行运动耐受力，减少心脏衰竭（HF）35代谢能力。骨骼肌OXPHOS容量测量，如本文详述，很容易实现的和健壮;再加HF骨骼肌氧化磷酸化的意义，这些特性使其成为一个有吸引力的生物标志物在听到的全面研究ŧ疾病36。
受损的氧化磷酸化和伴随的心脏功能障碍并不是代谢和线粒体疾病的无关紧要的方面。与糖尿病和代谢性疾病科是在患心血管疾病的风险较高，并有心肌梗死（MI）37，38，39，40，41后的超额死亡;在FA科目有一半心肌病和心律失常或心脏衰竭42多人死亡。因此，降低的OXPHOS量化不仅可以允许早期检测和治疗的心脏功能障碍，但它也可以减轻这些疾病的主要临床负担。
靶向疗法直接增加OXPHOS容量是提高的受试者治疗中的有希望的领域，磨片疗法的代谢功能障碍的原因是遗传性或获得。目前，新的发展靶向药物，无论是缓解异常线粒体功能43或纠正的主要遗传缺陷44可以提高FA的疯狂生物能的特点。在所获取的线粒体功能障碍的情况下，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无创生物标志物
不管测试的治疗，综合骨骼肌生物能的体内评估是评估有针对性的干预措施的影响的一个重要工具，尤其是在严重的运动耐受或无法接受常规科目太保LIC测试。调谐到磷（31 PMRS），整个身体细胞内的各种高能量底物中发现的内源性核的磁共振光谱，已被用于使用各种方法，包括量化线粒体氧化容量在磁铁运动恢复协议和肌肉刺激方案48。在运动恢复协议依赖于各种设备的范围从调节和衡量工作量，皮带和垫允许突发型电阻和准静态运动的简单配置，MRI兼容的测力计的复杂性。之一的任何这些协议的主要目标是产生的量为三磷酸腺苷（ATP）的需求是通过磷酸的酶分解（PCR）通过肌酸激酶反应49最初遇到的能量不平衡。一旦运动停止，ATP生成率是由氧化河粉为主sphorylation并代表在线粒体50的体内容量最大。此外，运动后恢复期间OXPHOS可以通过一阶速率反应51进行说明。肌酸的锻炼后的恢复可以因此通过一个指数时间常数（τPCR），与表示对氧化ATP合成更大的能力τ 肌酸的较小的值的嵌合来定量。显著已作出努力，以验证对体外 31 PMRS和氧化磷酸化的更直接的措施，并演示了这种技术52，53，54，55的潜在的临床应用。
值得注意的是，在这项工作中所描述的协议可在临床上可用的扫描仪来实现，并且它已被广泛地验证为无创生物标记ö˚F线粒体功能56。然而，对于应用程序优化，个体神经肌肉功能障碍或行动不便的严重程度不同的锻炼31 PMRS协议尚未很好地建立57。定义良好的，广泛适用的运动方案和31 PMRS技术是在与线粒体功能异常的基础疾病的评价特别有用。
几个先前的研究已经探索的非侵入性技术应用在受试者量化线粒体功能。例如，这些技术已显示在2型糖尿病36对受损OXPHOS。洛等。首先测试的PMRS技术的可行性与FA受试者，发现1）在FA的基本遗传缺陷损害的骨骼肌OXPHOS和2）GAA三联体的数目重复成反比骨骼肌öXPHOS 33。最近，Nachbauer 等。二手PMRS作为在FA药物试验有7例次要转归指标。肌酸恢复时间在受试者显著不再与对照组相比，重申洛的早期工作，并指示可导致线粒体容量下降可检测使用PMRS技术58异常frataxin表达的FA的影响。
可靠的方法，以充分体内骨骼肌功能限定在一个可行的，经济有效的，并且可重复的方式是改善受试者的结果的范围内，影响线粒体功能的疾病的关键。
这项工作概述了使用 31 PMRS骨骼肌体内最大的氧化能力获得一个强大的过程。内的磁铁练习协议已被个人涉及广泛的物理和泛函容忍升的能力，并让使用廉价且广泛可用的设备简化学科设置。
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Protocol
该协议由认可并遵循美国俄亥俄州立大学伦理委员会对人体科研的准则。这是非常重要的，涉及MR设备全部过程由训练有素的人员秉承MR安全59的最高标准执行。
1.材料和准备
- 确保所有必要的材料的实验之前可用（ 图2）。
- 塞31 P线圈插入在表线圈连接在最靠近孔中的考试表的末尾。将一个大三角形泡沫垫的MR检查表头附近，但不是直接在31 P线圈。放置一个头部枕在磁共振检查台，从孔最远的另一端，对受试者的舒适性。
2.除定位（图3a）
- 指示受仰卧，双脚首先在MR表。将膝盖下一个泡沫垫，以支持部分弯曲位置的腿。
- 为了尽可能接近居中左大腿到磁体的等角点尽可能靠近表（被检者的右侧）的右侧的主体定位，从而保证下检查在大腿肌肉最佳B0均匀性。提供耳塞和/或耳机的主题。
- 在大约髌骨和股骨头之间的中点的左四头肌的31 P RF线圈定位，并用带子固定到腿。放置线圈在腿部的侧部，股外侧上方。
- 固定婴儿油与用于将线圈固定到腿部相同绑带大腿内侧面。这有利于扫描定位。
- 放置在线圈下方，膝盖以上的带子绑定对象的双腿并拢。安全主体的腿额外的STRA MR表PS，一个膝盖以上和膝盖和脚踝之间的一个中间。
- 使用导激光划定线圈的中心和移动表以使用此定心里程碑式的磁体的等角点。
3.运动方案
- 解释到，这次演习的协议包括三个阶段的主题：一个初始，基础阶段;短暂，剧烈的运动阶段;和复苏阶段。
- 指示受试者对躺着和放松光谱获取的基线和恢复阶段期间的腿部肌肉，以便尽量减少运动伪影。
- 提供指示运动的开始倒计时受试者。在这一点上，具有主体发起伸膝/屈曲作为有力和尽可能快地对条带的阻力。
注：股四头肌被用来上下移动左小腿，直到指示停止。 - 30％的下跌后终止运动在PCR峰高度。
- 观察在收购查看器窗口在PCR峰高，并且还查看了运动序列结束后。
注：一般原则是，在肌酸峰高大约30％，降对应于丕峰是在PCR峰高度的50％。如果肌酸枯竭没有发生足够迅速地实现在考试的运动阶段下降30％，激励对象踢更难或运动时速度更快。
注：运动停止是通过监测在PCR峰高度和锻炼的持续时间来确定。这可能会导致在锻炼中不同患者的稍有不同的持续时间和可占在分析中。
- 观察在收购查看器窗口在PCR峰高，并且还查看了运动序列结束后。
4.扫描协议
- 收购三平面定位，以验证正确的主题定位和识别31 P线圈的位置。
注：定位序列自动开始，并在印度语中心使用导激光ated位置（步骤2.9） - 获得第二个三平面定位。
- 打开第一个三平面定位图像切片视图。
注：此过程可以针对不同的软件和硬件系统的不同。 - 中心和旋转左键点击并按住在片组切片方向。旋转片组。确保切片的最终取向与婴儿油的位置相匹配。
- 在序列例程窗口，增加的片数以覆盖在轴向和矢状图像（ 图3b）中的整个腿。
- 打开第一个三平面定位图像切片视图。
- 31 P光谱序列：
- 使用下面非本地化脉冲采集序列参数：TR：1,000毫秒; TE：0.34毫秒;谱宽：2000赫兹;翻转角：90度;采集的数据点：1024; 4平均值导致1光谱每6秒的时间分辨率。
- 31 P垫片博点¯x位置：
- 使用鼠标，拖动第二个三平面定位图像到查看窗口在屏幕的顶部。在光谱序列拖到协议窗口，然后双击打开。
- 使用位置工具条显示垫片体素（选择与水平线的黑色矩形）。选择此选项后，观察其对定位图像的绿色方块。
注意：这是垫片像素。 - 左键点击移动体素并保持在该中心的体素。改变大小和旋转通过左击体素的方位和在盒子的角保持体素。放置垫片框，以确保直接在线圈下方B 0场的均匀性和平行于股四头肌的平面。
注意：这是为了确保线圈，这是组织正下方的线圈的中心的体积下的敏感区域内的正确垫补。 - 使用三平面定位图像以识别sensitiv线圈电子区域，调整垫片框股四头肌中包括这一地区。
注：垫片框可以比在表面线圈的真正范围较大，以保证数据采集的体素（ 图3c）内的B0均匀性。 - 31 P测试采集：
- 打开浏览器收购窗口，选择在获取工具栏上的图标头。这将允许观看实时光谱获取。
- 在31P垫片体素的位置后，运行该程序通过点击在协议窗口顶部的“运行”按钮来获得一个频谱。
- 审查B0匀场的质量。观察采集窗口所产生的光谱。观察在0ppm为中心的突出的肌酸峰和无显著噪声（ 图4a，左）。
注：故障排除：如果频谱显示噪声，确保垫片框放在肌肉内。广告只是大小和垫片框的位置，提高了信噪比。根据需要重复试验的收购。 - 为了看到在PCR峰高，在光谱工具打开频谱（“应用程序”→“光谱”）。打开患者的文件夹（文件夹树图标），选择适当的扫描，然后双击加载的频谱。
- 运动前T1图像：
- 在线圈的中心获得的单切片轴向T1加权图像。
- 31 P运动前采集：
- 复制从步骤4.4（即产生最佳光谱质量）通过左击，并在协议窗口中拖动序列的序列。使用该序列的所有后续测量。
- 在常规序列窗口，增加测量次数从1到10中选择运行获得10次测量，而主题是静止的。
- 31 </ SUP>点锻炼收购：
注：请仔细记录的开始和结束运动时间，因为这将是分析的重要。- 休息：从以前的扫描应用垫片设置，并设置以获得20次测量的序列。指示的主题，开始倒计时后踢。指示须保持静止2测量。
- 练习：让拍摄对象进行伸膝练习〜30秒（或实现在PCR峰值下降30％所需的时间）。标的达到足够的肌酸消耗之后，让他们休息。
- 31 P运动后的收购：
- 在休息获得一个额外的20次测量。确保运动后收购立即开始下面的练习顺序，没有停顿或匀场（ 图4a，右）。
注：此恢复期的细分成两个独立的收购允许i的分析采集第二20动态光谱的期间nitial 20动态光谱，使操作者能够避免采集完整恢复期间，如果练习需要重复。
- 在休息获得一个额外的20次测量。确保运动后收购立即开始下面的练习顺序，没有停顿或匀场（ 图4a，右）。
- 确保实行质量：
- 比较在开始和运动结束在PCR峰高。高品质的锻炼期间导致在PCR浓度的〜30％的下降。
- 验证在PCR峰高度是静止的开始和在恢复端相同（通常<10％差被需要）。这保证了有采集期间场均匀性可忽略不计的损失。
注：如PCR细分不足，或者出现了磁场均匀性的损失，然后重复考试的行使/恢复部分（注意避免疲劳），确保了线圈和带连接牢固，并延长锻炼和/或持续时间鼓励更多的剧烈运动（ 图4b）。
不E：在步骤6和11允许额外的质量控制步骤中获得的图像的比较来可视化大腿和线圈的任何位移，由于运动，从而确保该协议，这可能显著影响所获取的数据的过程中出现最小运动。
- 下面的练习后的T1成像，重复运动前轴向使用相同的采集参数T1成像（步骤4.5）。
- 除了PCR法充分耗尽，测量结束锻炼的pH，以确保运动没有引起的肌肉酸中毒。
- 通过测量Pi和PCR（δPⅰ）之间的化学位移和使用以下方程60执行这样的：
pH值= 6.77 +日志[（ΔP 我 -3.29）/（5.68-δP 我 ）]
注：pH值应保持大于6.8 61。如果在PCR击穿是足够的，但是在pH值过低，重复练习回合一个短器的持续时间和/或具有降低的强度。
- 保存数据：
- 保存所有取得的频谱为DICOM文件，并使用JMRUI导出进行处理。
- 如果使用扫描仪，在“导航器”窗口中选择所有的光谱收购。
- 在“应用程序”，选择“DICOM的工具”→“导出磁共振波谱”和DICOM（* .dcm）文件保存到C：/用户/ MEDCOM /温度/ CDROFFLINE
（该工具会自动选择这个位置）。 - 在“转移”，选择“导出到脱机”。保存到所需的位置。
5.数据处理与分析62
- 具有可自由可用JMRUI软件（; http://www.jmrui.eu/ 5.2版）分析MR光谱。
- 变迹和相移的频谱，以确保在所有采集时间点（ 图5）的均匀性。在PCR高峰将集中一个T 0的PPM的光谱。
- 使用内置的阿马里什算法量化肌酸峰的幅度在每一个获得的光谱。峰值幅度代表了PCR的表面线圈的感应区域内的特定时间点的浓度。
- 在计算软件，绘制肌酸浓度的采集时间的函数。使用内置的计算软件曲线拟合工具，适合在PCR恢复期数据下面的方程52，63：
- 记录基线的PCR值（
），最低的PCR（ 
），以及恢复时间（ 
。 - 确保适当的条件简体字课程期间会晤通过计算在PCR耗尽，基线PCR和最低肌酸之间的百分差值CISE会话。理想的运动时间导致20 - 50％的损耗。
注意：曲线拟合的质量可以通过验证的R 2值是大于0.75来保证。 R 2值是由拟合软件自动计算。
），最低的PCR（ 
），以及恢复时间（ 
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Representative Results
重复性研究
6名志愿者（4男2女，平均年龄24.5±6.2岁），没有自报的心脏，代谢或线粒体疾病进行1星期内2不同的日子里所描述的31 PMRS锻炼和成像技术的会议，以评估技术再现性（ 图6a）。对正常的志愿者进行的研究证实了线粒体功能的定量31 PMRS研究的再现性。进行PCR恢复时间奥特曼分析表明1.03 4.83秒的平均差值的标准差和试验间系数4.66（ 图6b）的变化。被要求中的方法部分中描述的采集或分析协议没有改变，以获得高质量的数据，如在该协议的步骤4中描述。这些水库ULTS表明在这一工作中描述的采集和分析技术的重复性。
技术评价在非门诊参与者与弗里德里希共济失调
四个参与者（2男2女，平均年龄：35）进行了这项工作描述在非门诊人群FA评估其可行性的31 PMRS锻炼和成像技术的单个会话。这些受试者能够获得的PCR足以耗尽，以适应在步骤5.6中所示的恢复参数执行在磁铁练习。然而，更长的运动时间 - 被要求（60 90秒），以充分地耗尽肌酸水平。此外，围绕配合振荡即由肌肉控制，这是这种疾病的特征的进行性丧失引起的，进行了所述（ 图7）。对于这些小号ubjects，我们使用了膝盖和脚踝之间的两个附加电阻带，总计三个带，以限制不需要的运动。这些结果证明了采集和分析技术的可行性在非卧床患者得到肌酸恢复时间。然而，为了获得高质量的数据所需要的修改，表明进一步评估和标准化的研究是必要的。
可行性研究
九志愿者，没有自我报告的心血管疾病和15学科的统称心脏康复和二级预防（CRSP）的计划在当地机构审查委员会（IRB）批准研究对象。我们获得了一些临床应用价值心血管健康和代谢综合征的严重程度的指标。左室射血分数在CRSP科目（56 10％）保存。马ximum心血管消耗能力，开始CRSP之前测量为在有和没有糖尿病（3.05 0.6 对比 3.4 0.8代谢当量代谢当量，p值= 0.4）受试者相似。在开始CRSP之前，每个登记受试者经历了31 PMRS锻炼和成像技术，在这项工作中所描述，以及肌内脂肪量化成像，先前64描述。肌酸恢复的时间常数更长（41.9 1.4 32.1 与 7.4秒，P = 0.05），并在CRSP科目肌内脂肪比例较高与对照组（8.7 与 2.9 2.54 0.6％，P <0.001）。肌内脂肪的百分率是在CRSP受试者和非糖尿病患者（p值= 0.4）相似，和PCR恢复的时间常数趋于更长与糖尿病患者与那些没有糖尿病和对照组（P = 0.03的趋势跨组）。初步随访数据表明在相当糟糕的改善代谢当量后CRSP与糖尿病患者相比，那些没有（△= 1.0 0.8与4.0 2.4，p值= 0.06; 图8）。这些结果表明这种技术的可行性，以量化在有和没有已知的代谢疾病的受试者之间骨骼肌OXPHOS差异。
图1.线粒体，骨骼肌和心肺系统。
线粒体，骨骼肌，心输出，通风和功能的能力之间的关系的表示被示出。从米拉尼等 65再现。
图2. 材料。
所需材料包括：1）一个三角形坐垫，
图3. 定位。
A）科目成像仰卧，脚先地位。的31 P线圈被放置在左四头肌。阻带被置于上方和下方的膝盖和附连到该表。单肩带用于双腿绑在一起在膝盖以上。 B）的切片定位示出了用于在第二定位器。注意，该切片在失水中心婴儿油瓶子和灰，和切片覆盖整个股四头肌。 C）垫片箱安置31 PMRS所示。此卷直接放置在股四头肌线圈下方并覆盖了确保表面线圈的区域内足够信号和适当的垫补的深度。
图4. 数据采集。
A）在休息的代表31 P收购所示。在PCR是大单峰，且有最小的噪音（左图）。在两个大峰，Pi和PCR（右）协议结果的运动部分在一个典型的收购。锻炼的进行，Pi和PCr的峰将分别增加和减少。 B）在休息和运动后在PCR峰高的比较应该揭示至少约30％的跌幅。这个C alculation应在扫描器控制台，以便确保行使研究的成功完成来完成。
图5. 分析。
有代表性的频谱的相位校正和切趾被示出。 A）原始光谱显示一个未阶段性峰值噪音遮盖了峰的存在。 B）显示第 0频谱- 1阶ST相位校正。将PCR峰位于中心频率是容易识别的，但其他的代谢物峰仍遮蔽。 C）用洛伦兹线形状变迹后的光谱，导致噪声的降低和3的ATP峰更好的可视化和在PDE和Pi峰。这种频谱准备峰定量与Amares的工具。文件/ ftp_upload / 54977 / 54977fig5large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
图6. 31 健康受试者PMRS。
A）图中显示了磷酸肌酸（PCR）的浓度与快速准静态伸膝锻炼消耗后的恢复。该行表示，在步骤5.6所述，显示常数τ恢复时间指数恢复功能的配合;这个时间常数是线粒体氧化功能的行之有效的生物标志物。 B）的31 PMRS技术重复性的奥特曼分析表明1.03 4.83秒，试验间在PCR恢复时间的平均差值的标准差;变异系数为4.66。http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54977/54977fig6large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
图7. 31非门诊科目PMRS。
从非卧床主体的31 PMRS检查代表肌酸恢复曲线被示出。需要注意的是，64％的PCR耗竭达到本练习协议。 请点击此处查看该图的放大版本。
图8. 31 PMRS在CRSP主题。
肌酸RECOV的比较ERY次演示控制顺序较差线粒体氧化能力，非糖尿病和糖尿病患者。误差条表示标准偏差。
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Discussion
本文描述为能提供串行和无创体内骨骼肌线粒体功能的测量31 PMRS检测的标准协议。考虑到调查针对代谢综合征的日益沉重的负担及其导致的发病率和死亡率的广度时，协议持有相当大的吸引力。这31 PMRS协议要求的扫描仪最短时间内，可以在用市售的MRS设施的中心并入综合代谢的研究科目。
该议定书中的关键步骤
Contraindications-到MR检查之前，它是筛选受试者潜在禁忌至关重要。 1）同侧膝或髋关节植入物（无论○：除了典型的MR排除标准，下面应执行此协议之前，应考虑佛塔斯奎先生兼容性），以避免伪像，2）条件限制血液流动或氧输送到下肢（ 例如，外周动脉疾病），3）没有能力来执行电阻股四头肌延伸的运动，以及4）一个无法仰卧为大约30分钟。
运动伪影还原-的31 P线圈相对于被检者的股四头肌和被检者的大腿相对于工作台的运动的运动应该被最小化。确保线圈被牢固地固定在受检者腿部和该电阻带是牢固地固定在检查台上。踢期间，并且有在运动过程中没有所述线圈的转动通过确保被检者的脚跟上升不超过5进行测试。关闭考表。
获得
运动有质量主体应行使一个chieve至少在PCR 30％消耗。对于这个协议，我们已经确定了锻炼门诊科目30秒和60秒的非卧床患者达到这个目标。我们已经观察到非卧床患者施加每踢较小的力，因此需要足够的耗尽一个较长的时间间隔。
分析-这里所描述的方法提供了一个框架，以尽量减少主观性和最大限度的自动化。为光谱的分析用户输入的参数的选择应小心，以确保重现性进行。
修改和故障排除
Spectrum-的如果频谱显示噪声质量 ，确保垫片框放在肌肉内。调整垫片框的大小和位置，以改善信噪比。根据需要重复试验的收购。
QUAExercise-的lity如果在PCR中耗尽不足的初始锻炼结果，有可以用来解决一些修改：1）的肩带可以拧紧，以增加阻力; 2）标题可以指示踢更快，这增加了消耗;或3）持续锻炼的持续时间可以增加。但是，请注意，过度运动可能导致pH值改变，并可能导致酸中毒，后者能抑制氧化磷酸化恢复动力学61。这可以通过限制运动时间为最多3分钟来避免。
该技术的局限性
肌肉活组织检查分析允许的特定线粒体特性，如线粒体含量和大小，以及线粒体最大ATP合成速率测定。然而，要注意的是使用31 PMRS 的体内测量表示这些二的集合体是很重要矩形的措施，除了额外线粒体因素，如微血管供应的含氧血液到肌肉。因此，在由于降低了氧的供应或其它因素的情况下的微血管的状态是有问题，就不会提供的线粒体状态的明确指示。相反，这将表明肌肉的最大氧化ATP合成，这可能反映OXPHOS和微血管问题的一些组合的体内状态。
在这项工作中所详述的锻炼31 PMRS协议的限制是缺乏工作输出的标准化。这种标准化的缺乏简化所需的设备，因此该协议的执行情况。但是，它是在不允许其他参数，如强度和耐疲劳性，以及它们的代谢措施关系的定量评价的费用。其结果是，不同的消耗水平可能影响肌酸恢复时间超出底层线粒体缺陷的严重程度。一个可以最大限度地减少通过确保足够的肌酸枯竭这些影响，并通过使用MR兼容的测力计用可调电阻和可衡量的工作输出可以进一步规范工作输出。
对于现有或替代方法的技术意义
相比标准代谢运动试验时骨骼肌直接量化线粒体功能的能力是31 PMRS技术的主要优点。侵入肌肉活检得到的单纤维66的测量，但与随之而来的风险，使其适用于需要串行评估调查缺乏吸引力。基于近红外光谱67的方法可通过穿透深度的限制，特别是在肥胖患者，其中低至5毫米脂肪衰减NIRS小号20％68 ignal。此外，该技术本身不适合于肌肉和基于MR-技术所提供的其它系统的多维评估。此外，不同于量化肌肉能量学微创旋切方法，这种非侵入性和非破坏性测量允许重复在完整肌肉代谢状况的措施，使其利于主体人群和治疗干预的评价。
未来应用
掌握此31 PMRS技术后潜在的应用包括与特定线粒体缺陷或任何广泛的代谢紊乱的疾病的评估。差的患者心输出量，当前技术可以识别受损功能的能力，但不能建立在该功能障碍发生级（ 例如，骨骼肌，心脏，或肺）。这将是特别有趣开发出结合31 PMRS代谢措施和心肺测定法来确定，以便于个性化疗法的特定主题的能力下降的根源集成协议。
我们有将从利用线粒体功能的体内标记物中获益的重要靶向治疗和干预详细的例子。标准化31 PMRS锻炼协议，如一个以上详述，是为在基本和干预研究更广泛地使用在骨骼肌线粒体容量体内标记这一重要的一个重要步骤。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1.5 T MR Scanner | Siemens | manufacturer will not affect results | |
| 10 cm 31P transmit-receive coil, 1.5T compatible | PulseTeq | manufacturer will not affect results | |
| 3 fl oz Baby Oil | Johnson & Johnson | manufacturer will not affect results | |
| Foam triangle cushion (Knee) | Siemens | manufacturer will not affect results | |
| (3) plastic buckle resistive straps; table to table | Siemens | manufacturer will not affect results | |
| (1) plastic buckle resistive strap; self-connecting | Siemens |
References
- Eckel, R. H., Alberti, K. G., Grundy, S. M., Zimmet, P. Z. The metabolic syndrome. Lancet. 375 (9710), 181-183 (2010).
- Shulman, G. I. Ectopic fat in insulin resistance, dyslipidemia, and cardiometabolic disease. N Engl J Med. 371 (12), 1131-1141 (2014).
- 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).
- 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).
- Petersen, K. F., et al. Mitochondrial dysfunction in the elderly: possible role in insulin resistance. Science. 300 (5622), 1140-1142 (2003).
- 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).
- Liu, R., et al. Impaired mitochondrial dynamics and bioenergetics in diabetic skeletal muscle. PLoS One. 9 (3), 92810 (2014).
- 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).
- 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).
- Fernyhough, P. Mitochondrial dysfunction in diabetic neuropathy: a series of unfortunate metabolic events. Curr Diab Rep. 15 (11), 89 (2015).
- 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).
- Blake, R., Trounce, I. A. Mitochondrial dysfunction and complications associated with diabetes. Biochim Biophys Acta. 1840 (4), 1404-1412 (2014).
- Rains, J. L., Jain, S. K. Oxidative stress, insulin signaling, and diabetes. Free Radic Biol Med. 50 (5), 567-575 (2011).
- Serviddio, G., et al. Mitochondrial involvement in non-alcoholic steatohepatitis. Mol Aspects Med. 29 (1-2), 22-35 (2008).
- Perez-Carreras, M., et al. Defective hepatic mitochondrial respiratory chain in patients with nonalcoholic steatohepatitis. Hepatology. 38 (4), 999-1007 (2003).
- 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).
- Patti, M. E., Corvera, S. The role of mitochondria in the pathogenesis of type 2 diabetes. Endocr Rev. 31 (3), 364-395 (2010).
- Muoio, D. M., Newgard, C. B.
- 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).
- 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).
- Coen, P. M., Goodpaster, B. H. Role of intramyocelluar lipids in human health. Trends Endocrinol Metab. 23 (8), 391-398 (2012).
- Montgomery, M. K., Turner, N. Mitochondrial dysfunction and insulin resistance: an update. Endocr Connect. 4 (1), 1-15 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ristow, M., et al. Frataxin activates mitochondrial energy conversion and oxidative phosphorylation. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (22), 12239-12243 (2000).
- Ardehali, H., et al. Targeting myocardial substrate metabolism in heart failure: potential for new therapies. Eur J Heart Fail. 14 (2), 120-129 (2012).
- 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).
- 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).
- Babcock, M., et al. Regulation of mitochondrial iron accumulation by Yfh1p, a putative homolog of frataxin. Science. 276 (5319), 1709-1712 (1997).
- 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).
- Wardman, P., Candeias, L. P.
- 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).
- 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).
- 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).
- Scheuermann-Freestone, M., et al. Abnormal cardiac and skeletal muscle energy metabolism in patients with type 2 diabetes. Circulation. 107 (24), 3040-3046 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ropper, A. H., Samuels, M. A. Adams and Victor's Principles of Neurology. 9 edn. , The McGraw-Hill Companies,Inc. (2009).
- Abeti, R., et al. Targeting lipid peroxidation and mitochondrial imbalance in Friedreich's ataxia. Pharmacol Res. 99, 344-350 (2015).
- Li, Y., et al. Excision of Expanded GAA Repeats Alleviates the Molecular Phenotype of Friedreich's Ataxia. Mol Ther. 23 (6), 1055-1065 (2015).
- 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).
- 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).
- O'Connor, G. T., et al. An overview of randomized trials of rehabilitation with exercise after myocardial infarction. Circulation. 80 (2), 234-244 (1989).
- 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).
- Wallimann, T. Bioenergetics. Dissecting the role of creatine kinase. Curr Biol. 4 (1), 42-46 (1994).
- 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).
- 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).
- Meyer, R. A. A linear model of muscle respiration explains monoexponential phosphocreatine changes. Am J Physiol. 254 (4), Pt 1 548-553 (1988).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lynch, D. R., et al. Near infrared muscle spectroscopy in patients with Friedreich's ataxia. Muscle Nerve. 25 (5), 664-673 (2002).
- 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).
- Kanal, E., et al. ACR guidance document on MR safe practices: 2013. J Magn Reson Imaging. 37 (3), 501-530 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
