Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

זרחן-31 ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית: כלי למדידת Published: January 19, 2017 doi: 10.3791/54977
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 4, 5, 1
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

Introduction

מטרת עבודה זו היא להתוות שיטה לשחזור למדוד פולשנית במיטוכונדריה שרירי שלד vivo ב היחידים אשר להם מגוון רחב של יכולות. ליקוי המיטוכונדריה סוטה הוא סימן היכר של מגוון רחב של תסמונת המטבולית ומחלות גנטיות, ממצבים נפוצים כגון הזדקנות וסוכרת להפרעות נדירות כגון אטקסיה של Friedreich.

תסמונת מטבולית ו תפקוד המיטוכונדריה

תסמונת מטבולית הוכח לשבש תפקוד המיטוכונדריה, לדכא OXPHOS שרירי השלד, ולהוביל לאחסון השומנים אקטופי בשרירי השלד 1, 2. כפי אברונים קריטי בוויסות חילוף החומרים הומאוסטזיס אנרגיה, המיטוכונדריה הם מעורבים בפתופיזיולוגיה של השמנה 3, 4, 5 תנגודת לאינסולין (T2DM) 6, 7, סוכרת הקשורות מיקרו 8, 9, 10, 11 ו סיבוכים macrovascular 12, 13, ו מחלת כבד שומני לא אלכוהולי (NAFLD) 14, 15, 16, בין היתר התנגדות .Insulin מאופיינת שינויים עמוקים בפעילות המיטוכונדריה שריר שלד, כוללים ירידת חומצת tricarboxylic המיטוכונדריה (TCA) שיעור שטף, שיעור סינתזת ATP, ו ציטראט synthase ו NADH: פעילות oxidoreductase O 2 5. אחת ההשערות היא כי שינויים אלה יכול להיות בגלל הצטברות של חומצות השומן החופשיות (FFA) מטבוליטים בשריר, אשר נוספו ניכר במהלך השמנה והשמנת יתר-r אחריםמחלות מרומם 2, 17. חשיפת שריר FFAs מוגבה ביניים שומנים ניתן להקטין את הביטוי של גנים במסלול חמצוני שומנים וכן מחזור TCA ושרשרת אלקטרון-תחבורה (ETC) 18. הפחתה זו קיבולת OXPHOS שרירי השלד המיטוכונדריה את ההגדרה של עומס השומנים מלווה ירידה כמותית (תוכן biogenesis של המיטוכונדריה) 19 ותפקוד איכותי של המיטוכונדריה שרירי השלד 20. חשיפת שרירי השלד מיוציטים כדי FFAs מוביל עמידות לאינסולין חמור, ספיגת FFA גורמות בשריר קשורה תנגודת לאינסולין בשני בני אדם ומכרסמים 21. Ceramide ביניים שומנים diacylglycerol (DAG) הוכחו לעכב את מסלול איתות האינסולין ישירות על ידי שינוי הפעילות של קינאזות, כגון C קינאז חלבון protein kinase B 21. לכן, מולקולות נגזרות שומנים להופיע למלא תפקיד בולט בפיתוח של תנגודת לאינסולין שרירי שלד T2DM. עם זאת, עדיין לא ברור האם שינויי קיבולת המיטוכונדריה הם סיבה או תוצאה של אינסולין התנגדות 22.

חוסר תפקוד אטקסיה מיטוכונדריאלי של פרידריך

OXPHOS מתגבר גם יכול לנבוע פגמים גנטיים. אטקסיה של פרידריך (FA), הצורה הנפוצה ביותר של אטקסיה תורשתית, היא הפרעה גנטית הנגרמת על ידי מוטציה בגן frataxin גן (FXN), וכתוצאה מכך הצטברות ברזל התוך המיטוכונדריה, ייצור מינים חמצן תגובתי, וחריגות של זרחון חמצוני 23, 24, 25, 26. תגלית חשובה זה הובילה לפיתוח טיפולים ממוקדים, whicמטרת h לשיפור תפקוד המיטוכונדריה ברמת המשנה הסלולר. למרות ההבנה הזאת, חלה התפתחות מוגבלת in vivo, ביומרקרים לשחזור למחקר קליני FA. למעשה, חסם קריטי ההערכה האפקטיבית של טיפולים ממוקדים FA הוא חוסר היכולת לעקוב אחר שינויים בתפקוד המיטוכונדריה. נוכח פעולות פונקציונליות, למשל, ניתן לזהות ירידה בתפוקת לב; עם זאת, הם אינם מסוגלים קביעת הרמה שבה התפקוד הלקוי מתרחש (איור 1). התפתחות סמן אמין של תפקוד המיטוכונדריה, שניתן להשתמש בהם כדי לזהות ולהעריך את התקדמות המחלה ב אטקסיה של פרידריך הוא חיוני כדי לאמוד את ההשפעה מכניסטית הרלוונטיים של טיפולים ממוקדים.

OXPHOS פגומה חוסר תפקוד לב

פונקציה המיטוכונדריה סוטה, או שנרכשו או גנטי, יכול לתרום להתפתחות או התקדמות של Cardiתפקוד לקוי של AC. בתנאים של עומס לחץ ואי ספיקת לב, בוררי העדפת מצע האנרגיה העיקרית מן FFA לגלוקוז. זה קשור לירידה בפעילות ETC חמצוני זירחון 27. פתופיזיולוגיה של bioenergetics המיטוכונדריה בתפקוד הלב יכול להיות שונה בהתאם למקור הראשוני של פגם המיטוכונדריה. סוכרת ותוצאות תסמונת מטבולית הפרעות המיטוכונדריה שריר הלב, כגון biogenesis לקויי ומטבוליזם של חומצות שומן, אשר יוביל גמישות המצע מופחת, יעילות אנרגיה, ובסופו של דבר, חוסר תפקוד דיאסטולי 28, 29. ב FA, מאידך גיסא, תוצאות מחסור frataxin בצבירת ברזל משמעותית המיטוכונדריה cardiomyocytes 30, 31. מגהץ הצטברות מובילה את הייצור של רדיקלים בחינם דרך תגובת פנטון 32 </ Sup> ומגדיל את הסיכוי לנזק cardiomyocyte הרדיקלי-induced בחינם. הצטברות ברזל Intra-המיטוכונדריה קשורה גם רגישות מוגברת סטרס חמצוני קיבולת חמצוני מופחת 30, 31. הצטברות ברזל במיטוכונדריה עוקבת סוטה, עקב מחסור frataxin, ולכן עשויה להיות אחראים על האנרגטיקה הלב הפגום קרדיומיופתיה שנצפה FA 33, 34. מעניין גם לציין כי קיבולת חמצוני מופחת במיטוכונדריה שריר השלד מקבילה סובלנות התרגיל והקטינו קיבולת מטבולית באי ספיקת לב (HF) 35. מדידת קיבולת שריר שלד OXPHOS, כמפורט במסמך זה, הוא בר יישום בקלות ויציבה; יחד עם משמעות OXPHOS שרירי השלד ב HF, תכונות אלו הופכות אותו סמן ביולוגי מושך מחקרים מקיפים של לשמועt המחלה 36.

OXPHOS הפגום ואת תפקוד הלב הנ"ל אינו היבט חסר משמעות של מטבולית ומחלות המיטוכונדריה. נושאים עם סוכרת ומחלות מטבוליות נמצאים בסיכון גבוה יותר לפתח מחלות לב וכלי דם ויש לי שיעור תמותה גבוה יותר לאחר אוטם שריר הלב (MI) 37, 38, 39, 40, 41; יש קרדיומיופתיה יותר ממחצית הנבדקים FA, ומתים רבים של הפרעות קצב לב או אי ספיקת לב 42. לכן, כימות של OXPHOS מופחת לא יכול לאפשר רק גילוי מוקדם וטיפול של חוסר תפקוד הלב, אבל זה יכול גם להקל על הנטל קליני מרכזי למחלות אלה.

טיפולים ממוקדים ישירות כדי להגדיל את קיבולת OXPHOS הוא אזור מבטיח לשפר את הטיפול של נושאים, wheיס הגורם של חוסר תפקוד מטבולים הוא גנטי או נרכש. נכון לעכשיו, הפיתוח של רומן ממוקד תרופות או להקל במיטוכונדריה נורמלי 43 או לתקן את הפגם הגנטי הראשוני 44 יכול לשפר את מאפיין bioenergetics המופרע של FA. במקרה של תפקוד המיטוכונדריה נרכש, פעילות גופנית מוגברת יכולה לשפר המיטוכונדריה פונקציה 45, 46, 47.

31 ספקטרוסקופיה זרחן תהודה מגנטית כמו ביומרקר לא פולשני של תפקוד מיטוכונדריאלי

לא משנה של הטיפול הנבדק, משולב בהערכת vivo של bioenergetics שרירי שלד הוא כלי חיוני כדי להעריך את ההשפעה של התערבויות ממוקדות, במיוחד בחולים עם אי סביל תרגיל חמור או חוסר היכולת לעבור METABO הקונבנציונליבדיקות Lic. ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית מכוונת זרחן (31 ארגונו של ברגותי), גרעין אנדוגני נמצא מצעי אנרגיה גבוהה שונים בתוך תאים בכל הגוף, נעשתה שימוש כדי לכמת יכולת חמצוני המיטוכונדריה באמצעות מגוון של גישות, כולל in-מגנט פרוטוקולי התאוששות פעילות גופנית גירוי שרירי פרוטוקולי 48. פרוטוקולי התאוששות התרגיל להסתמך על מגוון רחב של מכשירים, החל ב מורכבות מ אופני כושר MRI התואמים מווסתים ולמדוד עומס עבודה לתצורות פשוטות של רצועות ורפידות המאפשרות resistive פרץ-סוג והפעילות גופני מעין-סטטי. אחת המטרות העיקריות של כל אחד מהפרוטוקולים היא לייצר אנרגיה בלתי מאוזנת עבורו הביקוש אדנוזין אדנוזין (ATP) הוא נפגש בתחילה דרך התמוטטות האנזימטית של phosphocreatine (PCR) דרך התגובה קריאטין קינז 49. לאחר הפסקת פעילות גופנית, קצב ייצור ATP הוא נשלט על ידי Pho חמצוניsphorylation ומייצג את המקסימום קיבולת vivo של המיטוכונדריה 50. יתר על כן, OXPHOS במהלך ההתאוששות שלאחר האימון יכולה להיות מתוארת לפי תגובת שיעור מסדר ראשון 51. ההתאוששות שלאחר האימון של PCR ולכן ניתן לכמת מאי ההתאמה של קבוע זמן מעריכים (τ PCR), עם ערכים קטנים של τ PCR מייצג יכול יותר לסינתזת ATP חמצונים. במאמצים משמעותיים נעשו כדי לאמת 31 הארגון של ברגותי נגד vivo לשעבר ואמצעים ישירים יותר של OXPHOS ולהדגים את התחולה הקלינית האפשרית של טכניקה זו 52, 53, 54, 55.

יש לציין, הפרוטוקול המתואר בעבודה זו יכול להיות מיושם על סורקים קליניים-טובים, וזה קבל תוקף נרחב כמו o סמן ביולוגי פולשניתבמיטוכונדריה f 56. עם זאת, פרוטוקול ארגונו של ברגותי תרגיל 31 אופטימיזציה עבור יישום ליחידים עם חומרות שונות של ליקוי תוקף או ניידות לא הוכח גם 57. פרוטוקול תרגיל מוגדר היטב, רחב-החלים 31 טכניקת ארגונו של ברגותי יהיה שימושיים במיוחד בהערכת מחלות עם מומי יסוד במיטוכונדריה.

מחקרים קודמים בחנו מספר היישומים של טכניקות פולשני לכמת במיטוכונדריה במקצועות. למשל, טכניקות אלו הראו OXPHOS הלקוי בנבדקים עם סוכרת מסוג 2 36. לודי ואח. הראשון בדק את הכדאיות של טכניקות ארגונו של ברגותי בנבדקים עם FA ומצא כי 1) הפגם הגנטי יסודי FA פוגעת OXPHOS שרירי השלד 2) מספר שלישיה GAA חוזר עומדת ביחס הפוך שרירי השלד OXPHOS 33. לאחרונה, Nachbauer et al. ארגונו של ברגותי משמש כמדד תוצאה משנית בניסוי התרופה FA עם 7 נושאים. זמני התאוששות PCR היו באופן משמעותי יותר במקצועות בהשוואה לקבוצת ביקורת, מאשרים מחדש העבודה הקודמת של לודי ומציין כי ההשפעות של ביטוי frataxin הסוטה ב FA יכולות לגרום לירידה ביכולת המיטוכונדריה הניתנת לזיהוי באמצעות טכניקות ארגונו של ברגותי 58.

שיטות אמינות כדי להגדיר כראוי בתפקוד שרירי שלד vivo באופן ריאלי, חסכוני, לשחזור הם קריטיים לשיפור תוצאות נושא במגוון של מחלות המשפיעות על תפקוד המיטוכונדריה.

עבודה זו מתווה הליך חזק להשגת קיבולת חמצוני מקסימלית vivo של שרירי שלד באמצעות 31 הארגון של ברגותי. פרוטוקול התרגיל-המגנט נסבל היטב על ידי אנשים פורשים מגוון רחב של פיזית functionaיכולות l ומאפשרות התקנת נושא פשוטה באמצעות ציוד זול בתפוצה רחבה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

פרוטוקול זה מאושר על ידי והוא פועל בהתאם להנחיות של הדירקטוריון סקירה מוסדיים אוניברסיטת אוהיו עבור ניסויים בבני אדם. חשוב ביותר כי כל הנהלים הקשורים ציוד MR מבוצעים על ידי צוות מיומן כראוי דבק בסטנדרטים הגבוהים ביותר של בטיחות MR 59.

חומרי 1. הכנה

  1. ודא שכל החומרים הדרושים זמינים לפני הניסוי (איור 2).
  2. חבר את סליל 31 P למחבר הסליל ב-שולחן בסוף שולחן הבחינה הקרוב נשא. מניח כרית קצף המשולש גדולה ליד בראש שולחן בחינת MR, אבל לא באופן ישיר על 31 סליל P. מניח כרית ראש בקצה השני של שולחן בחינת MR, הרחוקה מן לשעמם, לנוחות נושא.

2. מיצוב נושא (איור 3 א)

  1. הדרך את הנושא לשכב פרקדן, רגלראשון על שולחן MR. מניח כרית קצף מתחת לברכיים כדי לתמוך הרגל בתנוחה מכווצת חלקית.
  2. מקם את הנושא קרוב בצד ימין של השולחן (הזכות של הסובייקט) כדי למרכז את הירך השמאלית כפי דוק isocenter מגנט ככל האפשר, ובכך להבטיח הומוגניות B0 אופטימלית בשריר הירך בבחינה. לספק את הנושא עם אטמי אוזניים ו / או אוזניות.
  3. מקם את סליל RF 31 P על הארבעה ראשי השמאל בכ נקודת האמצע בין פיקת הברך ואת ראש הירך, ולאבטח את הרגל באמצעות רצועות. מניח את הסליל על החלק הלטרלי של הרגל, מעל lateralis vastus.
  4. אבטח את שמן תינוקות להיבט המדיאלי של הירך עם אותו רצועות המשמשת לאבטחת סליל לכיוון הרגל. זה הופך לפשוט לוקליזציה סריקה.
  5. לחייב את הרגליים של הנושא יחד עם רצועה הממוקמת מתחת הסליל מעל הברך. אבטח את הרגליים של הנושא לשולחן MR עם stra נוסףנ.ב., אחד מעל הברך באמצע אחד בין הברך והקרסול.
  6. השתמש במדריך אור לייזר להתוות במרכז סליל להזיז את השולחן אל isocenter מגנט באמצעות אתר מרכוז זה.

3. פרוטוקול תרגיל

  1. הסבר לנושא כי פרוטוקול התרגיל מורכב משלושה שלבים: שלב ראשוני, בסיס; שלב תרגיל קצר, אינטנסיבי; ושלב החלמה.
  2. הדרך את הנושא לשכב בשקט ויירגע שרירי הרגליים שלהם במהלך שלבי המחקר וההחלמה של רכישת ספקטרוסקופיה כדי למזער הצעת artifacts.
  3. לספק ספירה לאחור לנושא המציין את תחילת התרגיל. בשלב זה, יש את הנושא ליזום ברך רחבה / כיפוף כפי בכוח במהירות אפשרי נגד ההתנגדות של הרצועות.
    הערה: שרירי הארבע ראשי משמשים להזיז את הרגל השמאלית התחתונה מעלה ומטה, עד שתתקבל הוראה לעצור.
  4. סיים תרגיל לאחר ירידה של 30%בשיא שיא PCR.
    1. שים את גובה שיא PCR בחלון מציג הרכישה, וגם לראות את הכתובת עם השלמת רצף הפעילות הגופנית.
      הערה: הנחיה כללית היא כי ירידה של 30% בקירוב גובה שיא PCR מתאימה לשיא Pi כי הוא 50% המגובה של שיא PCR. אם דלדול PCR אינה מתרחשת מספיק במהירות כדי להשיג ירידה של 30% במהלך שלב המימוש של הבחינה, לעודד את הנושא לבעוט קשה יותר או מהר יותר בזמן פעילות גופנית.
      הערה: הפסקת התרגיל נקבע על ידי ניטור גובה שיא PCR ומשך פעילות גופנית. הדבר עלול לגרום משכים מעט שונים של פעילות גופנית בחולים שונים וניתן היווה בניתוח.

4. פרוטוקול סריקה

  1. לרכוש מְאַתֵר תלת-מטוס לאמת מיצוב נושא ראוי לזהות את המיקום של סליל 31 P.
    הערה: רצף מְאַתֵר מתחיל באופן אוטומטי ומרכזי בבית ההודיated המיקום באמצעות ספר אור לייזר (שלב 2.9)
  2. לרכוש מְאַתֵר מטוס-תלת שני.
    1. פתח את פרוסת נוף על התמונות מְאַתֵר תלת-המטוס הראשון.
      הערה: תהליך זה עשוי להיות שונה עבור מערכות תוכנה וחומרה שונות.
    2. מרכז ולסובב את הכיוון פרוס על ידי לחיצה שמאלה וחזק על הקבוצה הפרוסה. סובב את הקבוצה הפרוסה. ודא כי הכיוון הסופי של פרוסות תוצאות עם עמדת שמן תינוקות.
    3. בחלון הרצף השיגרתי, להגדיל את מספר פרוסות כדי לכסות את הרגל כולה הצירי ותמונות sagittal (איור 3B).
  3. 31 P רצף ספקטרוסקופיה:
    1. השתמש פרמטרי הרצף דופק לרכוש הלא מקומי הבאים: TR: 1,000 msec; TE: 0.34 מילי-שניות; רוחב ספקטרלי: 2,000 הרץ; זווית להעיף: 90 מעלות; נקודות נתונים רכשו: 1,024; 4 ממוצעים וכתוצאה מכך לפתרון זמן של 1 ספקטרום כל 6 שניות.
  4. 31 P שימו boמיקום x:
    1. באמצעות עכבר, גרור את התמונות מְאַתֵר השניות Triplane לתוך חלון הצפייה בחלק העליון של המסך. גרור את רצף ספקטרוסקופיה לתוך חלון פרוטוקול ולחץ עליו פעמיים כדי לפתוח.
    2. השתמש בשורת הכלים בעמדה לדמיין את voxel הפחית (בחר את המלבן השחור עם קווים אופקיים). לאחר הבחירה באפשרות זו, להתבונן קופסא ירוקה על התמונות מְאַתֵר.
      הערה: זהו shim voxel.
    3. הזז את voxel ידי לחיצה שמאלה וחזק של voxel במרכז. שינוי הגודל לסובב את הכיוון של voxel ידי לחיצה שמאלה וחזק של voxel בפינת הקופסה. מניחים את תיבת shim כדי להבטיח אחידות בתחום B0 ישירות מתחת סליל מקביל את המטוס של שריר הארבע ראשי.
      הערה: זו היא להבטיח shimming הנכונה בתוך האזור הרגיש תחת הסליל, המהווה את נפח הרקמה ישירות מתחת למרכז הסליל.
    4. השתמש בתמונות מְאַתֵר תלת-המטוס לזהות את sensitivבאזור דואר של הסליל ולהתאים את תיבת shim להקיף באזור זה בתוך השריר הארבע ראשי.
      הערה: תיבת shim יכולה להיות גדולה יותר מאשר הכיסוי האמיתי של סליל המשטח כדי להבטיח B0 הומוגניות בתוך רכישת נתוני voxel (איור 3c).
    5. 31 P רכישת מבחן:
      1. פתח בחלון מציג הרכישה ובחר בסמל הראש בסרגל כלי רכישה. זה יאפשר לצפיית רכישת ספקטרוסקופיה בזמן אמת.
      2. אחרי המיקום של voxel shim 31P, הפעל את הרצף להשיג ספקטרום יחיד על ידי לחיצה על כפתור "הפעלה" בחלק העליון של חלון הפרוטוקול.
      3. לבחון את איכות shimming B0. שימו הספקטרום שהתקבל בחלון הרכישה. שימו לב לשיא PCR בולט מרוכז ב 0 עמודים לדקה ואין רעש משמעותי (איור 4 א, משמאל).
        הערה: פתרון בעיות: אם מופיע הספקטרום רועש, ודא שתיבת shim מושמת בתוך שריר. מוֹדָעָהרק את הגודל והמיקום של תיבת shim כדי לשפר את יחס אות לרעש. חזור על רכישת הבדיקה כנדרש.
      4. על מנת לראות את גובה שיא PCR, פתח את הספקטרום בכלי ספקטרוסקופיה ( "יישומים" → "ספקטרוסקופיה"). פתח את התיקיה של המטופל (סמל עץ התיקיות), בחר את הסריקה המתאימה, ולחץ עליו פעמיים כדי לטעון את הספקטרום.
  5. תמונת T1 לפני אימון:
    1. לקבל תמונה T1-weighted צירית חד פרוסה במרכז סליל.
  6. 31 רכישה לפני אימון P:
    1. העתק את רצף משלב 4.4 (שהפיק את איכות הרפאים הטובה ביותר) על-ידי לחיצה שמאלה גרירת הרצף בחלון הפרוטוקול. היעזרו ברצף זה עבור כל המידות הבאות.
    2. בחלון הרצף השיגרתי, להגדיל את מספר מדידות מ -1 עד 10. בטווח בחר לרכוש 10 מדידות תוך הנושא נמצא במנוחה.
  7. 31 </ Sup> P רכישת פעילות גופנית:
    הערה: שים לב המדוקדק של זמני ההתחלה וסיום פעילות גופניים, כמו זה יהיה חשוב לניתוח.
    1. Rest: להחיל את הגדרות shim מן הסריקה הקודמת ולהגדיר את הרצף לרכוש 20 מדידות. הדרך את הנושא כדי להתחיל לבעוט לאחר ספירה לאחור. הדרך את הנושא להישאר במנוחה עבור 2 מדידות.
    2. תרגיל: שאל את הנבדק לצורך ביצוע התרגיל הרחב ברך עבור ~ 30 שניות (או את הזמן הדרוש כדי להשיג ירידה של 30% ב את המשרעת שיא PCR). אחרי הנושא משיג דלדול PCR מספיק, לשאול אותם לנוח.
  8. 31 רכישות P שלאחר אימון:
    1. לרכוש 20 מדידות נוספות במנוחה. ודא כי הרכישות שלאחר האימון להתחיל מיד לאחר רצף פעילות גופנית, ללא הפסקה או shimming (איור 4 א, מימין).
      הערה: החלוקה של תקופת החלמה זה לשתי רכישות נפרדות מאפשרת הניתוח של iספקטרה nitial 20 דינמית במהלך רכישת 20 הספקטרום דינאמי השני, המאפשרת למפעיל כדי למנוע רכישת תקופת ההחלמה המלאה אם ​​התרגיל צריך להיות חזר.
  9. הבטחת איכות התרגיל:
    1. השווה את לגבהים שיא PCR בתחילת וסיום של פעילות גופנית. אימונים באיכות גבוהה לגרום לירידה ~ 30% בריכוז PCR.
    2. ודאו כי גובה שיא PCR זהה לתחילת מנוחה בסוף ההתאוששות (בדרך כלל, <שונה 10% הוא רצוי). הדבר מבטיח כי לא היה הפסד זניח של ההומוגניות שדה במהלך הרכישה.
      הערה: אם התפלגות PCR אינה מספיקה, או אם חלה אובדן ההומוגניות שדה, ולאחר מכן לחזור על חלק תרגיל / התאוששות של הבחינה (מקפידה להימנע עייפות), להבטיח כי הסליל והרצועות מחוברות באופן מאובטח, ולהרחיב משך המימוש ו / או לעודד פעילות גופנית נמרצת יותר (איור 4 ב).
      לֹאE: השוואת התמונות שהושגו שלבי 6 ו -11 היתרי צעד בקרת איכות נוסף לדמיין כל תזוזה של הירך ואת הסליל עקב המימוש, ובכך להבטיח כי תנועה מינימאלית התרחשה במהלך הפרוטוקול, אשר יכול להשפיע באופן משמעותי על הנתונים רכשו .
  10. בעקבות הדמית T1 שלאחר אימון, לחזור על האימון מראש צירי הדמית T1 (שלב 4.5) באמצעות פרמטרי הרכישה אותו.
    1. בנוסף דלדול מספקת של PCR, למדוד את רמת החומציות תרגיל קץ להבטיח כי פעילות גופנית לא לגרום חמצת של השריר.
    2. בצע זאת על ידי מדידת השינוי הכימי בין Pi ו- PCR (δP i) ו באמצעות המשוואה הבאה 60:
      pH = 6.77 + log [(δP אני -3,29) / (5,68-δP i)]
      הערה: pH צריך להישאר יותר מ 6.8 61. אם התפלגות PCR מספיקה אבל ה- pH נמוך מדי, לחזור על התקף התרגיל לזמן קצראה משך ו / או בעוצמה ירד.
  11. שמירת נתונים:
    1. שמור את כל הספקטרום רכש כקובצי DICOM ולייצא אותם לעיבוד באמצעות JMRUI.
    2. אם באמצעות סורק, בחר כל רכישות ספקטרוסקופיה בחלון "Navigator".
    3. תחת "יישומים", בחר "כלים DICOM" → "ספקטרוסקופיה MR ייצוא," ולשמור את קבצי DICOM (* .dcm) ל- C: / משתמש / MedCom / temp / CDROFFLINE
      (הכלי באופן אוטומטי בוחר במיקום זה).
    4. תחת "העברה", בחר "יצוא למצב זמין." שמור למיקום הרצוי.

5. עיבוד נתונים וניתוח 62

  1. לנתח את ספקטרום MR עם תוכנת JMRUI בחופשיות-זמינה (גרסה 5.2; http://www.jmrui.eu/).
  2. Apodize ו פאזה הספקטרום על מנת להבטיח אחידות על פני כל נקודות זמן רכש (איור 5). שיא PCR יהיה מרוכזt 0 ppm בספקטרום.
  3. השתמש באלגוריתם המובנה AMARES לכמת את משרעת של שיא PCR בכל ספקטרום רכש. משרעת השיא מייצגת את הריכוז של PCR בתוך האזור הרגיש של הסליל משטח באותה נקודת זמן מסוימת.
  4. בתוכנה חישובית, עלילת ריכוזי PCR כפונקציה של זמן רכישה. שימוש מובנה כלי עקום-התאמת תוכנה חישובית, להתאים את נתוני תקופת החלמת PCR המשוואה הבאה 52, 63:
    משוואה 1
  5. רשום את הערכים של PCR הבסיס ( משוואה 2 ), את ה- PCR הנמוך ביותר ( משוואה 3 ), ואת זמן ההחלמה ( משוואה 4 .
  6. ודא כי התנאים המתאימים מתקיימים במהלך exerהפגישה בתרגיל ידי חישוב דלדול PCR, ההבדל באחוזים בין קו הבסיס PCR ואת הנמוך ביותר PCR. אימונים אידיאליים לגרום 20 - דלדול 50%.
    הערה: האיכות ההולמת העקומה ניתן להבטיח על-ידי האימות כי ערך R 2 גדול מ 0.75. ערכי R 2 מחושבים באופן אוטומטי על ידי התוכנה ההולמת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

לימוד שחזור

שישה מתנדב (4 גברים ו -2 נשים, גיל ממוצע: 24.5 ± 6.2 שנים) ללא לב דיווח עצמי, חילוף חומרים, או מחלת המיטוכונדריה עבר הפעלות של שתואר 31 ארגונו של ברגותי התעמלות טכניקת דימות ב -2 ימים שונים בתוך 1 שבוע להעריך טכניקה שחזור (איור 6 א). המחקרים שבוצעו על מתנדבים בריאים לאשר השחזור של 31 מחקר ארגונו של ברגותי הכימות של פונקציה המיטוכונדריה. ניתוח בלנד-אלטמן זמן התאוששות PCR מדגים סטיית תקן הבדל ממוצעת של 1.03 4.83 שניות מקדמות בין-ניסויים של וריאציה של 4.66 (איור 6 ב). אין שינויים בפרוטוקול הרכישה או ניתוח כמתואר בסעיף שיטות נדרשו להשיג נתונים באיכות טובה, כפי שמתואר בשלב 4 של הפרוטוקול. מיל אלהאולטס להדגים את השחזור של טכניקות הרכישה וניתוח מתוארים בעבודה זו.

הערכת טכניקה ב שאינםם אמבולטורי עם אטקסיה של פרידריך

ארבעה משתתפים (2 גברים ו -2 נשים, גיל ממוצע: 35) עברו בפגישה אחת של 31 ארגונו של ברגותי תרגיל טכניקת הדמיה המתוארת בעבודה זו כדי להעריך את היתכנותה בתוך אוכלוסייה הלא-אמבולטורי עם FA. נושאים אלה היו מסוגלים לבצע את התרגילים-שואב קבלת דלדול מספק של PCR כדי להתאים את פרמטרי ההתאוששות שמוצגים צעד 5.6. עם זאת, פעמים תרגיל יותר (60 - 90 שניות) נדרשו לרוקן את רמות ה- PCR מספיק. בנוסף, תנודות סביב לנכון כי נגרמו על ידי האובדן ההדרגתי של שליטה בשרירים, אופייני למחלה זו, נרשמו (איור 7). לקבלת ים אלהubjects, השתמשנו בשתי רצועות התנגדות נוספות בין הברכיים והקרסוליים, מתן סכום כולל של שלוש רצועות, להגביל תנועה לא רצויה. תוצאות אלו להוכיח את ההיתכנות של טכניקת הרכישה והניתוח להשיג זמני התאוששות PCR במקצועות שאינם אמבולטורי. עם זאת, השינויים הנדרשים כדי לקבל נתונים באיכות טובה עולים כי מחקרי הערכת סטנדרטיזציה נוספים נחוצים.

בדיקת היתכנות

תשע מתנדב ללא מחל קרדיווסקולרית דיווח עצמית ו -15 נבדקים המכונים תכנית של שיקום לב ואת מניעה שניונית (CRSP) נרשמו ועדת ביקורת מקומית מוסדית (IRB) מחקר -approved. השגנו כמה ערכים קליניים כאינדיקטורים בריאות הלב וכלי הדם ואת החומרה של התסמונת המטבולית. שבר הפליטה של ​​חדר שמאל השתמר נושאי CRSP (56 10%). מאximum היכולת מאמץ לב וכלי דם, נמדד לפני תחילת CRSP, היה דומה בנבדקים עם וללא סוכרת (3.05 0.6 לעומת 3.4 0.8 METs ושווי מטבולית, p = 0.4). לפני תחילת CRSP, כל נושא נרשם עבר טכניקת 31 ארגונו של ברגותי תרגיל הדמיה, מתוארת בעבודה זו, ואת הדמית כימות שומן לשריר, שתוארה לעיל 64. קבוע הזמן של ההתאוששות PCR היה ארוך יותר (41.9 1.4 לעומת 32.1 7.4 שניות, p = 0.05), ואחוז השומן לשריר התחזק במקצועות CRSP לעומת הביקורת (8.7 2.9 לעומת 2.54 0.6%, p <0.001). אחוז שומן לשריר היה דומה במקצועות CRSP עם ובלי סוכרת (p = 0.4), ואת קבוע הזמן של ההתאוששות PCR נטו להיות יותר בנבדקים עם סוכרת לעומת אלו ללא סוכרת בקבוצת הביקורת (p = 0.03 עבור המגמות בקבוצות). נתונים ומעקב ראשוניים מצביעים על שיפור גרוע משמעותיתMETs שלאחר CRSP בנבדקים עם סוכרת בהשוואה לאלו שלא סבלו (דלתא = 1.0 0.8 לעומת 4.0 2.4, p = 0.06; איור 8). תוצאות אלו להוכיח את ההיתכנות של בטכניקה זו כדי לכמת הבדלי OXPHOS שרירי שלד בין נבדקים עם ובלי מחלה מטבולית ידועה.

איור 1
איור 1. המיטוכונדריה, שרירי שלד, מערכות לב-ריאה.
ייצוג של הקשר בין המיטוכונדריה, שרירי שלד, תפוקת לב, אוורור, ו יכולת תפקודית מוצג. לשכפל מ מילאני ואח 65.

איור 2
איור 2. חומרים.
החומרים הדרושים כוללים 1) כרית משולשת, 31 10 סנטימטרים מכוונים P, 3) שולחן אל שולחן חיבור רצועות התנגדות, 4) רצועת resistive חיבור עצמית, ו -5) בקבוק קטן של שמן תינוקות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. מיצוב.
א) נושאים הם צילמו במצב שכיבה, רגליים ואחת. סליל 31 P מושם על הארבעה ראשי השמאל. רצועות התנגדותי ממוקמות מעל ומתחת לברך ומצורף השולחן. רצועת יחיד משמש כדי לאגד את שתי הרגליים יחד מעל הברך. ב) המיצוב הפרוס מוצג עבור מְאַתֵר השני. ראוי לציין, כי הפרוסות מרוכזות בבית location של בקבוק שמן תינוקות, ופרוסות לכסות את שריר הירך כולו. ג) מיקום תיבת shim עבור 31 ארגונו של ברגותי מוצג. כרך זה ממוקם ישירות מתחת הסליל ארבעה ומכסה לעומק כי מבטח אות מספיק shimming המתאים בתוך השטח של סליל המשטח.

איור 4
איור 4. קליטת נתונים.
א) רכישת 31 P נציג במנוחה מוצגת. ה- PCR הוא שיא אחד גדול, ויש רעש מינימלי (משמאל). רכישה לא טיפוסית במהלך חלק המימוש של תוצאות הפרוטוקול בשתי פסגות גדולות, Pi ו- PCR (מימין). כמו תרגיל מתקדם, פסגות Pi ו- PCR יהיה להגדיל או להקטין, בהתאמה. B) השוואה בין גובה שיא PCR במנוחה-שלאחר אימון צריכה לחשוף לפחות ירידה ~ 30%. ג זה alculation צריך להיעשות במסוף סורק כדי להבטיח את סיומו המוצלח של המחקר פעילות גופנית.

איור 5
איור 5. ניתוח.
תיקון פאזה האפודיציה של ספקטרום נציג מוצג. א) ספקטרום גלם מראה שיא בלתי-שלבית ואת הנוכחות של רעש המסתירה את הפסגות. ב) ספקטרום מראה 0 ה - ו -1 -order שלב תיקון. שיא PCR הממוקם התדר המרכזי ניתן לזיהוי בקלות, אבל פסגות מטבוליט אחרות עדיין מעורפלות ומטושטשות. ג) הספקטרום לאחר האפודיציה עם צורת קו הלורנצי, וכתוצאה מכך צמצום רעש ויזואליזציה טובה יותר של 3 פסגות ATP ואת PDE שיא Pi. ספקטרום זו מוכנה כימות לשיא עם כלי AMARES. קבצים / ftp_upload / 54977 / 54977fig5large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. 31 ארגונו של ברגותי בנבדקים בריאים.
א) נתון זה מראה את ההתאוששות של phosphocreatine (PCR) הריכוז לאחר הדלדול שלה עם תרגיל רחבת ברך מעין-סטטי מהיר. השורה מייצגת את ההתאמה של פונקציית שחזור המעריכים כמתואר בשלב 5.6, עם זמן החלמת τ מתמיד לראות; מתמיד הפעם הוא סמן ביולוגי ומבוסס של פונקצית חמצוני המיטוכונדריה. ב) הניתוח בלנד-אלטמן 31 שחזור טכניקת ארגונו של ברגותי מדגימה סטיית תקן הבדל ממוצעת של 1.03 4.83 שניות בפעם התאוששות PCR בין ניסויים; מקדם שונה הוא 4.66.http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54977/54977fig6large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7. 31 ארגונו של ברגותי ב מקצועות שאינם אמבולטורי.
עקומת התאוששות נציג PCR מ -31 בדיקת ארגונו של ברגותי של נושא שאינו אמבולטורי מוצגת. שים לב דלדול PCR של 64% הושג עם פרוטוקול התרגיל הזה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הספרה 8
איור 8. 31 ארגונו של ברגותי בבני CRSP.
מהשוואת recov PCRפעמי ery מדגימות יכולת חמצוני המיטוכונדריה ברצף עניה בשליטה, שאינה סוכרתית, ונושאים סוכרתיים. הברים שגיאה מייצגים את סטיית התקן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מאמר זה מתאר פרוטוקול סטנדרטי 31 בחינת ארגונו של ברגותי שמקנה vivo ב סדר פולשנית למדידת תפקוד המיטוכונדריה שרירי שלד. הפרוטוקול מחזיק ערעור ניכר כאשר בוחן את רוחב היריעה של חקירות מיקוד הניטל גדל והולך של תסמונת מטבולית או התחלואה והתמותה כתוצאה שלה. פרוטוקול 31 ארגונו של ברגותי זה דורש כמות מזערית של זמן סורק ניתן לשלב חקירות מטבולית מקיפה במקצועות בכל מרכז עם מתקני MRS-זמינים מסחרית.

צעדים קריטיים בתוך הפרוטוקול

Contraindications- לפני בחינות MR, חשוב להקרין נושאי התוויות פוטנציאליות. בנוסף לקריטריונים טיפוסיים דרת MR, את הדברים הבאים צריכים להיחשב לפני יישום פרוטוקול זה: 1) שתלי ברך או ירך ipsilateral (ללא קשר of MR תאימות) להימנע חפצים, 2) התנאים המגבילים את זרימת הדם או אספקת החמצן בגפיים התחתונות (למשל, מחלת כלי דם היקפיים), 3) חוסר יכולת לבצע פעילות גופנית הארכת השריר הארבע-ראשי resistive, ו -4) חוסר יכולת לשכב פרקדן על כ 30 דק '.

חפץ Motion reduction- התנועה של סליל 31 P ביחס של הארבע ראשי הנושא ואת התנועה של יחסי הירך של הסובייקט השולחן צריך להיות ממוזער. ודא כי הסליל הוא מהודק הרגל של הנבדק וכי כי רצועות resistive מהודקות בבטחה שולחן הבחינה. לבדוק זאת על ידי הבטחה כי של עקב הנושא עולה לא יותר מ 5 ב. משולחן הבחינה במהלך בועט שאין סיבוב של הסליל במהלך התרגיל.

רְכִישָׁה

תרגיל Quality- הנושא צריך לממש עדchieve לפחות דלדול של 30% PCR. עבור פרוטוקול זה, קבענו כי 30 s של פעילות גופנית על נושאים אמבולטוריים 60 s בנושאים שאינם אמבולטורי משיגים מטרה זו. ראינו כי מקצועות שאינם אמבולטורי להפעיל פחות כוח לכל בעיטה ולכן דורשים תקופה ארוכה יותר עבור דלדול מספיק.

אנליזת השיטות שתוארו כאן מספקות מסגרת למזער את הסובייקטיביות ולמקסם האוטומציה. בחירת פרמטרי קלט משתמש לניתוח של הספקטרום צריך להיעשות בזהירות על מנת להבטיח שחזור.

שינויים ופתרון בעיות

איכות Spectrum- אם מופיע הספקטרום רועש, ודא שתיבת shim מושמת בתוך שריר. התאם את הגודל והמיקום של תיבת shim כדי לשפר את יחס אות לרעש. חזור על רכישת הבדיקה כנדרש.

quality של Exercise- אם התוצאות תרגיל הראשונית דלדול PCR מספיק, ישנם מספר שינויים שניתן להשתמש בהם כדי לפתור: 1) ניתן להדק את הרצועות, כדי להגדיל את ההתנגדות; 2) אפשר לבחון את נושא הורה לבעוט מהר, דבר המגדיל מאמץ; או 3) משך התרגיל המתמשך ניתן להגדיל. עם זאת, יש לציין כי על-פעילות גופנית יכולה לגרום pH שינתה עלולה להוביל חמצת, אשר יכולה לעכב את הקינטיקה התאוששות OXPHOS 61. זה יכול להימנע על ידי הגבלת זמן אימון עד למקסימום של 3 דק '.

מגבלות של הטכניקה

ניתוח ביופסיה של שריר מאפשר מדידת מאפייני המיטוכונדריה ספציפיים, כגון תוכן המיטוכונדריה וגודל, כמו גם את שיעור סינתזת ATP מקסימלית המיטוכונדריה. עם זאת, חשוב לציין כי מדידת vivo באמצעות 31 ארגונו של ברגותי הם מייצגים אוסף של di אלהאמצעי rect, בנוסף לגורמים חוץ-המיטוכונדריה, כגון אספקת כלי הדם של דם מחומצן לשריר. לכן, במצבים בהם מעמדה של microvasculature מוטלת בספק בשל אספקת חמצן מופחת או גורמים אחרים, זה לא יספק אינדיקטור חד משמעי של מעמד המיטוכונדריה. במקום זאת, הוא יצביע על מצבו in vivo של סינתזת ATP מקסימלית חמצונים של שריר, אשר עשוי לשקף שילוב כלשהו של OXPHOS ונושא כלי דם.

הגבלה של פרוטוקול ארגונו של ברגותי תרגיל 31 כמפורט בעבודה זו היא חוסר סטנדרטיזציה של בתפוקת העבודה. חוסר סטנדרטיזציה זו מפשטת את המנגנון הנדרש, ובכך יישום של פרוטוקול זה. עם זאת, מדובר על חשבון לא המתיר הערכה כמותית של פרמטרים אחרים, כגון חוזק עַיפָנוּת, ואת הקשר שלהם אמצעים מטבולית. כתוצאה מכך, רמות המאמץ שונות יכולות להיות השפעה על PCRזמן החלמה מעבר חומרת פגם המיטוכונדריה הבסיסי. אפשר למזער תופעות אלה על ידי הבטחת דלדול PCR מספיק ויכול נוספים לתקנן את התפוקה בעבודה באמצעות אופני כושר MR-תואם עם התנגדות מתכווננת ותפוקות העבודה למדידה.

משמעות של הטכניקה ביחס שיטות קיימות או אלטרנטיביות

היכולת לכמת במיטוכונדריה ישירות בשרירי שלד היא היתרון העיקרי של טכניקת 31 ארגונו של ברגותי בהשוואת בדיקת מאמץ מטבולית סטנדרטית. ביופסיה של שריר פולשנית מאפשרת מדידות בסיבים יחידים 66, אם כי עם סיכונים נלווים שהופכים אותו פחות מושך עבור חקירות מחייב הערכת סדרתי. גישות מבוססות על ספקטרוסקופיה האינפרה-אדום קרוב 67 עשויות להיות מוגבלות על ידי עומק חדירה, במיוחד בחולים הסובלים מהשמנת יתר, שבו קטן כמו 5 מ"מ של שומן פוחת של NIRSignal ב -20% 68. יתר על כן, טכניקת אינ מאפשרת ההערכה הרבה הממדית של שרירים ומערכות אחרות המוענקות על ידי טכניקות מבוססות MR. בנוסף, בניגוד לשיטות ביופסיה פולשנית לכימות אנרגטיקה שריר, מדד שאינו פולשני ולא הרסני זו מאפשר חזר אמצעים של המצב המטבולי בשריר שלם, מה שהופך אותו יתרון עבור ההערכה של אוכלוסיות נושא התערבויות טיפוליות.

יישומים עתידיים

יישומים אפשריים אחרי מאסטרינג טכניקת 31 ארגונו של ברגותי זה כוללים את הערכה של מחלות עם מומי המיטוכונדריה ספציפיים או כל של מגוון רחב של הפרעות מטבוליות. בחולים עם תפוקת לב עניה, טכניקות נוכחיות יכולות לזהות יכולת תפקודית לקויה אבל אי אפשר לקבוע את הרמה שבה התפקוד הלקוי מתרחש (למשל, שרירי השלד, לב או ריאות). זה יהיה במיוחדמעניין לפתח פרוטוקולים משולבים המשלבים 31 ארגונו של ברגותי עם אמצעי מטבוליות מבחני לב-ריאה כדי לזהות את סיבות השורש של קיבולת מופחתת נושא ספציפי על מנת לאפשר טיפולים אישית.

יש לנו דוגמאות מפורטות של טיפולים והתערבויות ממוקדים חשובים כי תרווחנה שימוש סמני in vivo של פונקציה המיטוכונדריה. פרוטוקול תרגיל סטנדרטי 31 ארגונו של ברגותי, כמו זו כמפורט לעיל, היא צעד חשוב לשימוש נרחב יותר של חשוב זה בטוש vivo של קיבולת המיטוכונדריה שריר השלד בשני המחקרים הבסיסיים והתערבות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

רפואה גיליון 119 תהודה מגנטית ספקטרוסקופיה זרחן קיבולת זרחון חמצוני המיטוכונדריה שרירי השלד דינמי
זרחן-31 ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית: כלי למדידת<em&gt; In vivo</em&gt; קיבולת זרחון חמצוני מיטוכונדריאלי של שריר שלד אדם
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kumar, V., Chang, H., Reiter, D. A., … More

Kumar, V., Chang, H., Reiter, D. A., Bradley, D. P., Belury, M., McCormack, S. E., Raman, S. V. Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle. J. Vis. Exp. (119), e54977, doi:10.3791/54977 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter