Waiting
Login processing...

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

Medicine

الفوسفور 31 الرنين المغناطيسي الطيفي: أداة لقياس 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

والهدف من هذا العمل هو الخطوط العريضة لطريقة استنساخه لقياس noninvasively في الجسم الحي العضلات والهيكل العظمي وظيفة الميتوكوندريا في الأفراد تمتلك مجموعة واسعة من القدرات. ضعف الميتوكوندريا الشاذة هو السمة المميزة لمجموعة واسعة من متلازمات الأيض والأمراض الوراثية، من الأمراض الشائعة مثل الشيخوخة ومرض السكري واضطرابات نادرة مثل رنح فريدريك.

متلازمة التمثيل الغذائي والميتوكوندريا الجنسي لدى الرجال

وقد تبين أن متلازمة التمثيل الغذائي لتعطيل وظيفة الميتوكوندريا، خفض الهيكل العظمي OXPHOS العضلات، ويؤدي إلى تخزين الدهون خارج الرحم في العضلات والهيكل العظمي 1 و 2. العضيات كما حرجة تنظيم التمثيل الغذائي والتوازن الطاقة، وتورط الميتوكوندريا في الفيزيولوجيا المرضية للسمنة 3، 4، 5 مقاومة الأنسولين (T2DM) 6، 7، المتعلقة بالسكري الدقيقة 8 و 9 و 10 و 11 و مضاعفات الأوعية الكبيرة 12، 13، وغير الكحولية مرض الكبد الدهني (NAFLD) 14، 15، 16، من بين أمور أخرى .Insulin يتميز مقاومة التغيرات العميقة في الهيكل العظمي نشاط العضلات الميتوكوندريا، بما في ذلك انخفاض الميتوكوندريا حمض الكربوكسيليك (TCA) معدل التدفق، ومعدل التوليف اعبي التنس المحترفين، وسينسيز سترات وNADH: O 2 النشاط مؤكسدة مختزلة 5. إحدى الفرضيات هي أن هذه التعديلات يمكن أن يعزى إلى تراكم الأحماض الدهنية الحرة (FFA) الأيض في العضلات، والتي يتم زيادتها بشكل ملحوظ خلال السمنة وغيرها من السمنة-صالأمراض معجبا 2، 17. تعرض العضلات لFFAs مرتفعة وسيطة الدهون يمكن أن تقلل من التعبير عن الجينات في التأكسدي مسار الدهون وكذلك دورة TCA وسلسلة الإلكترون النقل (ETC) 18. ويرافق هذا الانخفاض في الميتوكوندريا قدرة العضلات والهيكل العظمي OXPHOS في وضع الزائد الدهون نتيجة لانخفاض في الكمي (المحتوى ونشوء حيوي الميتوكوندريا) 19 وظيفة النوعية من العضلات والهيكل العظمي الميتوكوندريا 20. تعريض العضلات والهيكل العظمي وmyocytes لFFAs يؤدي إلى مقاومة شديدة الأنسولين، ويرتبط زيادة امتصاص الغذاء مقابل الأصول في العضلات مع مقاومة الانسولين في كل من البشر والقوارض 21. وقد أظهرت سيراميد سيطة الدهون ومادة ال diacylglycerol (داج) لتحول دون مباشرة مسار الانسولين الإشارات عن طريق تغيير النشاط من تحركات، مثل البروتين كيناز ج والبروتوكول الاضافيعين كيناز ب 21. لذلك، يبدو أن الجزيئات المستمدة من الدهون للعب دور بارز في تطوير الهيكل العظمي مقاومة العضلات الأنسولين وT2DM. ومع ذلك، فإنه لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت التغيرات في قدرة الميتوكوندريا هي سبب أو نتيجة لمقاومة الأنسولين (22).

فريدريش في رنح والميتوكوندريا الجنسي لدى الرجال

OXPHOS انخفضت يمكن أيضا أن ينشأ من عيوب وراثية. ترنح فريدريك ل(FA)، والشكل الأكثر شيوعا من رنح وراثي، هو اضطراب وراثي يسببه طفرة في frataxin (FXN) الجينات، مما أدى إلى تراكم الحديد داخل الميتوكوندريا، وإنتاج أنواع الاكسجين التفاعلية، والشذوذ من الفسفرة التأكسدية 23، 24، 25، 26. وقد أدى هذا الاكتشاف مهم لتطوير العلاجات المستهدفة، حركتيح يهدف إلى تحسين وظيفة الميتوكوندريا في المستوى دون الخلوي. وعلى الرغم من هذا الفهم، فقد كان هناك تطور محدودة في الجسم الحي، المؤشرات الحيوية استنساخه للبحوث السريرية الاتحاد الانجليزي. في الواقع، يشكل عائقا حاسما في تقييم فعالية من العلاجات المستهدفة في كرة القدم هو عدم القدرة على تتبع التغيرات في وظيفة الميتوكوندريا. تدابير الوظيفية الحالية، على سبيل المثال، يمكن تحديد انخفاض النتاج القلبي. ومع ذلك، أنهم غير قادرين على تحديد المستوى الذي يحدث اختلال وظيفي (الشكل 1). تطوير علامة موثوقة وظيفة الميتوكوندريا التي يمكن استخدامها لتحديد وتقييم تطور المرض في ترنح فريدريك هي حيوية لقياس تأثير الآلية ذات الصلة من العلاجات المستهدفة.

OXPHOS ضعف وضعف القلب

وظيفة الميتوكوندريا الشاذة، سواء المكتسبة أو الوراثية، يمكن أن تسهم في تنمية أو تطور كارداتميلان الخلل. في ظل ظروف الزائد الضغط وقصور القلب، ومفاتيح الركيزة تفضيل الطاقة الأولية من الاتحاد الاسترالي لالجلوكوز. ويرتبط هذا مع انخفاض النشاط ETC والفسفرة التأكسدية 27. الفيزيولوجيا المرضية من الطاقة الحيوية الميتوكوندريا في ضعف القلب يمكن أن تكون مختلفة اعتمادا على مصدر رئيسي للخلل الميتوكوندريا. السكري ومتلازمة التمثيل الغذائي النتائج في شذوذ الميتوكوندريا في عضلة القلب، مثل نشوء حيوي واختلال في واستقلاب الأحماض الدهنية، مما يؤدي إلى انخفاض مرونة الركيزة، وكفاءة الطاقة، وفي نهاية المطاف، اختلال وظيفي الانبساطي 28 و 29. في كرة القدم، من ناحية أخرى، فإن النتائج نقص frataxin في تراكم الحديد في الميتوكوندريا كبير في العضلية 30 و 31. تراكم الحديد يؤدي إلى إنتاج الجذور الحرة من خلال رد فعل فنتون 32 </ سوب> ويزيد من فرصة حدوث ضرر cardiomyocyte الجذور الحرة التي يسببها. ويرتبط تراكم الحديد داخل الميتوكوندريا أيضا مع زيادة الحساسية للالاكسدة وانخفاض القدرة التأكسدي 30 و 31. تراكم الحديد واللاحقة وظيفة الميتوكوندريا الشاذة، وذلك بسبب نقص frataxin، ولذا قد يكون مسؤولا عن إنتاج الطاقة في القلب وضعف عضلة القلب والتي لوحظت في الاتحاد الانجليزي 33 و 34. ومن المثير للاهتمام أيضا أن نلاحظ أن انخفاض قدرة التأكسدي في الميتوكوندريا العضلات والهيكل العظمي يوازي التعصب ممارسة الرياضة وخفض قدرة التمثيل الغذائي في فشل القلب (HF) 35. قياس قدرة العضلات والهيكل العظمي OXPHOS، كما هو مفصل في هذه الوثيقة، هو للتنفيذ بسهولة وقوية. إلى جانب أهمية OXPHOS الهيكل العظمي والعضلات في HF، هذه الميزات تجعل من العلامات البيولوجية جذابة في دراسات شاملة من يسمعمرض ر 36.

OXPHOS ضعف وضعف القلب المصاحب ليست الجانب غير منطقي من التمثيل الغذائي وأمراض الميتوكوندريا. المواضيع مع مرض السكري وأمراض التمثيل الغذائي أكثر عرضة لخطر أعلى للإصابة بمرض القلب والأوعية الدموية ويكون معدل الوفيات بعد احتشاء عضلة القلب (MI) 37، 38، 39، 40، 41؛ أكثر من نصف المواد الاتحاد الانجليزي لديهم اعتلال عضلة القلب، ويموت كثير من عدم انتظام ضربات القلب أو فشل القلب 42. لذلك، وتحديد حجم خفض OXPHOS لا يمكن أن تسمح فقط للكشف المبكر وعلاج ضعف القلب، ولكن يمكن أيضا أن تخفيف عبء السريري كبيرا في هذه الأمراض.

العلاجات المستهدفة لزيادة القدرة مباشرة OXPHOS هي منطقة واعدة لتحسين معاملة من الموضوعات، عرجذر سبب الخلل الأيضي الوراثي أو مكتسبة. حاليا، وتطوير رواية استهدفت الأدوية التي إما تخفيف اختلال وظيفة الميتوكوندريا 43 أو تصحيح الخلل الجيني الرئيسي 44 يمكن تحسين خاصية الطاقة الحيوية مختل من الاتحاد الانجليزي. في حالة ضعف الميتوكوندريا المكتسبة، ويمكن زيادة النشاط البدني يحسن الميتوكوندريا وظيفة 45، 46، 47.

31 الفوسفور التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي والعلامات البيولوجية غير الغازية وظيفة الميتوكوندريا

بغض النظر عن العلاج اختبارها، متكامل في تقييم المجراة من الطاقة الحيوية العضلات والهيكل العظمي هو أداة حاسمة لتقييم أثر التدخلات المستهدفة، وخاصة في المواضيع مع التعصب ممارسة شديد أو عدم القدرة على الخضوع METABO التقليديةيسانس الاختبار. التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي ضبطها لالفوسفور (31 PMRS)، نواة الذاتية الموجودة في مختلف ركائز عالية الطاقة داخل الخلايا في جميع أنحاء الجسم، وقد استخدم لتحديد قدرة الأكسدة الميتوكوندريا باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب، بما فيها من المغناطيس بروتوكولات ممارسة استرداد و تنشيط العضلات بروتوكولات 48. البروتوكولات ممارسة استرداد تعتمد على مجموعة متنوعة من الأجهزة التي تتراوح في التعقيد من ergometers التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة التي تنظم وقياس عبء العمل إلى تكوينات بسيطة من الأشرطة ومنصات السماح للانفجار من نوع مقاوم وممارسة شبه ثابتة. واحد من الأهداف الرئيسية في أي من هذه البروتوكولات هو لإنتاج الطاقة الخلل الذي تم تلبية الطلب على أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في البداية من خلال انهيار الأنزيمية من فسفوكرياتين (PCR) عن طريق الكرياتين كيناز رد فعل 49. على وقف ممارسة الرياضة، ويهيمن على معدل إنتاج ATP عن طريق هواتف التأكسديsphorylation ويمثل الحد الأقصى في قدرة الجسم الحي من الميتوكوندريا 50. وعلاوة على ذلك، OXPHOS خلال الانتعاش بعد ممارسة يمكن وصفها من قبل من الدرجة الأولى معدل التفاعل 51. وبالتالي، يمكن الانتعاش بعد ممارسة من PCR يكون كميا عن طريق تركيب لثابت الوقت الأسي (τ PCR)، مع القيم أصغر من τ PCR تمثل قدرات أكبر لتخليق الأكسدة اعبي التنس المحترفين. وقد بذلت جهود كبيرة للتحقق من صحة 31 PMRS ضد المجراة سابقا والمزيد من التدابير المباشرة من OXPHOS وإظهار مدى انطباق السريرية المحتملة لهذه التقنية 52، 53، 54، 55.

والجدير بالذكر أن بروتوكول الموصوفة في هذا العمل يمكن تنفيذها على الماسحات الضوئية سريريا المتاحة، وأنه تم التحقق من صحتها على نطاق واسع والعلامات البيولوجية س موسعو وظيفة الميتوكوندريا 56. ومع ذلك، بروتوكول PMRS ممارسة 31 الأمثل لتطبيقها على الأفراد مع بالقسوة متفاوتة من ضعف الاعصاب أو التنقل لم راسخة 57. ومن شأن واضحة المعالم، على نطاق واسع، ينطبق بروتوكول ممارسة الرياضة و31 تقنية PMRS تكون مفيدة بشكل خاص في تقييم الأمراض مع تشوهات الأساسية في وظيفة الميتوكوندريا.

واستكشفت عدة دراسات سابقة تطبيقات التقنيات غير الغازية لتحديد وظيفة الميتوكوندريا في الموضوعات. على سبيل المثال، أظهرت هذه التقنيات OXPHOS ضعف في المواضيع مع السكري من النوع 2 36. ودي وآخرون. أول اختبار جدوى تقنيات PMRS في الموضوعات مع الاتحاد الانجليزي وجدنا أن 1) عيب وراثي جوهري في كرة القدم يضعف الهيكل العظمي OXPHOS العضلات و2) عدد غا الثلاثي يكرر غير متناسبة عكسيا مع العضلات والهيكل العظمي ياXPHOS 33. وفي الآونة الأخيرة، Nachbauer وآخرون. PMRS تستخدم كمقياس نتائج الثانوية في محاكمة المخدرات الاتحاد الانجليزي مع 7 الموضوعات. كانت أوقات الانتعاش PCR لفترة أطول كثيرا في موضوعات مقارنة مع الضوابط، التأكيد على العمل لودي في وقت سابق، ويشير إلى أن الآثار التعبير frataxin الشاذة في كرة القدم يمكن أن يؤدي إلى انخفاض في قدرة الميتوكوندريا التي يمكن كشفها باستخدام تقنيات PMRS 58.

وسائل موثوق بها لتحديد كاف في الجسم الحي وظيفة العضلات والهيكل العظمي في وفعالة من حيث التكلفة، وبطريقة قابلة للتكرار الممكنة حاسمة لتحسين النتائج تخضع في مجموعة من الأمراض التي تؤثر على وظيفة الميتوكوندريا.

ويبين هذا العمل إجراء قوي للحصول على المجراة القدرة القصوى الأكسدة من الهيكل العظمي والعضلات باستخدام 31 PMRS. بروتوكول ممارسة في المغناطيس هو جيد التحمل من قبل الأفراد تغطي مجموعة واسعة من المادية وfunctionaقدرات لتر وتتيح الإعداد موضوع مبسط باستخدام معدات غير مكلفة وعلى نطاق واسع المتاحة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تمت الموافقة على هذا البروتوكول من قبل ويتبع المبادئ التوجيهية للمجلس المراجعة المؤسسية جامعة ولاية أوهايو لأبحاث تجرى على البشر. ومن الأهمية بمكان أن جميع الإجراءات التي تنطوي على المعدات MR يتم تنفيذها من قبل الموظفين المدربين تدريبا كافيا الالتزام بأعلى معايير السلامة MR 59.

1. المواد وإعداد

  1. ضمان توفير جميع المواد اللازمة قبل التجربة (الشكل 2).
  2. المكونات لفائف 31 P في موصل لفائف في الجدول في نهاية الجدول امتحان الأقرب إلى تجويف. ضع كبيرة وسادة مثلث رغوة بالقرب من رأس جدول امتحان MR، ولكن ليس مباشرة على لفائف 31 P. وضع وسادة الرأس في الطرف الآخر من طاولة الفحص MR، أبعد من تجويف، للراحة الموضوع.

2. مع مراعاة تحديد المواقع (الشكل 3A)

  1. إرشاد الموضوع إلى الكذب مستلق، قدملأول مرة على الطاولة MR. وضع وسادة رغوة تحت الركبتين لدعم الساق في وضع استعرضوا جزئيا.
  2. ضع هذا الموضوع على مقربة من الجانب الأيمن من الجدول (حق الشخص المعني) من أجل لتوسيط الفخذ الأيسر كما ارتباطا وثيقا مركز التساوي المغناطيس ممكن، وبالتالي ضمان تجانس B0 الأمثل في عضلة الفخذ قيد البحث والدراسة. تقديم الموضوع مع سدادات الأذن و / أو سماعات الرأس.
  3. ضع RF فائف 31 P على عضلات الفخذ اليسرى تقريبا في منتصف الفترة الفاصلة بين الرضفة ورأس الفخذ، وتأمين في الساق باستخدام الأشرطة. وضع لفائف على الجزء الجانبي من الساق، فوق الوحشية المتسعة.
  4. تأمين زيت الأطفال على الجانب الأنسي من الفخذ مع نفس الأشرطة المستخدمة لتأمين لفائف في الساق. هذا يسهل توطين المسح الضوئي.
  5. ربط الساقين موضوع معا مع حزام وضعت تحت لفائف وفوق الركبة. تأمين الساقين هذا الموضوع إلى طاولة MR مع سترا إضافيةملاحظة، واحدة فوق الركبة وفي منتصف الطريق واحد بين الركبة والكاحل.
  6. استخدام دليل ضوء الليزر لتحديد المركز من لفائف ونقل الجدول إلى مركز التساوي المغناطيس باستخدام هذه تمركز معلما.

بروتوكول 3. التمرين

  1. شرح لهذا الموضوع الذي يتكون بروتوكول ممارسة ثلاث مراحل: المرحلة الأولى، خطوط الأساس؛ قصيرة، مرحلة ممارسة التمرينات الرياضية. ومرحلة الانتعاش.
  2. تعليمات موضوع لا تزال ماثلة والاسترخاء عضلات الساق أثناء المراحل الأساسية واسترداد حيازة الطيفي من أجل تقليل الحركة الفنية.
  3. توفير العد التنازلي لهذا الموضوع مما يدل على بداية التمرين. في هذه المرحلة، يكون موضوع بدء الركبة تمديد / انثناء بنفس القوة وبأسرع وقت ممكن ضد المقاومة من الأشرطة.
    ملاحظة: يتم استخدام العضلات الرباعية الرؤوس لتحريك الساق الأيسر صعودا وهبوطا، حتى طلب منه التوقف.
  4. إنهاء ممارسة بعد انخفاض 30٪في ذروة ارتفاع PCR.
    1. مراقبة ذروة ارتفاع PCR في إطار عارض الاستحواذ، وأيضا مشاهدته عند الانتهاء من تسلسل العملية.
      ملاحظة: والمبدأ التوجيهي العام هو أن تقريبي انخفاض 30٪ في PCR ذروة ارتفاع يتوافق مع ذروة بي أن 50٪ من ذروة الذروة PCR. إذا PCR استنزاف لا يحدث بسرعة كافية لتحقيق انخفاض بنسبة 30٪ خلال مرحلة ممارسة امتحان، وتشجيع هذا الموضوع لركلة صعوبة أو أسرع أثناء ممارستهم.
      ملاحظة: يتم تحديد وقف ممارسة مراقبة ذروة ارتفاع PCR ومدة التمرين. وهذا قد يؤدي في فترات مختلفة قليلا من التمارين في مختلف المرضى، ويمكن أن تمثل في التحليل.

4. بروتوكول المسح الضوئي

  1. الحصول على كالايزر ثلاثي طائرة للتحقق من المواقع السليم لهذا الموضوع وتحديد الموقع لفائف 31 P.
    ملاحظة: تسلسل كالايزر يبدأ تلقائيا والمراكز في الهنديةموقف ATED باستخدام دليل ضوء الليزر (خطوة 2.9)
  2. اكتساب الثاني كالايزر ثلاثي الطائرة.
    1. فتح شاشة عرض شريحة على أول صور كالايزر ثلاثي الطائرة.
      ملاحظة: قد تكون هذه العملية مختلفة لنظم البرمجيات والأجهزة المختلفة.
    2. مركز وتدوير اتجاه شريحة من قبل اليسار النقر وعقد على مجموعة شريحة. وتناوب على مجموعة شريحة. تأكد من أن التوجه الأخير من شرائح مباريات مع موقف زيت الأطفال.
    3. في الإطار الروتيني تسلسل، وزيادة عدد شرائح لتغطية الساق بأكملها في محوري والصور السهمي (الشكل 3B).
  3. 31 P تسلسل التحليل الطيفي:
    1. استخدام المعلمات تسلسل نبض اكتساب غير مترجمة التالية: TR: 1000 ميللي ثانية. الشركة المصرية للاتصالات: 0.34 ميللي ثانية. عرض الطيفي: 2000 هرتز؛ زاوية الوجه: 90 درجة. نقاط البيانات التي حصل عليها: 1024، 4 متوسطات مما أدى إلى قرار الوقت من 1 الطيف كل 6 ثوان.
  4. 31 P الرقائق بوس موضع:
    1. باستخدام الماوس، اسحب الثانية الصور اعطابها كالايزر في نافذة عرض في الجزء العلوي من الشاشة. اسحب تسلسل التحليل الطيفي في إطار بروتوكول وانقر نقرا مزدوجا لفتح.
    2. استخدام شريط الأدوات القادرة على تصور فوكسل الرقائق (حدد المستطيل الأسود مع خطوط أفقية). بعد تحديد هذا الخيار، ومراقبة مربع أخضر على الصور كالايزر.
      ملاحظة: هذا هو فوكسل الرقائق.
    3. نقل فوكسل من اليسار النقر وعقد فوكسل في المركز. تغيير حجم وتدوير اتجاه فوكسل من اليسار النقر وعقد فوكسل في زاوية منطقة الجزاء. وضع مربع الرقائق وذلك لضمان B0 تجانس الحقل أسفل لفائف مباشرة وموازية لطائرة من عضلات الفخذ.
      ملاحظة: هذا هو لضمان الملئ السليم داخل المنطقة الحساسة تحت لفائف، وهو حجم الأنسجة تحت وسط لفائف مباشرة.
    4. استخدام الصور كالايزر ثلاثي الطائرة لتحديد sensitivالمنطقة (ه) من لفائف وضبط مربع الرقائق لتشمل هذه المنطقة في عضلة الفخذ.
      ملاحظة: مربع الرقائق يمكن أن يكون أكبر من التغطية الحقيقية لفائف سطح من أجل ضمان تجانس B0 في الحصول على البيانات فوكسل (الشكل 3C).
    5. 31 ف اختبار اكتساب:
      1. فتح نافذة المشاهد اقتناء واختيار أيقونة رئيس في شريط الأدوات الاستحواذ. وهذا سوف يسمح للعرض الاستحواذ الطيفي في الوقت الحقيقي.
      2. بعد وضع الرقائق فوكسل 31P، تشغيل تسلسل للحصول على الطيف واحد عن طريق النقر على زر "تشغيل" في الجزء العلوي من النافذة البروتوكول.
      3. دراسة نوعية الملئ B0. مراقبة الطيف مما أدى إلى نافذة الاستحواذ. مراقبة ذروة PCR بارزة تتركز في 0 جزء في المليون ولا ضجيج كبير (الشكل 4A، يسار).
        ملاحظة: استكشاف الأخطاء وإصلاحها: إذا ظهر الطيف صاخبة، تأكد من أن مربع الرقائق وتوضع داخل العضلات. ميلاديفقط حجم وموضع من مربع الرقائق لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. كرر اكتساب اختبار حسب الحاجة.
      4. من أجل أن نرى ذروة ارتفاع PCR، فتح الطيف في أداة التحليل الطيفي ( "تطبيقات" → "التحليل الطيفي"). فتح مجلد المريض (مجلد رمز الشجرة)، وحدد الفحص المناسب، وانقر نقرا مزدوجا لتحميل الطيف.
  5. قبل ممارسة صورة T1:
    1. الحصول على شريحة واحدة محورية صورة T1 المرجحة في وسط لفائف.
  6. 31 P قبل ممارسة الاستحواذ:
    1. نسخ تسلسل من الخطوة 4.4 (التي أنتجت أفضل نوعية الطيفية) من قبل اليسار النقر والسحب تسلسل في إطار البروتوكول. استخدام هذا التسلسل لجميع القياسات اللاحقة.
    2. في الإطار الروتيني تسلسل، وزيادة عدد من القياسات من 1 إلى 10. تحديد المدى للحصول على 10 القياسات في حين أن الموضوع هو في بقية.
  7. 31 </ سوب> P ممارسة الاستحواذ:
    ملاحظة: جعل علما دقيقا بداية ونهاية التمرين مرات، وهذا سيكون من المهم للتحليل.
    1. بقية: تطبيق الإعدادات شيم من الفحص السابق وتعيين تسلسل للحصول على 20 القياسات. تعليمات موضوع لبدء الركل بعد العد التنازلي. إرشاد تخضع لتبقى في راحة لمدة 2 القياسات.
    2. التمرين: طرح هذا الموضوع لأداء ممارسة تمديد الركبة ل~ 30 ثانية (أو الوقت اللازم لتحقيق انخفاض بنسبة 30٪ في السعة القصوى PCR). بعد موضوع يحقق نضوب كافية PCR، ونطلب منهم للراحة.
  8. 31 P الاستحواذ بعد ممارسة:
    1. الحصول على 20 قياسات إضافية في بقية. تأكد من أن عمليات الاستحواذ بعد ممارسة تبدأ مباشرة بعد تسلسل العملية، دون توقف أو الملئ (الشكل 4A، يمين).
      ملاحظة: تقسيم هذه الفترة الانتعاش في عمليتي استحواذ منفصلة تسمح تحليل طnitial 20 الأطياف ديناميكية خلال الاستحواذ على الثاني 20 الأطياف الحيوية، مما يسمح للمشغل لتجنب الحصول على فترة النقاهة كاملة إذا كانت ممارسة تحتاج لتكرارها.
  9. ضمان جودة العملية:
    1. مقارنة مستويات الذروة PCR في بداية ونهاية التمرين. ممارسة التمرينات الرياضية لجودة عالية تؤدي إلى ~ انخفاض بنسبة 30٪ في تركيز PCR.
    2. تحقق من أن ذروة ارتفاع PCR هو نفسه في بداية الراحة وفي نهاية الانتعاش (عادة <هو المطلوب 10٪ الفرق). وهذا يضمن أن هناك خسارة تذكر من التجانس الميدان خلال الاستحواذ.
      ملاحظة: إذا كان انهيار PCR غير كافية، أو إذا كان هناك فقدان التجانس المجال، ثم كرر الجزء ممارسة / التعافي من الامتحان (مع الحرص على تجنب التعب)، وضمان أن لفائف والأشرطة وتعلق بشكل آمن، وتمتد مدة التمرين و / أو تشجيع ممارسة أكثر نشاطا (الشكل 4B).
      ليسE: مقارنة بين الصور التي تم الحصول عليها في الخطوات 6 و 11 تصاريح خطوة إضافية لمراقبة الجودة لتصور أي نزوح الفخذ واللولب بسبب هذه العملية، وبالتالي ضمان أن الحد الأدنى من الحركة وقعت خلال البروتوكول، والتي يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على البيانات التي حصل عليها .
  10. التالية بعد ممارسة التصوير T1، كرر قبل ممارسة المحوري التصوير T1 (الخطوة 4.5) باستخدام المعلمات الاستحواذ نفسها.
    1. بالإضافة إلى استنزاف كاف من PCR، وقياس نهاية التمرين الرقم الهيدروجيني للتأكد من أن ممارسة لم تحفز الحماض من العضلات.
    2. تنفيذ هذا عن طريق قياس التحول الكيميائي بين بي وPCR (δP ط) وباستخدام المعادلة التالية (60):
      الرقم الهيدروجيني = 6.77 + تسجيل [(δP ط -3.29) / (5.68-δP ط)]
      ملاحظة: يجب أن تظل درجة الحموضة أكثر من 6.8 61. إذا كان انهيار PCR كافية ولكن درجة الحموضة منخفضة جدا، يكرر التمرين نوبة لفترة قصيرةإيه مدة و / أو مع كثافة أقل.
  11. توفير البيانات:
    1. حفظ جميع أطياف المكتسبة على شكل ملفات ديكوم وتصديرها للمعالجة باستخدام JMRUI.
    2. في حالة استخدام الماسح الضوئي، حدد كافة عمليات الاستحواذ الطيفي في إطار "المستكشف".
    3. تحت عنوان "تطبيقات"، حدد "أدوات ديكوم" → "تصدير MR التحليل الطيفي،" وحفظ ملفات ديكوم (* .dcm) إلى C: / المستخدم / MEDCOM / درجة الحرارة / CDROFFLINE
      (الأداة تلقائيا يختار هذا الموقع).
    4. تحت عنوان "نقل"، حدد "تصدير إلى دون اتصال." إنقاذ إلى الموقع المطلوب.

5. معالجة وتحليل البيانات 62

  1. تحليل MR الأطياف مع برنامج JMRUI بحرية-المتاحة (الإصدار 5.2، http://www.jmrui.eu/).
  2. Apodize ومرحلة التحول الأطياف لضمان الاتساق على جميع نقاط الوقت المكتسب (الشكل 5). سوف تركز القمة PCR لر 0 جزء في المليون في الأطياف.
  3. استخدام المدمج في اماريس خوارزمية لتحديد السعة من الذروة PCR في كل الطيف المكتسبة. تمثل ذروة السعة تركيز PCR داخل المنطقة الحساسة من لفائف السطحية في تلك النقطة زمنية معينة.
  4. في البرنامج الحاسوبي، رسم تركيزات PCR بوصفها وظيفة من اكتساب الوقت. باستخدام المدمج في البرنامج أداة منحنى مناسبا الحسابية، احتواء البيانات فترة نقاهة PCR للمعادلة التالية 52، 63:
    المعادلة 1
  5. تسجيل قيم PCR الأساسي ( المعادلة 2 )، وهو أدنى PCR ( المعادلة 3 )، والانتعاش مرة ( المعادلة 4 .
  6. ضمان استيفاء الشروط المناسبة أثناء exerجلسة CISE عن طريق حساب استنزاف PCR، والفرق في المئة بين PCR خط الأساس وأدنى PCR. ممارسة التمرينات الرياضية المثالية تؤدي إلى 20 - استنزاف 50٪.
    ملاحظة: جودة المناسب منحنى تستطيع أن تكفل التحقق من أن قيمة R 2 أكبر من 0.75. وتحسب R 2 القيم تلقائيا من قبل البرنامج المناسب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

دراسة التكاثر

ستة متطوعين (4 رجال و 2 نساء، متوسط العمر: 24.5 ± 6.2 سنوات) مع عدم وجود القلب المبلغ عنها ذاتيا، الأيض، أو أمراض الميتوكوندريا خضع دورات وصفها 31 PMRS ممارسة الرياضة والتصوير التقنية في 2 أيام مختلفة ضمن 1 أسبوع لتقييم تقنية استنساخ (الشكل 6A). الدراسات التي أجريت على متطوعين العادي تؤكد استنساخ الدراسة 31 PMRS في الكمي وظيفة الميتوكوندريا. تحليل بلاند-التمان من PCR الوقت الانتعاش يوضح الفرق الانحراف المعياري المتوسط 1.03 4.83 ثانية، وقاسما مشتركا بين-محاكمات تباين 4.66 (الشكل 6B). كان مطلوبا أية تغييرات على بروتوكول الاستحواذ أو تحليل الموضحة في قسم الطرق للحصول على بيانات ذات نوعية جيدة، كما هو موضح في الخطوة 4 من البروتوكول. هذه الدقةults تدليل على استنساخ تقنيات اقتناء وتحليل وصفها في هذا العمل.

تقييم تقنية في المشاركين غير المتنقلة مع رنح فريدريك ل

خضع لجلسة واحدة من ممارسة الرياضة والتصوير تقنية 31 PMRS وصفها في هذا العمل لتقييم جدواه في عدد السكان غير المتنقلة مع اتحاد كرة القدم: وأربعة مشاركين (35 يعني سن 2 الرجال والنساء 2). وكانت هذه المواد قادرة على أداء التمارين في المغناطيس للحصول على استنزاف كاف من PCR لتناسب المعلمات الانتعاش هو موضح في الخطوة 5.6. ومع ذلك، وأحيانا ممارسة أطول - وطلب من (60 90 ثانية) في استنزاف بما فيه الكفاية مستويات PCR. بالإضافة إلى ذلك، تم التذبذبات حول يصلح التي تسببت فيها الفقدان التدريجي من السيطرة على العضلات، والتي هي من سمات هذا المرض وأشار، (الشكل 7). لهذه الصورةubjects، كنا اثنين من الأشرطة مقاوم إضافية بين الركبتين والكاحلين، وإعطاء ما مجموعه ثلاثة الأشرطة، للحد من الحركة غير المرغوب فيها. هذه النتائج تثبت جدوى هذه التقنية اقتناء وتحليل للحصول على أوقات الانتعاش PCR في المواد غير المتنقلة. ومع ذلك، فإن التعديلات المطلوبة للحصول على بيانات ذات نوعية جيدة تشير إلى أن المزيد من التقييم وتوحيد الدراسات اللازمة.

دراسة الجدوى

تم تسجيل تسعة متطوعين مع أي مرض القلب والأوعية الدموية المبلغ عنها ذاتيا و15 شخصا يشار إلى برنامج إعادة تأهيل القلب والوقاية الثانوية (CRSP) في مجلس المراجعة المؤسسية المحلية (IRB) دراسة وافق عليها. حصلنا على بعض القيم السريرية كمؤشرات لصحة القلب والأوعية الدموية وشدة المتلازمة الأيضية. وقد حافظت ترك جزء طرد البطين في مواضيع CRSP (56 10٪). أماهوكانت ximum القدرة مجهود القلب والأوعية الدموية، ويقاس قبل البدء CRSP، مماثلة في المواضيع مع وبدون مرض السكري (3.05 0.6 مقابل 3.4 0.8 مكافئات الأيض ميتس، ص = 0.4). قبل البدء CRSP، وخضع كل موضوع المسجلين ممارسة والتصوير تقنية 31 PMRS، وصفت في هذا العمل، والعضلي التصوير الدهون الكمي، التي سبق وصفها 64. وكان ثابت وقت الانتعاش PCR أطول (41.9 1.4 32.1 مقابل 7.4 ثانية، ع = 0.05)، وكانت نسبة الدهون في العضل أعلى في المواد CRSP مقابل الضوابط (8.7 2.9 مقابل 2.54 0.6٪، ف <0.001). كانت نسبة الدهون العضلي مماثلة في مواضيع CRSP مع وبدون مرض السكري (ع = 0.4)، وثابت وقت الانتعاش PCR تميل إلى أن تكون أطول في المواضيع مع مرض السكري مقابل في تلك دون السكري والضوابط (ع = 0.03 لاتجاهات عبر مجموعات). وتشير البيانات الأولية المتابعة تحسنا أسوأ بكثير فيميتس بعد CRSP في المواضيع مع السكري مقارنة مع أولئك الذين لا (دلتا = 1.0 0.8 مقابل 4.0 2.4، ع = 0.06، الشكل 8). هذه النتائج تثبت جدوى هذه التقنية لتحديد الاختلافات في OXPHOS الهيكل العظمي والعضلات بين الموضوعات مع وبدون أمراض التمثيل الغذائي المعروفة.

شكل 1
الشكل 1. الميتوكوندريا، العضلات الهيكلية، ونظم القلبي.
ويرد تمثيل العلاقة بين الميتوكوندريا والعضلات والهيكل العظمي، خرج القلب، والتهوية، والقدرات الوظيفية. مستنسخة من ميلاني وآخرون 65.

الشكل 2
الشكل 2. المواد.
وتشمل المواد المطلوبة 1) وسادة مثلث، 31 ضبطها P الإرسال والاستقبال سطح لفائف، 3) طاولة لطاولة ربط الأشرطة مقاوم، 4) حزام مقاوم-ربط النفس، و5) زجاجة صغيرة من زيت الأطفال. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. تحديد المواقع.
أ) يتم تصوير الموضوعات في موقف ضعيف قدم والعشرين. يتم وضع لفائف 31 P على عضلات الفخذ اليسرى. يتم وضع الأشرطة مقاوم فوق وتحت الركبة وتعلق على الطاولة. ويتم استخدام حزام واحد لربط ساقيه معا فوق الركبة. ب) يتم عرض المواقع شريحة لكالايزر الثاني. لاحظ أن تتركز شرائح في المحلىنشوئها من زجاجة زيت الأطفال، وشرائح تغطي عضلات الفخذ كلها. ويرد C) الحشوه مربع التنسيب لمدة 31 PMRS. يتم وضع هذا المجلد تحت لفائف في عضلات الفخذ مباشرة ويغطي عمق أن يؤمن إشارة كافية والملئ مناسب داخل المنطقة من لفائف السطح.

الشكل (4)
الرقم 4. الحصول على البيانات.
أ) يتم عرض شراء 31 ف التمثيلي في بقية. وPCR هو ذروة واحدة كبيرة، وهناك الحد الأدنى من الضوضاء (يسار). واكتساب نموذجية خلال الجزء ممارسة النتائج البروتوكول في قمتين كبيرة، بي وPCR (يمين). كما تقدم التمرين، سوف القمم بي وPCR زيادة ونقصان، على التوالي. B) مقارنة ذروة ارتفاع PCR في الراحة وبعد ممارسة يجب أن تكشف عن وجود٪ انخفاضا ~ 30 على الأقل. هذا ج وينبغي أن يتم alculation في وحدة الماسح الضوئي لضمان النجاح في إنجاز هذه الدراسة ممارسة الرياضة.

الرقم 5
الرقم 5. تحليل.
يظهر تصحيح المرحلة وapodization من طائفة تمثيلا. أ) الطيف الخام تظهر ذروة الامم المتحدة وعلى مراحل وجود ضوضاء يحجب القمم. ب) الطيف تظهر 0 عشر - و 1 شارع تصحيح المرحلة -order. ذروة PCR تقع في وسط تردد هو التعرف عليها بسهولة، ولكن قمم المستقلب أخرى ما زالت تحجب. C) الطيف بعد apodization مع شكل خط Lorentzian، مما أدى إلى انخفاض في الضوضاء وتصور أفضل للقمم ATP 3 والمعادلات التفاضلية الجزئية وبي الذروة. هذا الطيف هو على استعداد لذروة الكمي مع أداة اماريس. ملفات / ftp_upload / 54977 / 54977fig5large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الرقم 6. 31 PMRS في الاشخاص الاصحاء.
أ) هذا الرقم يدل على انتعاش تركيز فسفوكرياتين (PCR) بعد استنزاف مع ممارسة تمديد الركبة شبه ثابت السريعة. يمثل خط مناسبا للاسترداد وظيفة الأسي هو موضح في الخطوة 5.6، مع الوقت الانتعاش τ المستمر أظهرت. هذه المرة الثابت هو العلامات البيولوجية الراسخة وظيفة الأكسدة الميتوكوندريا. ب) تحليل التمان بلاند من 31 PMRS تقنية استنساخ يدل على متوسط الفرق الانحراف المعياري 1.03 4.83 ثانية للمرة الانتعاش PCR بين التجارب. معامل الاختلاف هو 4.66.http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54977/54977fig6large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. 31 PMRS في الموضوعات غير المتنقلة.
ويرد PCR منحنى الانتعاش تمثيلية من PMRS فحص 31 من موضوع غير المتنقلة. لاحظ أن نضوب PCR من 64٪ وحققت مع هذا البروتوكول ممارسة الرياضة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 8
الرقم 8. 31 PMRS في الموضوعات CRSP.
مقارنة بين PCR RECOVمرات ريها توضح الفقيرة بالتتابع قدرة الميتوكوندريا المؤكسدة في السيطرة، غير مرضى السكري، ومرضى السكري. تمثل أشرطة الخطأ والانحراف المعياري.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وتصف هذه الورقة بروتوكول قياسي لمدة 31 PMRS الفحص التي تتيح في الجسم الحي القياس التسلسلي وموسع من الهيكل العظمي والعضلات وظيفة الميتوكوندريا. بروتوكول يحمل نداء كبيرا عند النظر في اتساع التحقيقات التي تستهدف العبء المتزايد من متلازمة التمثيل الغذائي والتي ستسفر عنها معدلات الاعتلال والوفيات. هذا PMRS بروتوكول 31 يتطلب الحد الأدنى من الوقت الماسح الضوئي ويمكن دمجها في التحقيقات الأيض شاملة في المواضيع في أي مركز مع مرافق MRS المتاحة تجاريا.

خطوات حاسمة في إطار بروتوكول

Contraindications- قبل الامتحانات MR، من الأهمية بمكان لفحص المواد لموانع المحتملة. بالإضافة إلى معايير الاستبعاد MR نموذجية، ينبغي النظر في ما يلي قبل تنفيذ هذا البروتوكول: 1) في الركبة أو الورك المماثل يزرع (بغض سالتوافق و MR) لتجنب القطع الأثرية، 2) الظروف التي تحد من تدفق الدم أو تسليم الأكسجين إلى الأطراف السفلية (على سبيل المثال، مرض الشريان المحيطي)، 3) عدم القدرة على أداء مقاوم ممارسة عضلات الفخذ التمديد، و 4) عدم القدرة على الكذب مستلق ل ما يقرب من 30 دقيقة.

وينبغي التقليل من القطع الأثرية الحركة reduction- حركة لفائف 31 P فيما يتعلق عضلات الفخذ موضوع وحركة الفخذ موضوع النسبي الى طاولة المفاوضات. تأكد من أن الملف تم تثبيتها بإحكام على الساق موضوع وأن أن الأشرطة مقاوم يتم تثبيتها بإحكام على طاولة الامتحان. اختبار هذا عن طريق ضمان أن موضوع كعب ارتفاع لا يزيد عن 5 في. من على الطاولة الامتحان خلال الركل وأنه لا يوجد دوران اللولب خلال ممارسة الرياضة.

استحواذ

النوعية العالية ممارسة هذا الموضوع يجب أن يمارس لchieve استنزاف ما لا يقل عن 30٪ في PCR. لهذا البروتوكول، ونحن قد حددت 30 ثانية من التمارين للمواد الدراسية المتنقلة و60 ثانية عن المواد غير المتنقلة تحقق هذا الهدف. وقد لاحظنا أن المواد غير المتنقلة تمارس أقل قوة في ركلة، وبالتالي تتطلب فترة زمنية أطول لاستنزاف كافية.

Analysis- الأساليب المذكورة هنا توفر إطارا للحد من الذاتية وتحقيق أقصى قدر من التشغيل الآلي. ينبغي اختيار المعلمات إدخال المستخدم لتحليل أطياف بعناية من أجل ضمان التكاثر.

التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

جودة Spectrum- إذا ظهر الطيف صاخبة، وضمان أن مربع الرقائق وتوضع داخل العضلات. ضبط حجم وموضع مربع الرقائق لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. كرر اكتساب اختبار حسب الحاجة.

لا غنى عنهعنه lity من Exercise- إذا كانت نتائج العملية الأولية إلى عدم كفاية نضوب PCR، وهناك العديد من التعديلات التي يمكن استخدامها لاستكشاف: 1) الأشرطة يمكن تشديد، لزيادة المقاومة. 2) يمكن تعليمات موضوع لركلة أسرع، مما يزيد من الجهد. أو 3) مدة التمرين المستمر يمكن زيادة. ومع ذلك، لاحظ أن الإفراط في ممارسة الرياضة يمكن أن يؤدي إلى الحموضة المتغيرة، ويمكن أن تؤدي إلى الحماض، والتي يمكن أن تحول دون حركية الانتعاش OXPHOS 61. ويمكن تجنب ذلك عن طريق الحد من وقت التمرين لمدة أقصاها 3 دقائق.

القيود المفروضة على تقنية

يسمح تحليل الخزعة العضلية قياس خصائص الميتوكوندريا محددة، مثل محتوى الميتوكوندريا والحجم، وكذلك الحد الأقصى لمعدل تركيب ATP الميتوكوندريا. ومع ذلك، فمن المهم أن نلاحظ أن قياس في الجسم الحي باستخدام 31 PMRS يمثل مجموع هذه ديتدابير اأشعار الشلع، بالإضافة إلى عوامل خارج الميتوكوندريا، مثل توفير الاوعية الدموية الدقيقة من الدم المؤكسج إلى العضلات. وهكذا، في الحالات التي تكون فيها حالة من الأوعية الدموية الدقيقة في السؤال بسبب انخفاض إمدادات الأوكسجين أو عوامل أخرى، فإنه لن يقدم مؤشرا لا لبس فيه من وضع الميتوكوندريا. بدلا من ذلك، فإنه إشارة إلى حالة في الجسم الحي من الحد الأقصى لتركيب ATP التأكسدي من العضلات، والتي قد تعكس بعض مزيج من OXPHOS والقضايا الاوعية الدموية الدقيقة.

وجود قيود على ممارسة 31 بروتوكول PMRS بالتفصيل في هذا العمل هو عدم وجود توحيد إخراج العمل. هذا النقص في توحيد يبسط الأجهزة المطلوبة، وبالتالي تنفيذ هذا البروتوكول. ومع ذلك، فإنه يأتي على حساب عدم السماح للتقييم الكمي من العوامل الأخرى، مثل القوة وفتور، وعلاقتها التدابير التمثيل الغذائي. ونتيجة لذلك، يمكن أن مستويات متفاوتة من الجهد تؤثر على PCRفترة النقاهة ما بعد شدة الخلل الميتوكوندريا الأساسي. يمكن للمرء أن تقليل هذه الآثار عن طريق ضمان استنزاف كافية PCR ويمكن أن يزيد من توحيد إخراج العمل باستخدام ergometers MR المتوافقة مع مقاومة للتعديل ومخرجات العمل قابلة للقياس.

أهمية تقنية فيما يتعلق بأساليب الحالية أو البديل

القدرة على قياس مباشرة وظيفة الميتوكوندريا في العضلات والهيكل العظمي هي الميزة الرئيسية لهذه التقنية 31 PMRS بالمقارنة مع معيار اختبار ممارسة التمثيل الغذائي. الغازية خزعة العضلات يتيح القياسات في الألياف واحدة 66، ولكن مع المخاطر المصاحبة التي تجعلها أقل جاذبية للتحقيقات التي تتطلب تقييم المسلسل. النهج القائمة على القريب من الأشعة تحت الحمراء الطيفي 67 قد تكون محدودة بسبب عمق الاختراق، وخاصة في المرضى الذين يعانون من السمنة المفرطة، حيث اقل من 5 ملم من الدهون خفف من تقارير قوائم الجرد الوطنية الصورةignal بنسبة 20٪ 68. وعلاوة على ذلك، هذه التقنية لا تصلح لتقييم متعدد الأبعاد من العضلات وغيرها من النظم التي تتيحها التقنيات التي تعتمد MR. بالإضافة إلى ذلك، على عكس طرق الخزعة الغازية لقياس إنتاج الطاقة في العضلات، وهذا الإجراء غير الغازية وغير المدمرة تجيز اتخاذ تدابير لوضع الأيض في العضلات سليمة تتكرر، مما يجعل من المفيد لتقييم السكان الموضوع والتدخلات العلاجية.

التطبيقات المستقبلية

وتشمل التطبيقات المحتملة بعد اتقان هذه التقنية PMRS 31 تقييم من الأمراض مع العيوب الميتوكوندريا محددة أو أي من طائفة واسعة من الاضطرابات الأيضية. في المرضى الذين يعانون من النتاج القلبي الفقراء، يمكن أن التقنيات الحالية تحديد القدرات الوظيفية ضعف ولكن لا يمكن تحديد المستوى الذي يحدث اختلال وظيفي (على سبيل المثال، والعضلات والهيكل العظمي والقلب، أو الرئتين). سيكون بشكل خاصمثيرة للاهتمام لتطوير البروتوكولات المتكاملة التي تجمع بين 31 PMRS مع تدابير الأيضية وفحوصات القلب ولتحديد الأسباب الجذرية لانخفاض قدرة موضوع محدد من أجل تسهيل العلاجات الشخصية.

لدينا أمثلة مفصلة من العلاجات المستهدفة الهامة والتدخلات التي يمكن أن تستفيد من استخدام في الجسم الحي علامات على وظيفة الميتوكوندريا. وموحد 31 PMRS بروتوكول ممارسة، مثل مفصل واحد أعلاه، هو خطوة هامة للاستخدام على نطاق واسع أكثر من هذا أهمية في علامة المجراة من قدرة العضلات والهيكل العظمي الميتوكوندريا في كل من الدراسات الأساسية والتدخل.

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

الطب، العدد 119، الرنين المغناطيسي، والتحليل الطيفي، والفوسفور، والميتوكوندريا قدرة الفسفرة التأكسدية، العضلات والهيكل العظمي، ودينامية
الفوسفور 31 الرنين المغناطيسي الطيفي: أداة لقياس<em&gt; في فيفو</em&gt; القدرة الميتوكوندريا الفسفرة التأكسدية في العضلات الهيكلية البشرية
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