Introduction
Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein reproduzierbares Verfahren zu umreißen nichtinvasiv in vivo die Funktion der Mitochondrien Skelettmuskel bei Patienten besitzen ein breites Spektrum an Fähigkeiten zu messen. Aberrant mitochondrialer Beeinträchtigung ist ein Markenzeichen von einer Vielzahl von metabolischen Syndromen und genetischen Erkrankungen, von gemeinsamen Bedingungen wie Alterung und Diabetes zu seltenen Erkrankungen wie Friedreich-Ataxie.
Metabolisches Syndrom und mitochondriale Dysfunktion
Das metabolische Syndrom ist die Funktion der Mitochondrien gezeigt zu stören, Skelettmuskel OXPHOS drücken, und in der Skelettmuskulatur 1, 2 ektoper Lipideinlagerung führen. Als kritische Organellen metabolischen Homöostase und Energieregelungs, Mitochondrien sind in der Pathophysiologie von Fettleibigkeit 3, 4, Insulin Resistenz eine Rolle 5 (T2DM) 6, 7, im Zusammenhang mit Diabetes Mikro- 8, 9, 10, 11 und makrovaskulärer Komplikationen 12, 13, und nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) 14, 15, 16, unter anderem O 2 Oxidoreduktaseaktivität 5: .Insulin Widerstand wird durch tiefgreifende Veränderungen in der Skelettmuskulatur mitochondriale Aktivität, einschließlich verminderte mitochondriale Tricarbonsäure (TCA) Flussrate, ATP - Syntheserate und Citrat - Synthase und NADH charakterisiert. Eine Hypothese ist, dass diese Veränderungen auf die Ansammlung von freien Fettsäuren (FFA) Stoffwechselprodukte in den Muskel zurückzuführen sein könnte, die während der Adipositas und anderen Adipositas-r deutlich erweitert werdenbeschwingt Krankheiten 2, 17. Die Exposition von Muskel erhöht FFAs und Lipid - Zwischenprodukte kann die Expression von Genen in der Lipid oxidative Stoffwechselweg verringern sowie den TCA - Zyklus und Elektronentransportkette (ETC) 18. Diese Verringerung der mitochondrialen Skelettmuskel OXPHOS Kapazität in der Einstellung einer Lipid Überlastung wird durch einen Rückgang bei der quantitativen (Gehalt und Biogenese der Mitochondrien) 19 und qualitative Funktion der Skelettmuskulatur Mitochondrien 20 begleitet. Aussetzen der Skelettmuskulatur und Myozyten zu FFAs führt zu schweren Insulinresistenz und erhöhte FFA - Aufnahme im Muskel ist mit einer Insulinresistenz assoziiert sowohl bei Menschen und Nagetieren 21. Die Lipidzwischenprodukte Ceramid und Diacylglycerol (DAG) wurden durch Veränderung der Aktivität von Kinasen, wie beispielsweise Proteinkinase C und prot gezeigt, direkt auf die Insulin-Signalweg hemmenein Kinase B 21. Daher Lipid-abgeleitete Moleküle scheinen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Skelettmuskulatur Insulinresistenz und T2DM zu spielen. Es bleibt jedoch unklar , ob Änderungen in der mitochondrialen Kapazität eine Ursache oder eine Folge der Insulin - Resistenz 22 sind.
Friedrich Ataxie und mitochondriale Dysfunktion
Verminderte OXPHOS kann auch von genetischen Defekten entstehen. Friedrich Ataxie (FA), die häufigste Form der erblichen Ataxie, ist eine genetische durch eine Mutation verursachte Störung im Frataxin (FXN) Gen, was zu intra mitochondrialen Eisenakkumulation, Produktion reaktiver Sauerstoffspezies und Anomalien der oxidativen Phosphorylierung 23, 24, 25, 26. Diese wichtige Entdeckung hat zur Entwicklung von gezielten Therapien geführt, which Ziel Funktion der Mitochondrien auf subzellulärer Ebene zu verbessern. Trotz dieses Verständnis hat es begrenzte Entwicklung von in - vivo, reproduzierbare Biomarker für die FA klinischen Forschung. In der Tat ist ein kritisches Hindernis bei der effektiven Auswertung der Targeted Therapies in FA die Unfähigkeit, Veränderungen in der mitochondrialen Funktion zu verfolgen. Strom funktionelle Maßnahmen können beispielsweise die Herzleistung verringert identifizieren; jedoch sind sie unfähig , den Pegel des Bestimmens , bei der die Fehlfunktion auftritt (Bild 1). Die Entwicklung eines zuverlässigen Marker für die Funktion der Mitochondrien, die verwendet werden können, zu erkennen und den Krankheitsverlauf in Friedrich Ataxie bewerten, ist entscheidend, um die relevanten mechanistischen Auswirkungen der gezielten Therapien zu messen.
Beeinträchtigte OXPHOS und kardiale Dysfunktion
Aberrant mitochondrialen Funktion, entweder oder genetische erworben, konnte mit der Entwicklung oder Progression von cardi beitragenac Dysfunktion. Unter den Bedingungen des Drucküberlastung und Herzinsuffizienz, Glucose die primären Energiesubstrat Vorzugsschalter von FFA auf. Dies wird mit einer verminderten Aktivität und ETC oxidative Phosphorylierung 27. Die Pathophysiologie der mitochondrialen bioenergetischen in kardialen Dysfunktion kann in Abhängigkeit von dem primären Ursprung des mitochondrialen Defekt verschieden sein. Diabetes und metabolischem Syndrom führt zu mitochondrialen Anomalien im Myokard, wie beeinträchtigte Biogenese und Fettsäuremetabolismus, die zu einer verminderten Substratflexibilität, Energieeffizienz führen, und schließlich, diastolische Dysfunktion 28, 29. In FA, auf der anderen Seite, ein Frataxin - Mangel führt zu einer signifikanten Häufung mitochondrialer Eisen in Kardiomyozyten 30, 31. Eisenakkumulation führt zur Produktion von freien Radikalen über die Fenton - Reaktion 32 </ Sup> und erhöht die Chance des freien Kardiomyozyten Schaden Radikale induzierte. Intra-mitochondrialen Eisenspeicherung ist auch mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber oxidativem Stress und einer verringerten oxidativen Kapazität 30, 31 verbunden. Eisen - Akkumulation und anschließenden anomale Funktion der Mitochondrien durch den Frataxin - Mangel kann daher für die beeinträchtigten kardialen Energetik und Kardiomyopathie bei FA 34 33, beobachtet verantwortlich. Es ist auch interessant zu bemerken , dass die reduzierte oxidative Kapazität in der Skelettmuskulatur Mitochondrien die Belastungsintoleranz Parallelen und metabolische Kapazität bei Herzinsuffizienz (HF) 35 reduziert. Die Messung der Skelettmuskulatur OXPHOS Kapazität, wie hier detailliert, ist leicht implementierbar und robust; mit der Bedeutung der Skelettmuskel OXPHOS in HF gekoppelt sind, machen diese Features es eine ansprechende Biomarker in umfassenden Studien von hörent Krankheit 36.
Beeinträchtigte OXPHOS und die begleitende kardiale Dysfunktion ist keine belanglose Aspekt der metabolischen und mitochondrialen Erkrankungen. Patienten mit Diabetes und Stoffwechselerkrankungen sind ein höheres Risiko für kardiovaskuläre Erkrankungen zu entwickeln und erhöhte Mortalität nach Myokardinfarkt (MI) 37, 38, 39, 40, 41; mehr als die Hälfte der FA Themen haben Kardiomyopathie, und viele sterben an Herzrhythmusstörungen oder Herzversagen 42. Daher Quantifizierung reduziert OXPHOS könnte nicht nur für die Früherkennung und Behandlung von Herzfunktionsstörungen ermöglichen, aber es könnte auch eine wichtige klinische Belastung in diesen Krankheiten lindern.
Gezielte Therapien direkt OXPHOS Kapazität erhöhen, ist ein viel versprechendes Gebiet der Behandlung von Patienten zu verbessern, whether die Ursache der metabolischen Dysfunktion ist genetisch bedingt oder erworben werden. Derzeit 44 die Entwicklung neuartiger Medikamente gezielt die entweder abnormale Funktion der Mitochondrien 43 oder korrigieren Sie den primären genetischen Defekt lindern können die verwirrte Bioenergetik charakteristisch für FA verbessern. Im Falle der erworbenen mitochondriale Dysfunktion kann eine erhöhte körperliche Aktivität der mitochondrialen Funktion 45, 46, 47 zu verbessern.
31 Phosphor- Magnetische Resonanzspektroskopie als Nicht-invasive Biomarker der mitochondrialen Funktion
Unabhängig von der getesteten Therapie eine integrierte In - vivo - Beurteilung der Skelettmuskulatur Bioenergetik ist ein wichtiges Instrument , die Auswirkungen der gezielten Interventionen, vor allem bei Patienten mit schwerer Belastungsintoleranz oder der Unfähigkeit zu unterziehen konventionellen metabo zu beurteilenlic Tests. Magnetische Resonanzspektroskopie auf Phosphor abgestimmt (31 PMRS), einem endogenen Kern in verschiedenen Hochenergiesubstrate innerhalb der Zellen im ganzen Körper, verwendet wurde , mitochondriale oxidative Kapazität unter Verwendung einer Vielzahl von Ansätzen zu quantifizieren, einschließlich in-Magnet exercise-Recovery - Protokolle und Muskelstimulationsprotokolle 48. Die Übungs-Recovery-Protokolle beruhen auf einer Vielzahl von Geräten in die Komplexität im Bereich von MRI-kompatiblen Ergometer, die zu regulieren und zu messen Arbeitsbelastung zu einfachen Konfigurationen von Schlaufen und Pads so dass für Burst-Typ resistive und quasistatische Bewegung. Eines der primären Ziele von jedem dieser Protokolle ist ein Energieungleichgewicht für die der Bedarf an Adenosintriphosphat (ATP) zu erzeugen , wird zunächst durch den enzymatischen Abbau von Phosphokreatin (PCr) durch die Kreatinkinasereaktion 49 erfüllt. Nach Beendigung der Übung, wird die Geschwindigkeit der ATP-Produktion durch oxidative pho dominiertsphorylation und stellt die maximale in vivo Kapazität der Mitochondrien 50. Darüber hinaus OXPHOS während Regeneration nach dem Sport kann 51 durch eine erste Ordnung Geschwindigkeitsreaktion beschrieben. Die Regeneration nach dem Sport von PCr kann daher durch den Einbau von einer exponentiellen Zeitkonstante (τ PCR), mit kleineren Werten von τ PCr repräsentieren größere Kapazitäten für die oxidative ATP - Synthese quantifiziert werden. Erhebliche Anstrengungen wurden gegen ex vivo und mehr direkte Maßnahmen von OXPHOS zu validieren 31 PMRS gemacht und zeigen die potenzielle klinische Anwendbarkeit dieser Technik 52, 53, 54, 55.
Bemerkenswert ist, kann das Protokoll in dieser Arbeit beschrieben auf klinisch verfügbaren Scanner implementiert werden und es als eine nicht-invasive Biomarker o weit validiert wurdef mitochondrialen Funktion 56. Jedoch mit unterschiedlichen Schweregraden der neuromuskulären Beeinträchtigung oder Mobilität eine Übung 31 PMRS Protokoll für Einzelpersonen für die Anwendung optimiert ist nicht gut wurde 57 gegründet. Ein gut definiert, breit anwendbare Übung Protokoll und 31 PMRS Technik würde bei der Beurteilung von Krankheiten , die mit grundlegenden Anomalien in der mitochondrialen Funktion besonders nützlich sein.
Verschiedene frühere Studien haben die Anwendungen der nicht-invasiven Techniken erforscht die Funktion der Mitochondrien in den Fächern zu quantifizieren. Zum Beispiel haben diese Techniken mit Typ - 2 - Diabetes 36 beeinträchtigt OXPHOS bei Patienten gezeigt. Lodi et al. zuerst getestet, um die Durchführbarkeit der PMRS Techniken in Probanden mit FA und festgestellt, dass 1) die Grund genetischen Defekt in FA OXPHOS Skelettmuskel beeinträchtigt, und 2) die Anzahl der GAA Triplett wiederholt ist umgekehrt proportional zu der Skelettmuskulatur OXPhos 33. In jüngerer Zeit Nachbauer et al. gebrauchte PMRS als sekundärer Endpunkt in einem FA Arzneimittelstudie mit 7 Fächern. PCr Erholungszeiten waren signifikant länger bei Patienten im Vergleich zu Kontrollen, bekräftigend früheren Arbeiten Lodi und darauf hinweist , dass die Auswirkungen von anomalen Frataxin - Expression in FA in einem Rückgang der mitochondrialen Kapazität zur Folge haben kann , die nachweisbar mit Hilfe von Techniken PMRS 58 ist.
Zuverlässige Methoden angemessen in vivo - Funktion der Skelettmuskulatur in einem brauchbares, kostengünstiger zu definieren, und reproduzierbar sind kritisch Gegenstand Ergebnisse in einer Reihe von Krankheiten zu verbessern , die mitochondriale Funktion beeinflussen.
Diese Arbeit beschreibt ein robustes Verfahren für die in - vivo - maximale oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur zu erhalten 31 PMRS verwenden. Die in-Magnet Übung Protokoll wird auch von Einzelpersonen toleriert eine breite Palette von physikalischen Spanning und functional Fähigkeiten und bietet eine vereinfachte Thema Einrichtung mit preiswerten und gut verfügbaren Geräte.
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Protocol
Dieses Protokoll wird genehmigt durch und folgt den Richtlinien der Ohio State University Institutional Review Board für den Menschen Forschung. Es ist sehr wichtig , dass alle Verfahren beteiligt MR Ausrüstung durch ausreichend geschultes Personal zu den höchsten Standards der MR - Sicherheit 59 Einhaltung durchgeführt werden.
1. Material und Vorbereitung
- Stellen Sie sicher , dass alle notwendigen Materialien vor dem Experiment zur Verfügung stehen (Abbildung 2).
- Stecken Sie das 31 P Spule in die in-Tabelle Spulenverbinder am Ende des Untersuchungstisch am nächsten an der Bohrung. Legen Sie ein großes Dreieck Schaumpolster in der Nähe der Spitze der MR - Untersuchungstisch, aber nicht direkt an der 31 P Spule. Legen Sie ein Kopfkissen am anderen Ende des MR-Untersuchungstisch, der am weitesten von der Bohrung, für Thema Komfort.
2. Gegenstand Positionierung (Abbildung 3a)
- Weisen Sie den Gegenstand zu liegen dem Rücken, Füßezuerst auf dem MR-Tabelle. Legen Sie ein Schaumstoffkissen unter dem Knie das Bein in einer teilweise gebogenen Position zu unterstützen.
- Positionieren Sie das Motiv nahe an der rechten Seite des Tisches (des Subjekts rechts), um den linken Oberschenkel so nah an den Magneten Isozentrum wie möglich zu zentrieren, damit eine optimale B0 Homogenität in den Oberschenkelmuskel unter Prüfung zu gewährleisten. Geben Sie das Thema mit Ohrstöpsel und / oder Kopfhörer.
- Positionieren Sie die 31 P - HF - Spule auf der linken Quadrizeps etwa in der Mitte zwischen der Patella und der Hüftkopf und sichern die Beingurte verwenden. Legen Sie die Spule über den seitlichen Teil des Beines, über den vastus lateralis.
- Sichern Sie das Baby-Öl auf der medialen Seite des Oberschenkels mit den gleichen Riemen verwendet, um die Spule, um das Bein zu sichern. Dies erleichtert die Scan-Lokalisierung.
- Binden Sie das Thema der Beine zusammen mit einem Band unter der Spule platziert und oberhalb des Knies. Sichern Sie sich die Beine des Patienten mit dem MR-Tisch mit zusätzlichen straps, eine über das Knie und einen auf halbem Weg zwischen dem Knie und Knöchel.
- Verwenden Sie den Laserlichtleiter in der Mitte der Spule zu umreißen und die Tabelle zum Magneten Isozentrum mit dieser Zentrierung Wahrzeichen bewegen.
3. Übung Protokoll
- Erklären Sie das Thema, das die Ausübung Protokoll besteht aus drei Phasen: einer anfänglichen Basisphase; eine kurze, intensive Übungsphase; und eine Erholungsphase.
- Weisen Sie das Thema zu liegen still und entspannen ihre Beinmuskeln während der Baseline-und Erholungsphasen der Spektroskopie Akquisition, um Bewegungsartefakte zu minimieren.
- Geben Sie einen Countdown zum Thema den Beginn der Übung angibt. An diesem Punkt haben das Thema Knie Extension / Flexion so kräftig und so schnell wie möglich gegen den Widerstand der Bänder initiieren.
HINWEIS: Die Quadrizeps-Muskeln werden verwendet, um den linken Unterschenkel nach oben und unten zu bewegen, bis angewiesen zu stoppen. - Beenden der Übung nach einer 30% igen Rückgangin den pCR Peakhöhe.
- Beachten Sie die PCr Spitzenhöhe in dem Erwerb Viewer-Fenster, und es auch nach Abschluss der Übungsabfolge anzuzeigen.
ANMERKUNG: Eine allgemeine Richtlinie ist, dass eine ca. 30% igen Abfall in PCr Peakhöhe auf einen Pi Peak entspricht, die 50% der Höhe des PCr Spitze ist. Wenn PCr Erschöpfung auftritt, wird nicht schnell genug, um einen 30% igen Rückgang während der Übungsphase der Prüfung zu erreichen, fördern das Thema stärker oder schneller zu treten während des Trainings.
HINWEIS: Beendigung der Übung bestimmt wird durch die Spitzenhöhe und Dauer der Übung PCr Überwachung. Dies kann in leicht unterschiedlicher Dauer der Übung bei verschiedenen Patienten zur Folge haben und kann in der Analyse berücksichtigt werden.
- Beachten Sie die PCr Spitzenhöhe in dem Erwerb Viewer-Fenster, und es auch nach Abschluss der Übungsabfolge anzuzeigen.
4. Scan-Protokoll
- Erwerben Sie eine Localizer tri-Ebene richtige Thema Positionierung zu überprüfen und die Lage der 31 P Spule identifizieren.
HINWEIS: Die Localizer-Sequenz beginnt automatisch und zentriert an der indicated Position der Laserlichtführung mit (Schritt 2.9) - Erwerben Sie eine zweite Tri-Ebene Localizer.
- Öffnen Sie die Scheibe Blick auf die erste Tri-Ebene Localizer Bilder.
Hinweis: Dieser Vorgang kann für verschiedene Software- und Hardwaresysteme unterschiedlich sein. - Center und drehen Sie die Schichtorientierung durch Linksklick und Halten auf der Slice-Gruppe. Drehen Sie den Slice-Gruppe. Stellen Sie sicher, dass die endgültige Ausrichtung der Scheiben mit der Position des Babyöl entspricht.
- In der Ablaufroutine Fenster, erhöhen die Anzahl der Scheiben das gesamte Bein in axialer und sagittaler Bilder (Abbildung 3b) zu decken.
- Öffnen Sie die Scheibe Blick auf die erste Tri-Ebene Localizer Bilder.
- 31 P - Spektroskopie - Sequenz:
- Verwenden Sie die folgenden nicht lokalisierten Puls-acquire Sequenzparameter: TR: 1000 ms; TE: 0,34 ms; spektrale Breite: 2000 Hz; Flip-Winkel: 90 Grad; erfassten Datenpunkte: 1.024; 4 Mittelwerte in einer zeitlichen Auflösung von 1 Spektrum alle 6 Sekunden ergibt.
- 31 P Shim box Platzierung:
- Mit Hilfe einer Maus, ziehen Sie die zweite Dreideckers Localizer Bilder in das Sichtfenster am oberen Rand des Bildschirms. Ziehen Sie die Spektroskopie-Sequenz in das Protokollfenster und doppelklicken Sie auf zu öffnen.
- Verwenden Sie die Position Werkzeugleiste, um das Shim Voxel visualisieren (wählen Sie das schwarze Rechteck mit horizontalen Linien). ein grünes Feld auf den Localizer-Bildern Nach der Auswahl dieser Option beobachten.
ANMERKUNG: Dies ist die shim Voxel. - Bewegen Sie den Voxel mit einem Linksklick und das Voxel in der Mitte zu halten. Ändern Sie die Größe und drehen Sie die Ausrichtung des Voxel durch Linksklick und Halten des Voxel an der Ecke der Box. Legen Sie die Shim-Box, um B0 Feldhomogenität direkt unterhalb der Spule und parallel zur Ebene des Quadrizeps zu gewährleisten.
Hinweis: Dies ist die richtige Shimming im sensitiven Bereich unter der Spule zu gewährleisten, die das Volumen des Gewebes direkt unter der Mitte der Spule. - Verwenden Sie die Tri-Ebene Localizer Bilder, die sensitiv zu identifizierene Bereich der Spule und stellen Sie die Shim Kästchen, um diese Region innerhalb des Quadrizeps zu umfassen.
HINWEIS: Die Shim - Box kann größer sein als die wahre Reichweite der Oberflächenspule , um B0 Homogenität innerhalb des Datenerfassungs Voxel (Abbildung 3c) zu gewährleisten. - 31 P Testerfassung:
- Öffnen Sie den Erwerb Viewer-Fenster und wählen Sie den Kopf-Symbol in der Akquisition Werkzeugleiste. Dies wird zum Betrachten der Spektroskopie Erfassung in Echtzeit ermöglichen.
- Nach dem Einsetzen des Keils Voxel 31P, führen Sie die Sequenz, die ein einzelnes Spektrum zu erhalten, indem die Schaltfläche "Ausführen" an der Spitze des Protokollfensters klicken.
- Prüfen Sie die Qualität von B0 Shim. Beobachten Sie das resultierende Spektrum in dem Erfassungsfenster. Beachten Sie einen prominenten PCr Peak bei 0 ppm zentriert und keine wesentlichen Rauschen (4a, links).
HINWEIS: Fehlerbehebung: Wenn das Spektrum laut erscheint, stellen Sie sicher, dass die Shim-Box im Muskel platziert wird. Anzeigenur die Größe und die Position des shim Feld, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Wiederholen Sie den Test Erwerb nach Bedarf. - Um die PCr Peakhöhe, öffnen Sie das Spektrum in der Spektroskopie-Werkzeug ( "Anwendungen" → "Spectroscopy") zu sehen. Öffnen Sie den Patientenordner (Ordner-Struktur-Symbol), wählen Sie die entsprechende Scan, und doppelklicken Sie auf das Spektrum zu laden.
- Pre-Übung T1 Bild:
- Besorgen Sie sich eine Einzelschicht axiale T1-gewichteten Bild in der Mitte einer Spule.
- 31 P Vorübung Erwerb:
- Kopieren Sie die Sequenz aus Schritt 4.4 (, die die beste spektrale Qualität produziert) durch Linksklick und Ziehen mit der Sequenz im Protokollfenster. Verwenden Sie diese Sequenz für alle folgenden Messungen.
- In der Ablaufroutine Fenster, erhöhen Sie die Anzahl der Messungen von 1 bis 10. Wählen Sie laufen 10 Messungen zu erwerben, während das Thema in Ruhe ist.
- 31 </ Sup> P Übung Erwerb:
HINWEIS: Stellen Sie aufmerksam die Start- und End-Trainingszeiten, da dies für die Analyse wichtig sein wird.- Rest: Übernehmen Sie die Shim-Einstellungen aus dem vorherigen Scan und stellen Sie die Sequenz 20 Messungen zu erwerben. Weisen Sie den Gegenstand nach einem Countdown beginnen zu treten. Weisen Sie den Gegenstand in Ruhe für zwei Messungen zu bleiben.
- Übung: Stellen Sie das Thema Übung, um die Kniestreckung für ~ 30 Sekunden auszuführen (oder die Zeit benötigt, um eine 30% ige Abnahme der PCr Spitzenamplitude zu erreichen). Nachdem das Thema ausreichend PCr Erschöpfung erreicht, fragen Sie sie, um auszuruhen.
- 31 P post-exercise Akquisitionen:
- Erwerben Sie weitere 20 Messungen in Ruhe. Stellen Sie sicher , dass die post-exercise Akquisitionen beginnen unmittelbar nach der Übungsabfolge, ohne Pause oder Shim (4a, rechts).
HINWEIS: Die Unterteilung dieser Erholungsphase in zwei separate Akquisitionen ermöglicht die Analyse des initial 20 dynamische Spektren während der Erfassung der zweiten 20 dynamischen Spektren, so dass der Anwender Erwerb des vollen Erholungsphase zu vermeiden, wenn die Übung wiederholt werden muss.
- Erwerben Sie weitere 20 Messungen in Ruhe. Stellen Sie sicher , dass die post-exercise Akquisitionen beginnen unmittelbar nach der Übungsabfolge, ohne Pause oder Shim (4a, rechts).
- Die Sicherstellung Übung Qualität:
- Vergleichen die PCr Peakhöhen am Anfang und am Ende der Bewegung. Hochwertige Trainingseinheiten führen zu einer ~ 30% ige Abnahme der PCr Konzentration.
- Stellen Sie sicher, dass die Spitzenhöhe PCr die gleichen zu Beginn der Rest ist und am Ende der Wiederherstellung (in der Regel <10% Unterschied gewünscht wird). Dadurch wird sichergestellt, dass es vernachlässigbaren Verlust von Feldhomogenität während der Akquisition war.
HINWEIS: Wenn der PCr Abbau nicht ausreichend ist, oder wenn es einen Verlust von Feldhomogenität gefallen hat, dann wiederholen Sie die Übung / Recovery-Teil der Prüfung (darauf achten, Ermüdung zu vermeiden), stellen Sie sicher, dass die Spule und Riemen sicher befestigt sind, und erweitern die Dauer der Übung und / oder Förderung der kräftigere Übung (Abbildung 4b).
NICHTE: Ein Vergleich der erhaltenen Bilder in den Schritten 6 und 11 ermöglicht eine zusätzliche Qualitätskontrollschritt jede Verschiebung des Oberschenkels und der Spule aufgrund der Bewegung zu visualisieren, wodurch sichergestellt wird, dass minimale Bewegung während des Protokolls aufgetreten, die signifikant die erfassten Daten beeinflussen könnten .
- Im Anschluss an post-exercise T1 Bildgebung, wiederholen Sie die Vorübung axialen T1-Bildgebung (Schritt 4.5) mit den gleichen Erfassungsparameter.
- Neben ausreichende Abreicherung von PCr, messen die Bewegung pH Ende um sicherzustellen, dass die Übung nicht Azidose des Muskels induzierte.
- Führen Sie dies durch die chemische Verschiebung zwischen Pi Messung und PCr (& delta; P i) und unter Verwendung der folgenden Gleichung 60:
pH = 6,77 + log [(& delta; P i -3,29) / (5,68-& delta; P i)]
HINWEIS: Der pH - Wert sollte bleiben mehr als 6,8 61. Wenn der PCr Abbau ausreichend ist, aber der pH-Wert zu niedrig ist, wiederholen Sie die Übung Kampf für eine kurzeer die Dauer und / oder mit einer verringerten Intensität.
- Speichern von Daten:
- Speichern Sie alle aufgenommenen Spektren als DICOM-Dateien und exportieren, um sie für die Verarbeitung mit JMRUI.
- Wenn Sie einen Scanner verwenden, wählen Sie alle Spektroskopie Akquisitionen im Fenster "Navigator".
- Unter "Anwendungen" die Option "Dicom Tools" → "Export MR-Spektroskopie", und die DICOM (* .dcm) Dateien zu C speichern: / Benutzer / MedCom / temp / CDROFFLINE
(Das Werkzeug wählt automatisch diese Position). - Unter "Transfer" die Option "Export in den Offline." Sparen Sie an die gewünschte Stelle.
5. Datenverarbeitung und -analyse 62
- Analysieren Sie den MR-Spektren mit frei verfügbaren JMRUI-Software (Version 5.2; http://www.jmrui.eu/).
- Apodize und der Phasenverschiebung der Spektren Gleichförmigkeit über alle erfassten Zeitpunkte (5) zu gewährleisten. Die PCR-Spitze zentriert wird eint 0 ppm in den Spektren.
- Verwenden Sie die integrierte in AMARES Algorithmus, um die Amplitude des PCr Maximum in jedem erworbenen Spektrum zu quantifizieren. Die Spitzenamplitude repräsentiert die Konzentration von PCr innerhalb des sensitiven Bereichs der Oberflächenspule zu diesem bestimmten Zeitpunkt.
- In der Rechensoftware, zeichnen Sie die PCr Konzentrationen als Funktion der Erfassungszeit. Mit Hilfe der eingebauten in Rechensoftware Kurvenanpassung Werkzeug, passen 52 die PCR - Erholungszeit Daten an die folgende Gleichung, 63:
- Notieren Sie sich die Werte der Basislinie PCr (
), Die niedrigste PCr ( 
) Und die Wiederherstellungszeit ( 
. - Stellen Sie sicher, dass die entsprechenden Bedingungen während der exer erfüllt sindzise Sitzung durch den pCR Verarmungs Berechnung der prozentualen Differenz zwischen dem Basislinien PCr und dem niedrigsten PCr. Ideal Trainingseinheiten führen zu einer 20-50% Erschöpfung.
HINWEIS: Die Qualität der Kurvenanpassung kann durch die Überprüfung sichergestellt werden , dass der R 2 -Wert größer als 0,75. R 2 -Werte werden automatisch von der Anpass - Software berechnet.
), Die niedrigste PCr ( 
) Und die Wiederherstellungszeit ( 
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Representative Results
Reproduzierbarkeit Studie
Sechs Freiwillige (4 Männer und 2 Frauen, mittleres Alter: 24,5 ± 6,2 Jahre), ohne selbst berichteten Herz, Stoffwechsel- oder mitochondriale Krankheit unterzog Sitzungen der beschriebenen 31 PMRS Übung und Imaging - Technik , die auf 2 verschiedenen Tagen innerhalb von 1 Woche Technik zu bewerten Reproduzierbarkeit (Abbildung 6a). Die Studien an gesunden Probanden bestätigen die Reproduzierbarkeit der 31 PMRS Studie bei der Quantifizierung der mitochondrialen Funktion. A Bland-Altman - Analyse von PCR - Wiederherstellungszeit zeigt eine mittlere Differenz der Standardabweichung von 1,03 4,83 sec und einem zwischen-Studien Variationskoeffizienten von 4,66 (Figur 6b). Keine Änderungen an den Erwerb oder die Analyseprotokoll in dem Abschnitt Verfahren beschrieben wurden benötigt, um gute Qualitätsdaten zu erhalten, wie in Schritt 4 des Protokolls beschrieben. Diese results zeigen die Reproduzierbarkeit der Erfassungs- und Analysetechniken in dieser Arbeit beschrieben.
Technik Evaluation in der Nicht ambulante Teilnehmer mit Friedrich Ataxie
Vier Teilnehmer (2 Männer und 2 Frauen, mittleres Alter: 35) unterzog sich einer einzigen Sitzung der 31 PMRS Übung und Abbildungstechnik in dieser Arbeit beschrieben die Machbarkeit in einem nicht-ambulanten Bevölkerung mit FA zu bewerten. Diese Themen waren in der Lage die Durchführung der in-Magnet-Übungen für eine ausreichende Depletion von PCr Erhalt der Recovery-Parameter in Schritt 5.6 gezeigt zu passen. Doch mehr Trainingszeit (60-90 sec) waren erforderlich, um ausreichend die PCr Ebenen erschöpfen. Zusätzlich Oszillationen um die Passform , die durch den fortschreitenden Verlust der Muskelkontrolle verursacht wurden, die von dieser Krankheit charakteristisch ist, wurden festgestellt (Figur 7). Für diese subjects, haben wir zwei zusätzliche resistive Riemen zwischen den Knien und Knöcheln, insgesamt drei Bänder geben, unerwünschte Bewegung zu begrenzen. Diese Ergebnisse zeigen die Machbarkeit der Erfassungs- und Analysetechnik PCr Erholungszeiten in nicht-ambulanten Subjekten zu erhalten. Allerdings zeigen die Änderungen erforderlich, um gute Qualitätsdaten zu erhalten, dass eine weitere Bewertung und Standardisierung Studien notwendig sind.
Machbarkeitsstudie
Neun Freiwillige ohne selbst berichteten kardiovaskulären Erkrankungen und 15 Probanden mit einem Programm der kardialen Rehabilitation und Sekundärprävention bezeichnet (CRSP) wurden in einem lokalen Institutional Review Board (IRB) -zugelassene Studie aufgenommen. Wir erhielten einige klinische Werte als Indikatoren für die kardiovaskuläre Gesundheit und die Schwere des metabolischen Syndroms. Die linksventrikuläre Auswurffraktion wurde in CRSP Probanden (56 10%) erhalten. Die maxim kardiovaskuläre Anstrengung Fähigkeit, gemessen vor CRSP starten, war ähnlich bei Patienten mit und ohne Diabetes (3,05 0,6 im Vergleich zu 3,4 0,8 metabolischen Äquivalente METs, p = 0,4). Vor CRSP Beginn jeder immatrikulierte Gegenstand unterzog sich der 31 PMRS Übung und Imaging - Technik, die in dieser Arbeit beschrieben, und die intramuskuläres Fett Quantifizierung Bildgebung, die zuvor 64 beschrieben. Die Zeitkonstante des PCr Erholung war länger (41.9 1.4 im Vergleich zu 32,1 7,4 sec, p = 0,05) und der intramuskulären Fettanteil war höher bei CRSP Probanden im Vergleich zu Kontrollen (8,7 2,9 im Vergleich zu 2,54 0,6%, p <0,001). Der Prozentsatz an intramuskulärem Fett war ähnlich in CRSP Patienten mit und ohne Diabetes (p = 0,4) und die Zeitkonstante des PCr Erholung neigten mehr mit Diabetes in Subjekten zu sein im Vergleich zu in denen ohne Diabetes und in der Kontrollgruppe (p = 0,03 für die Trends über Gruppen). Vorläufige Follow-up-Daten deuten auf eine deutlich schlechtere VerbesserungMETs post-CRSP bei Probanden mit Diabetes im Vergleich zu denen ohne (delta = 1,0 0,8 im Vergleich zu 4,0 2,4, p = 0.06; Abbildung 8). Diese Ergebnisse zeigen die Machbarkeit dieser Technik Unterschiede zu quantifizieren, in der Skelettmuskulatur OXPHOS zwischen Subjekten mit und ohne bekannten Stoffwechselerkrankung.
Abbildung 1. Mitochondrien, Skelettmuskel und Herz - Lungen - Systeme.
Eine Darstellung der Verbindung zwischen den Mitochondrien, Skelettmuskel, Herzleistung, Belüftung und Funktionsfähigkeit gezeigt. Übernommen aus Milani et al 65.
Abbildung 2. Materialien.
Die benötigten Materialien umfassen 1) ein Dreieck Kissen,
Abbildung 3. Positionierung.
A) Die Personen werden in Rücken, Füße-erste Position abgebildet. Die 31 P - Spule ist auf der linken Quadrizeps platziert. Resistive Riemen sind oberhalb und unterhalb des Knies und an den Tisch gelegt. Ein einziger Riemen verwendet wird über dem Knie beide Beine zusammen zu binden. B) Die Schichtpositionierung ist für das zweite Localizer gezeigt. Beachten Sie, dass die Scheiben an der loca zentriert sindtion des Baby-Öl-Flasche, und Scheiben bedecken die gesamte Quadrizeps. C) Die Shim - Box Platzierung für 31 PMRS gezeigt. Dieses Volumen ist direkt unterhalb der Spule in den Quadrizeps angeordnet und deckt eine Tiefe, die im Bereich der Oberflächenspule ausreichendes Signal und geeignete Shimming sicherstellt.
Abbildung 4. Datenerfassung.
A) Ein Vertreter 31 P Akquisition in Ruhe gezeigt. Die PCR ist die große einzelnen Peak, und es gibt minimale Geräuschentwicklung (links). Eine typische Erwerb während der Übung Teil der Protokoll führt zu zwei großen Spitzen, Pi und PCr (rechts). Als Übung fortschreitet, erhöht sich die Pi und PCr Spitzen und verringern sind. B) Vergleich der PCr Spitzenhöhe in Ruhe und nach dem Training sollte mindestens eine ~ 30% ige Abnahme offenbaren. Diese c ERECHNUNG sollte an der Scanner-Konsole, um den erfolgreichen Abschluss der Übung Studie, um sicherzustellen, durchgeführt werden.
Abbildung 5. Analyse.
Die Phasenkorrektur und Apodisierung eines repräsentativen Spektrum gezeigt. A) Ein Rohspektrum eine un-Phased - Peak und dem Vorhandensein von Rauschen zeigt , daß die Spitzen verschleiert. B) Ein Spektrum zeigt 0 - ten - und 1. -dem Phasenkorrektur. Die PCR-peak bei der Mittenfrequenz angeordnet ist leicht erkennbar, aber auch andere Stoffwechselspitzen noch verdeckt. C) Das Spektrum nach Apodisierung mit einer Lorentz - Linienform, was zu einer Verringerung des Lärms und eine bessere Visualisierung der drei ATP Spitzen und der PDE und Pi Spitze. Dieses Spektrum ist für die Spitzen Quantifizierung mit dem AMARES Werkzeug bereit. files / ftp_upload / 54977 / 54977fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6. 31 PMRS bei gesunden Probanden.
A) Diese Abbildung zeigt die Erholung der Phosphokreatin (PCr) Konzentration nach ihrer Erschöpfung mit schnellen quasistatischen Kniestreckung Übung. Die Linie stellt die Passform des exponentiellen Wiederherstellungsfunktion in Schritt 5.6, wobei der Wiederherstellungszeitkonstante τ beschrieben ist; Diese Zeitkonstante ist eine gut etablierte Biomarker der mitochondrialen oxidativen Funktion. B) Die Bland-Altman - Analyse der 31 PMRS Technik Reproduzierbarkeit zeigt eine mittlere Differenz Standardabweichung von 1,03 4,83 sec für die PCR - Erholungszeit zwischen den Versuchen; der Variationskoeffizient beträgt 4,66.http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54977/54977fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 7. 31 PMRS in nicht gehfähigen Themen.
Eine repräsentative PCr Erholungskurve von der 31 PMRS Prüfung eines nicht gehfähigen Thema gezeigt. Man beachte, dass ein PCR-Depletion von 64% wurde bei dieser Übung Protokoll erreicht. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 8. 31 PMRS in CRSP Themen.
Ein Vergleich der PCr RECOVery mal zeigt sequentiell schlechtere mitochondriale oxidative Kapazität in der Steuerung, nicht-diabetischen und diabetischen Patienten. Die Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung.
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Discussion
Dieses Dokument beschreibt ein Standardprotokoll für 31 PMRS Prüfung , die serielle und nicht - invasive in vivo - Messung der Skelettmuskulatur Mitochondrienfunktion bietet. Das Protokoll hält große Attraktivität, wenn die Bandbreite der Untersuchungen gezielt die wachsende Belastung des metabolischen Syndroms und der daraus resultierenden Morbidität und Mortalität berücksichtigen. Dieses 31 PMRS Protokoll erfordert eine minimale Menge an Scanner Zeit und kann mit handelsüblichen MRS Einrichtungen in umfassende Stoffwechseluntersuchungen bei Patienten jeder Zentrum integriert werden.
Kritische Schritte im Rahmen des Protokolls
Contraindications- Vor der MR - Untersuchungen ist es entscheidend , Themen für mögliche Gegen zu screenen. Neben den typischen MR Ausschlusskriterien ist folgendes vor der Umsetzung dieses Protokolls in Betracht gezogen werden: 1) ipsilateral Knie- oder Hüftprothesen (unabhängig of MR - Kompatibilität) Artefakte zu vermeiden, 2) Bedingungen , die den Blutfluss oder die Sauerstoffzufuhr zu den unteren Gliedmaßen (zB periphere arterielle Verschlusskrankheit), 3) eine Unfähigkeit beschränken resistive quadriceps Verlängerungs Übung durchzuführen, und 4) eine Unfähigkeit supine liegen für ca. 30 min.
Bewegungsartefakte Reduktions- Die Bewegung der 31 P Spule in Bezug auf die Quadrizeps des Subjekts und der Bewegung des Oberschenkels Verwandten unter den Tisch sollte minimiert werden. Stellen Sie sicher, dass die Spule fest mit dem Thema Bein befestigt ist, und dass, dass die Widerstandsbänder fest mit dem Untersuchungstisch befestigt sind. Testen Sie dies, indem sichergestellt wird, dass die Ferse des Patienten nicht steigt mehr als 5 in. Aus dem Untersuchungstisch während Tritte und dass es keine Drehung der Spule während der Übung.
Erwerb
Übung qualitäts- das Objekt einem ausüben solltemindestens eine 30% ige Abreicherung in den pCR chieve. Für dieses Protokoll haben wir, dass 30 s der Übung für ambulante Probanden ermittelt und 60 s für nicht-ambulanten Probanden dieses Ziel erreicht wird. Wir haben beobachtet, dass nicht gehfähigen Probanden weniger Kraft pro Kick ausüben und benötigen daher ein längeres Intervall für ausreichend Erschöpfung.
Auswertung- Die hier beschriebenen Methoden bieten einen Rahmen , die Subjektivität zu minimieren und die Automatisierung maximieren. Auswahl der Benutzereingabeparameter für die Analyse der Spektren sollten sorgfältig, um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, hergestellt werden.
Technische Änderungen und Fehlerbehebung
Die Qualität der Spectrum- Wenn das Spektrum erscheint laut, sicherzustellen , dass die Shim - Box im Muskel platziert wird. Anpassen der Größe und Position des shim Feld, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Wiederholen Sie den Test Erwerb nach Bedarf.
quakeit von Ausübungs- Wenn die anfängliche Bewegung führt zu einer unzureichenden PCr Erschöpfung, gibt es mehrere Änderungen , die zur Fehlerbehebung verwendet werden können: 1) können die Gurte, Widerstand zu erhöhen angezogen werden; 2) können Gegenstand angewiesen werden, schneller zu treten, was erhöht Anstrengung; oder 3) die Dauer der anhaltenden Bewegung kann erhöht werden. Beachten Sie jedoch, dass eine Über Übung in veränderter pH - Wert zur Folge haben kann und zu Übersäuerung führen könnte, was die OXPHOS Rückgewinnungs - Kinetik 61 hemmen können. Dies kann durch eine Begrenzung der Übungszeit auf maximal 3 min vermieden werden.
Einschränkungen der Technik
Eine Muskelbiopsie Analyse erlaubt die Messung der spezifischen mitochondrialen Eigenschaften, wie mitochondriale Inhalt und Größe, sowie der mitochondrialen maximale ATP-Syntheserate. Jedoch ist es wichtig zu beachten , dass die in vivo Messung mit 31 PMRS ein Aggregat dieser di darstelltrect Maßnahmen, zusätzlich zu extra mitochondrialen Faktoren, wie die mikrovaskulären Zufuhr von oxygeniertem Blut zum Muskel. Somit wird in Situationen, in denen der Status der Mikrovaskulatur in Frage ist aufgrund reduzierter Sauerstoffzufuhr oder andere Faktoren, wäre es nicht eine eindeutige Anzeige der mitochondrialen Status bereitzustellen. Vielmehr würde es den in vivo Zustand der maximalen oxidative ATP Synthese von Muskel zeigen, die eine Kombination aus OXPHOS und mikrovaskuläre Probleme widerspiegeln.
Eine Begrenzung der Übung 31 PMRS - Protokoll in dieser Arbeit detailliert ist der Mangel an Standardisierung der Arbeitsleistung. Dieser Mangel an Standardisierung vereinfacht die Vorrichtung erforderlich ist, und somit die Durchführung dieses Protokolls. Allerdings kommt es auf Kosten der nicht die quantitative Auswertung anderer Parameter ermöglicht, wie Festigkeit und Ermüdbarkeit, und ihre Beziehung zu metabolischen Maßnahmen. Als Ergebnis konnte unterschiedlichem Anstrengung beeinflussen den pCRErholungszeit jenseits der Schwere der zugrundeliegenden mitochondrialen Defekt. Man kann diese Effekte zu minimieren, indem ausreichend PCr Erschöpfung zu gewährleisten und kann weiterhin die Arbeitsleistung zu standardisieren, indem Sie MR-kompatiblen Ergometer mit einstellbaren Widerstand und messbare Arbeit Ausgänge.
Bedeutung der Technik in Bezug auf bestehende oder Alternativmethoden
Die Möglichkeit, direkt die Funktion der Mitochondrien in der Skelettmuskulatur zu quantifizieren ist der Hauptvorteil der Technik 31 PMRS zu Standard Ergospirometrie verglichen. Invasive Muskelbiopsie liefert Messungen in Einzelfasern 66, wenn auch mit den damit verbundenen Risiken , die es weniger attraktiv für Untersuchungen erfordern serielle Beurteilung vornehmen. Ansätze basierend auf Nahinfrarotspektroskopie 67 kann durch Eindringtiefe, insbesondere bei fettleibigen Patienten begrenzt werden, wobei weniger als 5 mm von Fett die NIRS s dämpftignal um 20% 68. Darüber hinaus ist die Technik eignet sich nicht für die mehrdimensionale Bewertung der Muskel- und anderen von MR-basierte Techniken lieferte Systemen. Außerdem, im Gegensatz zu invasive Biopsie Methoden für die Muskelenergetik zu quantifizieren, diese nicht-invasive und nicht-destruktive Maßnahme ermöglicht Maßnahmen des metabolischen Status in intakten Muskel wiederholt, ist es vorteilhaft für die Bewertung der unterworfene Bevölkerung und therapeutische Interventionen zu machen.
Zukünftige Anwendungen
Potentielle Anwendungen nach diesen 31 PMRS Technik Mastern umfassen die Bewertung von Krankheiten , die mit spezifischen mitochondrialen Defekten oder eines einer Vielzahl von Stoffwechselstörungen. Bei Patienten mit schlechter Herzleistung, können die aktuellen Techniken beeinträchtigte Funktionsfähigkeit zu identifizieren , aber das Niveau nicht feststellen kann , bei der die Funktionsstörung auftritt (zB den Skelettmuskel, Herz oder Lunge). Es wäre besondersinteressant integrierte Protokolle zu entwickeln , die 31 PMRS mit metabolischen Maßnahmen und Herz - Lungen - Tests kombinieren , um die Ursachen von fachspezifischen reduzierten Kapazität zu erleichtern , um personalisierte Therapien zu identifizieren.
Wir haben detaillierte Beispiele für wichtige zielgerichtete Therapien und Interventionen , die sich aus der Verwendung von in - vivo - Marker der Mitochondrienfunktion profitieren würden. Ein standardisiertes 31 PMRS Übung Protokoll, wie die oben aufgeführten, ist ein wichtiger Schritt für die weitere Verbreitung dieser wichtigen in vivo Marker der Skelettmuskulatur mitochondriale Kapazität in beiden grundlegenden und Interventionsstudien.
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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 |
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