Phosphore-31 Spectroscopie par résonance magnétique: un outil de mesure<em> In Vivo</em> Capacité mitochondrial phosphorylation oxydative dans le muscle squelettique humain

Summary

This work demonstrates the feasibility of an in vivo phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopy (³¹PMRS) technique to quantify mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity in human skeletal muscle.

Abstract

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo and noninvasively in humans via phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopy (³¹PMRS). However, the approach has not been widely adopted in translational and clinical research, with variations in methodology and limited guidance from the literature. Increased optimization, standardization, and dissemination of methods for in vivo ³¹PMRS would facilitate the development of targeted therapies to improve OXPHOS capacity and could ultimately favorably impact cardiovascular health. ³¹PMRS produces a noninvasive, in vivo measure of OXPHOS capacity in human skeletal muscle, as opposed to alternative measures obtained from explanted and potentially altered mitochondria via muscle biopsy. It relies upon only modest additional instrumentation beyond what is already in place on magnetic resonance scanners available for clinical and translational research at most institutions. In this work, we outline a method to measure in vivo skeletal muscle OXPHOS. The technique is demonstrated using a 1.5 Tesla whole-body MR scanner equipped with the suitable hardware and software for ³¹PMRS, and we explain a simple and robust protocol for in-magnet resistive exercise to rapidly fatigue the quadriceps muscle. Reproducibility and feasibility are demonstrated in volunteers as well as subjects over a wide range of functional capacities.

Introduction

Le but de ce travail est de décrire une méthode reproductible pour mesurer de manière non invasive in vivo muscle squelettique fonction mitochondriale chez les individus possédant un large éventail de capacités. déficience mitochondriale Aberrant est une caractéristique d'un large éventail de syndromes métaboliques et des maladies génétiques, des conditions communes telles que le vieillissement et le diabète de maladies rares telles que l'ataxie de Friedreich.

Syndrome métabolique et Dysfonctionnement mitochondrial

Le syndrome métabolique a été montré pour perturber la fonction mitochondriale, enfoncez squelettique OXPHOS musculaire, et conduire au stockage des lipides ectopique dans le muscle squelettique ^{1, 2.} Organites Comme critiques de régulation métabolique et l' homéostasie énergétique, les mitochondries sont impliquées dans la physiopathologie de l' obésité ^{3, 4, 5} résistance à l'insuline </sup>, Diabète de type 2 (DT2) ^{6, 7,} liée au diabète de micro ^{8, 9, 10, 11} et complications macrovasculaires ^{12, 13,} et non alcoolisées maladie du foie gras (NAFLD) ^{14, 15, 16,} entre autres .Insulin résistance se caractérise par des changements profonds dans le muscle squelettique activité mitochondriale, y compris une diminution mitochondrial acide tricarboxylique (TCA) taux de flux, le taux de synthèse d' ATP, et la citrate synthase et NADH: O ₂ oxydoréductase ^5. Une hypothèse est que ces modifications pourraient être dues à l'accumulation d'acides gras libres (AGL) métabolites dans le muscle, qui sont nettement augmenté au cours de l'obésité et d'autres l'obésité rmaladies exaltés ^{2, 17.} L'exposition du muscle à FFAs élevées et intermédiaires de lipides peut diminuer l'expression des gènes dans la voie oxydative des lipides, ainsi que le cycle TCA et de la chaîne de transport d' électrons (CTE) ^18. Cette réduction de la capacité de squelettique OXPHOS musculaire mitochondriale dans le cadre d'une surcharge lipidique est accompagnée d'une baisse du quantitatif (contenu et biogenèse des mitochondries) ¹⁹ et la fonction qualitative des mitochondries du muscle squelettique ^20. Exposer le muscle squelettique et les myocytes à FFAs conduit à une résistance sévère à l'insuline et l'absorption accrue en acides gras libres dans le muscle est associée à une résistance à l'insuline chez les humains et les rongeurs ^21. Les intermédiaires lipidiques céramide et diacylglycérol (DAG) se sont révélés inhiber directement la voie de signalisation de l'insuline en modifiant l'activité des kinases, telles que la protéine kinase C et protein kinase B ^21. Par conséquent, les molécules lipidiques dérivés semblent jouer un rôle de premier plan dans le développement de la résistance à l'insuline des muscles squelettiques et DT2. Cependant, on ne sait pas si des changements dans la capacité des mitochondries sont une cause ou une conséquence de la résistance à l'insuline ^22.

Ataxie et mitochondrial Dysfonction Friedrich

OXPHOS Diminué peuvent également résulter de défauts génétiques. Ataxie de Friedrich (FA), la forme la plus courante de l' ataxie héréditaire, est une maladie génétique causée par une mutation dans la frataxine (FXN) du gène, ce qui entraîne l' accumulation de fer intra-mitochondrial, production d'espèces réactives de l' oxygène, et des anomalies de la phosphorylation oxydative ^{23, 24, 25, 26.} Cette découverte importante a conduit au développement de thérapies ciblées, which afin d'améliorer la fonction mitochondriale au niveau sub-cellulaire. En dépit de cette compréhension, il y a eu un développement limité de in vivo, des biomarqueurs reproductibles pour la recherche clinique FA. En fait, un obstacle majeur à l'évaluation efficace des thérapies ciblées en FA est l'incapacité de suivre l'évolution de la fonction mitochondriale. mesures fonctionnelles actuelles, par exemple, sont capables d'identifier une diminution du débit cardiaque; cependant, ils sont incapables de déterminer le niveau auquel se produit le dysfonctionnement (figure 1). Le développement d'un marqueur de la fonction mitochondriale fiable qui peut être utilisé pour identifier et évaluer la progression de la maladie dans l'ataxie de Friedrich est cruciale pour évaluer l'impact mécanique pertinente des thérapies ciblées.

OXPHOS avec facultés affaiblies et la dysfonction cardiaque

la fonction mitochondriale Aberrant, acquis ou génétique, pourrait contribuer au développement ou à la progression de cardidysfonction ac. Dans les conditions de surcharge de pression et de l'insuffisance cardiaque, l'énergie primaire commutateurs de préférence de substrat de la FFA au glucose. Ceci est associé à l' activité ETC diminué et la phosphorylation oxydative ^27. La physiopathologie de la bioénergétique mitochondrial dans un dysfonctionnement cardiaque peut être différent en fonction de l'origine primaire du défaut mitochondrial. Le diabète et les résultats du syndrome métabolique dans des anomalies mitochondriales dans le myocarde, comme une déficience biogenèse et le métabolisme des acides gras, qui conduisent à une réduction de flexibilité du substrat, l' efficacité énergétique, et finalement, le dysfonctionnement diastolique ^{28, 29.} Dans FA, d'autre part, il en résulte un déficit en frataxine dans l' accumulation de fer mitochondrial significative dans les cardiomyocytes ^{30, 31.} L' accumulation de fer conduit à la production de radicaux libres par l' intermédiaire de la réaction de Fenton ^{32 <}/ Sup> et augmente les risques de dommages sans cardiomyocytes induite par les radicaux. L' accumulation de fer intramitochondriale est également associé à une sensibilité accrue au stress oxydatif et d' une capacité d'oxydation réduit ^{30, 31.} L' accumulation de fer et la fonction mitochondriale aberrante ultérieure, en raison de la carence en frataxine, peuvent donc être responsables des energetics cardiaques avec facultés affaiblies et la cardiomyopathie observées dans FA ^{33, 34.} Il est également intéressant de noter que la capacité oxydative réduite dans les mitochondries du muscle squelettique est parallèle à l'intolérance à l'exercice et réduit la capacité métabolique dans l' insuffisance cardiaque (HF) ^35. Mesure de la capacité de squelette OXPHOS musculaire, tel que décrit ici, est facilement réalisable et robuste; couplée à l'importance de squelette OXPHOS musculaire dans HF, ces caractéristiques en font un biomarqueur attrayant aux études approfondies de heart ³⁶ maladie.

OXPHOS avec facultés affaiblies et la dysfonction cardiaque d'accompagnement ne sont pas un aspect négligeable de maladies métaboliques et mitochondrial. Les sujets atteints de diabète et de maladies métaboliques sont à un risque plus élevé de développer une maladie cardiovasculaire et ont une surmortalité après un infarctus du myocarde (IM) ^{37, 38, 39, 40, 41;} plus de la moitié des sujets FA ont une cardiomyopathie, et beaucoup meurent d'arythmie cardiaque ou d' insuffisance cardiaque ^42. Par conséquent, la quantification de OXPHOS réduite ne pouvait pas permettre que pour la détection et le traitement de la dysfonction cardiaque précoce, mais elle pourrait aussi alléger un fardeau clinique majeur dans ces maladies.

Les thérapies ciblées pour accroître directement la capacité de OXPHOS est un domaine prometteur pour améliorer le traitement des sujets, whether la cause du dysfonctionnement métabolique est génétique ou acquise. Actuellement, le développement de nouveaux médicaments qui soulagent soit la fonction mitochondriale anormale ⁴³ ou de corriger le défaut génétique primaire ⁴⁴ peut améliorer la bioénergétique caractéristique dérangée de FA ciblée. Dans le cas d' un dysfonctionnement mitochondrial acquis, l' activité physique accrue peut améliorer la fonction mitochondriale ^{45, 46, 47.}

³¹ Phosphore Spectroscopie par résonance magnétique comme un biomarqueur non invasif de la fonction mitochondriale

Quel que soit le traitement testé, un intégré dans l' évaluation in vivo de la bioénergétique du muscle squelettique est un outil essentiel pour évaluer l'impact des interventions ciblées, en particulier chez les sujets souffrant d' intolérance d'exercice sévère ou l'incapacité de se soumettre à metabo conventionnelletest lic. La spectroscopie par résonance magnétique accordé au phosphore ⁽³¹ PMRS), un noyau endogène trouvé dans divers substrats à haute énergie dans les cellules dans tout le corps, a été utilisé pour quantifier la capacité oxydative mitochondriale en utilisant une variété d'approches, y compris dans les aimants protocoles exercice de récupération et protocoles de stimulation musculaire ^48. Les protocoles d'exercice de recouvrement reposent sur une variété d'appareils, allant dans la complexité de ergomètres compatibles avec l'IRM qui régulent et mesurent la charge de travail à des configurations simples de sangles et les coussinets permettant de type rafale résistive et l'exercice quasi-statique. L' un des principaux objectifs de l' un de ces protocoles est de produire un déséquilibre énergétique pour lequel la demande de l' adénosine triphosphate (ATP) est d' abord rencontré par la dégradation enzymatique de la phosphocréatine (PCr) par la créatine kinase de réaction ^49. Lors de la cessation de l'exercice, le taux de production d'ATP est dominé par pho oxydantesphorylation et représente le maximum de la capacité in vivo de la ⁵⁰ mitochondrie. En outre, au cours OXPHOS récupération post-exercice peut être décrit par une réaction de vitesse de premier ordre ^51. La récupération post-exercice de PCr peut donc être quantifiée par la mise en place d'une constante de temps exponentielle (τ _PCr), avec des valeurs plus petites de τ _PCr représentant plus grandes capacités de synthèse oxydative de l' ATP. Des efforts importants ont été faits pour valider ³¹ PMRS contre ex vivo et des mesures plus directes de OXPHOS et de démontrer l'applicabilité clinique potentielle de cette technique ^{52, 53, 54, 55.}

Notamment, le protocole décrit dans ce travail peut être mis en œuvre sur les scanners cliniquement disponibles, et il a été largement validé en tant que biomarqueur non invasif ola fonction mitochondriale f ^56. Cependant, un protocole d' exercice ³¹ PMRS optimisé pour l' application à des personnes avec différentes sévérités de déficience ou de la mobilité neuromusculaire n'a pas été bien établie ^57. Un bien défini, le protocole d'exercice largement-applicable et ³¹ technique PMRS seraient particulièrement utiles dans l'évaluation des maladies présentant des anomalies fondamentales dans la fonction mitochondriale.

Plusieurs études antérieures ont exploré les applications des techniques non-invasives pour quantifier la fonction mitochondriale chez les sujets. Par exemple, ces techniques ont montré une déficience OXPHOS chez les sujets atteints de diabète de type 2 ^36. Lodi et al. d'abord testé la faisabilité de techniques PMRS chez les sujets atteints FA et a constaté que 1) le défaut génétique fondamentale FA altère squelettique OXPHOS musculaire et 2) le nombre de répétitions GAA triplet est inversement proportionnelle au muscle squelettique OXPHOS ^33. Plus récemment, Nachbauer et al. PMRS utilisé comme critère d'évaluation secondaire dans un essai de médicament FA avec 7 sujets. PCr temps de récupération étaient significativement plus chez des sujets par rapport aux témoins, réaffirmant les travaux antérieurs de Lodi et indiquant que les effets de l' expression de la frataxine aberrante dans FA peut entraîner une baisse de la capacité mitochondriale qui est détectable en utilisant des techniques PMRS ^58.

Des méthodes fiables pour définir de manière adéquate dans la fonction du muscle squelettique in vivo, de façon reproductible , réalisable rentable, et sont essentiels à l' amélioration des résultats soumis à une série de maladies qui affectent la fonction mitochondriale.

Ce travail décrit une procédure robuste pour obtenir in vivo la capacité oxydative maximale du muscle squelettique en utilisant ³¹ PMRS. Le protocole d'exercice en aimant est bien toléré par les personnes couvrant un large éventail de physique et functional capacités et offre une configuration simplifiée du sujet en utilisant un équipement peu coûteux et largement disponibles.

Protocol

Ce protocole est approuvé par et suit les lignes directrices de l'Institutional Review Board Ohio State University pour la recherche sur des sujets humains. Il est important que toutes les procédures impliquant l' équipement MR sont effectuées par du personnel formé de façon adéquate en respectant les normes les plus élevées de sécurité MR 59. 1. Matériels et Préparation Veiller à ce que tous les matériaux nécessaires sont dis…

Representative Results

Étude de reproductibilité Six volontaires (4 hommes et 2 femmes; âge moyen: 24,5 ± 6,2 ans) sans coeur autodéclaré, métaboliques, ou d'une maladie mitochondriale ont subi des séances de l'exercice et de l' imagerie 31 PMRS technique décrite sur 2 jours différents dans 1 semaine pour évaluer la technique reproductibilité (figure 6a). Les études effectuées su…

Discussion

Ce document décrit un protocole standard pour ³¹ PMRS examen qui donne la mesure de série et non invasive in vivo du muscle squelettique fonction mitochondriale. Le protocole tient un attrait considérable lorsque l'on considère l'ampleur des enquêtes ciblant la charge croissante du syndrome métabolique et de sa morbidité et la mortalité qui en résulte. Ce ³¹ protocole PMRS nécessite un minimum de temps de scanner et peut être incorporé dans les enquêtes métaboliques c…

Materials

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