Fosfor-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: et redskab til måling<em> In vivo</em> Mitokondrie Oxidativ phosphorylering Kapacitet i human skeletmuskulatur

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

Målet med dette arbejde er at skitsere en reproducerbar metode til ikke-invasivt at måle in vivo skeletmuskulatur mitokondrie funktion i enkeltpersoner, som har en bred vifte af evner. Aberrant mitokondrie nyrefunktion er kendetegnende for en bred vifte af metabolisk syndrom og genetiske sygdomme, fra fælles betingelser såsom aldring og diabetes til sjældne lidelser såsom Friedreichs ataksi.

Metabolisk syndrom og mitokondriedysfunktion

Metabolisk syndrom er blevet vist at forstyrre mitokondriefunktion, trykkes skeletmuskel OXPHOS, og føre til ektopisk lipid opbevaring i skeletmuskulatur ^{1, 2.} Som kritiske organeller regulerer metaboliske og energi homeostase, er mitochondrier impliceret i patofysiologien af fedme ^{3, 4,} insulinresistens ⁵ </sup>, Type 2 diabetes mellitus (T2DM) ^{6, 7,} diabetes-relateret mikro- ^{8, 9, 10, 11} og makrovaskulære komplikationer ^{12, 13,} og ikke-alkoholiske fedtlever sygdom (NAFLD) ^{14, 15, 16,} bl.a. .Insulin modstand er kendetegnet ved dybtgående ændringer i skeletmuskulaturen mitokondrie-aktivitet, herunder faldt mitokondrie tricarboxylsyre (TCA) flux sats, ATP syntese sats, og citrat syntase og NADH: O ₂ oxidoreduktase aktivitet ^5. En hypotese er, at disse ændringer kunne skyldes akkumuleringen af ​​frie fedtsyrer (FFA) metabolitter i musklen, som er markant forøget i løbet af fedme og andre fedme-ropstemt sygdomme ^{2, 17.} Eksponeringen af muskel til forhøjede FFA'er og lipid mellemprodukter kan formindske ekspressionen af gener i lipid-oxidative pathway samt TCA cyklus og elektron-transportkæde (ETC) ^18. Denne reduktion i mitokondrie skeletmuskulatur OXPHOS kapacitet i fastsættelsen af en lipid overbelastning er ledsaget af et fald i den kvantitative (indhold og biogenese af mitokondrier) ¹⁹ og kvalitativ funktion af skeletmuskulatur mitokondrier ^20. Udsætter skeletmuskulatur og myocytter FFA'ere fører til alvorlig insulinresistens, og øget FFA-optagelse i musklen er associeret med insulinresistens både hos mennesker og gnavere ^21. Lipidet mellemprodukter ceramid og diacylglycerol (DAG) er blevet vist at direkte inhibere insulin signalvejen ved at ændre aktiviteten af ​​kinaser, såsom proteinkinase C og protEin kinase B ^21. Derfor lipidafledte molekyler synes at spille en fremtrædende rolle i udviklingen af ​​muskulær insulinresistens og T2DM. Men det er uklart, om ændringer i mitokondrie kapacitet er en årsag eller en konsekvens af insulinresistens ^22.

Friedrichs ataksi og mitokondriedysfunktion

Nedsat OXPHOS kan også opstå fra genetiske defekter. Friedrichs ataxi (FA), den mest almindelige form for arvelig ataksi, er en genetisk lidelse forårsaget af en mutation i frataxin (FXN) genet, resulterende i intra-mitokondrie jern akkumulering, reaktive oxygenspecies produktion, og abnormaliteter af oxidativ phosphorylering ^{23, 24, 25, 26.} Denne vigtige opdagelse har ført til udviklingen af ​​målrettede behandlinger, which formål at forbedre mitokondrie funktion på sub-cellulære niveau. På trods af denne forståelse, har der været begrænset udvikling af in vivo, reproducerbare biomarkører for FA klinisk forskning. Faktisk er en kritisk barriere i effektiv evaluering af målrettede behandlinger i FA er den manglende evne til at spore ændringer i mitokondrisk funktion. Aktuelle funktionelle foranstaltninger, for eksempel, kan identificere nedsat minutvolumen; men de er ude af stand til at bestemme det niveau, hvor den dysfunktion opstår (figur 1). Udviklingen af ​​en pålidelig markør for mitokondrie funktion, der kan anvendes til at identificere og evaluere sygdomsprogression i Friedrichs ataxi er afgørende at måle den relevante mekanistisk virkningerne af målrettede behandlinger.

Nedsat OXPHOS og Cardiac dysfunktion

Afvigende mitokondriefunktionen, enten erhvervet eller genetisk, kunne bidrage til udvikling eller progression af cardiac dysfunktion. Under betingelserne for pres overbelastning og hjertesvigt, at de primære energi substrat præference skifter fra FFA glukose. Dette er forbundet med nedsat ETC aktivitet og oxidativ phosphorylering ^27. Patofysiologi mitokondrie bioenergetik i hjertedysfunktion kan være forskellige afhængigt af den primære oprindelse mitokondrie defekt. Diabetes og metaboliske syndrom resulterer i mitokondrie abnormiteter i myocardium, såsom nedsat biogenese og fedtsyre stofskiftet, som fører til reduceret substrat fleksibilitet, energieffektivitet, og i sidste ende, diastolisk dysfunktion ^{28, 29.} I FA, på den anden side en frataxin mangel resulterer i signifikant mitokondrie jern akkumulering i cardiomyocytter ^{30, 31.} Jernakkumulation fører til produktion af frie radikaler via Fenton reaktionen ^{32 <}/ Sup> og øger chancen for fri radikal-induceret cardiomyocyte skader. Intra-mitokondriske jernakkumulation er også forbundet med en øget følsomhed over for oxidativ stress og en reduceret oxidativ kapacitet ^{30, 31.} Jern ophobning og efterfølgende afvigende mitokondriefunktionen, grundet frataxin mangel, kan derfor være ansvarlig for de værdiforringede cardiac energetik og kardiomyopati observeret i FA ^{33, 34.} Det er også interessant at bemærke, at den reducerede oxidative kapacitet i skeletmuskulaturen mitokondrier paralleller øvelsen intolerance og reducerede metaboliske kapacitet i hjertesvigt (HF) ^35. Måling af skeletmuskulaturen OXPHOS kapacitet, som beskrevet heri, er let gennemførlige og robust; kombineret med betydningen af ​​skeletmuskulatur OXPHOS i HF, disse funktioner gør det en tiltalende biomarkør i omfattende undersøgelser af høret sygdom ^36.

Nedsat OXPHOS og den ledsagende kardial dysfunktion er ikke en ligegyldig aspekt af metaboliske og mitokondrie sygdom. Forsøgspersoner med diabetes og metabolisk sygdom er på et højere risiko for at udvikle hjerte-kar-sygdomme og har overdødelighed efter myokardieinfarkt (MI) ^{37, 38, 39, 40, 41;} over halvdelen af FA fag har kardiomyopati, og mange dør af hjertearytmi eller hjertesvigt ^42. Derfor kvantificering af reduceret OXPHOS kunne ikke kun mulighed for tidlig påvisning og behandling af hjertedysfunktion, men det kunne også lette en større klinisk byrde ved disse sygdomme.

Målrettede behandlinger til direkte øger OXPHOS kapacitet er et lovende område for at forbedre behandlingen af ​​emner, whether årsagen til metaboliske dysfunktion er genetisk eller erhvervet. I øjeblikket er udviklingen af nye målrettede lægemidler, der enten afhjælpe unormal mitokondriefunktionen ⁴³ eller korrigere den primære genetiske defekt ⁴⁴ kan forbedre sindsforvirret bioenergetik karakteristisk for FA. I tilfælde af erhvervet mitokondriel dysfunktion, kan øget fysisk aktivitet forbedre mitokondriefunktionen ^{45, 46, 47.}

³¹ Fosfor Magnetic Resonance Spectroscopy som en ikke-invasiv biomarkør for mitokondriefunktionen

Uanset den testede terapi, en integreret in vivo vurdering af skeletmuskulaturen bioenergetik er et afgørende redskab til at vurdere konsekvenserne af målrettede indsatser, især hos patienter med svær øvelse intolerance eller manglende evne til at gennemgå konventionelle metabolic testning. Resonansspektroskopi tunet til phosphor ⁽³¹ PMRS), en endogen kerne findes i forskellige høj-energi substrater i celler i hele kroppen, er blevet anvendt til at kvantificere mitokondriel oxidativ kapacitet på baggrund af en række metoder, herunder in-magnet motion-recovery protokoller og muskelstimulation protokoller ^48. De øvelse-recovery-protokoller er afhængige af en række apparater varierer i kompleksitet fra MR-kompatible ergometre, der regulerer og måler arbejdsbyrde til simple konfigurationer af stropper og puder giver mulighed for burst-typen resistive og kvasi-statisk øvelse. Et af de primære mål for nogen af disse protokoller er at producere en energi ubalance, som efterspørgslen efter adenosin trifosfat (ATP) er i første omgang opfyldes gennem den enzymatiske nedbrydning af phosphocreatine (PCR) gennem kreatinkinase reaktion ^49. Ved ophør af motion, er hastigheden af ​​ATP produktion domineret af oxidativ phosphorylation og repræsenterer den maksimale in vivo kapacitet mitokondrier ^50. Desuden kan OXPHOS under post-øvelse opsving beskrives ved en første ordens rate reaktion ^51. Den post-øvelse inddrivelse af PCr kan derfor kvantificeres ved montering af en eksponentiel tidskonstant (τ _PCR), med mindre værdier af τ _PCr repræsenterer større kapacitet til oxidativ ATP-syntese. Der er gjort en betydelig indsats for at validere ³¹ PMRS mod ex vivo og mere direkte mål for OXPHOS og demonstrere de potentielle kliniske anvendelighed af denne teknik ^{52, 53, 54, 55.}

Især kan den i dette arbejde protokol gennemføres på klinisk-tilgængelige scannere, og det er blevet bredt valideret som en noninvasiv biomarkør of mitokondriefunktionen ^56. Men en øvelse ³¹ PMRS protokol er optimeret til anvendelse på personer med varierende sværhedsgrader af neuromuskulær svækkelse eller mobilitet er ikke blevet veletableret ^57. En veldefineret, bredt anvendelig øvelse protokol og ³¹ PMRS teknik ville være særlig nyttig i evalueringen af sygdomme med grundlæggende abnormiteter i mitokondriefunktionen.

Adskillige tidligere undersøgelser har udforsket anvendelser af ikke-invasive teknikker til at kvantificere mitokondriefunktion i individer. For eksempel har disse teknikker vist forringet OXPHOS hos forsøgspersoner med type 2-diabetes ^36. Lodi et al. først testet gennemførligheden af ​​PMRS teknikker hos forsøgspersoner med FA og fandt, at 1) det grundlæggende genetiske defekt i FA svækker skeletmuskel OXPHOS og 2) antallet af GAA triplet gentager er omvendt proportional med skeletmuskel OXPHOS ^33. For nylig Nachbauer et al. brugte PMRS som et sekundært effektmål i en FA lægemiddelforsøg med 7 emner. PCR nyttiggørelse gange var signifikant længere i forsøgspersoner sammenlignet med kontroller, bekræfter Lodi tidligere arbejde og indikerer, at virkningerne af afvigende frataxin udtryk i FA kan resultere i et fald i mitokondrie kapacitet, der kan påvises ved hjælp af PMRS teknikker ^58.

Pålidelige metoder kan specificere in vivo skeletmuskulatur funktion i en gennemførlig, omkostningseffektivt, og reproducerbar måde er afgørende for at forbedre underlagt resultater i en række sygdomme, der påvirker mitokondrisk funktion.

Dette arbejde skitserer en robust procedure for opnåelse in vivo maksimal oxidative kapacitet på skeletmuskel hjælp ³¹ PMRS. In-magnet øvelse protokol tolereres godt af individer spænder over en bred vifte af fysiske og functional evner og giver en forenklet emne opsætning ved hjælp af billig og bredt tilgængeligt udstyr.

Protocol

Denne protokol er godkendt af og følger retningslinjerne fra Ohio State University Board Institutional Review til mennesker forskning. Det er kritisk vigtigt, at alle procedurer, der involverer MR udstyr udføres af uddannet personale klæber til de højeste standarder for MR sikkerhed 59. 1. Materialer og forberedelse Sørg for, at alle nødvendige materialer er tilgængelige inden forsøget (figur 2). Sæt 31P…

Representative Results

reproducerbarhed Study Seks frivillige (4 mænd og 2 kvinder, betyder alder: 24,5 ± 6,2 år) uden selvrapporteret hjerte, metaboliske eller mitokondrie sygdom undergik sessioner af den beskrevne 31 PMRS motion og imaging teknik på 2 forskellige dage inden for 1 uge for at vurdere teknik reproducerbarhed (figur 6a). Undersøgelserne udført på normale frivillige bekræfte reproduc…

Discussion

Dette papir beskriver en standard protokol for ³¹ PMRS undersøgelse, der giver seriel og noninvasive in vivo måling af skeletmuskulaturen mitokondriefunktionen. Protokollen rummer betydelig appel, når de overvejer bredden af ​​undersøgelser rettet mod den voksende byrde af metabolisk syndrom og dens deraf følgende morbiditet og mortalitet. Denne ³¹ PMRS protokol kræver en minimal mængde scanner tid og kan inkorporeres i omfattende metaboliske undersøgelser hos forsøgspersoner …

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