Phosphor-31 Magnet-Resonanz-Spektroskopie: Ein Werkzeug zur Messung<em> In Vivo</em> Mitochondrial Oxidative Phosphorylierung Kapazität im menschlichen Skelettmuskel

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

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 </sup>, Typ – 2 – Diabetes mellitus (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 de – 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 de – 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.

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 st…

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 gesunde…

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…

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