JoVE Journal Medicine

Medicine

Fosfor-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: et redskab til måling Published: January 19, 2017 doi: 10.3791/54977

DOI

Automatic Translation

English (Original)
العربية (Arabic)
中文 (Chinese)
dansk (Danish)
Nederlands (Dutch)
français (French)
Deutsch (German)
עברית (Hebrew)
हिंदी (Hindi)
italiano (Italian)
日本語 (Japanese)
한국어 (Korean)
norsk (Norwegian)
português (Portugese)
русский (Russian)
español (Spanish)
svenska (Swedish)
Türkçe (Turkish)

Vidhya Kumar¹, Henry Chang¹, David A. Reiter², David P. Bradley³, Martha Belury⁴, Shana E. McCormack⁵, Subha V. Raman¹

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

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 (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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 spolen ind i i-tabel spolekonnektor i slutningen af undersøgelsesbordet nærmest boringen. Sæt en stor trekant skum pude i nærheden af hovedet af MR eksamen bordet, men ikke direkte på ^31P spole. Placer en hoved pude i den anden ende af MR undersøgelsesbord, fjernest fra boringen, for emne komfort.

2. Med forbehold Positionering (figur 3a)

Instruer patienten ligge liggende, fødderførst på MR bordet. Placer en skum pude under knæene for at støtte benet i en delvist bøjet stilling.
Placer motiv tæt ved højre side af tabellen (individets højre) for at centrere venstre lår så tæt på magneten isocentret som muligt, hvilket sikrer optimal B0 homogenitet i lårmusklen der undersøges. Giv emnet med ørepropper og / eller hovedtelefoner.
Placer ^31P RF tændspole på den venstre quadriceps på omtrent midtpunktet mellem patella og lårbenshovedet, og fastgør til benet ved hjælp af stropper. Placer spolen over lateral del af benet, over vastus lateralis.
Fastgør baby olie til den mediale del af låret med de samme stropper, der anvendes til at fastgøre spolen til benet. Dette letter scan lokalisering.
Binde fagets ben sammen med en strop placeret under spolen og over knæet. Fastgør motivets ben til MR bord med ekstra straps, et over knæet og en midtvejs mellem knæ og ankel.
Brug laserlys guide at afgrænse midten af spolen og flytte bordet til magneten isocentret hjælp af denne centrering milepæl.

3. Øvelse Protokol

Forklar til emnet, at udøvelsen protokollen består af tre faser: en indledende, baseline fase; en kort, intens motion fase; og et opsving fase.
Instruer patienten ligge stille og slappe af deres benmuskler i løbet af baseline og nyttiggørelse faser af købet spektroskopi for at minimere bevægelse artefakter.
Tilvejebringe en nedtælling til individet angiver starten på motion. På dette tidspunkt, har emnet initiere knæ extension / flexion så kraftigt og så hurtigt som muligt mod modstanden i stropperne.
BEMÆRK: quadriceps musklerne bruges til at flytte den venstre nedre ben op og ned, indtil instrueret om at stoppe.
Afslut motion efter et fald på 30%i PCR tophøjde.
1. Overhold PCr tophøjden i købet fremviseren vinduet, og også se det ved afslutningen af øvelsen sekvens.
  BEMÆRK: En generel retningslinie er at en omtrentlig 30% fald i PCr tophøjde svarer til en Pi top, der er 50% af højden af PCr top. Hvis PCr udtømning ikke sker hurtigt nok til at opnå et fald på 30% under træningen fase af eksamen, tilskynde emnet at sparke hårdere eller hurtigere under træning.
  BEMÆRK: Ophør af motion bestemmes ved overvågning af PCr tophøjde og varigheden af motion. Dette kan resultere i lidt forskellige varigheder af øvelse i forskellige patienter, og kan gøres rede for i analysen.

4. Scan-protokollen

Anskaf en tri-plane localizer at verificere korrekt emne positionering og identificere placeringen af ^31P spole.
BEMÆRK: localizer sekvensen begynder automatisk og centre på indiskated position ved hjælp af laserlys guide (trin 2.9)
Anskaf en anden tri-plane localizer.
1. Åbn skive syn på de første tri-plane localizer billeder.
  BEMÆRK: Denne proces kan være forskellige for forskellige software og hardware-systemer.
2. Center og drej skive orientering ved venstre-klikke og holde på skive gruppen. Drej skive gruppen. Sikre at den endelige orientering af skiver passer med positionen af babyolie.
3. I sekvensen rutine vindue, øge antallet af skiver til at dække hele benet i aksial og sagittale billeder (figur 3B).
^31P spektroskopi sekvens:
1. Brug følgende ikke-lokaliserede sekvens parametre puls-erhverve: TR: 1000 ms; TE: 0,34 ms; spektral bredde: 2000 Hz; flipvinkel: 90 grader; erhvervede datapunkter: 1.024; 4 gennemsnit resulterer i en tidsopløsning på 1 spektrum hver 6 sek.
^31P shim box placering:
1. Ved hjælp af en mus, skal du trække den anden Triplane Localizer billeder i tegnevinduet øverst på skærmen. Træk spektroskopi sekvens i protokollen vinduet og dobbeltklik for at åbne.
2. Brug position værktøjslinjen for at visualisere shim voxel (vælg den sorte rektangel med vandrette linjer). Når du har valgt denne indstilling, observere en grøn boks på lokaliseringsenheden billeder.
  BEMÆRK: Dette er den shim voxel.
3. Flyt voxel ved at venstreklikke og holde voxel i midten. Skift størrelse og rotere retningen af voxel ved at venstreklikke og holde voxel på hjørnet af boksen. Placer shim boksen for at sikre B0 felt homogenitet direkte under spolen og parallel med planet af quadriceps.
  BEMÆRK: Dette er for at sikre korrekt placering af afstandsstykker i det følsomme område under spolen, som er volumenet af væv direkte under midten af spolen.
4. Brug tri-plane Localizer billeder til at identificere Sensitive region af spolen og juster shim boksen til at omfatte denne region i quadriceps muskel.
  BEMÆRK: shim boksen kan være større end den sande dækning af overfladen spolen for at sikre B0 homogenitet i datafangst voxel (figur 3c).
5. ^31P test erhvervelse:
  1. Åbn erhvervelse seeren vinduet og vælg ikonet hovedet i købet værktøjslinjen. Dette vil muliggøre visning af erhvervelsen spektroskopi i realtid.
  2. Efter placering af 31P shim voxel, køre sekvensen at opnå en enkelt spektrum ved at klikke på "run" knappen øverst i protokollen vinduet.
  3. Undersøg kvaliteten af B0 afstandsstykker. Overhold den resulterende spektrum i vinduet købet. Observere en fremtrædende PCr top centreret ved 0 ppm, og ingen signifikant støj (figur 4a, til venstre).
    BEMÆRK: Fejlfinding: Hvis spektret forekommer støjende, sørge for, at shim boksen er placeret inden musklen. Adblot størrelse og placering af afstandsanordningen boksen for at forbedre signal-til-støj-forhold. Gentag erhvervelse test efter behov.
  4. For at se PCr tophøjde åbne spektret i spektroskopi værktøjet ( "Programmer" → "Spektroskopi"). Åbn patientens mappe (mappeikon træ), vælge den relevante scanning, og dobbeltklik for at indlæse spektret.
Pre-øvelse T1 billede:
1. Opnå en enkelt-slice aksial T1-vægtet billede i midten af en spole.
^31P erhvervelse pre-øvelse:
1. Kopier sekvens fra trin 4.4 (der producerede den bedste spektral kvalitet) ved at venstreklikke og trække sekvensen i protokollen vinduet. Brug denne sekvens for alle efterfølgende målinger.
2. I sekvensen rutine vindue, øge antallet af målinger fra 1 til 10. Vælg løb til at erhverve 10 målinger, mens motivet er i hvile.
^{31 <}/ Sup> P erhvervelse øvelse:
BEMÆRK: Sørg omhyggeligt noteret start og slut motion gange, da dette vil være vigtigt for analyse.
1. Rest: Påfør shim indstillinger fra den tidligere scanning og angive den rækkefølge til at erhverve 20 målinger. Instruer motivet til at begynde at sparke efter en nedtælling. Instruer motivet til at forblive i hvile i 2 målinger.
2. Øvelse: Bed underlagt udføre knæet udvidelse øvelse for ~ 30 sek (eller den tid, der kræves for at opnå et fald i PCr spidsamplitude 30%). Efter emnet opnår tilstrækkelig PCr udtømning, bede dem om at hvile.
³¹ P post-øvelse opkøb:
1. Erhverve yderligere 20 målinger i hvile. Sørg for, at opkøbene post-øvelse påbegyndes umiddelbart efter øvelsen sekvens uden pause eller mellemlæg (figur 4a, højre).
  BEMÆRK: Opdelingen af dette opsving periode i to separate opkøb tillader analyse af initial 20 dynamisk spektre under købet af den anden 20 dynamisk spektre, så føreren for at undgå overtagelse af den fulde tilbagebetalingsperioden, hvis øvelsen skal gentages.
Sikring motion kvalitet:
1. Sammenlign PCR tophøjder ved begyndelsen og slutningen af motion. Høj kvalitet træningspas resultere i en ~ 30% fald i PCr koncentration.
2. Kontroller, at PCr tophøjden er den samme ved begyndelsen af hvile og ved afslutningen af recovery (typisk <10% forskel ønskes). Dette sikrer, at der var ubetydelig tab af felt homogenitet under erhvervelse.
  BEMÆRK: Hvis PCr opdeling er utilstrækkelig, eller hvis der har været et tab af felt homogenitet, så gentag øvelsen / nyttiggørelse del af eksamen (pas for at undgå træthed), sikre, at spolen og stropper er forsvarligt fastgjort, og udvide varigheden af motion og / eller fremme mere aktiv motion (figur 4b).
  IKKEE: En sammenligning af de billeder, der er opnået i trin 6 og 11 tilladelser en ekstra kvalitetskontrol trin til at visualisere nogen forskydning af låret og spolen på grund af motion, hvilket sikrer, at minimal bevægelse opstod under protokollen, som kan påvirke den erhvervede data betydeligt .
Efter post-øvelse T1 imaging, gentages præ-øvelse aksial T1 imaging (trin 4.5) med de samme erhvervelse parametre.
1. Udover tilstrækkelig nedbrydning af PCR, måle enden motion pH til sikre, at udøvelsen ikke inducerede acidose af musklen.
2. Udfør denne ved at måle kemisk skift mellem Pi og PCR (AP _i) og anvendelse af den følgende ligning ^60:
  pH = 6,77 + log [(AP _i -3,29) / (5,68-AP _i)]
  BEMÆRK: pH skal forblive større end 6,8 ^61. Hvis PCR opdeling er tilstrækkelig, men pH-værdien er for lav, gentag øvelsen Bout for en kortER varighed og / eller med en nedsat styrke.
Lagring af data:
1. Gem alle erhvervede spektre som DICOM-filer og eksportere dem til forarbejdning ved hjælp JMRUI.
2. Hvis du bruger en scanner, vælge alle opkøb spektroskopi i "Navigator" vinduet.
3. Under "Programmer", vælg "DICOM Tools" → "Export MR spektroskopi," og gemme DICOM (* .dcm) filer til C: / Bruger / MedCom / temp / CDROFFLINE
  (Værktøjet automatisk vælger denne placering).
4. Under "Transfer" skal du vælge "Eksporter til offline." Gem til den ønskede placering.

5. Databehandling og analyse ⁶²

Analyser MR spektre med frit-tilgængelige JMRUI software (version 5.2; http://www.jmrui.eu/).
Apodize og faseforskydning spektrene for at sikre ensartethed i alle erhvervede tidspunkter (figur 5). PCr peak vil blive centreret ent 0 ppm i spektrene.
Brug den indbyggede Amares algoritme til at kvantificere amplituden af PCR top i hver erhvervet spektrum. Topamplituden repræsenterer koncentrationen af PCR inden det følsomme område af overfladen spolen på det pågældende tidspunkt.
I den beregningsmæssige software, plotte PCR-koncentrationer som funktion af erhvervelsen tid. Brug af den indbyggede beregningsmæssige software kurve-fit værktøj, passer PCR tilbagebetalingsperioden data til den følgende ligning ^{^52,} ^63:
Optag værdierne af baseline PCR ( ), Den laveste PCR ( ), Og restitutionstid ( .
Sørg for, at de rette betingelser er opfyldt under Exerpræcise session ved at beregne PCr udtømning, den procentvise forskel mellem basislinien PCR og den laveste PCR. Ideelle træningspas resulterer i en 20 - 50% depletering.
BEMÆRK: Kvaliteten af kurvetilpasning kan sikres ved at kontrollere, at R ² værdi er større end 0,75. R ² værdier beregnes automatisk ved montering software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 reproducerbarheden af ³¹ PMRS undersøgelse i kvantificering af mitokondriefunktionen. En Bland-Altman analyse af PCR restitutionstid viser en gennemsnitlig forskel standardafvigelse på 1,03 4,83 sek og en mellem-forsøg variationskoefficient på 4,66 (figur 6b). Ingen ændringer i erhvervelse eller analyse protokol beskrevet i afsnittet metoder blev forpligtet til at indhente data af god kvalitet, som beskrevet i trin 4 i protokollen. Disse resÜLTS demonstrerer reproducerbarheden af indsamling og analyse teknikker beskrevet i dette arbejde.

Teknik Evaluering i ikke-ambulante Deltagere med Friedrichs ataksi

Fire deltagere (2 mænd og 2 kvinder, betyder alder: 35) gennemgik en enkelt session af ³¹ PMRS motion og billedbehandling teknikken beskrevet i dette arbejde at vurdere dets gennemførlighed i en ikke-ambulant befolkning med FA. Disse emner var i stand til at udføre de i-magnet øvelser for at opnå tilstrækkelig nedbrydning af PCR til at passe de inddrivelsesprocedurer parametre, der vises i trin 5.6. længere motion gange, men (60-90 sek) var forpligtet til i tilstrækkelig grad nedbryder PCR niveauer. Derudover svingninger omkring pasform, der blev forårsaget af det progressive tab af muskelkontrol, som er karakteristisk for denne sygdom, blev konstateret (figur 7). For disse subjects anvendte vi to yderligere resistive remme mellem knæ og ankler, hvilket giver i alt tre remme, for at begrænse uønsket bevægelse. Disse resultater demonstrerer muligheden for indsamling og analyse teknik til at opnå PCR inddrivelse gange i ikke-ambulante patienter. Men de ændringer, der er nødvendige for at opnå data af god kvalitet indikerer, at det er nødvendigt yderligere evaluerings- og standardisering undersøgelser.

Forundersøgelse

Ni frivillige uden selvrapporteret hjertekarsygdomme og 15 emner, der er nævnt et program for hjerterehabilitering og sekundær forebyggelse (CRSP) blev inkluderet i en lokal institutionel gennemgang bord (IRB) -godkendt undersøgelse. Vi opnåede nogle kliniske værdier som indikatorer for kardiovaskulær sundhed og sværhedsgraden af metabolisk syndrom. Den venstre ventrikel uddrivningsfraktion blev bevaret i CRSP forsøgspersoner (56 10%). Det maremt kardiovaskulær anstrengelse evne, målt før start CRSP, var ens for personer med og uden diabetes (3,05 0,6 versus 3,4 0,8 metaboliske ækvivalenter MET, p = 0,4). Før start CRSP, hver tilmeldt emne undergik den ^31. PMRS motion og billedbehandling teknik, der er beskrevet i dette arbejde, og intramuskulært fedt kvantificering billedbehandling, tidligere ⁶⁴ beskrevet. Tidskonstanten for PCr opsving var længere (41,9 1,4 versus 32,1 7,4 sek, p = 0,05), og den intramuskulære fedtprocent var højere i CRSP forsøgspersoner versus kontroller (8,7 2,9 versus 2,54 0,6%, p <0,001). Procentdelen af intramuskulært fedt var ens i CRSP individer med og uden diabetes (p = 0,4), og tidskonstanten for PCr recovery tendens til at være længere hos personer med diabetes versus hos dem uden diabetes og i kontroller (p = 0,03 for tendenserne tværs grupper). Foreløbige opfølgende data tyder på en betydeligt dårligere forbedringMETs post-CRSP hos personer med diabetes sammenlignet med dem uden (delta = 1,0 0,8 versus 4,0 2,4, p = 0,06, figur 8). Disse resultater viser muligheden af denne teknik til at kvantificere forskelle i skeletmuskel OXPHOS mellem individer med og uden kendt metabolisk sygdom.

figur 1
Figur 1. Mitokondrier, skeletmuskulatur, og kardiopulmonært Systems.
En repræsentation af forbindelsen mellem mitokondrier, skeletmuskel, minutvolumen, ventilation, og funktionsevne er vist. Gengivet fra Milani et al ^65.

Figur 2
Figur 2. Materialer.
De krævede materialer indbefatter 1) en trekant pude, 31 P-tunet sende-modtage overflade spole, 3) tabel til bord forbinder resistive stropper, 4) en selv-tilslutning resistiv rem, og 5) en lille flaske baby olie. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Positionering.
A) Emner er afbildet i en liggende, fødder-første position. Den ^31P spole er placeret på de venstre quadriceps. Resistive stropper er placeret over og under knæet og fastgjort til bordet. En enkelt strop anvendes til at binde begge ben sammen over knæet. B) Den skive positionering er vist for den anden localizer. Bemærk, at skiverne er centreret på location af baby olie flaske, og skiver dækker hele lårmusklen. C) Den shim boksen placering for ³¹ PMRS vises. Dette volumen er placeret direkte under spolen i quadriceps og dækker en dybde, der sikrer tilstrækkelig signal og passende afstandsstykker i området med overfladespolen.

Figur 4
Figur 4. datafangst.
A) En repræsentativ ^31P erhvervelse i hvile er vist. PCr er den store enkelt top, og der er minimal støj (venstre). En typisk erhvervelse under træningen del af protokollen, resulterer i to store toppe, Pi og PCR (til højre). Som øvelse skrider frem, vil Pi og PCR toppe øge og formindske hhv. B) Sammenligning af PCR tophøjde i hvile og post-øvelse vil vise mindst en ~ 30% fald. Denne c alculation bør ske på scannerens konsollen for at sikre en vellykket afslutning af øvelsen undersøgelsen.

Figur 5
Figur 5. Analyse.
Fasekorrektionen og apodisering af en repræsentativ spektrum er vist. A) En rå spektrum viser en un-faset top og tilstedeværelsen af støj, der tilslører toppene. B) Et spektrum viser 0 ^th - og 1 ^m ordens fase korrektion. PCr top beliggende ved centerfrekvensen let kan identificeres, men andre metabolit toppe er stadig skjult. C) Spektret efter apodisering med en Lorentz linje form, hvilket resulterer i en reduktion i støj og bedre visualisering af de 3 ATP toppe og PDE og Pi peak. Dette spektrum er klar til peak kvantificering med Amares værktøjet. filer / ftp_upload / 54.977 / 54977fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. ³¹ PMRS hos raske forsøgspersoner.
A) Denne figur viser inddrivelse af PCR-koncentration (phosphocreatine) efter sin udtømning med hurtig kvasistatiske knæ extension øvelse. Den linje repræsenterer tilpasningen af den eksponentielle opsving funktionen beskrevet i trin 5.6, med inddrivelse tidskonstant τ vist; denne tidskonstant er en veletableret biomarkør for mitokondrie oxidativ funktion. B) Den Bland-Altman-analyse af ³¹ PMRS teknik reproducerbarhed viser en gennemsnitlig forskel standardafvigelse på 1,03 4.83 sek for PCR restitutionstid mellem forsøg; variationskoefficienten er 4.66.http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54977/54977fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. ³¹ PMRS i ikke-ambulante fag.
Et repræsentativt PCr opsving kurve fra ³¹ PMRS undersøgelse af en ikke-ambulant emne vises. Bemærk, at en PCr udtømning af 64% blev opnået med denne øvelse protokol. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8. ³¹ PMRS i CRSP Emner.
En sammenligning af PCR RECOVceres viser sekventielt dårligere mitokondrie oxidativ kapacitet i kontrol, ikke-diabetiker, og diabetikere. Fejlsøjlerne repræsenterer standardafvigelsen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 på ethvert center med kommercielt tilgængelige MRS faciliteter.

Kritiske trin i protokollen

Contraindications- Før MR-undersøgelser, er det afgørende at screene emner for potentielle kontraindikationer. Ud over typiske MR eksklusionskriterier, bør følgende overvejes, før gennemførelsen af denne protokol: 1) ipsilaterale knæ eller hofte-implantater (uanset of MR kompatibilitet) for at undgå artefakter, 2) betingelser, der begrænser blodgennemstrømning eller ilt levering til de nedre lemmer (f.eks perifer arterie sygdom), 3) en manglende evne til at udføre resistive quadriceps udvidelse motion, og 4) en manglende evne til at ligge liggende for ca. 30 min.

Motion artefakt reduktionsventiler Bevægelsen af ^31P spole i forhold til fagets quadriceps og motivets bevægelse lår i forhold til tabellen bør minimeres. Sørg for, at spolen er sikkert fastgjort til emnet ben og at de resistive stropper er forsvarligt fastgjort til eksamen bordet. Test dette ved at sikre, at emnet hæl stiger ikke mere end 5 i. Off undersøgelsesbordet under sparker og at der ikke er nogen rotation af spolen under øvelsen.

Erhvervelse

Motion Kvalitets- Faget bør udøve enchieve mindst 30% depletering i PCR. Til denne protokol, har vi fastslået, at 30 s motion til ambulante fag og 60 s for ikke-ambulante fag opnår dette mål. Vi har observeret, at ikke-ambulante patienter udøver mindre kraft pr spark og derfor kræver et længere interval for tilstrækkelig udtynding.

Analyse De her beskrevne metoder giver en ramme for at minimere subjektivitet og maksimere automatisering. Udvælgelse af brugerens input parametre til analyse af spektrene bør foretages omhyggeligt for at sikre reproducerbarhed.

Ændringer og fejlfinding

Kvaliteten af Spectrum- Hvis spektret forekommer støjende, sørge for, at shim boksen er placeret inden musklen. Justere størrelse og position af shim boksen for at forbedre signal-til-støj-forhold. Gentag erhvervelse test efter behov.

quaheden af Motions- Hvis de indledende øvelse resulterer i utilstrækkelig PCr udtømning, er der flere ændringer, der kan bruges til at foretage fejlfinding: 1) stropperne kan strammes, for at øge modstanden; 2) emnet kan instrueres i at sparke hurtigere, hvilket øger anstrengelse; eller 3) varigheden af vedvarende motion kan forøges. Bemærk dog, at over-motion kan resultere i ændret pH og kan føre til acidose, hvilket kan hæmme OXPHOS inddrivelse kinetik ^61. Dette kan undgås ved at begrænse udøvelsen tid til maksimalt 3 min.

Begrænsninger af teknikken

En muskel biopsi analyse muliggør måling af specifikke mitokondriske egenskaber, såsom mitokondrie indhold og størrelse, samt den mitokondriske maksimale ATP-syntese sats. Det er imidlertid vigtigt at bemærke, at in vivo måling med ³¹ PMRS betegner et aggregat af disse direct foranstaltninger, foruden ekstra-mitochondrial faktorer, såsom det mikrovaskulære forsyning af iltet blod til musklen. Således i situationer, hvor status mikrovaskulaturen er pågældende som følge af reduceret iltforsyning eller andre faktorer, ville det ikke give en entydig indikator for mitokondrie status. Tværtimod ville det tyde på in vivo status af den maksimale oxidativ ATP syntese af muskel, hvilket kan afspejle en kombination af OXPHOS og mikrovaskulære spørgsmål.

En begrænsning af øvelsen ³¹ PMRS protokol beskrevet i dette arbejde er den manglende standardisering af arbejdet output. Denne mangel på standardisering forenkler apparatet kræves, og dermed gennemførelsen af denne protokol. Men det kommer på bekostning af ikke tillader den kvantitative evaluering af andre parametre, såsom styrke og udmattelse, og deres forhold til metaboliske foranstaltninger,. Som følge heraf kunne varierende niveauer af anstrengelse påvirke PCrrestitutionstid ud over alvoren af den underliggende mitokondrie defekt. Man kan minimere disse virkninger ved at sikre tilstrækkelig PCr udtømning og kan yderligere standardisere arbejdet output ved hjælp af MR-kompatible ergometre med justerbar modstand og målbare arbejde udgange.

Betydningen af Teknik Med hensyn til eksisterende eller alternative metoder

Evnen til direkte kvantificere mitokondrisk funktion i skeletmuskulaturen er den største fordel ved den ^31. PMRS teknik, når sammenlignet med standard metabolisk motion test. Invasiv muskel biopsi giver målinger i enkelte fibre ^66, dog med medfølgende risici, der gør det mindre tiltrækkende for undersøgelser, der kræver seriel vurdering. Tilgange baseret på nær-infrarød spektroskopi ⁶⁷ kan være begrænset af indtrængningsdybde, især hos overvægtige patienter, hvor så lidt som 5 mm fedt dæmper NIRS signal med 20% ^68. Endvidere har teknikken ikke egner sig til det flerdimensionale vurdering af muskel og andre systemer, der ligger i MR-baserede teknikker. Derudover, i modsætning til invasive biopsi metoder til kvantificering muskel energetik, tillader det ikke-invasiv og ikke-destruktiv måling af gentagen foranstaltninger af den metaboliske status i intakt muskel, hvilket gør det fordelagtigt til vurdering af henholdsvise befolkninger og terapeutiske indgreb.

Fremtidige applikationer

Potentielle anvendelser efter mastering dette ³¹ PMRS teknik omfatter en evaluering af sygdomme med specifikke mitokondrie fejl eller enhver af en bred vifte af stofskiftesygdomme. Hos patienter med dårlig minutvolumen, kan nuværende teknikker identificere nedsat funktionsevne, men kan ikke oprette det niveau, hvor den dysfunktion opstår (f.eks skeletmuskulaturen, hjerte eller lunger). Det ville især væreinteressant at udvikle integrerede protokoller, der kombinerer ³¹ PMRS med metaboliske foranstaltninger og kardiopulmonal analyser til at identificere de grundlæggende årsager til fagspecifikke reduceret kapacitet for at lette personlige behandlinger.

Vi har detaljerede eksempler på vigtige målrettede behandlinger og indgreb, der vil drage fordel af brugen af in vivo markører for mitokondriefunktionen. Et standardiseret ³¹ PMRS motion protokol, som den beskrevet ovenfor, er et vigtigt skridt for mere udbredt anvendelse af dette vigtige in vivo markør for skeletmuskler mitokondrie kapacitet i begge grundlæggende og interventionsstudier.

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

Eckel, R. H., Alberti, K. G., Grundy, S. M., Zimmet, P. Z. The metabolic syndrome. Lancet. 375 (9710), 181-183 (2010).
Shulman, G. I. Ectopic fat in insulin resistance, dyslipidemia, and cardiometabolic disease. N Engl J Med. 371 (12), 1131-1141 (2014).
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).
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).
Petersen, K. F., et al. Mitochondrial dysfunction in the elderly: possible role in insulin resistance. Science. 300 (5622), 1140-1142 (2003).
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).
Liu, R., et al. Impaired mitochondrial dynamics and bioenergetics in diabetic skeletal muscle. PLoS One. 9 (3), 92810 (2014).
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).
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).
Fernyhough, P. Mitochondrial dysfunction in diabetic neuropathy: a series of unfortunate metabolic events. Curr Diab Rep. 15 (11), 89 (2015).
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).
Blake, R., Trounce, I. A. Mitochondrial dysfunction and complications associated with diabetes. Biochim Biophys Acta. 1840 (4), 1404-1412 (2014).
Rains, J. L., Jain, S. K. Oxidative stress, insulin signaling, and diabetes. Free Radic Biol Med. 50 (5), 567-575 (2011).
Serviddio, G., et al. Mitochondrial involvement in non-alcoholic steatohepatitis. Mol Aspects Med. 29 (1-2), 22-35 (2008).
Perez-Carreras, M., et al. Defective hepatic mitochondrial respiratory chain in patients with nonalcoholic steatohepatitis. Hepatology. 38 (4), 999-1007 (2003).
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).
Patti, M. E., Corvera, S. The role of mitochondria in the pathogenesis of type 2 diabetes. Endocr Rev. 31 (3), 364-395 (2010).
Muoio, D. M., Newgard, C. B. Obesity-related derangements in metabolic regulation. Annu Rev Biochem. 75, 367-401 (2006).
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).
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).
Coen, P. M., Goodpaster, B. H. Role of intramyocelluar lipids in human health. Trends Endocrinol Metab. 23 (8), 391-398 (2012).
Montgomery, M. K., Turner, N. Mitochondrial dysfunction and insulin resistance: an update. Endocr Connect. 4 (1), 1-15 (2015).
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).
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).
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).
Ristow, M., et al. Frataxin activates mitochondrial energy conversion and oxidative phosphorylation. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (22), 12239-12243 (2000).
Ardehali, H., et al. Targeting myocardial substrate metabolism in heart failure: potential for new therapies. Eur J Heart Fail. 14 (2), 120-129 (2012).
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).
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).
Babcock, M., et al. Regulation of mitochondrial iron accumulation by Yfh1p, a putative homolog of frataxin. Science. 276 (5319), 1709-1712 (1997).
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).
Wardman, P., Candeias, L. P. Fenton chemistry: an introduction. Radiat Res. 145 (5), 523-531 (1996).
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).
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).
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).
Scheuermann-Freestone, M., et al. Abnormal cardiac and skeletal muscle energy metabolism in patients with type 2 diabetes. Circulation. 107 (24), 3040-3046 (2003).
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).
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).
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).
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).
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).
Ropper, A. H., Samuels, M. A. Adams and Victor's Principles of Neurology. 9 edn. , The McGraw-Hill Companies,Inc. (2009).
Abeti, R., et al. Targeting lipid peroxidation and mitochondrial imbalance in Friedreich's ataxia. Pharmacol Res. 99, 344-350 (2015).
Li, Y., et al. Excision of Expanded GAA Repeats Alleviates the Molecular Phenotype of Friedreich's Ataxia. Mol Ther. 23 (6), 1055-1065 (2015).
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).
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).
O'Connor, G. T., et al. An overview of randomized trials of rehabilitation with exercise after myocardial infarction. Circulation. 80 (2), 234-244 (1989).
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).
Wallimann, T. Bioenergetics. Dissecting the role of creatine kinase. Curr Biol. 4 (1), 42-46 (1994).
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).
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).
Meyer, R. A. A linear model of muscle respiration explains monoexponential phosphocreatine changes. Am J Physiol. 254 (4), Pt 1 548-553 (1988).
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).
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).
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).
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).
Lynch, D. R., et al. Near infrared muscle spectroscopy in patients with Friedreich's ataxia. Muscle Nerve. 25 (5), 664-673 (2002).
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).
Kanal, E., et al. ACR guidance document on MR safe practices: 2013. J Magn Reson Imaging. 37 (3), 501-530 (2013).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).

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