الفوسفور 31 الرنين المغناطيسي الطيفي: أداة لقياس<em> في فيفو</em> القدرة الميتوكوندريا الفسفرة التأكسدية في العضلات الهيكلية البشرية

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

والهدف من هذا العمل هو الخطوط العريضة لطريقة استنساخه لقياس noninvasively في الجسم الحي العضلات والهيكل العظمي وظيفة الميتوكوندريا في الأفراد تمتلك مجموعة واسعة من القدرات. ضعف الميتوكوندريا الشاذة هو السمة المميزة لمجموعة واسعة من متلازمات الأيض والأمراض الوراثية، من الأمراض الشائعة مثل الشيخوخة ومرض السكري واضطرابات نادرة مثل رنح فريدريك.

متلازمة التمثيل الغذائي والميتوكوندريا الجنسي لدى الرجال

وقد تبين أن متلازمة التمثيل الغذائي لتعطيل وظيفة الميتوكوندريا، خفض الهيكل العظمي OXPHOS العضلات، ويؤدي إلى تخزين الدهون خارج الرحم في العضلات والهيكل العظمي ^{1 و 2.} العضيات كما حرجة تنظيم التمثيل الغذائي والتوازن الطاقة، وتورط الميتوكوندريا في الفيزيولوجيا المرضية للسمنة ^{3، 4، 5} مقاومة الأنسولين </sup>، داء السكري نوع 2 (T2DM) ^{6، 7،} المتعلقة بالسكري الدقيقة ^{8 و 9 و 10 و 11} و مضاعفات الأوعية الكبيرة ^{12، 13،} وغير الكحولية مرض الكبد الدهني (NAFLD) ^{14، 15، 16،} من بين أمور أخرى .Insulin يتميز مقاومة التغيرات العميقة في الهيكل العظمي نشاط العضلات الميتوكوندريا، بما في ذلك انخفاض الميتوكوندريا حمض الكربوكسيليك (TCA) معدل التدفق، ومعدل التوليف اعبي التنس المحترفين، وسينسيز سترات وNADH: O ₂ النشاط مؤكسدة مختزلة ^5. إحدى الفرضيات هي أن هذه التعديلات يمكن أن يعزى إلى تراكم الأحماض الدهنية الحرة (FFA) الأيض في العضلات، والتي يتم زيادتها بشكل ملحوظ خلال السمنة وغيرها من السمنة-صالأمراض معجبا ^{2، 17.} تعرض العضلات لFFAs مرتفعة وسيطة الدهون يمكن أن تقلل من التعبير عن الجينات في التأكسدي مسار الدهون وكذلك دورة TCA وسلسلة الإلكترون النقل (ETC) ^18. ويرافق هذا الانخفاض في الميتوكوندريا قدرة العضلات والهيكل العظمي OXPHOS في وضع الزائد الدهون نتيجة لانخفاض في الكمي (المحتوى ونشوء حيوي الميتوكوندريا) ¹⁹ وظيفة النوعية من العضلات والهيكل العظمي الميتوكوندريا ^20. تعريض العضلات والهيكل العظمي وmyocytes لFFAs يؤدي إلى مقاومة شديدة الأنسولين، ويرتبط زيادة امتصاص الغذاء مقابل الأصول في العضلات مع مقاومة الانسولين في كل من البشر والقوارض ^21. وقد أظهرت سيراميد سيطة الدهون ومادة ال diacylglycerol (داج) لتحول دون مباشرة مسار الانسولين الإشارات عن طريق تغيير النشاط من تحركات، مثل البروتين كيناز ج والبروتوكول الاضافيعين كيناز ب ^21. لذلك، يبدو أن الجزيئات المستمدة من الدهون للعب دور بارز في تطوير الهيكل العظمي مقاومة العضلات الأنسولين وT2DM. ومع ذلك، فإنه لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت التغيرات في قدرة الميتوكوندريا هي سبب أو نتيجة لمقاومة الأنسولين ^(22).

فريدريش في رنح والميتوكوندريا الجنسي لدى الرجال

OXPHOS انخفضت يمكن أيضا أن ينشأ من عيوب وراثية. ترنح فريدريك ل(FA)، والشكل الأكثر شيوعا من رنح وراثي، هو اضطراب وراثي يسببه طفرة في frataxin (FXN) الجينات، مما أدى إلى تراكم الحديد داخل الميتوكوندريا، وإنتاج أنواع الاكسجين التفاعلية، والشذوذ من الفسفرة التأكسدية ^{23، 24، 25، 26.} وقد أدى هذا الاكتشاف مهم لتطوير العلاجات المستهدفة، حركتيح يهدف إلى تحسين وظيفة الميتوكوندريا في المستوى دون الخلوي. وعلى الرغم من هذا الفهم، فقد كان هناك تطور محدودة في الجسم الحي، المؤشرات الحيوية استنساخه للبحوث السريرية الاتحاد الانجليزي. في الواقع، يشكل عائقا حاسما في تقييم فعالية من العلاجات المستهدفة في كرة القدم هو عدم القدرة على تتبع التغيرات في وظيفة الميتوكوندريا. تدابير الوظيفية الحالية، على سبيل المثال، يمكن تحديد انخفاض النتاج القلبي. ومع ذلك، أنهم غير قادرين على تحديد المستوى الذي يحدث اختلال وظيفي (الشكل 1). تطوير علامة موثوقة وظيفة الميتوكوندريا التي يمكن استخدامها لتحديد وتقييم تطور المرض في ترنح فريدريك هي حيوية لقياس تأثير الآلية ذات الصلة من العلاجات المستهدفة.

OXPHOS ضعف وضعف القلب

وظيفة الميتوكوندريا الشاذة، سواء المكتسبة أو الوراثية، يمكن أن تسهم في تنمية أو تطور كارداتميلان الخلل. في ظل ظروف الزائد الضغط وقصور القلب، ومفاتيح الركيزة تفضيل الطاقة الأولية من الاتحاد الاسترالي لالجلوكوز. ويرتبط هذا مع انخفاض النشاط ETC والفسفرة التأكسدية ^27. الفيزيولوجيا المرضية من الطاقة الحيوية الميتوكوندريا في ضعف القلب يمكن أن تكون مختلفة اعتمادا على مصدر رئيسي للخلل الميتوكوندريا. السكري ومتلازمة التمثيل الغذائي النتائج في شذوذ الميتوكوندريا في عضلة القلب، مثل نشوء حيوي واختلال في واستقلاب الأحماض الدهنية، مما يؤدي إلى انخفاض مرونة الركيزة، وكفاءة الطاقة، وفي نهاية المطاف، اختلال وظيفي الانبساطي ^{28 و 29.} في كرة القدم، من ناحية أخرى، فإن النتائج نقص frataxin في تراكم الحديد في الميتوكوندريا كبير في العضلية ^{30 و 31.} تراكم الحديد يؤدي إلى إنتاج الجذور الحرة من خلال رد فعل فنتون ^{32 <}/ سوب> ويزيد من فرصة حدوث ضرر cardiomyocyte الجذور الحرة التي يسببها. ويرتبط تراكم الحديد داخل الميتوكوندريا أيضا مع زيادة الحساسية للالاكسدة وانخفاض القدرة التأكسدي ^{30 و 31.} تراكم الحديد واللاحقة وظيفة الميتوكوندريا الشاذة، وذلك بسبب نقص frataxin، ولذا قد يكون مسؤولا عن إنتاج الطاقة في القلب وضعف عضلة القلب والتي لوحظت في الاتحاد الانجليزي ^{33 و 34.} ومن المثير للاهتمام أيضا أن نلاحظ أن انخفاض قدرة التأكسدي في الميتوكوندريا العضلات والهيكل العظمي يوازي التعصب ممارسة الرياضة وخفض قدرة التمثيل الغذائي في فشل القلب (HF) ^35. قياس قدرة العضلات والهيكل العظمي OXPHOS، كما هو مفصل في هذه الوثيقة، هو للتنفيذ بسهولة وقوية. إلى جانب أهمية OXPHOS الهيكل العظمي والعضلات في HF، هذه الميزات تجعل من العلامات البيولوجية جذابة في دراسات شاملة من يسمعمرض ر ^36.

OXPHOS ضعف وضعف القلب المصاحب ليست الجانب غير منطقي من التمثيل الغذائي وأمراض الميتوكوندريا. المواضيع مع مرض السكري وأمراض التمثيل الغذائي أكثر عرضة لخطر أعلى للإصابة بمرض القلب والأوعية الدموية ويكون معدل الوفيات بعد احتشاء عضلة القلب (MI) ^{37، 38، 39، 40، 41؛} أكثر من نصف المواد الاتحاد الانجليزي لديهم اعتلال عضلة القلب، ويموت كثير من عدم انتظام ضربات القلب أو فشل القلب ^42. لذلك، وتحديد حجم خفض OXPHOS لا يمكن أن تسمح فقط للكشف المبكر وعلاج ضعف القلب، ولكن يمكن أيضا أن تخفيف عبء السريري كبيرا في هذه الأمراض.

العلاجات المستهدفة لزيادة القدرة مباشرة OXPHOS هي منطقة واعدة لتحسين معاملة من الموضوعات، عرجذر سبب الخلل الأيضي الوراثي أو مكتسبة. حاليا، وتطوير رواية استهدفت الأدوية التي إما تخفيف اختلال وظيفة الميتوكوندريا ⁴³ أو تصحيح الخلل الجيني الرئيسي ⁴⁴ يمكن تحسين خاصية الطاقة الحيوية مختل من الاتحاد الانجليزي. في حالة ضعف الميتوكوندريا المكتسبة، ويمكن زيادة النشاط البدني يحسن الميتوكوندريا وظيفة ^{45، 46، 47.}

³¹ الفوسفور التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي والعلامات البيولوجية غير الغازية وظيفة الميتوكوندريا

بغض النظر عن العلاج اختبارها، متكامل في تقييم المجراة من الطاقة الحيوية العضلات والهيكل العظمي هو أداة حاسمة لتقييم أثر التدخلات المستهدفة، وخاصة في المواضيع مع التعصب ممارسة شديد أو عدم القدرة على الخضوع METABO التقليديةيسانس الاختبار. التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي ضبطها لالفوسفور ⁽³¹ PMRS)، نواة الذاتية الموجودة في مختلف ركائز عالية الطاقة داخل الخلايا في جميع أنحاء الجسم، وقد استخدم لتحديد قدرة الأكسدة الميتوكوندريا باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب، بما فيها من المغناطيس بروتوكولات ممارسة استرداد و تنشيط العضلات بروتوكولات ^48. البروتوكولات ممارسة استرداد تعتمد على مجموعة متنوعة من الأجهزة التي تتراوح في التعقيد من ergometers التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة التي تنظم وقياس عبء العمل إلى تكوينات بسيطة من الأشرطة ومنصات السماح للانفجار من نوع مقاوم وممارسة شبه ثابتة. واحد من الأهداف الرئيسية في أي من هذه البروتوكولات هو لإنتاج الطاقة الخلل الذي تم تلبية الطلب على أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في البداية من خلال انهيار الأنزيمية من فسفوكرياتين (PCR) عن طريق الكرياتين كيناز رد فعل ^49. على وقف ممارسة الرياضة، ويهيمن على معدل إنتاج ATP عن طريق هواتف التأكسديsphorylation ويمثل الحد الأقصى في قدرة الجسم الحي من الميتوكوندريا ^50. وعلاوة على ذلك، OXPHOS خلال الانتعاش بعد ممارسة يمكن وصفها من قبل من الدرجة الأولى معدل التفاعل ^51. وبالتالي، يمكن الانتعاش بعد ممارسة من PCR يكون كميا عن طريق تركيب لثابت الوقت الأسي (τ _PCR)، مع القيم أصغر من τ _PCR تمثل قدرات أكبر لتخليق الأكسدة اعبي التنس المحترفين. وقد بذلت جهود كبيرة للتحقق من صحة ³¹ PMRS ضد المجراة سابقا والمزيد من التدابير المباشرة من OXPHOS وإظهار مدى انطباق السريرية المحتملة لهذه التقنية ^{52، 53، 54، 55.}

والجدير بالذكر أن بروتوكول الموصوفة في هذا العمل يمكن تنفيذها على الماسحات الضوئية سريريا المتاحة، وأنه تم التحقق من صحتها على نطاق واسع والعلامات البيولوجية س موسعو وظيفة الميتوكوندريا ^56. ومع ذلك، بروتوكول PMRS ممارسة ³¹ الأمثل لتطبيقها على الأفراد مع بالقسوة متفاوتة من ضعف الاعصاب أو التنقل لم راسخة ^57. ومن شأن واضحة المعالم، على نطاق واسع، ينطبق بروتوكول ممارسة الرياضة ^و31 تقنية PMRS تكون مفيدة بشكل خاص في تقييم الأمراض مع تشوهات الأساسية في وظيفة الميتوكوندريا.

واستكشفت عدة دراسات سابقة تطبيقات التقنيات غير الغازية لتحديد وظيفة الميتوكوندريا في الموضوعات. على سبيل المثال، أظهرت هذه التقنيات OXPHOS ضعف في المواضيع مع السكري من النوع 2 ^36. ودي وآخرون. أول اختبار جدوى تقنيات PMRS في الموضوعات مع الاتحاد الانجليزي وجدنا أن 1) عيب وراثي جوهري في كرة القدم يضعف الهيكل العظمي OXPHOS العضلات و2) عدد غا الثلاثي يكرر غير متناسبة عكسيا مع العضلات والهيكل العظمي ياXPHOS ^33. وفي الآونة الأخيرة، Nachbauer وآخرون. PMRS تستخدم كمقياس نتائج الثانوية في محاكمة المخدرات الاتحاد الانجليزي مع 7 الموضوعات. كانت أوقات الانتعاش PCR لفترة أطول كثيرا في موضوعات مقارنة مع الضوابط، التأكيد على العمل لودي في وقت سابق، ويشير إلى أن الآثار التعبير frataxin الشاذة في كرة القدم يمكن أن يؤدي إلى انخفاض في قدرة الميتوكوندريا التي يمكن كشفها باستخدام تقنيات PMRS ^58.

وسائل موثوق بها لتحديد كاف في الجسم الحي وظيفة العضلات والهيكل العظمي في وفعالة من حيث التكلفة، وبطريقة قابلة للتكرار الممكنة حاسمة لتحسين النتائج تخضع في مجموعة من الأمراض التي تؤثر على وظيفة الميتوكوندريا.

ويبين هذا العمل إجراء قوي للحصول على المجراة القدرة القصوى الأكسدة من الهيكل العظمي والعضلات باستخدام ³¹ PMRS. بروتوكول ممارسة في المغناطيس هو جيد التحمل من قبل الأفراد تغطي مجموعة واسعة من المادية وfunctionaقدرات لتر وتتيح الإعداد موضوع مبسط باستخدام معدات غير مكلفة وعلى نطاق واسع المتاحة.

Protocol

تمت الموافقة على هذا البروتوكول من قبل ويتبع المبادئ التوجيهية للمجلس المراجعة المؤسسية جامعة ولاية أوهايو لأبحاث تجرى على البشر. ومن الأهمية بمكان أن جميع الإجراءات التي تنطوي على المعدات MR يتم تنفيذها من قبل الموظفين المدربين تدريبا كافيا الالتزام بأعلى معايير ا…

Representative Results

دراسة التكاثر ستة متطوعين (4 رجال و 2 نساء، متوسط العمر: 24.5 ± 6.2 سنوات) مع عدم وجود القلب المبلغ عنها ذاتيا، الأيض، أو أمراض الميتوكوندريا خضع دورات وصفها 31 PMRS ممارسة الرياضة والتص?…

Discussion

وتصف هذه الورقة بروتوكول قياسي لمدة ³¹ PMRS الفحص التي تتيح في الجسم الحي القياس التسلسلي وموسع من الهيكل العظمي والعضلات وظيفة الميتوكوندريا. بروتوكول يحمل نداء كبيرا عند النظر في اتساع التحقيقات التي تستهدف العبء المتزايد من متلازمة التمثيل الغذائي والتي…

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