זרחן-31 ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית: כלי למדידת<em> In vivo</em> קיבולת זרחון חמצוני מיטוכונדריאלי של שריר שלד אדם

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

מטרת עבודה זו היא להתוות שיטה לשחזור למדוד פולשנית במיטוכונדריה שרירי שלד vivo ב היחידים אשר להם מגוון רחב של יכולות. ליקוי המיטוכונדריה סוטה הוא סימן היכר של מגוון רחב של תסמונת המטבולית ומחלות גנטיות, ממצבים נפוצים כגון הזדקנות וסוכרת להפרעות נדירות כגון אטקסיה של Friedreich.

תסמונת מטבולית ו תפקוד המיטוכונדריה

תסמונת מטבולית הוכח לשבש תפקוד המיטוכונדריה, לדכא OXPHOS שרירי השלד, ולהוביל לאחסון השומנים אקטופי בשרירי השלד ^{1, 2.} כפי אברונים קריטי בוויסות חילוף החומרים הומאוסטזיס אנרגיה, המיטוכונדריה הם מעורבים בפתופיזיולוגיה של השמנה ^{3, 4, 5} תנגודת לאינסולין </sup>, סוג 2 סוכרת (T2DM) ^{6, 7,} סוכרת הקשורות מיקרו ^{8, 9, 10, 11} ו סיבוכים macrovascular ^{12, 13,} ו מחלת כבד שומני לא אלכוהולי (NAFLD) ^{14, 15, 16,} בין היתר התנגדות .Insulin מאופיינת שינויים עמוקים בפעילות המיטוכונדריה שריר שלד, כוללים ירידת חומצת tricarboxylic המיטוכונדריה (TCA) שיעור שטף, שיעור סינתזת ATP, ו ציטראט synthase ו NADH: פעילות oxidoreductase O ₂ ^5. אחת ההשערות היא כי שינויים אלה יכול להיות בגלל הצטברות של חומצות השומן החופשיות (FFA) מטבוליטים בשריר, אשר נוספו ניכר במהלך השמנה והשמנת יתר-r אחריםמחלות מרומם ^{2, 17.} חשיפת שריר FFAs מוגבה ביניים שומנים ניתן להקטין את הביטוי של גנים במסלול חמצוני שומנים וכן מחזור TCA ושרשרת אלקטרון-תחבורה (ETC) ^18. הפחתה זו קיבולת OXPHOS שרירי השלד המיטוכונדריה את ההגדרה של עומס השומנים מלווה ירידה כמותית (תוכן biogenesis של המיטוכונדריה) ¹⁹ ותפקוד איכותי של המיטוכונדריה שרירי השלד ^20. חשיפת שרירי השלד מיוציטים כדי FFAs מוביל עמידות לאינסולין חמור, ספיגת FFA גורמות בשריר קשורה תנגודת לאינסולין בשני בני אדם ומכרסמים ^21. Ceramide ביניים שומנים diacylglycerol (DAG) הוכחו לעכב את מסלול איתות האינסולין ישירות על ידי שינוי הפעילות של קינאזות, כגון C קינאז חלבון protein kinase B ^21. לכן, מולקולות נגזרות שומנים להופיע למלא תפקיד בולט בפיתוח של תנגודת לאינסולין שרירי שלד T2DM. עם זאת, עדיין לא ברור האם שינויי קיבולת המיטוכונדריה הם סיבה או תוצאה של אינסולין התנגדות ^22.

חוסר תפקוד אטקסיה מיטוכונדריאלי של פרידריך

OXPHOS מתגבר גם יכול לנבוע פגמים גנטיים. אטקסיה של פרידריך (FA), הצורה הנפוצה ביותר של אטקסיה תורשתית, היא הפרעה גנטית הנגרמת על ידי מוטציה בגן frataxin גן (FXN), וכתוצאה מכך הצטברות ברזל התוך המיטוכונדריה, ייצור מינים חמצן תגובתי, וחריגות של זרחון חמצוני ^{23, 24, 25, 26.} תגלית חשובה זה הובילה לפיתוח טיפולים ממוקדים, whicמטרת h לשיפור תפקוד המיטוכונדריה ברמת המשנה הסלולר. למרות ההבנה הזאת, חלה התפתחות מוגבלת in vivo, ביומרקרים לשחזור למחקר קליני FA. למעשה, חסם קריטי ההערכה האפקטיבית של טיפולים ממוקדים FA הוא חוסר היכולת לעקוב אחר שינויים בתפקוד המיטוכונדריה. נוכח פעולות פונקציונליות, למשל, ניתן לזהות ירידה בתפוקת לב; עם זאת, הם אינם מסוגלים קביעת הרמה שבה התפקוד הלקוי מתרחש (איור 1). התפתחות סמן אמין של תפקוד המיטוכונדריה, שניתן להשתמש בהם כדי לזהות ולהעריך את התקדמות המחלה ב אטקסיה של פרידריך הוא חיוני כדי לאמוד את ההשפעה מכניסטית הרלוונטיים של טיפולים ממוקדים.

OXPHOS פגומה חוסר תפקוד לב

פונקציה המיטוכונדריה סוטה, או שנרכשו או גנטי, יכול לתרום להתפתחות או התקדמות של Cardiתפקוד לקוי של AC. בתנאים של עומס לחץ ואי ספיקת לב, בוררי העדפת מצע האנרגיה העיקרית מן FFA לגלוקוז. זה קשור לירידה בפעילות ETC חמצוני זירחון ^27. פתופיזיולוגיה של bioenergetics המיטוכונדריה בתפקוד הלב יכול להיות שונה בהתאם למקור הראשוני של פגם המיטוכונדריה. סוכרת ותוצאות תסמונת מטבולית הפרעות המיטוכונדריה שריר הלב, כגון biogenesis לקויי ומטבוליזם של חומצות שומן, אשר יוביל גמישות המצע מופחת, יעילות אנרגיה, ובסופו של דבר, חוסר תפקוד דיאסטולי ^{28, 29.} ב FA, מאידך גיסא, תוצאות מחסור frataxin בצבירת ברזל משמעותית המיטוכונדריה cardiomyocytes ^{30, 31.} מגהץ הצטברות מובילה את הייצור של רדיקלים בחינם דרך תגובת פנטון ^{32 <}/ Sup> ומגדיל את הסיכוי לנזק cardiomyocyte הרדיקלי-induced בחינם. הצטברות ברזל Intra-המיטוכונדריה קשורה גם רגישות מוגברת סטרס חמצוני קיבולת חמצוני מופחת ^{30, 31.} הצטברות ברזל במיטוכונדריה עוקבת סוטה, עקב מחסור frataxin, ולכן עשויה להיות אחראים על האנרגטיקה הלב הפגום קרדיומיופתיה שנצפה FA ^{33, 34.} מעניין גם לציין כי קיבולת חמצוני מופחת במיטוכונדריה שריר השלד מקבילה סובלנות התרגיל והקטינו קיבולת מטבולית באי ספיקת לב (HF) ^35. מדידת קיבולת שריר שלד OXPHOS, כמפורט במסמך זה, הוא בר יישום בקלות ויציבה; יחד עם משמעות OXPHOS שרירי השלד ב HF, תכונות אלו הופכות אותו סמן ביולוגי מושך מחקרים מקיפים של לשמועt המחלה ^36.

OXPHOS הפגום ואת תפקוד הלב הנ"ל אינו היבט חסר משמעות של מטבולית ומחלות המיטוכונדריה. נושאים עם סוכרת ומחלות מטבוליות נמצאים בסיכון גבוה יותר לפתח מחלות לב וכלי דם ויש לי שיעור תמותה גבוה יותר לאחר אוטם שריר הלב (MI) ^{37, 38, 39, 40, 41;} יש קרדיומיופתיה יותר ממחצית הנבדקים FA, ומתים רבים של הפרעות קצב לב או אי ספיקת לב ^42. לכן, כימות של OXPHOS מופחת לא יכול לאפשר רק גילוי מוקדם וטיפול של חוסר תפקוד הלב, אבל זה יכול גם להקל על הנטל קליני מרכזי למחלות אלה.

טיפולים ממוקדים ישירות כדי להגדיל את קיבולת OXPHOS הוא אזור מבטיח לשפר את הטיפול של נושאים, wheיס הגורם של חוסר תפקוד מטבולים הוא גנטי או נרכש. נכון לעכשיו, הפיתוח של רומן ממוקד תרופות או להקל במיטוכונדריה נורמלי ⁴³ או לתקן את הפגם הגנטי הראשוני ⁴⁴ יכול לשפר את מאפיין bioenergetics המופרע של FA. במקרה של תפקוד המיטוכונדריה נרכש, פעילות גופנית מוגברת יכולה לשפר המיטוכונדריה פונקציה ^{45, 46, 47.}

³¹ ספקטרוסקופיה זרחן תהודה מגנטית כמו ביומרקר לא פולשני של תפקוד מיטוכונדריאלי

לא משנה של הטיפול הנבדק, משולב בהערכת vivo של bioenergetics שרירי שלד הוא כלי חיוני כדי להעריך את ההשפעה של התערבויות ממוקדות, במיוחד בחולים עם אי סביל תרגיל חמור או חוסר היכולת לעבור METABO הקונבנציונליבדיקות Lic. ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית מכוונת זרחן ⁽³¹ ארגונו של ברגותי), גרעין אנדוגני נמצא מצעי אנרגיה גבוהה שונים בתוך תאים בכל הגוף, נעשתה שימוש כדי לכמת יכולת חמצוני המיטוכונדריה באמצעות מגוון של גישות, כולל in-מגנט פרוטוקולי התאוששות פעילות גופנית גירוי שרירי פרוטוקולי ^48. פרוטוקולי התאוששות התרגיל להסתמך על מגוון רחב של מכשירים, החל ב מורכבות מ אופני כושר MRI התואמים מווסתים ולמדוד עומס עבודה לתצורות פשוטות של רצועות ורפידות המאפשרות resistive פרץ-סוג והפעילות גופני מעין-סטטי. אחת המטרות העיקריות של כל אחד מהפרוטוקולים היא לייצר אנרגיה בלתי מאוזנת עבורו הביקוש אדנוזין אדנוזין (ATP) הוא נפגש בתחילה דרך התמוטטות האנזימטית של phosphocreatine (PCR) דרך התגובה קריאטין קינז ^49. לאחר הפסקת פעילות גופנית, קצב ייצור ATP הוא נשלט על ידי Pho חמצוניsphorylation ומייצג את המקסימום קיבולת vivo של המיטוכונדריה ^50. יתר על כן, OXPHOS במהלך ההתאוששות שלאחר האימון יכולה להיות מתוארת לפי תגובת שיעור מסדר ראשון ^51. ההתאוששות שלאחר האימון של PCR ולכן ניתן לכמת מאי ההתאמה של קבוע זמן מעריכים (τ _PCR), עם ערכים קטנים של τ _PCR מייצג יכול יותר לסינתזת ATP חמצונים. במאמצים משמעותיים נעשו כדי לאמת ³¹ הארגון של ברגותי נגד vivo לשעבר ואמצעים ישירים יותר של OXPHOS ולהדגים את התחולה הקלינית האפשרית של טכניקה זו ^{52, 53, 54, 55.}

יש לציין, הפרוטוקול המתואר בעבודה זו יכול להיות מיושם על סורקים קליניים-טובים, וזה קבל תוקף נרחב כמו o סמן ביולוגי פולשניתבמיטוכונדריה f ^56. עם זאת, פרוטוקול ארגונו של ברגותי תרגיל ³¹ אופטימיזציה עבור יישום ליחידים עם חומרות שונות של ליקוי תוקף או ניידות לא הוכח גם ^57. פרוטוקול תרגיל מוגדר היטב, רחב-החלים ³¹ טכניקת ארגונו של ברגותי יהיה שימושיים במיוחד בהערכת מחלות עם מומי יסוד במיטוכונדריה.

מחקרים קודמים בחנו מספר היישומים של טכניקות פולשני לכמת במיטוכונדריה במקצועות. למשל, טכניקות אלו הראו OXPHOS הלקוי בנבדקים עם סוכרת מסוג 2 ^36. לודי ואח. הראשון בדק את הכדאיות של טכניקות ארגונו של ברגותי בנבדקים עם FA ומצא כי 1) הפגם הגנטי יסודי FA פוגעת OXPHOS שרירי השלד 2) מספר שלישיה GAA חוזר עומדת ביחס הפוך שרירי השלד OXPHOS ^33. לאחרונה, Nachbauer et al. ארגונו של ברגותי משמש כמדד תוצאה משנית בניסוי התרופה FA עם 7 נושאים. זמני התאוששות PCR היו באופן משמעותי יותר במקצועות בהשוואה לקבוצת ביקורת, מאשרים מחדש העבודה הקודמת של לודי ומציין כי ההשפעות של ביטוי frataxin הסוטה ב FA יכולות לגרום לירידה ביכולת המיטוכונדריה הניתנת לזיהוי באמצעות טכניקות ארגונו של ברגותי ^58.

שיטות אמינות כדי להגדיר כראוי בתפקוד שרירי שלד vivo באופן ריאלי, חסכוני, לשחזור הם קריטיים לשיפור תוצאות נושא במגוון של מחלות המשפיעות על תפקוד המיטוכונדריה.

עבודה זו מתווה הליך חזק להשגת קיבולת חמצוני מקסימלית vivo של שרירי שלד באמצעות ³¹ הארגון של ברגותי. פרוטוקול התרגיל-המגנט נסבל היטב על ידי אנשים פורשים מגוון רחב של פיזית functionaיכולות l ומאפשרות התקנת נושא פשוטה באמצעות ציוד זול בתפוצה רחבה.

Protocol

פרוטוקול זה מאושר על ידי והוא פועל בהתאם להנחיות של הדירקטוריון סקירה מוסדיים אוניברסיטת אוהיו עבור ניסויים בבני אדם. חשוב ביותר כי כל הנהלים הקשורים ציוד MR מבוצעים על ידי צוות מיומן כראוי דבק בסטנדרטים הגבוהים ביותר של בטיחות MR 59. <p style=";text-align:right;directio…

Representative Results

לימוד שחזור שישה מתנדב (4 גברים ו -2 נשים, גיל ממוצע: 24.5 ± 6.2 שנים) ללא לב דיווח עצמי, חילוף חומרים, או מחלת המיטוכונדריה עבר הפעלות של שתואר 31 ארגונו של ברגותי התעמלות טכניקת דימות ב …

Discussion

מאמר זה מתאר פרוטוקול סטנדרטי ³¹ בחינת ארגונו של ברגותי שמקנה vivo ב סדר פולשנית למדידת תפקוד המיטוכונדריה שרירי שלד. הפרוטוקול מחזיק ערעור ניכר כאשר בוחן את רוחב היריעה של חקירות מיקוד הניטל גדל והולך של תסמונת מטבולית או התחלואה והתמותה כתוצאה שלה. פרוטוקו…

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