फास्फोरस-31 चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी: मापने के लिए एक उपकरण<em> Vivo</em> मानव कंकाल की मांसपेशी में Mitochondrial ऑक्सीडेटिव Phosphorylation क्षमता

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

इस काम का लक्ष्य एक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य विधि noninvasively क्षमताओं की एक विस्तृत श्रृंखला रखने वाले व्यक्तियों में विवो कंकाल की मांसपेशी mitochondrial समारोह में मापने के लिए रूपरेखा तैयार करने के लिए है। न्यायपालिका mitochondrial हानि चयापचय सिंड्रोम और आनुवंशिक रोगों की एक विस्तृत श्रृंखला की एक बानगी है, इस तरह से उम्र बढ़ने और इस तरह के Friedreich गतिभंग के रूप में दुर्लभ विकार के लिए मधुमेह के रूप में सामान्य स्थितियों में से है।

मेटाबोलिक सिंड्रोम और mitochondrial रोग

मेटाबोलिक सिंड्रोम mitochondrial समारोह को बाधित, कंकाल की मांसपेशी OXPHOS दबाना, और कंकाल की मांसपेशी ^{1, 2} में अस्थानिक लिपिड भंडारण करने के लिए नेतृत्व करने के लिए दिखाया गया है। के रूप में महत्वपूर्ण चयापचय और ऊर्जा homeostasis को विनियमित करने के अंगों, माइटोकॉन्ड्रिया मोटापा ^{3, 4} के pathophysiology, इंसुलिन प्रतिरोध ⁵ में फंसा रहे हैं </sup>, टाइप 2 मधुमेह (T2DM) ^{6, 7,} मधुमेह से संबंधित सूक्ष्म ^{8, 9, 10, 11} और macrovascular जटिलताओं ^{12, 13,} और गैर शराबी फैटी लीवर रोग (NAFLD) ^{14, 15, 16,} दूसरों के बीच में हे ₂ oxidoreductase गतिविधि ^5: .Insulin प्रतिरोध कंकाल की मांसपेशी mitochondrial गतिविधि में गहरा परिवर्तन, सहित कमी आई है mitochondrial tricarboxylic एसिड (टीसीए) प्रवाह दर, एटीपी संश्लेषण की दर, और साइट्रेट synthase और NADH की विशेषता है। एक परिकल्पना है कि इन परिवर्तनों की मांसपेशी में की मुक्त फैटी एसिड (एफएफए) चयापचयों संचय, जो स्पष्ट रूप से मोटापा और अन्य मोटापा आर दौरान संवर्धित कर रहे हैं के कारण हो सकता हैउत्तेजित रोगों ^{2, 17।} बुलंद FFAs और लिपिड मध्यवर्ती को पेशी के लिए जोखिम लिपिड ऑक्सीडेटिव मार्ग में जीनों की अभिव्यक्ति के साथ ही टीसीए चक्र और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला (ईटीसी) ¹⁸ घटा सकते हैं। एक लिपिड अधिभार की सेटिंग में mitochondrial कंकाल की मांसपेशी OXPHOS क्षमता में यह कमी मात्रात्मक (सामग्री और माइटोकॉन्ड्रिया की जीवजनन) में गिरावट के साथ है ¹⁹ और कंकाल की मांसपेशी माइटोकॉन्ड्रिया ²⁰ के गुणात्मक कार्य करते हैं। FFAs करने के कंकाल की मांसपेशी और myocytes उजागर गंभीर इंसुलिन प्रतिरोध की ओर जाता है, और मांसपेशियों में एफएफए तेज वृद्धि हुई दोनों मानव और मूषक ²¹ में इंसुलिन प्रतिरोध के साथ जुड़ा हुआ है। लिपिड मध्यवर्ती Ceramide और diacylglycerol (डेग) सीधे इस तरह के प्रोटीन काइनेज सी और prot के रूप में kinases, की गतिविधि को बदलकर इंसुलिन संकेतन मार्ग को बाधित करने के लिए दिखाया गया हैein काइनेज बी ^21। इसलिए, लिपिड व्युत्पन्न अणुओं कंकाल की मांसपेशी इंसुलिन प्रतिरोध और T2DM के विकास में एक प्रमुख भूमिका निभाने के लिए दिखाई देते हैं। हालांकि, यह स्पष्ट नहीं हुआ है mitochondrial क्षमता में परिवर्तन का एक कारण या इंसुलिन प्रतिरोध ²² का एक परिणाम रहे हैं।

फ्रेडरिक गतिभंग और mitochondrial रोग

में कमी OXPHOS भी आनुवंशिक दोष से पैदा कर सकते हैं। फ्रेडरिक के गतिभंग (एफए), वंशानुगत गतिभंग का सबसे आम रूप है, एक आनुवंशिक frataxin में एक परिवर्तन की वजह से विकार (FXN) जीन, इंट्रा-mitochondrial लोहे के संचय, प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों के उत्पादन में जिसके परिणामस्वरूप है, और आक्सीकारक फास्फारिलीकरण ²³ की ^{असामान्यताओं, 24, 25, 26।} इस महत्वपूर्ण खोज के लक्षित चिकित्सा के विकास के लिए नेतृत्व किया गया है, जोज उद्देश्य उप सेलुलर स्तर पर mitochondrial समारोह में सुधार होगा। इस समझ के बावजूद, इन विवो के सीमित विकास, एफए क्लीनिकल रिसर्च के लिए प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य बायोमार्कर किया गया है। वास्तव में, एफए में लक्षित चिकित्सा के प्रभावी मूल्यांकन में एक महत्वपूर्ण बाधा mitochondrial समारोह में परिवर्तन ट्रैक करने में असमर्थता है। वर्तमान कार्यात्मक उपायों, उदाहरण के लिए, हृदय उत्पादन में कमी आई पहचान कर सकते हैं; हालांकि, वे किस स्तर पर शिथिलता होता है (चित्रा 1) का निर्धारण करने के काबिल नहीं हैं। mitochondrial समारोह का एक विश्वसनीय मार्कर की पहचान और फ्रेडरिक गतिभंग में रोग प्रगति का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता का विकास लक्षित चिकित्सा के प्रासंगिक यंत्रवत प्रभाव गेज करने के लिए महत्वपूर्ण है।

बिगड़ा OXPHOS और हृदय रोग

न्यायपालिका mitochondrial समारोह, या तो हासिल कर ली है या आनुवंशिक, विकास या cardi की प्रगति में योगदान कर सकताएसी में शिथिलता। दबाव अधिभार और दिल की विफलता की शर्तों के तहत, एफएफए से प्राथमिक ऊर्जा सब्सट्रेट वरीयता स्विच ग्लूकोज में। यह कमी आई है आदि गतिविधि और आक्सीकारक फास्फारिलीकरण ^{27 के} साथ जुड़ा हुआ है। हृदय रोग में mitochondrial बायोइनरजेटिक्स के pathophysiology mitochondrial दोष के प्राथमिक मूल के आधार पर अलग-अलग हो सकता है। मधुमेह और ऐसे भ्रष्ट जीवजनन और फैटी एसिड चयापचय के रूप में मायोकार्डियम में mitochondrial असामान्यताओं, जो कम सब्सट्रेट लचीलापन, ऊर्जा दक्षता, और अंत में, डायस्टोलिक में शिथिलता ^{28, 29} के लिए नेतृत्व में उपापचयी सिंड्रोम का परिणाम है। पिता में, दूसरे हाथ पर, cardiomyocytes ^{30, 31} में महत्वपूर्ण mitochondrial लोहे के संचय में एक frataxin की कमी का परिणाम है। आयरन संचय फेंटन प्रतिक्रिया ^{32 <के} माध्यम से मुक्त कण के उत्पादन की ओर जाता है/ Sup> और मुक्त कणों से प्रेरित cardiomyocyte नुकसान की संभावना बढ़ जाती है। इंट्रा-mitochondrial लोहे संचय भी oxidative तनाव के लिए एक वृद्धि की संवेदनशीलता और एक कम ऑक्सीडेटिव क्षमता ^{30, 31 के} साथ जुड़ा हुआ है। आयरन संचय और बाद में न्यायपालिका mitochondrial समारोह, frataxin की कमी के कारण, इसलिए बिगड़ा कार्डियक ऊर्जा विज्ञान और कार्डियोमायोपैथी एफए ^{33, 34} में मनाया के लिए जिम्मेदार हो सकता है। यह भी ध्यान दें कि कंकाल की मांसपेशी माइटोकॉन्ड्रिया में कम ऑक्सीडेटिव क्षमता व्यायाम असहिष्णुता समानताएं और दिल की विफलता (एचएफ), ³⁵ में चयापचय क्षमता कम दिलचस्प है। कंकाल की मांसपेशी OXPHOS क्षमता का मापन, के रूप में इस के साथ साथ विस्तृत, आसानी से लागू है और मजबूत है; एचएफ में कंकाल की मांसपेशी OXPHOS के महत्व के साथ मिलकर इन सुविधाओं इसे सुनने के व्यापक अध्ययन में एक अपील बायोमार्कर बनानाटी रोग ^36।

बिगड़ा OXPHOS और साथ हृदय रोग चयापचय और mitochondrial रोग का एक अप्रासंगिक पहलू नहीं है। मधुमेह और चयापचय रोग के साथ विषय हृदय रोग विकसित होने का अधिक खतरा होता है और रोधगलन (एमआई), ^{37, 38, 39, 40, 41} के बाद अतिरिक्त मृत्यु दर है; एफए विषयों की आधी से अधिक कार्डियोमायोपैथी, और हृदय अतालता या दिल की विफलता के ⁴² में से कई के मरने की है। इसलिए, कम OXPHOS की मात्रा का ठहराव केवल जल्दी पता लगाने और हृदय रोग के उपचार के लिए अनुमति नहीं सकता, लेकिन यह भी इन रोगों में एक प्रमुख नैदानिक ​​बोझ को कम कर सकता है।

लक्षित चिकित्सा सीधे OXPHOS क्षमता बढ़ाने के लिए एक आशाजनक क्षेत्र विषयों के उपचार में सुधार करने के लिए, whe हैवहाँ चयापचय रोग के कारण आनुवंशिक या अधिग्रहण कर लिया है। वर्तमान में, उपन्यास के विकास लक्षित दवाओं है कि या तो असामान्य mitochondrial समारोह ⁴³ को कम या प्राथमिक आनुवंशिक दोष को दूर ⁴⁴ एफए के विक्षिप्त बायोइनरजेटिक्स विशेषता सुधार कर सकते हैं। का अधिग्रहण mitochondrial रोग के मामले में वृद्धि हुई शारीरिक गतिविधि समारोह ^{45, 46, 47} mitochondrial सुधार कर सकते हैं।

Mitochondrial समारोह के एक गैर इनवेसिव biomarker के रूप में ³¹ फॉस्फोरस चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी

परीक्षण किया थेरेपी के बावजूद, एक कंकाल की मांसपेशी बायोइनरजेटिक्स के vivo मूल्यांकन में एकीकृत विशेष रूप से गंभीर व्यायाम असहिष्णुता या पारंपरिक METABO से गुजरना करने में असमर्थता के साथ विषयों में, लक्षित हस्तक्षेप के प्रभाव का आकलन करने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण हैएलआईसी परीक्षण। चुंबकीय अनुनाद फॉस्फोरस ⁽³¹ PMRS), एक अंतर्जात नाभिक पूरे शरीर में कोशिकाओं के भीतर विभिन्न उच्च ऊर्जा substrates में पाया करने के लिए देखते स्पेक्ट्रोस्कोपी, दृष्टिकोण की एक किस्म का उपयोग, सहित mitochondrial ऑक्सीडेटिव क्षमता यों इस्तेमाल किया गया है में चुंबक व्यायाम वसूली प्रोटोकॉल और मांसपेशियों उत्तेजना ⁴⁸ प्रोटोकॉल। व्यायाम वसूली प्रोटोकॉल एमआरआई-संगत ergometers कि विनियमित और पट्टियों और पैड फट प्रकार प्रतिरोधक और अर्ध स्थिर व्यायाम के लिए अनुमति देने का सरल विन्यास के लिए काम का बोझ उपाय से जटिलता में लेकर तंत्र की एक किस्म पर निर्भर हैं। इन प्रोटोकॉल में से किसी की प्राथमिक लक्ष्यों में से एक एक ऊर्जा असंतुलन है जिसके लिए adenosine triphosphate (एटीपी) की मांग के लिए शुरू में creatine काइनेज प्रतिक्रिया ⁴⁹ के माध्यम से phosphocreatine के enzymatic टूटने (पीसीआर) के माध्यम से पूरा किया जाता है का उत्पादन होता है। व्यायाम की समाप्ति पर, एटीपी उत्पादन की दर ऑक्सीडेटिव फोटो का बोलबाला हैsphorylation और माइटोकॉन्ड्रिया ⁵⁰ के विवो क्षमता में अधिकतम प्रतिनिधित्व करता है। इसके अलावा, व्यायाम के बाद वसूली के दौरान OXPHOS एक पहले के आदेश दर प्रतिक्रिया ⁵¹ से वर्णित किया जा सकता है। पीसीआर के बाद व्यायाम वसूली इसलिए एक घातीय समय लगातार (τ _{पीसीआर),} ऑक्सीडेटिव एटीपी संश्लेषण के लिए अधिक से अधिक क्षमता का प्रतिनिधित्व τ _{पीसीआर} के छोटे मूल्यों के साथ की फिटिंग द्वारा मात्रा निर्धारित किया जा सकता है। महत्वपूर्ण प्रयास पूर्व vivo के खिलाफ ³¹ PMRS और OXPHOS की अधिक प्रत्यक्ष उपायों मान्य है और इस तकनीक को ^{52, 53, 54, 55} के संभावित नैदानिक प्रयोज्यता प्रदर्शित करने के लिए बनाया गया है।

विशेष रूप से, प्रोटोकॉल इस काम में वर्णित चिकित्सकीय रूप से उपलब्ध स्कैनर पर लागू किया जा सकता है, और यह व्यापक रूप से एक noninvasive बायोमार्कर ओ के रूप में मान्य किया गया हैएफ mitochondrial समारोह ^56। हालांकि, एक व्यायाम ³¹ PMRS neuromuscular हानि या गतिशीलता के अलग कठोर अनुशासन के साथ व्यक्तियों के लिए आवेदन के लिए अनुकूलित प्रोटोकॉल अच्छी तरह से ⁵⁷ नहीं स्थापित किया गया है। एक अच्छी तरह से परिभाषित किया है, मोटे तौर पर लागू व्यायाम प्रोटोकॉल और ³¹ PMRS तकनीक mitochondrial समारोह में मौलिक असामान्यताओं के साथ रोगों के मूल्यांकन में विशेष रूप से उपयोगी होगा।

कई पूर्व के अध्ययन विषयों में mitochondrial समारोह यों की गैर इनवेसिव तकनीक के आवेदनों का पता लगाया है। उदाहरण के लिए, इन तकनीकों के साथ टाइप 2 मधुमेह के ³⁶ विषयों में बिगड़ा OXPHOS दिखाया है। लोदी एट अल। पहले एफए के साथ विषयों में PMRS तकनीक की व्यवहार्यता का परीक्षण किया और पाया कि 1) एफए में मौलिक आनुवंशिक दोष impairs कंकाल की मांसपेशी OXPHOS और 2) GAA त्रिक की संख्या को दोहराता है व्युत्क्रमानुपाती कंकाल की मांसपेशी हे के लिए आनुपातिक हैXPHOS ^33। हाल ही में, Nachbauer एट अल। 7 विषयों के साथ एक एफए दवा परीक्षण में एक माध्यमिक परिणाम उपाय के रूप में इस्तेमाल PMRS। पीसीआर वसूली बार नियंत्रण की तुलना में विषयों में काफी लंबे समय तक रहे थे, लोदी के पहले काम को पुष्ट और यह दर्शाता है कि एफए में न्यायपालिका frataxin अभिव्यक्ति के प्रभाव को mitochondrial क्षमता में गिरावट है कि PMRS तकनीकों का उपयोग करते हुए ⁵⁸ detectable है में परिणाम कर सकते हैं।

विश्वसनीय तरीके पर्याप्त रूप से एक व्यवहार्य, लागत प्रभावी, और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य तरीके से विवो कंकाल की मांसपेशी समारोह में परिभाषित करने के लिए रोग है कि mitochondrial समारोह को प्रभावित की एक श्रेणी में विषय परिणामों में सुधार लाने के लिए महत्वपूर्ण हैं।

इस काम के कंकाल की मांसपेशी ³¹ PMRS का उपयोग करने का विवो अधिकतम ऑक्सीडेटिव क्षमता में प्राप्त करने के लिए एक मजबूत प्रक्रिया की रूपरेखा। में चुंबक व्यायाम प्रोटोकॉल अच्छी तरह से शारीरिक और कार्यात्मक की एक विस्तृत श्रृंखला में फैले व्यक्तियों द्वारा सहन किया हैएल योग्यता और सस्ती और व्यापक रूप से उपलब्ध उपकरणों का उपयोग कर एक सरल विषय सेटअप देता है।

Protocol

इस प्रोटोकॉल ने मंजूरी दे दी है और मानव विषयों अनुसंधान के लिए ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी संस्थागत समीक्षा बोर्ड के दिशा निर्देशों के बाद किया जाता है। यह महत्वपूर्ण है कि एमआर उपकरण शामिल सभी प्रक्रिय?…

Representative Results

reproducibility अध्ययन छह स्वयंसेवकों (4 पुरुषों और 2 महिलाओं, इसका मतलब यह नहीं है उम्र: 24.5 ± 6.2 वर्ष) कोई स्वयं रिपोर्ट हृदय, चयापचय, या mitochondrial रोग के साथ 1 सप्ताह के भीतर 2 अलग अ?…

Discussion

यह पत्र ³¹ PMRS परीक्षा है कि धारावाहिक और noninvasive इन विवो कंकाल की मांसपेशी mitochondrial समारोह की माप परमिट के लिए एक मानक प्रोटोकॉल का वर्णन है। प्रोटोकॉल जब उपापचयी सिंड्रोम के बढ़ते बोझ और इसके परिणामस्व…

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