인-31 자기 공명 분광학 : 측정을위한 도구<em> 생체</em인간의 골격 근육에> 미토콘드리아 산화 적 인산화 능력

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

이 연구의 목적은 비 침습적 능력의 넓은 범위를 갖는 개인의 생체 골격근 미토콘드리아 기능의 측정 재현 방법을 간략하게 설명한다. 비정상적인 미토콘드리아 손상은 같은 프리드리히 운동 실조와 같은 희귀 질환에 대한 노화, 당뇨병과 같은 일반적인 조건에서 대사 증후군과 유전 질환의 넓은 범위의 특징이다.

대사 증후군과 미토콘드리아 기능 장애

대사 증후군은 미토콘드리아의 기능을 방해 골격근 OXPHOS 우울 및 골격근 ^{1, 2에서} 이소성 지질 저장을 초래할 것으로 나타났다. 대사 및 에너지 항상성 조절과 같은 중요한 소기관은 미토콘드리아 비만 ^{3, 4의} 병태 생리 인슐린 저항성 ^5에 관련되는 </sup> 유형 2 당뇨병 (T2DM) ^{6, 7,} 당뇨병 관련 미세 ^{8, 9, 10, 11} 및 대 혈관 합병증 ^{(12, 13),} 비 알코올성 지방 간 질환 (NAFLD) ^{14, 15, 16,} 그 중에서도 O ₂ 산화 환원 효소의 활동 ⁵ : 저항은 미토콘드리아 트리 카르 복실 산 (TCA) 유동 비율, ATP 합성 속도 및 시트 레이트 합성 효소와 NADH 감소를 포함하여 골격근의 미토콘드리아 활동에 큰 변화, 특징 .Insulin. 한 가설은 이러한 변화가 현저 비만 및 다른 비만 R 동안 증강 된 근육의 유리 지방산 (FFA)의 대사 산물의 축적에 기인 할 수있다의기 양양 질환 ^{2, 17.} 상승 된 유리 지방산 및 지질 중간체 근육 노출 지질 산화 경로의 유전자의 발현뿐만 아니라, TCA 사이클 및 전자 수송 체인 (ETC) ^18을 감소시킬 수있다. 지질 과부하의 설정에서 미토콘드리아 골격 근육 OXPHOS 용량의 감소는 정량적 (미토콘드리아의 내용과 생합성)의 감소를 동반 골격근의 미토콘드리아 ^{(20) (19)과} 질적 기능입니다. 유리 지방산으로 골격근과 근육 세포를 노출 심한 인슐린 저항성을 초래하고, 근육의 증가 FFA 섭취는 인간과 설치류 ⁽²¹⁾ 모두에서 인슐린 저항성과 연관되어 있습니다. 지질 중간체 세라마이드 및 디아 실 글리세롤 (DAG)이 직접 이러한 단백질 키나제 C와 같은 PROT 키나제의 활성을 변화시킴으로써 인슐린 신호 전달 경로를 억제하는 것으로 나타났다EIN 키나제 B ^(21). 따라서, 지질 유도 된 분자 골격 근육 인슐린 내성 및 2 형 당뇨병의 개발에 중요한 역할을 보인다. 미토콘드리아 용량의 변화가 원인 또는 인슐린 저항 ^(22)의 결과인지 그러나 불분명.

프리드리히의 운동 실조증과 미토콘드리아 기능 장애

감소 OXPHOS는 유전 적 결함이 발생할 수 있습니다. 프리드리히 운동 실조증 (FA), 유전성 실조증의 가장 일반적인 형태는 인트라 미토콘드리아 철 축적 활성 산소 종 생산을 초래 frataxin의 돌연변이에 의한 유전 질환 (FXN) 유전자, 그리고 산화 적 인산화 ^{(23)의 비정상 24, 25, 26.} 이 중요한 발견이 표적으로 한 치료의 개발을 주도하고있다, whicH의 목적은 서브 세포 수준에서 미토콘드리아의 기능을 향상시킬 수있다. 이러한 이해에도 불구하고, 생체의 제한으로 개발, FA 임상 연구를위한 재생 가능한 바이오 마커가 있었다. 사실, FA에서 표적 치료의 효과적인 평가에 중요한 장벽은 미토콘드리아 기능의 변화를 추적 할 수 없다는 것이다. 현재 기능적 수단, 예를 들면, 심 박출량 감소 식별 할 수있다; 그러나, 그들은 부전이 발생하는 레벨 (도 1)을 결정하는 능력이있다. 식별 프리드리히의 운동 장애 질병의 진행을 평가할 수있다 미토콘드리아 기능의 신뢰성 마커의 개발 표적 요법 관련 기계적인 영향을 측정하는 것이 중요하다.

장애인 OXPHOS과 심장 부전

비정상적인 미토콘드리아 기능 취득 또는 유전자 역시 CARDI의 발생과 진행에 기여할 수교류 장애. 압력 과부하 및 심부전의 조건 하에서, FFA의 주요 에너지 기판 선호 스위치 포도당. 이것은 감소 ETC 활성 및 산화 적 인산화 ^(27)와 관련된다. 심장 부전의 미토콘드리아 생체 에너지의 병태 생리학은 미토콘드리아 결함의 주요 근원에 따라 상이 할 수있다. 당뇨병 결국 감소 된 기판의 유연성, 에너지 효율 및 이완기 부전 ^{28, 29} 리드 등을 손상 생합성 및 지방산 대사와 같은 심근 미토콘드리아 이상, 대사 증후군 결과. FA에서, 다른 한편으로는, 심근 세포 ^{(30) (31)에} 상당한 철 미토콘드리아 축적에 frataxin 결핍 결과. 철 축적 펜톤 반응 ^{32 <통해} 자유 라디칼의 제조에 이르게/ SUP> 및 자유 라디칼에 의한 심근 손상의 가능성이 높아집니다. 내부 미토콘드리아 철 축적은 또한 산화 적 스트레스에 대한 증가 된 감도와 산화 환원 용량 ^{(30), (31)와} 관련된다. frataxin 결핍에 의한 철 축적과 이후의 비정상적인 미토콘드리아 기능은, 따라서 FA ^{33, 34에서} 관찰 된 손상된 심장 에너지 론과 심근 병증을 담당 할 수있다. 이 골격근의 미토콘드리아의 감소 산화 용량이 운동 불내성을 평행 및 심부전 (HF) ^(35)의 대사 능력을 감소 참고하는 것도 재미있다. 골격근 OXPHOS 용량의 측정은, 본원에서 설명 된 바와 같이, 쉽게 구현 가능하고 견고; HF에서 골격 근육 OXPHOS의 중요성과 함께, 이러한 기능은 듣고 포괄적 인 연구에에게 매력적인 바이오 마커을t 질환 ^36.

장애인 OXPHOS 및 첨부 심장 부전은 신진 대사 및 미토콘드리아 질병의 하찮은 측면이 아니다. 당뇨병 및 대사 질환 환자는 심혈관 발병의 위험이 높은 심근 경색 (MI) ^{37, 38, 39, 40, 41} 초과 후 사망률을 가지고; FA 대상자의 절반 이상이 심근 병증, 심장 부정맥이나 심부전 ^(42)의 많은 다이를 가지고있다. 따라서, 감소 OXPHOS 정량화는 조기 발견 및 심장 기능 부전의 치료를 허용하지 수 있지만, 또한 이들 질환의 주요 임상 부담을 경감 할 수있다.

직접 OXPHOS 용량을 증가시키기 위해 표적 요법은 환자의 치료를 개선하기 위해 유망 영역이다 갔지THER 대사 장애의 원인은 유전 적 또는 취득된다. 현재, 신규 개발 중 하나 이상이 미토콘드리아 기능 ^(43)을 완화 또는 FA의 미친 생체 에너지 특성을 향상시킬 수있는 기본 유전자 ^결함을 보정 ⁴⁴ 약물 타겟. 획득 된 미토콘드리아 장애의 경우, 신체 활동 증가 함수 ^{45, 46, 47} 미토콘드리아을 향상시킬 수있다.

미토콘드리아 기능의 비 침습적 인 바이오 마커로서 포스 ³¹ 자기 공명 분광법

에 관계없이 테스트 치료,은 골격 근육 생물 에너지 학의 생체 내 평가에 통합은 특히 심한 운동 불내성 또는 기존의 메타 보를 받아야하는 무능력과 과목, 대상 개입의 영향을 평가하는 중요한 도구입니다LIC 테스트. 인 ^(31하여 PMR) 전신 세포 내의 다양한 고 에너지 기판에 위치한 내인성 핵 조정 자기 공명 분광법을 포함하여, 다양한 접근 방법을 사용하여 미토콘드리아 산화 능력을 정량화하기 위해 사용 된 인 자석 운동 복구 프로토콜 근육 자극은 ⁴⁸ 프로토콜. 운동 복구 프로토콜을 조절하고 버스트 형 저항 및 준 정적 운동을 허용 스트랩과 패드의 간단한 구성으로 작업 부하를 측정하는 MRI 호환 ergometers에서 복잡성에 이르기까지 장치의 종류에 의존한다. 이러한 프로토콜 중 하나의 주 목표 중 하나는 아데노신 삼인산 (ATP)에 대한 수요가 초기 크레아틴 키나아제 반응 ^(49)을 통해 포스 포의 효소 분해 (PCR)을 통해 충족되는 에너지 불균형을 생성하는 것이다. 운동이 정지되면, ATP 생산의 비율은 산화 포 의해 지배인산화와와 미토콘드리아 ^(50)의 생체 내 능력의 최대치를 나타냅니다. 또한, 운동 후 회복기 OXPHOS은 일차 반응 속도 ^(51)에 의해 설명 될 수있다. PCR의 운동 후 회복 따라서 산화 ATP 합성을위한 더 큰 용량을 나타내는 τ _PCR의 값이 작은 지수 시간 상수 (τ _PCR)의 피팅에 의해 정량화 할 수있다. 상당한 노력이 ³¹ 대 생체하여 PMR OXPHOS와의 직접적인 측정을 확인하고이 기술을 ^{52, 53, 54, 55의} 잠재적 임상 적용 가능성을 보여주기 위해 이루어졌다.

특히, 본 연구에 기재된 프로토콜은 임상 적으로 이용 가능한 스캐너 상에 구현 될 수 있고, 광범위하게 비 침습적 바이오 마커 O로 검증되었습니다F 미토콘드리아 기능 ^56. 그러나, 신경 근육 장애 또는 이동성의 변화 심각도와 개인에게 응용 프로그램에 최적화 된 운동 ^(31)하여 PMR 프로토콜은 물론 ⁵⁷ 확립되어 있지 않다. 잘 정의 된, 광범위하게 적용 운동 프로토콜 ^31하여 PMR 기술은 미토콘드리아 기능 이상과 근본적인 질환의 평가에 특히 유용 할 것이다.

이전의 여러 연구 대상으로 미토콘드리아 기능을 정량화하는 비 침습 기술의 응용 프로그램을 살펴 보았다. 예를 들어,이 기술은 제 2 형 당뇨병 ^(36)을 대상으로 장애인 OXPHOS을 보여 주었다. 로디는 등. 제 FA 피험자로하여 PMR 기술의 가능성을 시험 1) FA의 근본적인 유전 적 결함이 골격근 OXPHOS를 손상시키는 것으로, 2)는 GAA 트리플렛의 개수는 반복 골격근 O 반비례XPHOS ^33. 최근 Nachbauer 외. 7 과목과의 FA 약물 시험에서 보조 결과 조치로 사용하여 PMR. PCR 복구 시간은 로디의 이전 작업을 재확인하고 FA에서 벗어난 frataxin 식의 효과를하여 PMR 기술 ^(58)을 이용하여 검출 할 미토콘드리아 용량의 감소가 발생할 수 있음을 나타냅니다 컨트롤에 비해 과목에서 상당히 이상했다.

신뢰할 수있는 방법은 적절하게 가능하고 비용 효율적인 방식과 재현성 생체 골격근 기능의 정의는 미토콘드리아 기능에 영향을주는 질환의 범위에 따라 결과 개선에 중요하다.

이 작품은 ^31하여 PMR을 사용하여 골격근의 생체 내 최대 산화 용량을 얻기위한 강력한 절차를 설명합니다. 인 – 자석 운동 프로토콜은 물론 물리적 functiona 넓은 범위에 걸쳐 개인 용납리터의 능력과는 저렴하고 널리 사용 가능한 장비를 사용하여 간단한 주제 설정을 제공한다.

Protocol

이 프로토콜은 승인 및 인체 실험에 ​​대한 오하이오 주립 대학의 임상 시험 심사위원회의 가이드 라인을 준수합니다. MR 장비를 포함하는 모든 절차가 MR 안전 (59)의 가장 높은 표준을 준수 적절하게 훈련받은 사람이 수행하는 것이 매우 중요합니다. 1. 재료 및 준비 필요한 모든 자료 전에 실험 (그림 2)를 사용할 수 있는지 확인?…

Representative Results

재현성 연구 식스 자원 봉사자 (4 남자와 두 여자, 평균 연령 : 24.5 ± 6.2 세)없이 자기보고 심장, 대사, 또는 미토콘드리아 질환은 기술 평가 1 주일 이내에 2 개의 다른 일에 대한 설명 (31)하여 PMR 운동 및 이미징 기술의 세션을 시행 재현성 (도 6a). 일반 자원 봉사자에 수행 된 연구는 미토콘드?…

Discussion

이 논문은 골격근의 미토콘드리아 기능의 직렬 및 비 침습적 생체 측정을 준다 ^(31)하여 PMR 시험을위한 표준 프로토콜을 설명합니다. 대사 증후군의 증가 부담과 그 결과 이환율과 사망률을 대상으로 연구의 폭을 고려할 때이 프로토콜은 상당한 매력을 보유하고있다. 이렇게하여 PMR ³¹ 프로토콜 스캐너 최소의 시간을 필요로 시판 MRS 시설 어떤 중심 과목 광범위한 대사 조사…

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