Фосфор-31 спектроскопии магнитного резонанса: Прибор для измерения<em> В Vivo</em> Митохондриальной окислительное фосфорилирование потенциала в скелетных мышцах человека

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

Цель данной работы заключается в определении воспроизводимый метод неинвазивного измерения в естественных условиях скелетных мышц митохондриальной функции у лиц , обладающих широкий спектр возможностей. Ненормальная митохондриальная недостаточность является отличительной чертой широкого спектра метаболических синдромов и генетических заболеваний, от общих условий, таких как старение и диабет редких заболеваний, таких как атаксия Фридрейха.

Метаболический синдром и митохондриальной дисфункцией

Метаболический синдром было показано , чтобы нарушить функции митохондрий, угнетают скелетных мышц OXPHOS, и привести к внематочной хранения липидов в скелетных мышцах ^{1, 2.} Как критические органеллы , регулирующие метаболические и энергетический гомеостаз, митохондрии участвуют в патофизиологии ожирения ^{3, 4, 5} резистентности к инсулину </sup>, Сахарного диабета 2 типа (T2DM) ^{6, 7,} связанные с диабетом микро- ^{8, 9, 10, 11} и макрососудистых осложнений ^{12, 13,} и неалкогольный жировой болезни печени (НАЖБП) ^{14, 15, 16,} среди прочих .Insulin сопротивление характеризуется глубокими изменениями в скелетной мышечной митохондриальной активности, включая снижение митохондриальной трикарбоновых кислот (TCA) скорости потока, скорости синтеза АТФ и цитрат – синтазы и NADH: O ₂ оксидоредуктазы деятельности ^5. Одна гипотеза состоит в том, что эти изменения могут быть из-за накопления свободных жирных кислот (СЖК) метаболитов в мышцах, которые заметно дополненной во время ожирения и других ожирением Rприподнятое заболевания ^{2, 17.} Воздействие мышцы к повышенным FFAs и липидные промежуточных может уменьшить экспрессию генов в липидной окислительного пути, а также цикл ТСА и электрон-транспортной цепи (ETC) ^18. Это снижение митохондриальной скелетных мышц потенциала OXPHOS в установке перегрузки липидного сопровождается снижением количественного (содержание и биогенеза митохондрий) ¹⁹ и качественная функция скелетных мышц митохондрий ^20. Разоблачение скелетных мышц и миоцитов к FFAs приводит к тяжелой резистентности к инсулину, а также увеличение поглощения СЖК в мышцах связано с устойчивостью к инсулину у людей и грызунов ^21. Липидный промежуточные керамиды и диацилглицеринацилтрансферазы (ДАГ) было показано, что непосредственно ингибирует секрецию инсулина пути путем изменения активности киназ, таких как протеинкиназа С и PROTЭйн – киназы B ^21. Поэтому, липидные молекулы, полученные по-видимому, играют важную роль в развитии скелетных мышц резистентности к инсулину и СД2. Тем не менее, остается неясным , являются ли изменения в митохондриальной емкости причиной или следствием резистентности к инсулину ^22.

Фридриха атаксия и митохондриальной дисфункцией

Уменьшенные OXPHOS может также возникать в результате генетических дефектов. Атаксия Фридриха (ФА), является наиболее распространенной формой наследственной атаксии, это генетическое нарушение , вызванное мутацией в фратаксина (FXN) гена, в результате чего внутри митохондриальной накопления железа, реактивного производства активных форм кислорода, а также нарушения окислительного фосфорилирования ^{23, 24, 25, 26.} Это важное открытие привело к разработке целенаправленной терапии, whicч целью улучшить митохондриальную функцию на субклеточном уровне. Несмотря на это понимание, было ограниченное развитие в естественных условиях, воспроизводимые биомаркеры для ФА клинических исследований. На самом деле, критический барьер в эффективной оценки целевой терапии в ФА является невозможность отслеживать изменения в митохондриальной функции. Современные функциональные меры, например, может идентифицировать снижение сердечного выброса; Тем не менее, они не способны определить уровень , при котором происходит нарушение функции (рисунок 1). Разработка надежного маркера митохондриальной функции, которые могут быть использованы для идентификации и оценки прогрессирования заболевания в атаксии Фридриха имеет решающее значение для оценки соответствующего механистического воздействия целенаправленной терапии.

Недостатками OXPHOS и дисфункцией сердца

Ненормальная митохондриальной функции, либо приобретенные или генетические, могли бы внести свой вклад в развитие или прогрессирование КардиAC дисфункция. В условиях перегрузки давления и сердечной недостаточности, первичной энергии предпочтения субстрат переходит из СЖК в глюкозу. Это связано со снижением активности ЕТС и окислительного фосфорилирования ^27. Патофизиологии митохондриальных биоэнергетика в сердечной дисфункции может быть различным в зависимости от первичного происхождения митохондриальной дефекта. Сахарный диабет и метаболические синдром приводит к митохондриальных нарушений в миокарде, таких как нарушения биогенеза и метаболизм жирных кислот, которые приводят к снижению гибкости подложки, эффективность использования энергии, и в конечном счете, диастолической дисфункции ^{28, 29.} В FA, с другой стороны, дефицит фратаксин приводит к значительному митохондриальной накопления железа в кардиомиоцитах ^{30, 31.} Накопление железа приводит к образованию свободных радикалов , с помощью реакции Фентона ^{32 <}/ SUP> и увеличивает вероятность свободных радикалов-индуцированных повреждений кардиомиоцитов. Накопление Intra-митохондриального железа также связан с повышенной чувствительностью к окислительному стрессу и пониженной окислительной способности ^{30, 31.} Накопление железа и последующее аберрантное функции митохондрий, из – за дефицита фратаксина, может поэтому нести ответственность за нарушениями сердечной энергетики и кардиомиопатии , наблюдаемых в FA ^{33, 34.} Также интересно отметить , что уменьшение окислительного потенциала в скелетных мышечных митохондрий параллелен непереносимость физических нагрузок и снижение метаболического потенциала при сердечной недостаточности (СН) ^35. Измерение скелетных мышц потенциала OXPHOS, как подробно описано в настоящем документе, легко осуществимыми и надежный; в сочетании со значением скелетных мышц OXPHOS в HF, эти особенности делают его привлекательным биомаркеров в комплексных исследованиях услышатьт болезнь ^36.

Недостатками OXPHOS и сопутствующая сердечная дисфункция не является несущественным аспектом метаболических и митохондриальных заболеваний. Пациенты с сахарным диабетом и метаболическим заболеванием подвержены более высокому риску развития сердечно – сосудистых заболеваний и имеют повышенную смертность после инфаркта миокарда (ИМ) ^{37, 38, 39, 40, 41;} более половины субъектов ФА имеют кардиомиопатию, и многие умирают от сердечной аритмии или сердечной недостаточности ^42. Таким образом, количественное определение восстановленного OXPHOS может не только позволить для раннего выявления и лечения сердечной дисфункции, но она также может облегчить значительное клиническое бремя этих заболеваний.

Таргетной терапии непосредственно увеличить пропускную способность OXPHOS является перспективной областью для улучшения лечения субъектов, WheTher причиной метаболического дисфункции является генетической или приобретенной. В настоящее время разработка новых целевых препаратов , которые либо облегчить аномальную митохондриальную функцию ⁴³ или исправить основной генетический дефект ⁴⁴ может улучшить нарушенного биоэнергетический характеристику FA. В случае приобретенной дисфункции митохондрий, увеличение физической активности может улучшить функции митохондрий ^{45, 46, 47.}

³¹ Фосфор магнитно – резонансная спектроскопия как неинвазивной биомаркером митохондриальной функции

Независимо от испытанной терапии, интегрированный в естественных условиях оценки скелетных мышц биоэнергетики является важным инструментом для оценки воздействия целенаправленных мер, особенно у пациентов с тяжелой физической непереносимости или невозможности пройти обычную MetaboЛИК тестирование. Магнитно – резонансная спектроскопия настроен на фосфором ⁽³¹ PMRS), эндогенной ядра , найденного в различных высокоэнергетических субстратов в клетках по всему телу, была использована для количественного определения митохондриального окислительного потенциала с использованием различных подходов, в том числе в магнитах протоколы физическими упражнениями по восстановлению и стимуляция мышц протоколы ^48. Протоколы физическими упражнениями восстановления полагаются на разнообразие аппаратов в диапазоне сложности от МРТ-совместимых эргометров, которые регулируют и измеряют нагрузку на простые конфигурации ремней и накладок, позволяющих пульсирующего резистивных и квазистатического физических упражнений. Одной из основных задач любого из этих протоколов является создание энергетического дисбаланса , для которого спрос на аденозинтрифосфата (АТФ) сначала удовлетворяются посредством ферментативного расщепления фосфокреатина (ПЦР) через креатин киназной реакции ^49. После прекращения упражнений, скорость производства АТФ преобладает окислительное фоsphorylation и представляет собой максимум в естественных условиях способности митохондрий ^50. Кроме того, OXPHOS во время восстановления после упражнений можно описать с помощью реакции первого порядка скорости ^51. Поэтому восстановление после тренировки пПР может быть количественно определена путем подгонки экспоненциальной постоянной времени (τ _пПО), с меньшими значениями т _PCr , представляющих большие возможности для синтеза АТФ окислительный. Значительные усилия были предприняты для проверки ³¹ PMRS против экс естественных условиях и более прямые меры OXPHOS и демонстрируют потенциальную клиническую применимость этого метода ^{52, 53, 54, 55.}

Следует отметить, что протокол, описанный в этой работе, могут быть реализованы на клинически доступных сканеров, и она широко удостоверено как неинвазивного биомаркера OF митохондриальной функции ^56. Тем не менее, это упражнение ³¹ PMRS протокол оптимизирован для применения к лицам с различной степени тяжести нервно – мышечной нарушений или мобильности не было хорошо известно ^57. Четкая, широко применяется протокол-упражнения и ³¹ техника PMRS бы особенно полезно при оценке заболеваний с фундаментальными нарушениями в митохондриальной функции.

Несколько предыдущие исследования исследовали применение неинвазивных методов для количественной оценки митохондриальной функции в субъектах. Например, эти методы показали улучшенный OXPHOS у пациентов с сахарным диабетом 2 типа ^36. Лоди и др. впервые опробован целесообразность методов PMRS у субъектов с ФА и обнаружили, что 1) фундаментальный генетический дефект в FA ухудшает скелетных мышц OXPHOS и 2) число GAA триплетных повторов обратно пропорциональна скелетной мышце OXPHOS ^33. Совсем недавно, Nachbauer и др. б PMRS в качестве вторичного исхода мерой в суде наркотиков FA с 7 предметов. ПЦР время восстановления было значительно дольше у пациентов по сравнению с контрольной группой , подтвердив более ранние работы Лоди и о том , что последствия аномальным экспрессии фратаксина в ФА может привести к снижению митохондриального потенциала , что может быть обнаружено с использованием методов PMRS ^58.

Надежные методы адекватно определить в естественных условиях функции скелетных мышц в возможной, экономически эффективным и воспроизводимым образом имеют решающее значение для улучшения предметных результатов в целом ряде заболеваний , которые влияют на митохондриальную функцию.

Эта работа описывает надежную процедуру получения в естественных условиях максимальной окислительной способности скелетных мышц с использованием ³¹ PMRS. Протокол упражнения в магнитах хорошо переносится людьми, охватывающих широкий спектр физической и functionaл способности и дает упрощенную установку объекта с использованием недорогого и широко доступного оборудования.

Protocol

Этот протокол утвержден и соответствует рекомендациям Совета по биомедицинской этике Университета штата Огайо для исследования человеческих субъектов. Крайне важно , чтобы все процедуры , связанные с MR оборудования выполняются хорошо подготовленным персоналом , прилипших к самым вы?…

Representative Results

Воспроизводимость Исследование Шесть добровольцев (4 мужчин и 2 женщины, средний возраст: 24.5 ± 6,2 года) без самооценка сердца, метаболическими или митохондриального заболевания прошли сеансы описанного 31 PMRS упражнений и…

Discussion

Этот документ описывает стандартный протокол для ³¹ PMRS экспертизы , что дает последовательный и неинвазивного измерения в естественных условиях скелетных мышц митохондриальной функции. Протокол имеет значительную привлекательность при рассмотрении вопроса о широте иссле?…

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