This work was supported in part by a Davis Heart and Lung Research Institute Trifit Award, as well as by the Intramural Research Program of the NIH National Institute on Aging.

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 <ol><li> 필요한 모든 자료 전에 실험 (그림 2)를 사용할 수 있는지 확인합니다. </li><li> 보어에 가까운 시험 테이블의 끝에있는 테이블 코일 커넥터에 31 P 코일 플러그. MR이 시험 테이블의 머리 근처에 큰 삼각형 폼 쿠션을 배치 있지만 직접 31 P 코일에. 주제 편안함를 들어, MR 시험 테이블, 구멍에서 먼의 다른 쪽 끝에서 머리 베개를 놓습니다. </li></ol> 2. 주제의 위치 (그림 3a) <ol><li> 부정사, 발을 거짓말을 주제 지시MR이 테이블에 첫 번째. 부분적으로 굴곡 위치에 다리를지지하는 무릎 아래 발포 쿠션 놓는다. </li><li> 따라서 시험하에 대퇴부 근육에 최적 B0 균일 성을 확보 가능한 자석 등각에 가깝게 왼쪽 허벅지 중앙하기 위해 테이블 ​​(피사체의 우측)의 우측에 가까운 피사체를 배치. 귀 플러그 및 / 또는 헤드폰 주제를 제공합니다. </li><li> 슬개골과 대퇴골 사이의 대략 중간 지점에서 왼쪽 대퇴사 두근의 31 P의 RF 코일을 놓고 끈을 사용하여 다리에 고정합니다. 광근 lateralis 위에 다리의 측면 부분을 통해 코일을 배치합니다. </li><li> 다리에 코일을 고정하는 데 사용되는 동일한 스트랩 대퇴부의 내측 측면에 베이비 오일을 확보. 이 스캔 파악을 용이하게한다. </li><li> 코일 아래 무릎 위에 배치 스트랩과 함께 피사체의 다리를 바인딩합니다. 추가 STRA과 MR 테이블에 환자의 다리를 고정추신, 무릎 하나는 무릎과 발목 사이에 하나의 중간. </li><li> 코일의 중심의 윤곽이 센터링 랜드 마크를 사용하여 자석 등각으로 테이블을 이동하도록, 레이저 광 가이드를 사용한다. </li></ol> 3. 운동 프로토콜 <ol><li> 운동 프로토콜은 세 단계로 구성 주제에 설명 : 초기, 초기 단계; 짧고 강렬한 운동 단계; 및 복구 단계. </li><li> 가만히 누워 및 모션 아티팩트를 최소화하기 위해 분광법 취득의 기준 및 복구 단계에서 자신의 다리 근육을 휴식을 취할 수있는 주제를 지시한다. </li><li> 운동의 시작을 나타내는 주제에 카운트 다운을 제공합니다. 이 때, 피사체가 스트랩의 저항에 대해 가능한 빨리 같은 강제적 무릎 확장 / 굴곡을 개시하고있다. 참고 : 대퇴사 두근 근육이 중지 지시가있을 때까지, 위, 아래, 왼쪽 종아리를 이동하는 데 사용됩니다. </li><li> 30 % 하락 후 운동을 종료PCR 반응의 피크 높이이다. <ol><li> 인수 뷰어 창에서 PCR 피크 높이를 관찰하고, 또한 운동 순서가 완료되면 그것을 볼 수 있습니다. 주 : 일반 지침은 PCR 피크 높이의 대략 30 % 감소가 PCR 피크의 높이의 50 % 인 파이 피크에 대응하는 점이다. PCR 붕괴 시험에서의 수행 단계에서 30 % 감소를 달성하기 위해 충분히 빠르게 발생하지 않으면 어렵거나 빠른 운동하면서 차고 피사체 바랍니다. 주 : 운동 중단은 PCR 피크 높이와 운동 지속 기간을 모니터링함으로써 결정된다. 이는 다른 환자의 운동의 약간 다른 기간을에서 발생할 수 있습니다 및 분석에 설명 될 수있다. </li></ol></li></ol> 4. 스캔 프로토콜 <ol><li> 적절한 자기 위치를 확인하고 31 P 코일의 위치를 식별하기 위해 트라이 평면 로컬 라이저를 획득. 참고 : 로컬 라이저 순서가 자동으로 시작되고 인도어에서 센터레이저 광 가이드를 사용 ated 위치 (2.9 단계) </li><li> 두 번째 트라이 평면 로컬 라이저를 획득. <ol><li> 첫 번째 트라이 - 비행기 로컬 라이저 이미지에 슬라이스 뷰를 엽니 다. 참고 :이 프로세스는 서로 다른 소프트웨어와 하드웨어 시스템 다를 수 있습니다. </li><li> 센터와 왼쪽 버튼으로 클릭하고 슬라이스 그룹에 길게 슬라이스 방향을 돌립니다. 슬라이스 그룹을 돌립니다. 조각의 최종 방향이 베이비 오일의 위치와 일치하는지 확인합니다. </li><li> 시퀀스 루틴 창에서 축 및 시상 영상 (도 3b)의 전체 다리를 덮도록 조각의 수를 증가시킨다. </li></ol></li><li> 31 P 분광법 서열 <ol><li> 다음 지역화되지 않은 펄스 획득 시퀀스 매개 변수를 사용하여 TR : 1,000 밀리 초; TE : 0.34 밀리 초; 스펙트럼 폭 : 2,000 Hz에서; 플립 각도 : 90도; 획득 한 데이터 포인트 : 1,024; 한 스펙트럼 매 6 초 시간 해상도 얻어진 평균 4. </li></ol></li><li> 31 P 끼움 보X 배치 : <ol><li> 마우스를 사용하여, 화면 상단의보기 창에 두 번째 triplane의 로컬 라이저 이미지를 드래그합니다. 프로토콜 창에 분광 순서를 드래그하고 두 번 클릭하여 엽니 다. </li><li> 심 복셀을 (수평 라인 검은 사각형을 선택)을 시각화하는 위치 도구 모음을 사용합니다. 이 옵션을 선택하면, 로컬 라이저 이미지에 녹색 상자를 관찰합니다. 주 :이 심 복셀이다. </li><li> 왼쪽 클릭하여 복셀를 이동하고 중앙의 복셀을 들고. 크기를 변경하고 왼쪽 버튼을 클릭하여 복셀의 방향을 회전 상자의 모서리에있는 복셀을 들고입니다. 직접 코일 아래 B0 필드 균질성을 보장 및 대퇴사 두근의 평면에 평행하도록 심 창을 배치. 주 :이 직접 코일의 중심 아래의 조직의 볼륨 코일 아래에 민감한 영역 내의 적절한 shimming을 보장하는 것이다. </li><li> sensitiv를 식별 트라이 로컬 라이저 평면 화상을 사용하여전자 코일의 영역은 대퇴사 두근 근육 내에서이 지역을 포함하는 심 상자를 조정합니다. 주 : 끼움 박스는 데이터 수집 복셀 (도 3c) 내의 B0 균일 성을 확보하기 위하여 표면 코일의 진정한 범위보다 클 수있다. </li><li> 31 P 테스트 취득 : <ol><li> 인수 뷰어 창을 열고 획득 도구 모음에서 헤드 아이콘을 선택합니다. 이것은 실시간 분광 취득 볼 수있게된다. </li><li> 31P 심 복셀의 배치 후, 프로토콜 창 상단의 &quot;실행&quot;버튼을 클릭하여 하나의 스펙트럼을 얻기 위해 순서를 실행합니다. </li><li> B0의 shimming의 품질을 검사합니다. 인수 창에서 결과 스펙트럼을 관찰한다. 0 ppm의 중심으로 눈에 잘 띄는 PCR 피크와 유의 잡음 (그림 4a, 왼쪽)을 관찰한다. 참고 : 문제 해결 : 스펙트럼 잡음이 나타나면, 심 상자가 근육 내에 배치되어 있는지 확인합니다. 광고단지 크기와 끼움 박스의 위치는 신호 대 잡음비를 향상시킬 수있다. 필요에 따라 테스트 인수를 반복합니다. </li><li> ( &quot;응용 프로그램&quot;→ &quot;분광학을&quot;)는 PCR 피크 높이를 참조 분광 도구의 스펙트럼을 열기 위해. 환자의 폴더 (폴더 트리 아이콘)을 열고 적절한 검사를 선택하고 스펙트럼을로드 할 두 번 클릭합니다. </li></ol></li></ol></li><li> 사전 운동 T1 이미지 : <ol><li> 코일의 중심에 단일 슬라이스 축 T1 강조 영상을 얻습니다. </li></ol></li><li> 31 P 사전 운동 인수 : <ol><li> 왼쪽 버튼으로 클릭하고 프로토콜 창에서 시퀀스를 드래그하여 (최고 스펙트럼 품질을 생산) 단계 4.4에서 시퀀스를 복사합니다. 이후의 모든 측정이 시퀀스를 사용합니다. </li><li> 피사체가 정지 상태에서 순서 루틴 창에서 열 측정을 수집하기 위해 1에서 10까지 선택 실행에서 측정의 수를 증가. </li></ol></li><li> 31 &lt;/ SUP&gt; P 운동 인수 : 참고 :이 분석을 위해 중요 할 것이다으로, 시작과 끝 운동 시간의주의를 기록합니다. <ol><li> 나머지 : 이전 검사에서 심 설정을 적용하고 20 측정을 취득하는 순서를 설정합니다. 카운트 다운 후 발로 시작 피사체를 지시한다. 2 측정을 위해 나머지에 남아 제목을 지시한다. </li><li> 운동 ~ 30 초 동안 무릎 확장 운동 (또는 PCR 피크 진폭의 30 % 감소를 달성하는데 필요한 시간)을 수행하는 피사체를 묻는다. 피사체가 충분한 PCR 고갈을 달성 한 후, 휴식을 요청합니다. </li></ol></li><li> (31) P 운동 후 인수 : <ol><li> 나머지 추가 (20) 측정을 획득. 후 운동 인수 (오른쪽,도 4a) 일시 중지 또는 shimming없이 운동 순서 다음 즉시 시작되었는지 확인합니다. 참고 : 두 개의 별도의 인수로이 회복 기간의 세분은 내가 분석을 허용운동을 반복해야 할 경우 작업자가 전체 복구 기간의 취득을 방지 할 수 있도록 상기 제 20의 동적 스펙트럼의 획득 동안 20 nitial 동적 스펙트럼. </li></ol></li><li> 운동 품질을 보장 ​​: <ol><li> 시작과 운동의 끝에서 PCR 피크 높이를 비교합니다. 고품질 운동 세션은 PCR 농도의 ~ 30 %의 감소를 초래한다. </li><li> PCR을 피크 높이가 나머지의 시작과 회복의 끝에서 동일한 것을 확인한다 (일반적으로 &lt;10 %의 차이는 바람직하다). 이 금액은 취득시 필드 동질성의 무시할 손실이 있다는 것을 보장합니다. 참고 : PCR 고장이 부족, 또는 필드 균질성의 손실이 된 경우, 다음 (피로하지 않도록주의하면서) 시험의 행사 / 복구 부분을 반복하면, 코일과 스트랩이 단단히 연결되어 있는지 확인하고 확장 운동 및 / 또는 지속 기간은 더 격렬한 운동을 장려 (그림 4B). 아니E는 : 단계 6 및 11에 따라 추가의 품질 관리 단계에서 얻어진 이미지의 비교 따라서 최소한의 운동이 크게 수집 된 데이터에 영향을 미칠 수있는 프로토콜 동안 발생한 것을 보장 때문에 연습 허벅지 및 코일 중 하나의 변위를 시각화 . </li></ol></li><li> 운동 후 T1 촬상 후, 동일한 획득 파라미터를 이용 T1 촬상 (단계 45) 축 전 운동을 반복한다. <ol><li> PCR 충분히 공핍뿐만 아니라, 운동 근육 증을 유발하지 않았다는 것을 확인하기 위해 최종 운동의 pH를 측정한다. </li><li> 파이 및 PCR (ΔP I)의 화학적 변화를 측정하고, 다음 식 (60)를 사용하여이를 수행 의 pH = 6.77 + 로그 [(ΔP 내가 -3.29) / (전 5.68 - ΔP)] 주 : pH가보다 큰 6.8 (61)를 유지해야합니다. PCR을 고장이 충분하지만, pH가 너무 낮 으면, 단 대한 운동 시합 반복시간 및 / 또는 감소 된 강도 ER. </li></ol></li><li> 데이터 저장 : <ol><li> DICOM 파일로 모든 인수 스펙트럼을 저장하고 JMRUI를 사용하여 처리를 내보낼 수 있습니다. </li><li> 스캐너를 사용하는 경우, &quot;탐색기&quot;창에서 모든 분광 인수를 선택합니다. </li><li> 에서 &quot;응용 프로그램&quot;, &quot;DICOM 도구&quot;→ &quot;수출 MR 분광학을&quot;를 선택하고 C에 DICOM (* .dcm) 파일을 저장 : / 사용자 / MEDCOM / 온도 / CDROFFLINE (도구가 자동으로 위치를 선택합니다). </li><li> 에서 &quot;전송&quot;, &quot;오프라인으로 내보내기&quot;를 선택합니다. 원하는 위치에 저장합니다. </li></ol></li></ol> 5. 데이터 처리 및 분석 (62) <ol><li> 자유롭게 사용할 수 JMRUI 소프트웨어 (; http://www.jmrui.eu/ 버전 5.2)과 MR 스펙트럼을 분석합니다. </li><li> Apodize 및 위상 모두 취득한 시점 (도 5)에 걸쳐 균일 성을 보장하기 위해 스펙트럼을 이동. PCR을 피크 중심 될스펙트럼에서 t 0 ppm으로. </li><li> 각 스펙트럼을 취득 PCR에서 피크의 진폭을 정량화 내장 Amares의 알고리즘을 사용한다. 피크 진폭은 특정 시점에서 표면 코일의 구분 영역 내의 PCR의 농도를 나타낸다. </li><li> 계산 소프트웨어에서 획득 시간의 함수로서 PCR 농도를 플롯. 사용 내장 계산 소프트웨어 곡선 맞춤 도구, 다음 식 (52), (63)의 PCR 회복 기간 데이터를 적합 : <img alt="식 (1)" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq1.jpg" /></li><li> (기준 PCR의 값을 기록 <img alt="식 (2)" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq2.jpg" /> ) 최저 PCR ( <img alt="식 (3)" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq3.jpg" /> ) 및 회복 시간 ( <img alt="식 (4)" src="/files/ftp_upload/54977/54977eq4.jpg" /> . </li><li> 적절한 조건이 exer 동안을 충족하는지 확인PCR을 고갈 기준선 PCR 및 PCR 간의 낮은 비율 차이를 계산함으로써 CISE 세션. 50 % 고갈 - 이상적인 운동 세션 20 초래한다. 주 : 커브 피팅의 품질은 R 값이 0.75보다 큰 것으로 확인함으로써 확보 할 수있다. 이 R 값은 자동 피팅 소프트웨어에 의해 계산된다. </li></ol>

The authors have nothing to disclose.

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...

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&gt; 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 &lt;통해 자유 라디칼의 제조에 이르게/ SUP&gt; 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.

<table><tbody><tr><td>1.5 T MR Scanner</td><td>Siemens</td><td></td><td>manufacturer will not affect results</td></tr><tr><td>10 cm 31P transmit-receive coil, 1.5T compatible</td><td>PulseTeq</td><td></td><td>manufacturer will not affect results</td></tr><tr><td>3 fl oz Baby Oil</td><td>Johnson &amp;amp; Johnson</td><td></td><td>manufacturer will not affect results</td></tr><tr><td>Foam triangle cushion (Knee)</td><td>Siemens</td><td></td><td>manufacturer will not affect results</td></tr><tr><td>(3) plastic buckle resistive straps; table to table</td><td>Siemens</td><td></td><td>manufacturer will not affect results</td></tr><tr><td>(1) plastic buckle resistive strap; self-connecting</td><td>Siemens</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopy: a tool for measuring in vivo mitochondrial oxidative phosphorylation capacity in human skeletal muscle

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.

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?...

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Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

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.

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

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo ...

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Research

JoVE Journal

Medicine

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

11.6K 조회수.  The Ohio State University. 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. 

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Using Isolated Mitochondria from Minimal Quantities of Mouse Skeletal Muscle for High throughput Microplate Respiratory Measurements

Skeletal muscle mitochondria play a specific role in many disease pathologies. As such, the measurement of oxygen consumption as an indicator of mitochondrial function in this tissue has become more prevalent. Although many technologies and assays exist that measure mitochondrial respiratory pathways in a variety of cells, tissue and species, there is currently a void in the literature in regards to the compilation of these assays using isolated mitochondria from mouse skeletal muscle for use in microplate based technologies. Importantly, the use of microplate based respirometric assays is growing among mitochondrial biologists as it allows for high throughput measurements using minimal quantities of isolated mitochondria. Therefore, a collection of microplate based respirometric assays were developed that are able to assess mechanistic changes/adaptations in oxygen consumption in a commonly used animal model. The methods presented herein provide step-by-step instructions to perform these assays with an optimal amount of mitochondrial protein and reagents, and high precision as evidenced by the minimal variance across the dynamic range of each assay.

The methods presented provide step-by-step instructions for the performance of a collection of microplate based respirometric assays using isolated mitochondria from minimal quantities of mouse skeletal muscle. These assays are able to measure mechanistic changes/adaptations in mitochondrial oxygen consumption in a commonly used animal model.

높은 처리량 마이크로 호흡 측정을위한 마우스 골격근의 최소 수량에서 미토콘드리아 격리 사용

Skeletal muscle mitochondria play a specific role in many disease pathologies. As such, the measurement of oxygen consumption as an indicator of ...

연구

발생학

An in vivo Rodent Model of Contraction-induced Injury and Non-invasive Monitoring of Recovery

Muscle strains are one of the most common complaints treated by physicians. A muscle injury is typically diagnosed from the patient history and physical exam alone, however the clinical presentation can vary greatly depending on the extent of injury, the patient's pain tolerance, etc. In patients with muscle injury or muscle disease, assessment of muscle damage is typically limited to clinical signs, such as tenderness, strength, range of motion, and more recently, imaging studies. Biological markers, such as serum creatine kinase levels, are typically elevated with muscle injury, but their levels do not always correlate with the loss of force production. This is even true of histological findings from animals, which provide a "direct measure" of damage, but do not account for all the loss of function. Some have argued that the most comprehensive measure of the overall health of the muscle in contractile force. Because muscle injury is a random event that occurs under a variety of biomechanical conditions, it is difficult to study. Here, we describe an in vivo animal model to measure torque and to produce a reliable muscle injury. We also describe our model for measurement of force from an isolated muscle in situ. Furthermore, we describe our small animal MRI procedure.

An in vivo Rodent Model of Contraction-induced Injury and Non-invasive Monitoring of Recovery

An in vivo animal model of injury is described. The method takes advantage of the subcutaneous position of the fibular nerve. Velocity, timing of muscle activation, and arc of motion are all pre-determined and synchronized using commercial software. Post injury changes are monitored in vivo using MR imaging/spectroscopy.

생체내에</em수축 유도 부상 및 복구의 비침습 모니터링> 쥐 모델

Muscle strains are one of the most  common complaints treated by physicians. A muscle injury is typically diagnosed from the patient history and  physical ...

의학

Assessing Mitochondrial Function in Sciatic Nerve by High-Resolution Respirometry

Mitochondrial dysfunction in peripheral nerves accompanies several diseases associated with peripheral neuropathy, which can be triggered by multiple causes, including autoimmune diseases, diabetes, infections, inherited disorders, and tumors. Assessing mitochondrial function in mouse peripheral nerves can be challenging due to the small sample size, a limited number of mitochondria present in the tissue, and the presence of a myelin sheath. The technique described in this work minimizes these challenges by using a unique permeabilization protocol adapted from one used for muscle fibers, to assess sciatic nerve mitochondrial function instead of isolating the mitochondria from the tissue. By measuring fluorimetric reactive species production with Amplex Red/Peroxidase and comparing different mitochondrial substrates and inhibitors in saponin-permeabilized nerves, it was possible to detect mitochondrial respiratory states, reactive oxygen species (ROS), and the activity of mitochondrial complexes simultaneously. Therefore, the method presented here offers advantages compared to the assessment of mitochondrial function by other techniques.

High-resolution respirometry coupled to fluorescence sensors determines mitochondrial oxygen consumption and reactive oxygen species (ROS) generation. The present protocol describes a technique to assess mitochondrial respiratory rates and ROS production in the permeabilized sciatic nerve.

고해상도 호흡 측정법에 의한 좌골 신경의 미토콘드리아 기능 평가

Mitochondrial dysfunction in peripheral nerves accompanies several diseases associated with peripheral neuropathy, which can be triggered by multiple ...

생화학

Mitochondrial Functional Assessment in Brush Lizard Liver Mitochondria

Assessment of Mitochondrial Oxygen Consumption Using a Plate Reader-based Fluorescent Assay

Mitochondria serve many important functions, including cellular respiration, ATP production, controlling apoptosis, and acting as a central hub of metabolic pathways. Therefore, experimentally assessing mitochondrial functionality can provide insight into variations among different populations or disease states. Additionally, it is valuable to assess whether isolated mitochondria are healthy enough to proceed with experiments. One characteristic often used to compare mitochondrial function in different samples is the rate of oxygen consumption. Oxygen consumption and subsequent calculation of the respiratory control ratio in either intact cells or mitochondria isolated from tissue can serve all three purposes. Using mitochondria isolated from the livers of brush lizards in conjunction with a phosphorescent probe that is sensitive to the fluctuations in oxygen concentration of a solution, we measured oxygen consumption using a fluorescent plate reader. This method is not only quick and efficient but also can be conducted with a small amount of mitochondria and without the need for specialized equipment. The step-by-step protocol described here increases the accessibility of mitochondrial functional assessment to researchers.

Assessment of oxygen consumption provides integral information about mitochondrial function. Using a phosphorescent probe with a fluorescent plate reader, accurate and reproducible data can be obtained easily without specialized equipment. This assay enables any lab to measure the oxygen consumption of isolated mitochondria and calculate respiratory control ratios.

Mitochondria serve many important functions, including cellular respiration, ATP production, controlling apoptosis, and acting as a central hub of ...

Skeletal Muscle Neurovascular Coupling, Oxidative Capacity, and Microvascular Function with 'One Stop Shop' Near-infrared Spectroscopy

Exercise represents a major hemodynamic stress that demands a highly coordinated neurovascular response in order to match oxygen delivery to metabolic demand. Reactive hyperemia (in response to a brief period of tissue ischemia) is an independent predictor of cardiovascular events and provides important insight into vascular health and vasodilatory capacity. Skeletal muscle oxidative capacity is equally important in health and disease, as it determines the energy supply for myocellular processes. Here, we describe a simple, non-invasive approach using near-infrared spectroscopy to assess each of these major clinical endpoints (reactive hyperemia, neurovascular coupling, and muscle oxidative capacity) during a single clinic or laboratory visit. Unlike Doppler ultrasound, magnetic resonance images/spectroscopy, or invasive catheter-based flow measurements or muscle biopsies, our approach is less operator-dependent, low-cost, and completely non-invasive. Representative data from our lab taken together with summary data from previously published literature illustrate the utility of each of these end-points. Once this technique is mastered, application to clinical populations will provide important mechanistic insight into exercise intolerance and cardiovascular dysfunction.

Here, we describe a simple, non-invasive approach using near-infrared spectroscopy to assess reactive hyperemia, neurovascular coupling and skeletal muscle oxidative capacity in a single clinic or laboratory visit.

골격 근육 혈관 결합, 산화 용량 및 Microvascular 함수 '원스톱 쇼핑' 근처-적외선 분광학

Exercise represents a major hemodynamic stress that demands a highly coordinated neurovascular response in order to match oxygen delivery to metabolic ...

High-resolution Respirometry to Assess Mitochondrial Function in Permeabilized and Intact Cells

A high-resolution oxygraph is a device for measuring cellular oxygen consumption in a closed-chamber system with very high resolution and sensitivity in biological samples (intact and permeabilized cells, tissues or isolated mitochondria). The high-resolution oxygraph device is equipped with two chambers and uses polarographic oxygen sensors to measure oxygen concentration and calculate oxygen consumption within each chamber. Oxygen consumption rates are calculated using software and expressed as picomoles per second per number of cells. Each high-resolution oxygraph chamber contains a stopper with injection ports, which makes it ideal for substrate-uncoupler-inhibitor titrations or detergent titration protocols for determining effective and optimum concentrations for plasma membrane permeabilization. The technique can be applied to measure respiration in a wide range of cell types and also provides information on mitochondrial quality and integrity, and maximal mitochondrial respiratory electron transport system capacity.

High-resolution respirometry is used to determine mitochondrial oxygen consumption. This is a straightforward technique to determine mitochondrial respiratory chain complexes&#39; (I-IV) respiratory rates, maximal mitochondrial electron transport system capacity, and mitochondrial outer membrane integrity.

고해상도 호흡율은 투과성이 그대로 세포에서 미토콘드리아 기능을 평가하는

A high-resolution oxygraph is a device for measuring cellular oxygen consumption in a closed-chamber system with very high resolution and sensitivity in ...

생물학

Isolation of Mitochondria from Mouse Skeletal Muscle for Respirometric Assays

Most of the cell&#39;s energy is obtained through the degradation of glucose, fatty acids, and amino acids by different pathways that converge on the mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) system, which is regulated in response to cellular demands. The lipid molecule Coenzyme Q (CoQ) is essential in this process by transferring electrons to complex III in the electron transport chain (ETC) through constant oxidation/reduction cycles. Mitochondria status and, ultimately, cellular health can be assessed by measuring ETC oxygen consumption using respirometric assays. These studies are typically performed in established or primary cell lines that have been cultured for several days. In both cases, the respiration parameters obtained may have deviated from normal physiological conditions in&#160;any given organ or tissue.
Additionally, the intrinsic characteristics of cultured single fibers isolated from skeletal muscle impede this type of analysis. This paper presents an updated and detailed protocol for the analysis of respiration in freshly isolated mitochondria from mouse skeletal muscle. We also provide solutions to potential problems that could arise at any step of the process. The method presented here could be applied to compare oxygen consumption rates in diverse transgenic mouse models and study the mitochondrial response to drug treatments or other factors such as aging or sex. This is a feasible method to respond to crucial questions about mitochondrial bioenergetics metabolism and regulation.

Here, we describe a detailed method for mitochondria isolation from mouse skeletal muscle and the subsequent analysis of respiration by Oxygen Consumption Rate (OCR) using microplate-based respirometric assays. This pipeline can be applied to study the effects of multiple environmental or genetic interventions on mitochondrial metabolism.

호흡 측정을 위한 마우스 골격근으로부터 미토콘드리아의 분리

Most of the cell&#39;s energy is obtained through the degradation of glucose, fatty acids, and amino acids by different pathways that converge on the ...

High-Resolution Fluoro-Respirometry of Equine Skeletal Muscle

Mitochondrial function-oxidative phosphorylation and the generation of reactive oxygen species-is critical in both health and disease. Thus, measuring mitochondrial function is fundamental in biomedical research. Skeletal muscle is a robust source of mitochondria, particularly in animals with a very high aerobic capacity, such as horses, making them ideal subjects for studying mitochondrial physiology. This article demonstrates the use of high-resolution respirometry with concurrent fluorometry, with freshly harvested skeletal muscle mitochondria, to quantify the capacity to oxidize substrates under different mitochondrial states and determine the relative capacities of distinct elements of mitochondrial respiration. Tetramethylrhodamine methylester is used to demonstrate the production of mitochondrial membrane potential resulting from substrate oxidation, including calculation of the relative efficiency of the mitochondria by calculating the relative membrane potential generated per unit of concurrent oxygen flux. The conversion of ADP to ATP results in a change in the concentration of magnesium in the reaction chamber, due to differing affinities of the adenylates for magnesium. Therefore, magnesium green can be used to measure the rate of ATP synthesis, allowing the further calculation of the oxidative phosphorylation efficiency (ratio of phosphorylation to oxidation [P/O]). Finally, the use of Amplex UltraRed, which produces a fluorescent product (resorufin) when combined with hydrogen peroxide, allows the quantification of reactive oxygen species production during mitochondrial respiration, as well as the relationship between ROS production and concurrent respiration. These techniques allow the robust quantification of mitochondrial physiology under a variety of different simulated conditions, thus shedding light on the contribution of this critical cellular component to both health and disease.

Horses have an exceptional aerobic exercise capacity, making equine skeletal muscle an important tissue for both the study of equine exercise physiology as well as mammalian mitochondrial physiology. This article describes techniques for the comprehensive assessment of mitochondrial function in equine skeletal muscle.

말 골격근의 고분해능 불소 호흡 측정

Mitochondrial function-oxidative phosphorylation and the generation of reactive oxygen species-is critical in both health and disease. Thus, measuring ...

Investigating Cardiac Metabolism in the Isolated Perfused Mouse Heart with Hyperpolarized [1-13C]Pyruvate and 13C/31P NMR Spectroscopy

Metabolism is the basis of important processes in cellular life. Characterizing how metabolic networks function in living tissues provides crucial information for understanding the mechanism of diseases and designing treatments. In this work, we describe procedures and methodologies for studying in-cell metabolic activity in a retrogradely perfused mouse heart in real-time. The heart was isolated in situ,&#160;in conjunction with cardiac arrest to minimize the myocardial ischemia and was perfused inside a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer. While in the spectrometer and under continuous perfusion, hyperpolarized [1-13C]pyruvate was administered to the heart, and the subsequent hyperpolarized [1-13C]lactate and [13C]bicarbonate production rates served to determine, in real-time, the rates of lactate dehydrogenase and pyruvate dehydrogenase production. This metabolic activity of hyperpolarized [1-13C]pyruvate was quantified with NMR spectroscopy in a model free-manner using the product selective saturating-excitations acquisition approach. 31P spectroscopy was applied in between the hyperpolarized acquisitions to monitor the cardiac energetics and pH. This system is uniquely useful for studying metabolic activity in the healthy and diseased mouse heart.

Investigating Cardiac Metabolism in the Isolated Perfused Mouse Heart with Hyperpolarized [1-13C]Pyruvate and 13C/31P NMR Spectroscopy

We describe an experimental setup for administrating hyperpolarized 13C-labeled metabolites in continuous perfusion mode to an isolated perfused mouse heart. A dedicated 13C-NMR acquisition approach enabled the quantification of metabolic enzyme activity in real-time, and a multiparametric 31P-NMR analysis enabled the determination of the tissue ATP content and pH.

과분극 [1-13C] 피루브산 및 13C / 31P NMR 분광법을 사용하여 분리 된 관류 마우스 심장에서 심장 대사 조사

Metabolism is the basis of important processes in cellular life. Characterizing how metabolic networks function in living tissues provides crucial ...

인간 PBMC의 미토콘드리아 기능에 대한 고분해능 분석

High-Resolution Fluorespirometry to Assess Dynamic Changes in Mitochondrial Membrane Potential in Human Immune Cells

Peripheral mononuclear cells (PBMCs) exhibit robust changes in mitochondrial respiratory capacity in response to health and disease. While these changes&#160;do not always reflect what occurs in other tissues, such as skeletal muscle, these cells are an accessible and valuable source of viable mitochondria from human subjects. PBMCs are exposed to systemic signals that impact their bioenergetic state. Thus, expanding our tools to interrogate mitochondrial metabolism in this population will elucidate mechanisms related to disease progression. Functional assays of mitochondria are often limited to using respiratory outputs following maximal substrate, inhibitor, and uncoupler concentrations to determine the full range of respiratory capacity, which may not be achievable in vivo. The conversion of adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP) by ATP-synthase results in a decrease in mitochondrial membrane potential (mMP) and an increase in oxygen consumption. To provide a more integrated analysis of mitochondrial dynamics, this article describes the use of high-resolution fluorespirometry to measure the simultaneous response of oxygen consumption and mitochondrial membrane potential (mMP) to physiologically relevant concentrations of ADP. This technique uses tetramethylrhodamine methylester (TMRM) to measure mMP polarization in response to ADP titrations following maximal hyperpolarization with complex I and II substrates. This technique can be used to quantify how changes in health status, such as aging and metabolic disease, affect the sensitivity of mitochondrial response to energy demand in PBMCs, T-cells, and monocytes from human subjects.

저자 스포트라이트: 폐활량 측정법을 사용한 PBMC 미토콘드리아 반응에 대한 새로운 통찰력

Methods for studying mitochondrial bioenergetics under physiologically relevant substrate concentrations in immune cells are limited. We provide a detailed protocol that uses high-resolution fluorespirometry to assess changes in the response of the mitochondrial membrane potential to energy demand in human T-cells, monocytes, and peripheral mononuclear cells.

인-31 자기 공명 분광학 : 측정을위한 도구

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