Lokalisierte 1H/31P-MRS bei 3 T im Skelettmuskel

Metabolische Regulation im Skelettmuskel des Menschen - In vivo Untersuchung mit kombinierten 1H/31P MR- Spektroskopiemethoden bei 3 Tesla. Alle Methoden, die zur dynamischen Erfassung metabolischer Vorgänge während der Muskelkontraktion und - relaxation eingesetzt werden, sind indirekte Verfahren. Etablierte Verfahren umfassen die Messung von Serummetaboliten und Gasaustauschverfahren, die jedoch nur Mittelwerte metabolischer Veränderungen über den gesamten Körper erfassen. Direktere und lokalisierte Methoden sind die Muskelbiopsie (intrazellulär), Microdialyse oder open-flow Microperfusion, die interstitielle Flüssigkeiten charakterisiert. Alle diese Verfahren weisen erhebliche Einschränkungen im Hinblick auf deren experimentellen und klinischen Einsatz auf, insbesondere deren Invasivität. Ein nichtinvasives Verfahren zur Untersuchung des intrazellulären Stoffwechsels ist die Magnetresonanzspektroskopie (MRS). Durch den Einsatz starker Magnetfelder und spezifischer Resonanzfrequenzen verschiedener stabiler Kernarten (z.B. 1H, 13C, 31P) können Biomoleküle in ihrer natürlichen Umgebung in vivo untersucht werden. In den letzten 20 Jahren haben weltweit verschiedene Forschungszentren umfangreiche Projekte gestartet, um Energiestoffwechselvorgänge im Muskel mittels 31P-MRS zu erforschen. In letzter Zeit wurden auch 13C- und 1 H-MRS Techniken eingesetzt um verschiedene Aspekte des Laktat-, Glukose und Lipidstoffwechsels nicht-invasiv zu erforschen. Praktische Einschränkungen der 31P-MRS ergeben sich durch die inhärent niedrige Empfindlichkeit und die Notwendigkeit, die Laktatkonzentration aus nicht ausreichend abgesicherten Modellen berechnen zu müssen. Die 1 HMRS ist empfindlicher und kann Laktat direkt messen, weist aber andere Probleme auf. Trotz früher methodischer Ansätze die über Multi-Kern MRS erfassbare Information zu kombinieren (d.h. 1H, 19F, 23Na, 31 P), hat sich herausgestellt, daß weniger mehr sein könnte. Insbesondere die Spulenoptimierung für so viele Frequenzen gleichzeitig hat sich, jedenfalls für den in vivo Einsatz am Menschen, als zu kritisch erwiesen und die großen Unterschiede in der chemischen Verschiebung der Metaboliten limitierten eine genauere Lokalsierung. Verbesserte und spezifisch optimierte in vivo MRS-Methoden in Kombination mit höheren Magnetfeldstärken, zur Empfindlichkeitsverbesserung sowie besseren spektralen Auflösung, sollten es jetzt erlauben, oben kurz andiskutierte Beschränkungen zu reduzieren (eine detaillierte Diskussion finden sie im Vollantrag) und damit neue, bisher nicht zugängliche Informationen zu erhalten. Im vorgelegten Projekt soll erstmalig ein kombinierter Einsatz der lokalisierten 1H und 31P MRS in vivo, unter aeroben und anaeroben Bedingungen, am Skelettmuskel des Menschen entwickelt und validiert werden. Zusammen mit der verbesserten Datenqualität (3 T - Magnet), der umfangreicheren und komplementären Information (1H und 31P MRS), und dem Test bzw. der Weiterentwicklung von derzeit gängigen physiologischen Modellen (open vs. closed loop) erwarten wir ein wesentlich verbessertes Verständnis des Energiestoffwechsels in der humanen Skelettmuskulatur.

Wird Kernspin-Magnetresonanz (MR) als spektroskopisches Verfahren am Menschen angewandt, können Fragestellungen zu Stoffwechselvorgängen anhand der Metabolitkonzentrationen und ihrer Änderungsraten nichtinvasiv, lokalisiert und zeitaufgelöst in vivo verfolgt werden. Magnetresonanz-Spektroskopie (MRS) mit Phosphor ( 31P) als selektierter Kernsorte ist ein seit 20 Jahren etabliertes Verfahren zur Untersuchung intrazellulärer Stoffwechselprozesse im Muskel. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass Laktat nicht direkt quantifiziert werden kann, weshalb indirekte Ansätze zur Abschätzung der Laktat-Konzentration aus 31P-MRS- Daten entwickelt wurden, welche wichtige (und in letzter Zeit heftig diskutierte) Fragestellungen zur Kontrolle von Glykolyse und zellulärem Säure-Base-Gleichgewicht darstellen. In diesem, vom FWF geförderten Projekt, wurde das Problem erstmalig gelöst indem eine Methode entwickelt wurde, welche es ermöglicht zeitgleich zu 31P-MRS- Messungen, am arbeitenden menschlichen Muskel, die Laktatkonzentration mittels MRS des Wasserstoffkerns direkt und lokalisiert sowie nicht invasiv im Muskel zu messen. Während der Beitrag unterschiedlicher Stoffwechselprozesse zum Energiebedarf der Muskulatur in bekannter Weise abhängig ist von Art und Dauer der Beanspruchung, ist die Funktionsweise ihrer Regulationsmechanismen noch Gegenstand aktueller Forschung. Die Arbeit wurde am Exzellenz-zentrum Hochfeld-MR der MUW durchgeführt. Mittels lokalisierter Hochfeld-MR- Spektroskopie bei 3 Tesla können zeitaufgelöste Daten aus einem definierten Volumen in vivo, nicht invasiv erfasst werden. Eine Methode wurde entwickelt, um multinukleare lokalisierte MR-Spektren - in einem einzigen Experiment verschachtelt ("interleaved") - zu erfassen. Die Anwendung in vivo, vor, während und nach Belastung eines Muskels, mittels des dazu entwickelten nichtmagnetischen Ergometers, eröffnet ein weiteres (diagnostisches) Fenster zum zeitaufgelösten Studium des Stoffwechsels. Damit sind die Konzentrationen von Kreatinphosphat, anorganischem Phosphat, ATP, Gesamtkreatin und erstmals auch gleichzeitig Laktat im menschlichen Wadenmuskel direkt, das heißt ohne die Anwendung physiologischer Modellannahmen, einer nichtinvasiven, lokalisierten, zeitaufgelösten Messung zugänglich. Der intrazelluläre pH-Wert kann ebenfalls anhand von 31P- Spektren bestimmt werden. Die Quantifizierung des in Muskelgewebe von vielfach stärkeren Lipidsignalen überlagerten Laktats mittels lokalisierter doppelquanten-gefilterter MR-Spektroskopie stellt dabei - aufgrund muskelfaserorientierungsabhängiger Signalmodulationen - eine besondere Herausforderung dar. Mittels 31P-MR- Spektroskopie in vivo akquirierten Daten und der gleichzeitig direkt durch Messung bestimmten Laktatkonzentration lassen sich Modellannahmen über die intrazelluläre H + -Pufferkapazität verifizieren, welche in die indirekte Berechnung der Laktatkonzentration mittels 31P-Spektroskopiedaten einfließen. Weiters ist die entwickelte Methodik geeignet, aus Laktatkonzentration, pH und PCr während der Erholungsphase nach ischaemischer Belastung den metabolischen Fluss/Aktivität zu bestimmen und durch Messungen während aerober und anaerober Belastung die Kontrollmechanismen von Glykogenoslyse und Koordination oxidativer und glykolytischer ATP-Produktion zu studieren. Zukünftige Anwendungen umfassen Trainingskontrollen bei Leistungssportlern, Muskeldystrophien und Diabetes.