Messung von Laktat und Energiemetabolismus im aktiven Muskel

Was wird untersucht Muskeln setzen in der Nahrung gespeicherte Energie in Kraft und Bewegung um, indem die enthaltenen Nährstoffe umgewandelt und "verbrannt" werden. Bei geringer bis mittlerer Bewegungsintensität geschieht dies in vorwiegend oxidativen Prozessen, und der zur Verfügung stehende Sauerstoff reicht aus, um die Bewegung dauerhaft aufrecht zu erhalten. Weil dabei beteiligte energiereiche Moleküle (wie ATP) Phosphor enthalten, können in einem MR-Scanner mit Phosphor-31-Magnetresonanz- Spektroskopie (P MRS) solche oxidativen Stoffwechselprozesse direkt im Muskel beobachtet werden. Bei höherem Energiebedarf (z.B. für schnelles Rennen), reichen Sauerstoffzufuhr und damit die oxidativen Stoffwechselprozesse nicht aus. Unabhängig vom Sauerstoffangebot kann auch durch Glykolyse ATP produziert werden, wobei unter anderem Laktat entsteht. Mittels Blutproben kann das im gesamten Körper akkumulierte Laktat analysiert werden. Um jedoch die beteiligten physiologische n Prozesse quantitativ besser zu verstehen benötigt man Methoden, welche die genaue Laktatmenge am Ort und zum Zeitpunkt der Entstehung im Muskel bestimmen können. Methoden Laktat kann ebenfalls mit MR-Methoden bestimmt werden, indem man die Wasserstoffatome (H) des Moleküls betrachtet. Das H-Signal von Laktat ist jedoch schwer von Fett-Signalen zu unterscheiden. Außerdem ändern sich seine Eigenschaften, wenn das Signal innerhalb oder außerhalb einer Muskelzelle entsteht, und sogar der Winkel der Muskelzellen zum Magnetfeld des MR-Scanners hat starken Einfluss. Diese Schwierigkeiten werden wir zu unserem Vorteil nutzen: Mit MR-Bildgebung werden wir die Faserrichtungen an genau der Stelle im Muskel bestimmen, von der wir das Laktatsignal empfangen. Mittels dieser Information werden die Radiofrequenz (RF) -Pulse und Magnetfeldgradienten optimieren, die der MR-Scanner zur Anregung des Signals ausspielt. Unser Ziel ist weiters, zu bestimmen, wie lange das erzeugte Laktat in den Muskelzellen verweilt, bevor es die Zelle verlässt oder abgebaut wird. Dies erfordert sehr hohe Signalqualität, welche wir durch Konstruktion einer für diese Fragestellung optimierte RF-Spule mit großer Anzahl von H- und P-Kanälen sowie Einsatz eines MR-Scanners mit sehr hohem Magnetfeld erreichen wollen. Schließlich werden wir H- und P-MRS simultan anwenden, um Informationen über mehrere biochemischen Prozesse zugleich zu erhalten. Erwarteter Erkenntnisgewinn Bislang ist nicht exakt bekannt, wie viel und wie schnell Laktat unter in-vivo-Bedingungen im Muskel produziert wird und wie lange es in der Zelle verbleibt. Die entwickelten Methoden werden ermöglichen, dies quantitativ im Menschen ohne invasive Interventionen zu bestimmen. Solche Untersuchungen von Energiestoffwechsel und Laktatproduktion direkt im Muskel werden das Grundlagen-Verständnis von körperlicher Aktivität und chronischer Krankheiten verbessern und können damit langfristig wertvolle Beiträge zu Vorsorge und Therapie im Gesundheitswesen leisten.