正常人骨骼肌运动状态功能的磁共振动态磷谱研究

发布时间：2020-04-24 08:29

【摘要】： 前言磷谱(~(31)P-MRS)主要反映人体组织细胞的能量代谢改变,磷化物的浓度与能量代谢密切相关,测定磷代谢产物的浓度和分布可确定细胞的能量状态。因此,磷谱能探测高能磷酸物质和磷脂的含量,对研究活体组织的能量代谢具有不可替的作用,是研究肌肉病变的重要工具。动态磷谱能够测量肌肉在静息状态、收缩期和恢复过程中细胞内高能磷酸化合物的变化,评价骨骼肌做功时能量转换的效率,是研究肌肉功能的有利工具。另外,由于动态磷谱可以在体探测细胞内糖原分解代谢和氧化磷酸化的异常,使其对线粒体功能的研究具有独特的价值。然而,在研究肌肉能量代谢中,以往国外均采用各代谢物波峰与PCr比值的方法进行间接评价,缺乏直接定量评价的方法与手段。国Qg~(31)P-MRS刚刚起步,还处于实验研究阶段,许多问题还需亟待解决。对~(31)P-MRS的定量方法及正常肌肉的磁共振磷谱特点尚无系统研究,特别是有关动态磷谱分析的研究受评价指标所限目前尚属空白。本研究的创新之处在于通过对成年人和青少年大腿股四头肌进行~(31)P-MRS定量研究,分析不同年龄组个体能量代谢特点,为进一步深入研究肌肉病变及全身疾病的病理生理学特征奠定基础。通过对健康受试者的动态磷谱分析,对生理状态骨骼肌运动过程中能量代谢进行定量研究,尝试用活细胞影像学技术无创性在体评价骨骼肌的功能。目的本研究分别对健康成年人和健康青少年两个受试组进行静息态磷谱的定量分析,旨在探讨不同年龄组个体能量代谢特点,为进一步深入研究肌肉病变及全身疾病的病理生理学特征奠定基础;同时,通过对健康受试者的动态磷谱分析,对不同年龄组生理状态骨骼肌运动过程中能量代谢进行定量研究,尝试用活细胞影像学技术无创性在体评价骨骼肌的功能。材料与方法研究对象包括10例健康成年人和6例健康青少年2个受试组,年龄分别为22～55岁(38岁±12岁)和7～16岁(11岁±3岁)。所有受试者未接受过系统体育训练。在配有多核分析系统(MNS)的Philips Achieva 1.5T磁共振成像系统上对16例受试者进行~(31)P-MRS采集及定量分析。选取具有发射和接收功能的表面线圈进行波谱采集。将表面线圈固定于大腿表面。先用质子频率进行成像,观察磷谱所要采集的范围,进行自动匀场,然后用磷谱线圈进一步匀场和采集谱线。选用容积采集序列。采集参数:TR=2500ms,激励64次,磷谱采集共需3min。通过指数函数拟合计算出TR为无穷大时各化合物的峰下面积,对含磷化合物的纵向弛豫差别进行了标准化。通过测量不同厚度皮下脂肪对肌肉内化合物信号强弱的影响,计算出校正系数,对表面线圈场强不均匀性进行了标准化校正。本研究以健康成年人股四头肌内ATP含量5.5mmol/kg作为标准,对各含磷化合物进行半绝对定量分析。单位为每千克肌肉组织内该化合物的毫摩尔量(mmol/kg)。动态磷谱研究采集磷谱前先进行股四头肌最大负荷(MVC)测试。采集运动期磷谱时分别用25%MVC(低负荷)和50%MVC(高负荷)。先采集静息期波谱,观察磷谱所要采集的范围,并进行自动匀场,然后用磷谱线圈进一步匀场和采集谱线。选用自旋回波频谱容积采集序列。每帧谱线的完成共需1min。静息期采集6帧磷谱;然后将相当于25%MVC的重量系于脚踝,让受试者在膝关节固定的情况下每5s踢1次小腿,收缩股四头肌,共采集6帧波谱,然后快速将脚踝负荷增加到50%MVC,重复上述过程,再采集6帧波谱。最后去除脚踝负荷,在恢复期采集6～10帧波谱。谱线的处理在Matlab编写的软件包上进行,经过傅立叶转换、基线调整和相位校正等过程,得到频率域的谱线。在每个时期的6帧磷谱里选取后4帧叠加在一起,得到该时期的谱线。根据各化合物的位移,确定磷酸单酯(PME)、无机磷(Pi)、磷酸二酯(PDE)、磷酸肌酸(CP)、γ-ATP、α-ATP和β-ATP共7个波峰,并对峰下面积进行定量。通过肌酸激酶催化的平衡反应,可以计算出ADP的含量;肌肉运动时的做功效率由运动负荷与Pi/CP的比值决定。结果一、~(31)P-MRS可直接测量的化合物的浓度肌肉内未与大分子结合而且含量高于1mmol的代谢物质能够直接被~(31)P-MRS探测到。正常人的磁共振磷谱能清楚观察到7个代谢产物的共振波峰,由左向右依次是磷酸单酯(PME)、无机磷(Pi)、磷酸二酯(PDE)、磷酸肌酸(CP)、γ-ATP、α-ATP和β-ATP。通过计算各自的峰下面积可直接定量分析,青少年PDE含量明显低于成人,而ATP含量明显高于成人。其他化合物组间无显著性差异。二、~(31)P-MRS可间接测量的与能量代谢相关的化合物浓度大部分ADP与肌原纤维结合,细胞浆内游离的可溶ADP很少。不能够直接探测到。但是通过肌酸激酶催化的平衡反应,可以计算出ADP的含量。其中青少年组的pH值,镁合ATP及总镁离子含量均明显高于成人,ADP、PP、自由镁离子和游离ATP的含量组间无显著性差异。三、青少年组与成人组动态~(31)P-MRS的比较低负荷(25%MVC)运动时,可观察到Pi峰升高,CP峰降低;高负荷(50%MVC)运动时,Pi峰继续升高,CP峰明显降低:恢复期Pi峰降低,CP峰基本恢复到静息水平,而ATP峰在静息期、运动期和恢复期基本保持稳定。定量观察成人组和青少年组Pi、CP和β-ATP运动期的动态变化显示,两组受试者运动时Pi升高、CP降低,运动停止后基本恢复到静息期水平,其中高负荷运动期成人组Pi升高幅度较大。两组ATP相对保持恒定,青少年组的ATP值在各期均高于成人组。两组受试者细胞内总含磷量维持恒定。成人组和青少年组肌肉静息期、运动期、恢复期各含磷化合物含量的比较:PME和PDE含量动态四期纵向变化不明显。两组间横向比较PME值无明显差别,仅在高负荷运动期,青少年组均值低于成年组。成人及青少年股四头肌内ADP、PP、含镁离子化合物及肌肉做功效率在静止期、运动期和恢复期的比较:运动期ADP含量升高,PP含量降低,运动停止后恢复到静止期水平,两组间横向比较差异无统计学意义。Mg-ATP和总Mg~(2+)含量与ATP相似,动态四期保持恒定,青少年组含量高于成人组。自山Mg~(2+)和自由ATP两组间差异无统计学意义。肌肉功效由负荷的重量/(Pi/CP)决定,高负荷时肌肉功效增加,虽然成人组负荷较高,但两组肌肉做功效率差异无统计学意义。结论 1、磷谱可以对多种参与能量代谢的化合物进行定量研究,并能够无创性探测细胞内的微环境,是在体能量代谢的重要工具。 2、本研究通过对肌肉磷谱的定量分析,明确成人和青少年组的能量代谢特点,为客观分析肌肉系统的疾病奠定了良好的基础。 3、骨骼肌细胞内可直接利用的能量较高,但储备能量物质和运动时肌肉做功效率与成人相似;骨骼肌做功时细胞内高能磷酸化合物相互转换维持正常的功能。 4、动态磷谱可以无创性定量评价骨骼肌不同运动状态能量代谢特点,为肌肉的功能影像学提供客观信息。
【学位授予单位】：中国医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：R445.2

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