正常人骨骼肌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)功能的磁共振動(dòng)態(tài)磷譜研究.pdf

1、磷譜(31P-MRS)主要反映人體組織細(xì)胞的能量代謝改變，磷化物的濃度與能量代謝密切相關(guān)，測(cè)定磷代謝產(chǎn)物的濃度和分布可確定細(xì)胞的能量狀態(tài)。因此，磷譜能探測(cè)高能磷酸物質(zhì)和磷脂的含量，對(duì)研究活體組織的能量代謝具有不可替的作用，是研究肌肉病變的重要工具。動(dòng)態(tài)磷譜能夠測(cè)量肌肉在靜息狀態(tài)、收縮期和恢復(fù)過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)高能磷酸化合物的變化，評(píng)價(jià)骨骼肌做功時(shí)能量轉(zhuǎn)換的效率，是研究肌肉功能的有利工具。另外，由于動(dòng)態(tài)磷譜可以在體探測(cè)細(xì)胞內(nèi)糖原分解代謝和氧化磷

2、酸化的異常，使其對(duì)線粒體功能的研究具有獨(dú)特的價(jià)值。 然而，在研究肌肉能量代謝中，以往國(guó)外均采用各代謝物波峰與PCr比值的方法進(jìn)行間接評(píng)價(jià)，缺乏直接定量評(píng)價(jià)的方法與手段。國(guó)內(nèi)31P-MRS剛剛起步，還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，許多問(wèn)題還需亟待解決。對(duì)31P-MRS的定量方法及正常肌肉的磁共振磷譜特點(diǎn)尚無(wú)系統(tǒng)研究，特別是有關(guān)動(dòng)態(tài)磷譜分析的研究受評(píng)價(jià)指標(biāo)所限目前尚屬空白。 本研究的創(chuàng)新之處在于通過(guò)對(duì)成年人和青少年大腿股四頭肌進(jìn)行31P

3、-MRS定量研究，分析不同年齡組個(gè)體能量代謝特點(diǎn)，為進(jìn)一步深入研究肌肉病變及全身疾病的病理生理學(xué)特征奠定基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)健康受試者的動(dòng)態(tài)磷譜分析，對(duì)生理狀態(tài)骨骼肌運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量代謝進(jìn)行定量研究，嘗試用活細(xì)胞影像學(xué)技術(shù)無(wú)創(chuàng)性在體評(píng)價(jià)骨骼肌的功能。 目的： 本研究分別對(duì)健康成年人和健康青少年兩個(gè)受試組進(jìn)行靜息態(tài)磷譜的定量分析，旨在探討不同年齡組個(gè)體能量代謝特點(diǎn)，為進(jìn)一步深入研究肌肉病變及全身疾病的病理生理學(xué)特征奠定基礎(chǔ)；同時(shí)，通

4、過(guò)對(duì)健康受試者的動(dòng)態(tài)磷譜分析，對(duì)不同年齡組生理狀態(tài)骨骼肌運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量代謝進(jìn)行定量研究，嘗試用活細(xì)胞影像學(xué)技術(shù)無(wú)創(chuàng)性在體評(píng)價(jià)骨骼肌的功能。 材料與方法： 研究對(duì)象包括10例健康成年人和6例健康青少年2個(gè)受試組，年齡分別為22～55歲(38歲±12歲)和7～16歲(11歲±3歲)。所有受試者未接受過(guò)系統(tǒng)體育訓(xùn)練。在配有多核分析系統(tǒng)(MNS)的PhilipsAchieva1.5T磁共振成像系統(tǒng)上對(duì)16例受試者進(jìn)行31P-MR

5、S采集及定量分析。選取具有發(fā)射和接收功能的表面線圈進(jìn)行波譜采集。將表面線圈固定于大腿表面。先用質(zhì)子頻率進(jìn)行成像，觀察磷譜所要采集的范圍，進(jìn)行自動(dòng)勻場(chǎng)，然后用磷譜線圈進(jìn)一步勻場(chǎng)和采集譜線。選用容積采集序列。采集參數(shù)：TR=2500ms，激勵(lì)64次，磷譜采集共需3min。通過(guò)指數(shù)函數(shù)擬合計(jì)算出TR為無(wú)窮大時(shí)各化合物的峰下面積，對(duì)含磷化合物的縱向弛豫差別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)測(cè)量不同厚度皮下脂肪對(duì)肌肉內(nèi)化合物信號(hào)強(qiáng)弱的影響，計(jì)算出校正系數(shù)，對(duì)表面

6、線圈場(chǎng)強(qiáng)不均勻性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化校正。本研究以健康成年人股四頭肌內(nèi)ATP含量5.5mmol/kg作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各含磷化合物進(jìn)行半絕對(duì)定量分析。單位為每千克肌肉組織內(nèi)該化合物的毫摩爾量(mmol/kg)。 動(dòng)態(tài)磷譜研究采集磷譜前先進(jìn)行股四頭肌最大負(fù)荷(MVC)測(cè)試。采集運(yùn)動(dòng)期磷譜時(shí)分別用25％MVC(低負(fù)荷)和50％MVC(高負(fù)荷)。先采集靜息期波譜，觀察磷譜所要采集的范圍，并進(jìn)行自動(dòng)勻場(chǎng)，然后用磷譜線圈進(jìn)一步勻場(chǎng)和采集譜線。選用自旋回

7、波頻譜容積采集序列。每幀譜線的完成共需1min。靜息期采集6幀磷譜；然后將相當(dāng)于25％MVC的重量系于腳踝，讓受試者在膝關(guān)節(jié)固定的情況下每5s踢1次小腿，收縮股四頭肌，共采集6幀波譜，然后快速將腳踝負(fù)荷增加到50％MVC，重復(fù)上述過(guò)程，再采集6幀波譜。最后去除腳踝負(fù)荷，在恢復(fù)期采集6～10幀波譜。譜線的處理在Matlab編寫的軟件包上進(jìn)行，經(jīng)過(guò)傅立葉轉(zhuǎn)換、基線調(diào)整和相位校正等過(guò)程，得到頻率域的譜線。在每個(gè)時(shí)期的6幀磷譜里選取后4幀疊加在

8、一起，得到該時(shí)期的譜線。根據(jù)各化合物的位移，確定磷酸單酯(PME)、無(wú)機(jī)磷(Pi)、磷酸二酯(PDE)、磷酸肌酸(CP)、γ-ATP、α-ATP和β-ATP共7個(gè)波峰，并對(duì)峰下面積進(jìn)行定量。通過(guò)肌酸激酶催化的平衡反應(yīng)，可以計(jì)算出ADP的含量；肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)的做功效率由運(yùn)動(dòng)負(fù)荷與Pi/CP的比值決定。 結(jié)果： 一、31P-MRS可直接測(cè)量的化合物的濃度 肌肉內(nèi)未與大分子結(jié)合而且含量高于1mmol的代謝物質(zhì)能夠直接被31

9、P-MRS探測(cè)到。正常人的磁共振磷譜能清楚觀察到7個(gè)代謝產(chǎn)物的共振波峰，由左向右依次是磷酸單酯(PME)、無(wú)機(jī)磷(Pi)、磷酸二酯(PDE)、磷酸肌酸(CP)、γ-ATP、α-ATP和β-ATP。通過(guò)計(jì)算各自的峰下面積可直接定量分析，青少年P(guān)DE含量明顯低于成人，而ATP含量明顯高于成人。其他化合物組間無(wú)顯著性差異。 二、31P-MRS可間接測(cè)量的與能量代謝相關(guān)的化合物濃度 大部分ADP與肌原纖維結(jié)合，細(xì)胞漿內(nèi)游離的可溶

10、ADP很少，不能夠直接探測(cè)到。但是通過(guò)肌酸激酶催化的平衡反應(yīng)，可以計(jì)算出ADP的含量。其中青少年組的pH值，鎂合ATP及總鎂離子含量均明顯高于成人，ADP、PP、自由鎂離子和游離ATP的含量組間無(wú)顯著性差異。 三、青少年組與成人組動(dòng)態(tài)31P-MRS的比較 低負(fù)荷(25％MVC)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可觀察到Pi峰升高，CP峰降低；高負(fù)荷(50％MVC)運(yùn)動(dòng)時(shí)，Pi峰繼續(xù)升高，CP峰明顯降低；恢復(fù)期Pi峰降低，CP峰基本恢復(fù)到靜息水平，

11、而ATP峰在靜息期、運(yùn)動(dòng)期和恢復(fù)期基本保持穩(wěn)定。定量觀察成人組和青少年組Pi、CP和β-ATP運(yùn)動(dòng)期的動(dòng)態(tài)變化顯示，兩組受試者運(yùn)動(dòng)時(shí)Pi升高、CP降低，運(yùn)動(dòng)停止后基本恢復(fù)到靜息期水平，其中高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)期成人組Pi升高幅度較大。兩組ATP相對(duì)保持恒定，青少年組的ATP值在各期均高于成人組。兩組受試者細(xì)胞內(nèi)總含磷量維持恒定。 成人組和青少年組肌肉靜息期、運(yùn)動(dòng)期、恢復(fù)期各含磷化合物含量的比較：PME和PDE含量動(dòng)態(tài)四期縱向變化不明顯。兩

12、組間橫向比較PME值無(wú)明顯差別，僅在高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)期，青少年組均值低于成年組。 成人及青少年股四頭肌內(nèi)ADP、PP、含鎂離子化合物及肌肉做功效率在靜止期、運(yùn)動(dòng)期和恢復(fù)期的比較：運(yùn)動(dòng)期ADP含量升高，PP含量降低，運(yùn)動(dòng)停止后恢復(fù)到靜止期水平，兩組間橫向比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Mg-ATP和總Mg2+含量與ATP相似，動(dòng)態(tài)四期保持恒定，青少年組含量高于成人組。自由Mg2+和自由ATP兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。肌肉功效由負(fù)荷的重量/(Pi/C

13、P)決定，高負(fù)荷時(shí)肌肉功效增加，雖然成人組負(fù)荷較高，但兩組肌肉做功效率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 結(jié)論： 1、磷譜可以對(duì)多種參與能量代謝的化合物進(jìn)行定量研究，并能夠無(wú)創(chuàng)性探測(cè)細(xì)胞內(nèi)的微環(huán)境，是在體能量代謝的重要工具。 2、本研究通過(guò)對(duì)肌肉磷譜的定量分析，明確成人和青少年組的能量代謝特點(diǎn)，為客觀分析肌肉系統(tǒng)的疾病奠定了良好的基礎(chǔ)。 3、骨骼肌細(xì)胞內(nèi)可直接利用的能量較高，但儲(chǔ)備能量物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉做功效率與成人相似；