Quantitative analysis of energy metabolism in human muscle using SLOOP ³¹P-MR-spectroscopy

 

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Abstract

Objective: Energy metabolism is vital for regular muscle function. In humans, in-vivo analysis using ³¹P-MR-spectroscopy (MRS) is mostly restricted to semiquantitative parameters due to technical demands. We applied Spatial Localization with Optimal Pointspread Function (SLOOP) for quantification in human skeletal and cardiac muscle. Subjects/Methods: 10 healthy volunteers and 4 patients with myotonic dystrophy type 1 were examined using a 1.5 T system (Magnetom VISION) and chemical shift imaging (CSI) for data collection. Concentrations of PCr, ATP and P_i as well as PCr/ATP ratios were calculated by SLOOP. Results: Concentrations of PCr, ATP and P_i were 29.9 ± 3.4, 7.1 ± 0.9 and 5.7 ± 1.2 [mmol/kg] in normal skeletal muscle, corresponding to previously published studies. Two of the patients with a duration of disease longer than 10 years and a pronounced muscle weakness showed a significant decrease of PCr and ATP in skeletal muscle below 10 and 5 mmol/kg. One of these patients had an additional reduction of PCr in cardiac muscle. Conclusions: With MRS and SLOOP, a more accurate quantitative assessment of metabolism is now available in skeletal and cardiac muscle. Longitudinal studies of larger patient groups will allow to better describe the metabolic disorder in muscle disease over time. Moreover, these techniques offer a new way to quantify treatment effects in future trials.

Zusammenfassung

Ziel: Voraussetzung für eine reguläre Muskelfunktion ist ein intakter Energiestoffwechsel. Beim Menschen beschränkten sich bisherige Untersuchungen mittels der ³¹P-MR-Spektroskopie (MRS), welche eine In-Vivo-Analyse erlaubt, jedoch zumeist auf die Analyse semiquantitativer Parameter. Wir verwendeten Spatial Localization with Optimal Pointspread Function (SLOOP), um den Stoffwechsel des Skelettmuskels wie des Herzens zu quantifizieren. Patienten/Methoden: 10 Probanden und 4 Patienten mit myotoner Dystrophie Typ 1 wurden an einem 1.5-T-System (Magnetom VISION) mittels der chemical shift imaging (CSI)-Technik untersucht. Die Berechnung der Konzentrationen von PCr, ATP und P_i sowie des PCr/ATP Verhältnisses erfolgte mittels SLOOP. Ergebnisse: Im Skelettmuskel gesunder Probanden betrugen die Absolutkonzentrationen für PCr, ATP und P_i 29,9 ± 3.4, 7,1 ± 0,9 und 5,7 ± 1,2 [mmol/kg] in Übereinstimmung mit früheren Studien. Bei zwei Patienten mit einer Krankheitsdauer über 10 Jahre sowie einer ausgeprägten Muskelschwäche wurde eine signifikante Abnahme von PCr und ATP unter 10 bzw. 5 mmol/kg im Skelettmuskel beobachtet. Einer dieser Patienten zeigte zusätzlich eine Reduzierung der PCr Konzentration im Herzmuskel. Schlussfolgerung: Mittels SLOOP ist eine kombinierte quantitative Erfassung des Stoffwechsels im menschlichen Skelett- und Herzmuskel möglich. Verlaufsuntersuchungen größerer Patientenkollektive sind jetzt möglich. Ferner verspricht die Methode eine bessere Beurteilung der Wirkung neuer Therapien in zukünftigen klinischen Studien.

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Dr. med. Meinrad Beer

Institut für Röntgendiagnostik, Medizinische Poliklinik, Universität Würzburg


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