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Körperstoffwechsel

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Stoffwechsel-MR im Körper

MRT ist nicht nur eine exzellente Methode um das Zentralnervensystem zu erforschen. Auch die anderen Organe des Körpers sowie die Muskulatur können wir mit MRT abbilden und ihren Stoffwechsel erforschen. Dazu zählen insbesonders Leber, Herz, und die Wadenmuskulatur.

Besondere Herausforderungen mit denen wir umgehen müssen sind zum Beispiel Atembewegungen und die hohe Frequenz des Herzschlages, die spezielle Expertise und Methoden erfordern um verwertbare Daten aufzunehmen.

Um den Metabolismus des Muskels zu erforschen können wir auch MR-taugliche Ergometer verwenden, mit denen wir die Wadenmuskeln ziwschen Messungen belasten können.

Laktat ist ein zentraler Metabolit des Muskelstoffwechsels und spielt eine wichtige Rolle bei der Energiebereitstellung während körperlicher Belastung. Mit ¹H MRS kann die Laktatdynamik im menschlichen Muskel nichtinv und zeitaufgelöste untersucht werden. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Erforschung von Muskelphysiologie, metabolischer Erkrankungen und das Verständnis der grundlegenden molekularen Mechanismen von Muskeltraining.

Die nichtinvasive Bestimmung von Laktat im Muskel ist anspruchsvoll, da das Laktatsignal von deutlich stärkeren Lipidsignalen überlagert wird. Um diesem Problem zu begegnen, haben wie eine Doppel-Quanten-Gefilterte (engl.: doubl-quantum-filtered, DQF) MRS-Sequenzen entwickelt, welche selektiv das Laktatsignal messen und störende Signale weitgehend unterdrücken.

Laktat-Kinetik nach Belastung im Wadenmuskel. Oben: zeitlicher Verlauf des Laktatsignals mit (a) reiner Laktat-Abbau und (b) kombinierter Einfluss von Abbau, J-Modulation und T₂-Relaxation. Unten: MR Spektren mit einer zeitlichen Auflösung von 8 s. (Der Bereich des Laktat-Signals it rot hervorgehoben.)

Mit dieser Technik können wir den Laktat-Anstieg direkt im Muskel nicht-invasiv unmittelbar nach Belastung mit hoher zeitlicher Auflösung erfassen. Es lassen sich die Kinetik des Laktat-Abbaus, sowie MR-Parameter T₂-Relaxationszeit und effektive J-Kopplungskonstante (welche von der Orientierung der Muskelfasern abhängig ist) bestimmen.  Letztere sind wichtige Grundlagen für die quantitative Bestimmung des Laktat-Signals im MR-Spektrum.

Beteiligte Forschungsgruppen

Der Energieumsatz im Skelettmuskel ändert sich je nach Beanspruchung um Größenordnungen. Die Erholungsphase nach Belastung des Muskels ist geeignet, um mittels ³¹P MRS in situ die zelluläre Mitochondrienfunktion, Glykolyse und Protonen-Kinetik zu untersuchen. Wir entwickeln kombinierte Bildgebungs- und Spektroskopietechniken, um Adenosintriphosphat-Resynthese (ATP), Phosphokreatin (PCr) und pH im arbeitenden Muskel direkt und mit Zeitauflösungen von wenigen Sekunden zu messen.

Die hohe Sensititvität unserer MR-Geräte und RF-Spulen (teilweise eigene Entwicklungen) sowie Aufnahmetechniken ermöglicht es dabei, auch lokale Unterschiede zu erfassen, d.h. muskel-spezifische Daten zu erhalten.

 

Beteiligte Forschungsgruppen

Aus zeitaufgelösten ³¹P MR-Spektren können Kenngrößen der oxidativen ATP-Resynthese abgeleitet werden. Diese sind bei körperlicher Aktivität aber auch von der Durchblutung und dem Sauerstoffgehalt des Blutes abhängig. Da Perfusion und Blut-Oxygenierung mittels MR-Bildgebung (MRT) ebenfalls gemessen werden können, lässt sich durch die Kombination von ³¹P MRS mit ¹H MRT ein vollständigeres Bild des Stoffwechsels bei Muskelbelastung erhalten.

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Links: ³¹P MR-Spektren, Zeitverlauf von Phosphorkreatin (PCr) und anorganischem Phosphat (Pi), rechts: Quantifizierte Perfusion und T₂*-gewichtete Bilder. Alle Daten wurden gleichzeitig (interleaved), während eines einzigen Messdurchgangs mit multi-Kern MR-Methoden aufgenommen.

Die Ergebnisse der MRT-basierten Perfusionsmessungen zeigten dass sowohl Durchblutung als auch der Signalanstieg in T₂*-gewichteten Bildern mit Phosphorkreatin- und pH-Abfall korrelieren, welche in derselben Messung mit lokalisierter ³¹P MRS an zwei definierten Positionen entlang des Gastrocnemius (eines Muskels in der Wade) bestimmt wurden.  Dabei waren die Änderungen durchwegs signifikant stärker in proximalen als in distalen Regionen innerhalb des selben Muskels.

Beteiligte Forschungsgruppen