Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Abstract

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.

L’importance des échanges de phosphore liés à l’apparition de troubles et de maladies neurodégénèratives a suscité l’intérêt des chercheurs en ce qui concerne le développement de technologies pouvant détecter ces composés métaboliques. Á l’aide de la spectroscopie en résonance magnétique du phosphore, il est possible de détecter ces métabolites d’une manière non-invasive. Cette technique permet plus particulièrement de mesurer le taux de degénération de la phosphocréatine (PCr) lors de périodes d’exercice et de récupération post-activité. Cette dernière métrique agit en tant qu’indicateur valide du métabolisme oxydatif mitochondrial dans le muscle et permet de différentier un muscle sain d’un muscle pathologique. Pour effectuer l’imagerie ou la spectroscopie par résonance magnétique, de nombreux outils cliniques peuvent être utilisés afin de générer des images comprenant une variété de contrastes anatomiques et fonctionnels. Par contre, ces contrastes ne peuvent être habituellement produits qu’à partir des molécules d’eau ou des atomes d’hydrogène renfermés dans les tissus biologiques et les outils permettant de générer les images correspondantes demeurent, pour la plupart, insensibles à la présence d’autres atomes d’intérêt. Au cours de ce projet, il a été question d’obtenir un spectre du phosphore à partir de l’activité musculaire chez l’humain in vivo en se servant de la technique de spectroscopie de type 31P. Pour ce faire, une antenne radiofréquence à deux canaux, devant être syntonisée à la fréquence de résonance du phosphore, a d’abord été conçue et fabriquée en laboratoire pour ensuite être validée lors d’expériences sur une plateforme IRM 3T de marque Siemens. Les spectres du phosphore furent acquis sur un fantôme, une solution de phosphate de potassium à une concentration de 100 mM, ainsi que sur le mollet d’un sujet humain au cours d’une période de repos, d’exercice et de récupération. Le spectre obtenu à la suite de cette dernière expérience démontre la présence accrue du phosphore lors de procédés métaboliques à haute teneur énergétique impliquant la dégradation de phosphates. Par la suite, il a été question d’observer la variation des niveaux de PCr durant des périodes d’exercice et de récupération chez 5 jeunes adultes effectuant une série iv de flexions plantaires ayant un élément résistif attaché à leurs pieds. La démarche entreprise au cours de ce projet permettra l’utilisation future des techniques quantitatives en spectroscopie pour l’évaluation du métabolisme des phosphates chez des patients souffrant de maladies coronariennes ainsi que chez des sujets contrôles sains provenant du même ensemble démographique.