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Investigation of the human muscle metabolism via 7Tesla Magnetic resonance spectroscopy
Thomas Hochwartner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Sportwissenschaft und Universitätssport
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Dr.-Studium der Naturwissenschaften Sportwissenschaft
Betreuer*in
Norbert Bachl
Mitbetreuer*in
Harald Tschan
DOI
10.25365/thesis.47308
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11119.11304.254060-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Investigation of the human muscle metabolism via 7Tesla Magnetic resonance spectroscopy
Untersuchungen insbesondere der menschlichen Muskulatur durch die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine der am schnellsten vorrückenden Techniken im Bereich der medizinischen Bildgebung und hat sich zu einer interessanten nicht invasiven Alternative zu invasiven Methoden wie z.B. Muskelbiopsien entwickelt. Die Techniken der Magnetresonanzspektroskopie (MRSI) bzw. (MRS) ermöglichen die Quantifizierung verschiedener Metaboliten im menschlichen Körper und in den nachfolgenden Studien insbesondere der Skelettmuskulatur. Untersuchungen durch ein MRT bzw. MRS sind dahingehend einzigartige Werkzeuge für in vivo Untersuchungen der verschiedensten Eigenschaften menschlicher Organe und Gewebe ohne das Risiko ionisierender Strahlung. Der Energiestoffwechsel der energiereichen Substrate hat insbesondere in den Sportwissenschaften eine grundlegende und fast selbständige Fachrichtung geschaffen und widmet sich seit geraumer Zeit nicht nur der Erforschung und Quantifizierungen zur sportlichen Leistungssteigerung, sondern insbesondere den Wirkmechanismen auf gesundheitsrelevanten Anpassungsmechanismen zur Prävention der sogenannten Zivilisationskrankheiten. Gerade bei den Entstehungsmechanismen der Zivilisationskrankheiten, welche durch Bewegungsmangel und Übergewicht zu Stoffwechselerkrankungen wie z.B. Typ II Diabetes führen - ist letztendlich fast immer - eine basale Störung in der Funktionskette des Energiestoffwechsels zu finden. Für diesen Zweck wurden in drei aufeinander aufbauenden Studien die grundlegende Frage nach dem „Wie“ reguliert eine Muskelzelle die Menge eines jeweiligen Substrates zur Energiegewinnung, und “Wodurch“ wird die Bevorzugung eines speziellen Substrats, wie Kohlenhydrate oder Fettsäuren zur oxidieren ausgelöst untersucht.
In der ersten Untersuchung wurde festgestellt, dass die Kombination von erhöhtem BMI und sesshaftem Lebensstil zu signifikanten Unterschieden im alkalischen Pi-Pool in der Skelettmuskulatur sowie in der Konzentration von PDE, dem Pi-zu-ATP-Stoffwechselfluss und der mitochondrialen Kapazität führt. Darüber hinaus wurden signifikante Korrelationen zwischen der Konzentration von PDE, dem alkalischen Pi2 / Pi-Verhältnis und zur Pi-zu-ATP-flussrate in Ruhe gemessen.
In der zweiten Arbeit lag unser Interesse auf den Mechanismen des Fettstoffwechsels. Daher wurden die Konzentrationen des Acetylcarnetin in zwei Skelettmuskelgruppen, dem M. vastus lateralis und dem M. soleus untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass bei der Gruppe der regelmäßig körperlich aktiven Personen im Vergleich zu nicht aktiven Personen signifikant höhere Acetylcarnitin-konzentrationen im M. vastus lateralis vorlagen. Trotzdem können wir aus unseren Ergebnissen keine allgemeingültigen Schlussfolgerungen über exakte Veränderungen und die Wirkungungsmechanismen durch erhöhte körperliche Aktivität auf die Acetylcarnitinkonzentration im Skelettmuskel nachweisen, da unsere Studie nur eine begrenzte Anzahl von Probanden umfasste und hauptsächlich auf die methodischen Aspekte der Acetylcarnitine-Detektion und deren erstmaligen qualitativen Quantifizierung beschränkt war.
Aufgrund der Tatsache, dass bei körperlicher Aktivität eine Anpassung des Muskelstoffwechsels sich grundsätzlich im Kohlenhydrat- wie auch im Fettstoffwechsel bemerkbar macht, haben wir in der letzten Studie die Probandengruppen in ausdauertrainierte Triathleten und Personen mit regelmäßiger körperlicher Aktivität aufgeteilt, um eventuelle Veränderungen bei exzessiven und Hochausdauerbelastungen in Korrelation zu setzen. Ziel war es in dieser Untersuchung die beiden Messverfahren der1H MRS und der 31P MRS zu kombinieren um ein ganzheitliches Bilde des Substartstoffwechsels zu erfassen. In unserer Studie zeigte sich daher, dass in der Triathlet-Gruppe neben der 42% höheren VO2max, ein um 50% höherer IMCL-Gehalt im M. vastus lateralis aufweist. Auch eine um 12% niedrigere PCr-Konzentration und ein um 16% niedrigeres [PCr] / [Pi] -Verhältnis in Ruhe, gemeinsam mit einem um 2% höherer pH-Wert in der Gruppe der ausdauertrainierten Triathleten am Ende der Belastung zeigten in den Untersuchungen dementsprechende Unterschiede. Demnach besaßen die Triathleten eine um 35% schnellere PCr-Resyntheserate (τPCr) sowie eine um 29% höhere Mitochondrienkapazität (Qmax) als die Gruppe der regelmäßig Aktiven.Außerdem konnten signifikant höhere Niveaus von IMCL im M. vastus lateralis in der Gruppe der Triathleten nachgewiesen werden.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Untersuchungsmethoden via 7T MR (31P-MRS & 1H MRS) hervorragende Instrumente zur nicht invasiven Bestimmung des Muskelstoffwechsels sind. Gerade im Forschungsfeld bezüglich der eingangs beschriebenen Entstehungen moderner Zivilisationskrankheiten mit ihren komplexen Wirkmechanismen bieten diese Verfahren eine adäquate Möglichkeit der Untersuchung. Insbesondere bei Untersuchungen der Anpassungsmechanismen von körperlicher Aktivität und deren gesundheitsfördernden Wirkung ermöglichen diese Methoden neue Forschungsfelder, um komplexere Zusammenhänge besser zu verstehen.
Abstract
(Englisch)
Investigations of the human musculature by magnetic resonance tomography (MRI) is one of the fastest advancing techniques in the field of medical imaging and has become an interesting non-invasive alternative to invasive methods, e.g. Muscle biopsies. The techniques of magnetic resonance spectroscopy (MRSI) or (MRS) allow the quantification of various metabolites in the human body and especially, in skeletal muscle. Investigations via MRI or MRS are, unique tools for in vivo studies of the various properties of human organs and tissues without the risk of ionizing radiation. The energetic change of energetic substrates has created a fundamental and almost independent discipline, particularly in the sports sciences, therefore, they not only expand the researching and quantifying performance enhancements, they are also suitable to discover the mechanisms on health-relevant adaptation mechanisms to prevent the so-called civilization diseases. Especially the mechanisms of arising civilization diseases, which are caused by lack of physical exercise and overweight related metabolic disorders, e.g. Type II diabetes. For this purpose, in three consecutive studies, we are asking the basic question of how a muscle cell regulates the amount of a respective substrate for energy production, and how to use the substrate as carbohydrates or fatty acids to oxidize in the mitochondria.
In the first study, we found that the combination of elevated BMI and sedentary lifestyle leads to significant differences in the alkaline Pi pool in skeletal muscle, as well as in the concentration of PDE, Pi-to-ATP metabolic flux, and mitochondrial capacity. In addition, significant correlations between the concentration of PDE, the alkaline Pi2 / Pi ratio, and the steady Pi-to-ATP flow rate were found.
In the second study, we were interested in the mechanisms of lipid metabolism. Therefore, the concentrations of the acetylcarnetine had been examined in two skeletal muscle groups, the M. vastus lateralis and M. soleus. The results showed that in the group of physically active individuals, significantly higher acetylcarnitine concentrations in M. Vastus lateralis were discovered. However, our results do not show any general conclusions on exact changes and mechanisms of action due to increased physical activity on skeletal muscle acetylcarnitine concentration, since our study included only a limited number of subjects and mainly based on the methodical aspects of acetylcarnitine detection and qualitative quantification. Physical activity leads to an adaptation of the muscle metabolism, which is basically noticeable in the carbohydrate metabolism as well as in the fat metabolism.
In our last study, we investigated triathletes and persons with regular physical activity to show possible changes by increase of physical activity. The aim of this study was to combine the two measurement methods of the 1H MRS and the 31P MRS in order to obtain the mechanism of the substrate metabolism in skeletal muscle. We found in our study, a 42% higher VO2max, a 50% higher IMCL content in the vastus lateralis muscle in the triathlete group. A 12% lower PCr concentration and a 16% lower [PCr] / [Pi] ratio at rest, together with a 2% higher pH value in the group of persistently trained triathletes at the end of the exercise were found. Furthermore, the triathletes had a 35% faster PCR resynthesis rate (τPCr), and 29% higher mitochondrial capacity (Qmax) than the regular active group. Significantly higher levels of IMCL in the vastus lateralis muscle were also found in the group of triathletes.
In summary, it can be said that the methods of investigation muscle metabolism using 7T MR (31P-MRS & (1H MRS) are an excellent tool for the non-invasive determination of the muscle metabolism, especially for exploration adaptation mechanisms of physical activity and its health-promoting effects.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Muscle Metabolism Acetylcarnetine Magnetresonancespectroscopy
Schlagwörter
(Deutsch)
Muskelstoffwechsel Magnetresonanzspektroskopie MR Acetylcarnetin
Autor*innen
Thomas Hochwartner
Haupttitel (Deutsch)
Investigation of the human muscle metabolism via 7Tesla Magnetic resonance spectroscopy
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchung des Muskelmetabolismus via 7T Magnetresonanzspektroskopie
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
83 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Deutsch
Beurteiler*innen
Harald Tschan ,
Norbert Bachl
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.30 Naturwissenschaften in Beziehung zu anderen Fachgebieten ,
76 Sport > 76.29 Sport, Sportwissenschaft: Sonstiges
AC Nummer
AC13748949
Utheses ID
41866
Studienkennzahl
UA | 091 | 481 | |