Informatie

Zuurstofrijk hemoglobine in MRI

Zuurstofrijk hemoglobine in MRI


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ik heb de volgende zin gelezen:

Omdat deze zuurstofrijke hemoglobine niet wordt beïnvloed door magnetische velden, is het respons-RF-signaal dat naar de fMRI-scanner wordt teruggestuurd sterker wanneer er meer hersenactiviteit is en dus meer zuurstofrijke hemoglobine in dat hersenweefsel.

Zuurstofarme hemoglobine reageert niet op magnetische velden, terwijl zuurstofarme hemoglobine dat wel doet. Dus naar mijn mening, als er meer hersenactiviteit is en dus meer zuurstofrijk hemoglobine, zou het signaal zwakker moeten zijn omdat het zuurstofrijke hemoglobine niet reageert op het magnetische veld? Waarom is het andersom?


Ik denk dat het type fMRI waarnaar u verwijst bloed-oxygenatie-niveau-afhankelijke fMRI of BOLD fMRI is.

Het principe achter MRI in het algemeen is de detectie van protonsignalen van watermoleculen. Het protonsignaal wordt gegenereerd door de protonen in weefsel te magnetiseren, waardoor hun spin verandert. Een daaropvolgende krachtige radiogolf verstoort deze spin en de volgende relaxatiefase van de protonen naar de oorspronkelijke staat kan worden gedetecteerd door MRI. Water, en dus protonen, zijn overal in het lichaam, inclusief de hersenen en het bloed.

Zuurstofarm hemoglobine (hemoglobine zonder zuurstof) in het bloed verandert het protonsignaal in zijn directe omgeving door de magnetische eigenschappen van deoxyhemoglobine. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat gedeoxygeneerde hemoglobine paramagnetisch is en vermindert het protonsignaal. In feite is de paramagnetische invloed van deoxyhemoglobine is beschouwd als ruis in structurele MRI-scans, voordat het gebruik ervan in BOLD-fMRI duidelijk werd. Zuurstofrijk hemoglobine heeft deze eigenschap niet.

Radiopaedia heeft een mooie uitleg over hoe het BOLD-signaal precies wordt gebruikt in BOLD fMRI, en ik citeer:

Wanneer een specifiek gebied van de cortex zijn activiteit verhoogt als reactie op een taak, leidt de extractiefractie van zuurstof uit de lokale haarvaten tot een aanvankelijke daling van het geoxygeneerde hemoglobine [… ]. Na een vertraging van 2-6 seconden neemt de cerebrale bloedstroom (CBF) toe, waardoor een overschot aan zuurstofrijk hemoglobine wordt afgegeven, deoxyhemoglobine wegwassen en daarmee het verzwakkende effect op het MRI-signaal. Het is deze grote rebound in lokale weefseloxygenatie die wordt afgebeeld, omdat het gepaard gaat met een toename van het MRI-signaal. Het verschil wordt gebruikt om de BOLD fMRI-respons te genereren.

Dus hersenactiviteit verhoogt het BOLD-signaal door zuurstofveranderingen op te vangen na een verhoogde bloedtoevoer naar dat specifieke deel van de hersenen.

Dus jouw verklaring[… ] Als er meer hersenactiviteit is en dus meer zuurstofrijk hemoglobine, zou het signaal minder sterk moeten zijn omdat het zuurstofrijke hemoglobine niet reageert op het magnetische veldis onjuist, omdat oxyhemoglobine het protonsignaal verzwakt.


Hoe wordt beeldvorming met magnetische resonantie gebruikt om meer te weten te komen over de hersenen?

Ik ben een onderzoekswetenschapper aan de Princeton University. Ik bestudeer hoe de hersenen zich ontwikkelen bij kinderen. Naarmate kinderen ouder worden, worden ze blootgesteld aan nieuwe uitdagingen, zoals lezen en leren zwemmen. Ik ben geïnteresseerd in het bestuderen van hoe de hersenen veranderen als kinderen tijdens het opgroeien nieuwe cognitieve uitdagingen tegenkomen. Buiten het lab geniet ik van dansen, tekenen en spelen met mijn hond. *[email protected]

Na Yeon Kim

Ik ben een cognitief neurowetenschapper aan de Princeton University. Ik bestudeer hoe we aandacht besteden aan specifieke dingen - hoe helpen onze hersenen ons een vriend in een menigte te vinden, legpuzzels te spelen en interessante dingen uit de wereld op te merken? Ik ben vooral geïnteresseerd in hoe dergelijke vermogens veranderen als kinderen groeien. Buiten het lab speel ik graag tennis, hardlopen en reizen naar nieuwe plaatsen.

Sabine Kastner

Ik ben een wetenschapper en professor aan de Princeton University die bestudeert hoe mensen hun hersenen gebruiken om aandacht te schenken aan specifieke activiteiten (bijvoorbeeld, hoe kan het zijn dat je je ouders niet hoort roepen om eten als je een videogame speelt of een boek leest ?). Ik breng ook graag tijd door met mijn twee kinderen en ben dol op de Beatles.

Jonge recensenten

Dilworth Stem Academy

Dit artikel is beoordeeld door de leerlingen van de achtste klas van Megan Tillman, samen met hun mentoren, Hector Arciniega en Carissa Romero. De klas vond echte waarde in het begrijpen hoe wetenschappers magnetische resonantie beeldvorming (MRI) gebruiken om de hersenen te bestuderen. De studenten vonden het leuk om wetenschappers te zijn tijdens het peer review-proces en kunnen niet wachten om het artikel te zien verschijnen.

Abstract

Om de hersenen te bestuderen, kunnen wetenschappers een machine gebruiken die een MRI-scanner (magnetic resonance imaging) wordt genoemd. Een MRI-scanner maakt op een veilige manier foto's van de hersenen, waardoor wetenschappers meer te weten komen over de structuur van de hersenen en de functies ervan. MRI helpt wetenschappers te leren welke delen van de hersenen actief zijn wanneer u zich bezighoudt met verschillende activiteiten, zoals het lezen van een zin als deze! Allereerst wordt in dit artikel uitgelegd hoe de MRI-scanner veilig hoogwaardige foto's van de hersenen maakt. Vervolgens zullen we uitleggen hoe de MRI-scanner wetenschappers kan helpen te leren hoe de hersenen werken door activiteit in verschillende delen van de hersenen te meten. Tot slot beschrijven we hoe het is om deel te nemen aan een onderzoek met de MRI-scanner en wat voor soort vragen wetenschappers kunnen beantwoorden met de MRI-scanner als hulpmiddel.


Zuurstofrijk hemoglobine in MRI - Biologie

Avni R 1 , Garbow JR 2 , Neeman M 1

1 Afdeling Biologische Regelgeving, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israël, 2 Mallinckrodt Institute of Radiology, Washington University, St. Louis, Missouri, VS

Zuurstoftransport, een van de vele sleutelfuncties die door de placenta worden uitgevoerd, hangt voornamelijk af van de placentaire zuurstofdrukgradiënt en de zuurstofaffiniteit van foetaal en maternaal bloed. Om de lage zuurstofspanning te compenseren, heeft foetaal hemoglobine een grotere zuurstofaffiniteit dan volwassen hemoglobine. Het verkrijgen van zuurstof-hemoglobine-dissociatiecurven en het extraheren van P50-waarden, kenmerkend voor zuurstofaffiniteit, kan nuttige informatie opleveren, zowel in diermodellen als in klinische instellingen. We beschrijven een nieuwe, niet-invasieve MRI-methode voor het afleiden van op MRI gebaseerde zuurstof-hemoglobine-dissociatiecurven.

Zwangere ICR-muizen werden geanalyseerd met behulp van een geleidelijke ademhalingsuitdaging van hyperoxie tot hypoxie op E14.5 (n=8 muizen 58 foetussen) en E17.5 (n=10 muizen 89 foetussen). R1- en [1-∆R2*/R2*]-waarden afgeleid in de placenta, foetale lever en maternale lever bij elke zuurstoffase toonden de verwachte sigmoïdvormige curve, met een duidelijk verschil tussen volwassen en foetaal weefsel, wat zich manifesteerde door een verschuiving naar links in de bochten (Figuur A). Schijnbare P50 (AP50)-waarden, afgeleid van de curven, tonen significant lagere AP50-waarden in foetale lever dan in maternale lever (Figuur B). AP50-kaarten in de placenta en de foetale lever vertonen heterogeniteit binnen deze weefsels (Figuur C).

Concluderend presenteren we hier een niet-invasieve benadering voor het onderzoeken en kwantificeren van zuurstofoverdracht door de placenta. Deze methode kan nuttig zijn voor de evaluatie van de gezondheid van de foetus.

Figuur (A) Representatieve voorbeelden van op MRI gebaseerde zuurstofhemoglobinedissociatiecurven in placenta, foetale lever en maternale lever (B) Gemiddelde schijnbare P50-waarden op E14.5 (C) Representatieve AP50-kaarten in de placenta en foetale lever op E14.5.


Zuurstofrijk hemoglobine in MRI - Biologie

RSR13, een allosterische modificator van hemoglobine, vermindert de hemoglobine-zuurstofbindingsaffiniteit en vergemakkelijkt de zuurstofafgifte uit hemoglobine, wat resulteert in een toename van de weefsel-pO2. Het doel van deze studie was niet-invasief om het tijdsverloop en het effect van RSR13 op tumoroxygenatie te volgen, direct met behulp van in vivo elektron paramagnetische resonantie (EPR-oximetrie), en indirect met behulp van bloedzuurstofniveauafhankelijke magnetische resonantiebeeldvorming (BOLD MRI).

Methoden en materialen

De studie werd uitgevoerd in getransplanteerde stralingsgeïnduceerde fibrosarcoomtumoren (RIF-1) bij 18 vrouwelijke C3H/HEJ-muizen, waarbij twee lithiumftalocyanine (LiPc)-afzettingen in de tumor waren geïmplanteerd toen de tumoren ongeveer 200-600 mm3 bereikten. Baseline EPR-metingen werden dagelijks gedaan gedurende 3 dagen. Vervolgens werd gedurende 6 opeenvolgende dagen en na een initiële baseline EPR-meting, RSR13 (150 mg/kg) of vehikel (zelfde volume) intraperitoneaal geïnjecteerd, en metingen van intratumorale zuurstof werden gedaan met intervallen van 10 minuten gedurende de volgende 60 minuten. Bij elke muis werden om de derde dag, in plaats van EPR-oximetrie, BOLD MRI-metingen gedaan gedurende 60 minuten na toediening van de RSR13.

Resultaten

Op basis van EPR-metingen produceerde RSR13 statistisch significante tijdelijke verhogingen van de tumor-pO2 gedurende het tijdsverloop van 60 minuten, dat een maximum bereikte bij 35-43 minuten na de dosis. De gemiddelde tijd die nodig is om terug te keren naar de basislijn pO2 was 70-85 minuten. De maximale toename van tumorweefsel pO2 waarden na RSR13-behandeling van dag 1 tot dag 5 (8,3-12,4 mm Hg) was groter dan de maximale tumorweefsel-pO2 waarde voor dag 6 (4,7 mm Hg, P < 0,01). De maximale toename in pO2 vond plaats op dag 2 (12,4 mm Hg) na behandeling met RSR13. Er was weinig verandering in R2*, wat aangeeft dat de RSR13 minimale detecteerbare effecten had op de totale deoxyhemoglobine- en hemoglobine-zuurstofverzadiging.

Conclusie

De mate van toename van tumor pO2 bereikt door RSR13 zou naar verwachting leiden tot een significante toename van de effectiviteit van tumorradiotherapie. Het ontbreken van een verandering in het BOLD MRI-signaal suggereert dat de tumorfysiologie grotendeels onveranderd was door RSR13. Deze resultaten illustreren een uniek en nuttig vermogen van in vivo EPR-oximetrie en BOLD MRI om herhaalde metingen van tumoroxygenatie en fysiologie te verkrijgen. De dynamiek van tumor pO2 na toediening van RSR13 kan nuttig zijn voor het ontwerpen van klinische protocollen met behulp van allosterische hemoglobine-effectoren.


Resultaten

R1-biomarkers maar niet R2*-biomarkers hebben betrekking op hypoxie in 786𠄰-R xenografen

De relaties tussen MRI-biomarkers van hypoxie en weefselpathologische beoordeling werden bepaald in de 786𠄰-R xenotransplantaten. Mediane waarden van natieve R2* en zuurstof-geïnduceerde ∆R2* genomen over het gehele beeld correleerden niet met de hypoxische fractie gemeten bij de vorming van pimonidazoladduct (Fig. 3a, ​,3b). 3b). Hypoxische fractie was gerelateerd aan mediane waarden van door zuurstof geïnduceerde ∆R1 (ρ, 𢄠.783 P = .013 Fig 3c ) en de geperfuseerde Oxy-R-fractie (ρ, 0.902 P = .002 Afb. 3d).

Grafieken tonen de correlaties tussen de hypoxische fractie (uitgedrukt als een percentage en berekend op basis van immunohistochemische beelden van de vorming van pimonidazol-adducten) en MRI-biomarkers in 786𠄰-R-tumoren die werden gepropageerd in 8 weken oude vrouwelijke C.B17-scid-muizen. Hypoxie correleerde niet met (een) native R2* (R2*) of (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*), maar het correleerde wel met (C) door zuurstof geïnduceerde verandering in R1 (∆R1) en (NS) percentage tumor geperfuseerde Oxy-R (negen muizen voor eenC en acht muizen voor NS).

Grafieken tonen de correlaties tussen de hypoxische fractie (uitgedrukt als een percentage en berekend op basis van immunohistochemische beelden van de vorming van pimonidazol-adducten) en MRI-biomarkers in 786𠄰-R-tumoren die werden gepropageerd in 8 weken oude vrouwelijke C.B17-scid-muizen. Hypoxie correleerde niet met (een) native R2* (R2*) of (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*), maar het correleerde wel met (C) door zuurstof geïnduceerde verandering in R1 (∆R1) en (NS) percentage tumor geperfuseerde Oxy-R (negen muizen voor eenC en acht muizen voor NS).

Grafieken tonen de correlaties tussen de hypoxische fractie (uitgedrukt als een percentage en berekend op basis van immunohistochemische beelden van de vorming van pimonidazol-adducten) en MRI-biomarkers in 786𠄰-R-tumoren die werden gepropageerd in 8 weken oude vrouwelijke C.B17-scid-muizen. Hypoxie correleerde niet met (een) native R2* (R2*) of (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*), maar het correleerde wel met (C) door zuurstof geïnduceerde verandering in R1 (∆R1) en (NS) percentage tumor geperfuseerde Oxy-R (negen muizen voor eenC en acht muizen voor NS).

Grafieken tonen de correlaties tussen de hypoxische fractie (uitgedrukt als een percentage en berekend op basis van immunohistochemische beelden van de vorming van pimonidazol-adducten) en MRI-biomarkers in 786𠄰-R-tumoren die werden gepropageerd in 8 weken oude vrouwelijke C.B17-scid-muizen. Hypoxie correleerde niet met (een) native R2* (R2*) of (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*), maar het correleerde wel met (C) door zuurstof geïnduceerde verandering in R1 (∆R1) en (NS) percentage tumor geperfuseerde Oxy-R (negen muizen voor eenC en acht muizen voor NS).

Subregionale analyse onthult de R2*- en R1-biomarkerrelatie in 786𠄰-R xenografen

De relatie tussen R2* en R1 biomarkers werd vergeleken. Aanvankelijk werden tumorgewijze en voxelgewijze analyses onderzocht aan de hand van bestaande literatuur. Vervolgens gebruikten we de gecombineerde OE- en DCE-MRI-analyse om de drie subregio's geperfuseerde Oxy-E-tumor, geperfundeerde Oxy-R-tumor en niet-geperfundeerde tumor te definiëren.

Tumorgewijze analyse.—Mediane waarden van natieve R2* en door zuurstof geïnduceerde ∆R2* werden vergeleken met mediane waarden van ∆R1 voor elke tumor. Er werden geen significante correlaties waargenomen.

Voxel-gewijze analyse.—Native R2* en ∆R1 hadden geen significante relatie. Ter onderscheiding was er een zeer significante maar zwakke correlatie tussen ∆R2* en ∆R1 (ρ, 0.230 P < .001 Afb E1 [online]). Voxels met een grotere negatieve gasgeïnduceerde ∆R2* vertoonden een kleinere positieve ∆R1, consistent met beide biomarkers van hypoxie. De relatie tussen ∆R2* en ∆R1 leek echter complex en werd niet eenvoudig verklaard door de bimodale relatie voorspeld door de open L-vormige curve (24,27) (Fig 1).

Verkavelingsanalyse.—We hebben subregionale analyse gedefinieerd op basis van de hypoxie-biomarker geperfuseerde Oxy-R. Deze benadering werd gekozen omdat we Oxy-R eerder hadden gevalideerd als een hypoxie-biomarker in dit xenotransplantaatmodel (21). Drie subregio's werden gedefinieerd op basis van gecombineerde OE MRI- en DCE MRI-signalen (Fig 1). Native R2* en zuurstofgeïnduceerde ∆R2* werden vergeleken voor elk van deze subregio's. In totaal werden 5815 voxels opgenomen en geanalyseerd, waarvan 488 (8,4%) niet-geperfundeerd waren. 4547 (78,2%) werden gedefinieerd als geperfundeerde Oxy-E, wat wijst op een normoxisch profiel en 780 (13,4%) werden gedefinieerd als geperfundeerde Oxy-R , wat wijst op een hypoxisch profiel. Geperfuseerde Oxy-R-voxels hadden snellere native R2* (P < .001 Fig 4a ) en grotere negatieve hyperoxie-geïnduceerde ∆R2* (P < .001 Fig 4b ) dan de geperfuseerde Oxy-E en niet-geperfundeerde voxels. Voorbeeld tumorparametrische kaarten worden getoond met bijbehorende pathologische validatie over het bereik van gemeten hypoxie (Fig 5).

Box-and-whisker plots tonen relatie van voxel-waarden van (een) inheemse R2* (R2*) en (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*) naar tumorsubregio's gecategoriseerd door geperfuseerde Oxy-E, niet-geperfuseerde (NP) en geperfuseerde Oxy-R in 786𠄰-R-tumoren gepropageerd in 8 weken oude vrouwelijke C.B17-scid-muizen (N = 8). Gegevens zijn medianen en interkwartielbereik.

Box-and-whisker plots tonen relatie van voxel-waarden van (een) inheemse R2* (R2*) en (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*) naar tumorsubregio's gecategoriseerd door geperfuseerde Oxy-E, niet-geperfuseerde (NP) en geperfuseerde Oxy-R in 786𠄰-R-tumoren gepropageerd in 8 weken oude vrouwelijke C.B17-scid-muizen (N = 8). Gegevens zijn medianen en interkwartielbereik.

Representatieve parametrische kaarten van verandering in R2* (∆R2*), verandering in R1 (R1) en gecombineerde zuurstofversterkte MRI en dynamische contrastversterkte MRI (kwantificering van geperfundeerde Oxy-E, geperfundeerde Oxy-R en niet-geperfundeerde tumor) worden getoond voor drie 786𠄰-R-tumoren die zijn vermeerderd in 8 weken oude vrouwelijke C .B17-scid-muizen, die de minste, middelste en grootste hypoxische fracties (HF) vertonen, gemeten door vorming van pimonidazol-adduct.

Techniekvertaling naar klinische gegevens

Om klinische vertaling te testen, rekruteerden we zeven patiënten met RCC met heldere cellen bij radiologische beoordeling die werd bevestigd bij daaropvolgende histopathologische analyse (Tabel 2). De gecombineerde OE MRI- en DCE MRI-analyse vereist een betrouwbare definitie van voxels die ongevoelig zijn voor zuurstofuitdaging. Gegevens van de ML206-gasanalysator bij alle zeven patiënten vertoonden een statistisch significante toename van de zuurstofconcentratie tot meer dan 90% tijdens gasuitdaging (monstertracering in Fig E2 [online]).

Tafel 2:

Patiëntdemografie, stadium en biomarkerwaarden

Let op.—∆R1 = wijziging in R1, ∆R2* = wijziging in R2*, F = vrouwelijk, M = mannelijk, NA = niet beschikbaar.

*Mislukte kwaliteitscontrole voor zuurstofversterkte MRI ∆R1 en ∆R2*.

Als extra kwaliteitscontrolestap evalueerden we de ∆R1 in de niercortex als een positieve controle voor zuurstofafgifte, omdat positieve ∆R1 consistent is gerapporteerd in meerdere OE MRI-onderzoeken (15�) van de nier. We evalueerden van belang zijnde niercortexgebieden op bewijs van zuurstofverbetering (Fig E3a [online]) en genereerden gecombineerde OE MRI- en DCE MRI-kaarten voor deze regio's (Fig E3b [online]). Deze analyses toonden aan dat terwijl alle patiënten zuurstof met een hoge concentratie kregen, één patiënt het gas niet voldoende inademde om signaalverandering in de niercortex teweeg te brengen (slechts 3,0% van de voxels was zuurstofversterkend). Alle andere patiënten met niercortex in het gezichtsveld hadden een significant positieve ∆R1 in de niercortex met tussen 83,7% en 100% (gemiddeld 95,4%) OE-voxels (Tabel 2). Patiënt 7 had geen normale nier in het gezichtsveld, maar equivalente analyse van de milt bevestigde succesvolle zuurstofverhoging.

Consistente relatie tussen R2*- en R1-biomarkers gevonden in humane RCC-tumoren

De analyses ontwikkeld in de 786𠄰-R xenografts werden toegepast op de patiëntgegevens. Tumorgegevens van patiënt 6 werden uitgesloten omdat deze patiënt niet slaagde voor kwaliteitscontroles op basis van analyse van de niercortex. Deze tumor vertoonde geen significante zuurstoftoename in 84,3% van zijn voxels (Fig E4 [online]), wat consistent is met een storing in de gasafgifte.

Tumorgewijze analyse.—Mediane waarden van natieve R2* en gasgeïnduceerde ∆R2* werden vergeleken met mediane waarden van ∆R1 voor elke tumor (N = 6). Er werden geen significante correlaties waargenomen.

Voxel-gewijze analyse.—Native R2* en ∆R1 hadden geen significante relatie. Er was echter een zeer significante maar zwakke correlatie tussen ∆R2* en ∆R1 (ρ, 0.035 P < .001). Voxels met een grotere negatieve gasgeïnduceerde ∆R2* vertoonden een kleinere verandering in R1 (Fig E5 [online]).

Verkavelingsanalyse.—Native R2* en gasgeïnduceerde ∆R2* werden vergeleken voor elk van de drie subregio's, gedefinieerd door hun gecombineerde signalen bij OE MRI en DCE MRI. In totaal werden 4112 voxels gemeten, waarvan 436 (10,6%) niet-geperfundeerd waren, 2887 (70,2%) werden gedefinieerd als geperfuseerde Oxy-E die een normoxisch profiel suggereren en 789 (19,2%) werden gedefinieerd als geperfundeerde Oxy-R-suggestief van een hypoxisch profiel. Er werden statistisch significante verschillen waargenomen tussen de geperfundeerde Oxy-R-voxels (waarvan wordt voorspeld dat ze hypoxisch zijn) en zowel de geperfundeerde Oxy-E als de niet-geperfundeerde voxels, met snellere natuurlijke R2* en een grotere negatieve gasgeïnduceerde ∆R2* in de geperfundeerde Oxy -R voxels (beide P < .001) (Fig. 6a , ​ ,6b 6b).

Box-and-whisker plots tonen relatie van voxel-waarden van (een) native R2* (R2*) en (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*) naar tumorsubregio's gecategoriseerd door geperfuseerde Oxy-E, niet-geperfundeerde Oxy-R en geperfundeerde Oxy-R bij patiënten met niercelcarcinoom (N = 6). Gegevens zijn medianen en interkwartielbereik.

Box-and-whisker plots tonen relatie van voxel-waarden van (een) native R2* (R2*) en (B) door zuurstof geïnduceerde verandering in R2* (∆R2*) naar subregio's van tumoren gecategoriseerd door geperfuseerde Oxy-E, niet-geperfundeerde Oxy-R en geperfundeerde Oxy-R bij patiënten met niercelcarcinoom (N = 6). Gegevens zijn medianen en interkwartielbereik.

In een verkennende analyse scoorden we tumorhypoxie door: GLUT1 vlekken. Hoewel de studie niet formeel van kracht was, hadden de vier tumoren met MRI lage hypoxische fractie (9,1%, 6,6%, 1,8% en 0,6%) GLUT1 hypoxiescores van respectievelijk 4,2, 2, 10,3 en 1,7, terwijl de twee tumoren met een hoge MRI-hypoxische fractie (31,7% en 28,8%) GLUT1 hypoxiescores van respectievelijk 19,5 en 41,7 (Fig. 7). Daarom hielp OE MRI om de zes patiënttumoren in twee groepen te categoriseren en hielp het om significante scheiding in te detecteren GLUT1 hypoxiescore (P = .003).

Relatie van geperfundeerde Oxy-R tot hypoxie bij patiënten met niercelcarcinoom. Parametrische kaarten van geperfuseerde Oxy-E-, geperfuseerde Oxy-R- en niet-geperfundeerde subregio's worden getoond voor vier patiënten met een relatief lage geperfuseerde Oxy-R-fractie, met immunohistochemische afbeeldingen voor de hypoxie-gereguleerde genglucosetransporter 1 die wordt gebruikt om een ​​indirecte beoordeling van de tumor te verkrijgen hypoxie. Ter vergelijking worden equivalente parameterkaarten en immunohistochemische afbeeldingen (vergroting, 40'000d7) getoond voor twee patiënten met een relatief hoge geperfuseerde Oxy-R-fractie.


Achtergrond De tegenstroom van capillaire bloedstroom in de medulla van zoogdiernieren genereert een gradiënt van zuurstofspanning tussen de nierschors en de papillaire punt die resulteert in een toestand van relatieve hypoxie in het niermerg. Onderzoek naar de pathofysiologische implicaties van medullaire hypoxie werd bemoeilijkt door de afwezigheid van een niet-invasieve techniek om intrarenale oxygenatie in verschillende zones van de nier te schatten. In de huidige studie demonstreren we de haalbaarheid van een dergelijke methode op basis van bloedoxygenatieniveau-afhankelijke (BOLD) MRI, die sequentiële metingen bij mensen mogelijk maakt als reactie op een verscheidenheid aan fysiologische/farmacologische stimuli in gezondheid en ziekte.

Methoden en resultaten BOLD MRI-metingen werden verkregen bij gezonde jonge mensen (n=7), en de effecten van drie verschillende farmacologische/fysiologische manoeuvres die diurese induceren, werden bestudeerd. Spin-spin relaxatiesnelheid, R2*, werd gemeten, wat direct verband houdt met de hoeveelheid deoxyhemoglobine in het bloed en op zijn beurt met weefsel P o 2. Furosemide maar niet acetazolamide (n=6 elk) verhoogde medullaire oxygenatie (ΔR2*=7,62 Hz P<.01), consistent met de afzonderlijke werkingsplaatsen van deze diuretica in de nefron en met eerdere directe metingen van hun effecten bij verdoofde ratten met zuurstofmicro-elektroden. Een nieuwe bevinding is dat waterdiurese de medullaire oxygenatie verbetert (ΔR2*=6,43 Hz P<.01) bij jonge mensen (n=5).

conclusies BOLD MRI kan worden gebruikt om veranderingen in intrarenale oxygenatie bij mensen op een niet-invasieve manier te volgen.

Vanwege de tegenstroom van vaten en tubuli die nodig zijn om water vast te houden en geconcentreerde urine te produceren, moeten de tubuli van het niermerg van landzoogdieren actief natrium opnieuw opnemen in een zuurstofarm milieu. 1 Als gevolg hiervan is er normaal gesproken een duidelijke gradiënt in P o 2 tussen circulerend bloed in bloedvaten van de niercortex en de medulla, zodat beschreven is dat de medulla gewoonlijk op de rand van anoxie werkt. 2 Medullaire hypoxie heeft belangrijke implicaties voor de mechanismen van ziekte in de nieren, met name bij acuut nierfalen als gevolg van circulatoire of toxische insulten waarvan wordt aangenomen dat het oorzakelijk is. 1

Door gebruik van gevoelige maar fragiele en dure glazen micro-elektroden, directe metingen van weefsel P o 2 in de cortex en medulla van verdoofde ratten hebben aangetoond dat lisdiuretica (bijv. furosemide) de medullaire P o verhogen 2 door het verminderen van het transportwerk in medullaire dikke ledematen. 3 Daarentegen verhoogt acetazolamide, een proximaal tubulair diureticum, de corticale P o 2 licht maar verhoogt medullaire P o . niet 2. 3 Deze veranderingen in P o 2 worden grotendeels veroorzaakt door veranderingen in het zuurstofverbruik, omdat met laser-Doppler-sondes weinig verandering in de regionale bloedstroom werd opgemerkt. 3 Een belangrijke belemmering voor het uitbreiden van deze waarnemingen naar menselijke proefpersonen was het ontbreken van een niet-invasieve methode om regionale oxygenatie in de nier te beoordelen.

Het is bekend dat oxyhemoglobine diamagnetisch is en deoxyhemoglobine paramagnetisch. 4 Microscopische veldgradiënten in de buurt van rode bloedcellen en bloedvaten worden gemoduleerd door veranderingen in de deoxyhemoglobineconcentratie. Dergelijke magnetische veldverstoringen binnen een voxel (volume-element) veroorzaken een verlies van fasecoherentie en leiden daarom tot signaalverzwakking in gradiëntecho of T2* (schijnbare spin-spin relaxatietijd) – gewogen sequenties. Dit fenomeen wordt bloedoxygenatieniveau-afhankelijk (BOLD) contrast genoemd. 5

In de huidige studie hebben we niet-invasieve BOLD MRI toegepast om het niveau van oxygenatie in de nier te evalueren. Specifieke doelstellingen voor de studie waren (1) om te bepalen of BOLD MRI in de nieren van mensen haalbaar is (2) om de effecten te bestuderen van twee diuretica waarvan eerder is aangetoond dat ze verschillende specifieke effecten hebben op de oxygenatie van het niermerg en de nierschors bij ratten en de effect van waterbelasting op renale oxygenatie, dat niet eerder is onderzocht en (3) om waargenomen veranderingen veroorzaakt door BOLD-effecten te onderscheiden van mogelijke veranderingen in het watergehalte.

Methoden:

Effect van veranderingen in zuurstofvoorziening op BOLD MRI-signaalintensiteit

MRI-signaalintensiteitsmetingen met behulp van een gradiënt-echosequentie werden gedaan op verschillende echotijden en de helling van loge (intensiteit) versus echotijd werd berekend. Deze helling bepaalt de schijnbare spin-spin relaxatiesnelheid, R2* (=1/T2*), wat recht evenredig is met het weefselgehalte van deoxyhemoglobine (Fig. 1). Een afname van de helling (R2*) impliceert een toename van de oxygenatie van hemoglobine. Omdat de oxygenatie van hemoglobine evenredig is met de P o 2 van bloed en dus in evenwicht met weefsel P o 2, R2* is een gevoelige indicator van weefseloxygenatie. Als alternatief kunnen veranderingen in de intensiteit van het gradiënt-echosignaal, gemaakt op een enkele maar voldoende lange echotijd, direct worden gebruikt om kwalitatieve veranderingen in weefseloxygenatie aan te geven.

Omdat veranderingen in het watergehalte van weefsel naast veranderingen in het deoxyhemoglobinegehalte mogelijk R . veranderen2*, is het belangrijk om voor deze variabele te controleren. Spin-spin relaxatiesnelheid (R2) is bekend dat het significant minder effect vertoont van veranderingen in het deoxyhemoglobinegehalte 6, maar er is aangetoond dat het zeer gevoelig is voor veranderingen in het weefselwatergehalte. 7 Om veranderingen veroorzaakt door het BOLD-effect te onderscheiden van veranderingen in het watergehalte, hebben we aanvullende spin-echo-gegevens verkregen om ΔR te schatten2.

Menselijke studies

We bestudeerden zeven gezonde menselijke vrijwilligers (6 mannen en 1 vrouw in de leeftijd van 20 tot 40 jaar) die geïnformeerde toestemming gaven in een protocol dat was goedgekeurd door het Beth Israel Hospital Committee on Clinical Investigation dat in overeenstemming was met de Verklaring van Helsinki. Bij elk onderwerp werden twee of meer onderzoeken uitgevoerd. Alle onderzoeken werden uitgevoerd op een 1,5-T scanner voor het hele lichaam (Vision Magnetom, Siemens Medical Systems) met behulp van echo planar imaging (EPI) acquisities. EPI-afbeeldingen met gradiëntecho werden verkregen met drie of meer echotijden in het bereik van 29 tot 140 ms. Alle beelden werden verkregen tijdens het inademen in expiratie. Conventionele MRI-technieken, vooral die met lange echotijden, zijn erg gevoelig voor beweging (cardiaal, respiratoir, peristaltisch, enz.). EPI is een ultrasnelle techniek, met een typische beeldacquisitietijd van <100 ms, 8 en is daarom ideaal voor abdominale beeldvorming, vooral bij lange echotijden. Andere relevante sequentieparameters zijn als volgt: gezichtsveld=300 mm×300 mm, matrixgrootte=128×128 en plakdikte=4 mm. Elke acquisitie werd drie keer herhaald voor middelingdoeleinden.

Nadat verkenningsbeelden waren verkregen en de optimale posities waren gekozen, werden gradiënt-echo EPI-gegevens verkregen op verschillende echotijden. Alle EPI-gegevens werden verkregen binnen een interval van 15 minuten. Een van de volgende drie stimuli werd vervolgens in elk experiment gebruikt: furosemide, intraveneuze injectie van 20 mg toegediend over 2 minuten acetazolamide, intraveneuze injectie van 500 mg toegediend over 2 minuten of waterdiurese, inname van water, 20 ml/kg lichaamsgewicht in ongeveer 15 minuten. In deze onderzoeken kwam de proefpersoon 's morgens naar het laboratorium nadat hij zich 's nachts van voedsel en water had onthouden. Nadat de BOLD-gegevens van de baseline waren verkregen, werd de proefpersoon uit de magneet gehaald om water te drinken.

BOLD MRI-metingen werden vervolgens herhaald. Wanneer furosemide of acetazolamide werd toegediend, werd 5 minuten na de injectie begonnen met het verzamelen van MRI-gegevens. Met waterdiurese werd de MRI-gegevensverzameling hervat wanneer de urinestroom de 5 ml/min overschreed, zoals geschat door meting van de hoeveelheid urine die werd uitgescheiden met tussenpozen van 15 minuten na de waterbelasting. Bij vier van de vrijwilligers die werden bestudeerd met furosemide en drie met waterbelasting, hebben we ook spin-echo EPI-beelden verkregen, verkregen met drie of meer echotijden (59 tot 160 ms), om de spin-spin-relaxatiesnelheid te berekenen, R2.

Region of interest (ROI) analyse werd gebruikt om regionale relaxatiepercentages te berekenen. BIJ1-gewogen anatomische afbeelding werd verkregen op dezelfde plakpositie om plaatsing van de ROI's te vergemakkelijken. R2* en R2 werden berekend door de helling van de rechte lijn te meten die past bij de loge (intensiteit) versus echotijdgegevens. Het gemiddelde van de drie acquisities werd gebruikt voor elk gegevenspunt in de hellingsanalyse. Figuur 2b illustreert een voorbeeld van verspreiding van de ROI's. Voor statistische analyse van verandering in R2* en R2 voor versus na stimuli, een tweezijdig gepaard t proef werd gebruikt.

Resultaten

BOLD MRI toegepast op intacte menselijke nieren: effecten van diuretica

Furosemide veroorzaakte een afname van R2* in de medulla van alle zes onderzochte proefpersonen. Typische veranderingen worden geïllustreerd in de afbeeldingen van nieren voor en na toediening van furosemide bij één persoon in figuur 2a en de grafiek van de hellingen van loge (intensiteit) versus echotijd in figuur 2c. In de cortex, R2* was onveranderd door furosemide. De resultaten van alle proefpersonen zijn samengevat in de tabel en in grafische vorm weergegeven in figuur 3 .

Acetazolamide, aan de andere kant, produceerde geen significante verandering in R2* in medulla of cortex, zoals samengevat voor alle experimenten in figuur 3.

Effecten van waterdiurese

Bij vijf proefpersonen (vier mannen en één vrouw in de leeftijd van 20 tot 40 jaar) veroorzaakte waterdiurese een consistente en substantiële afname van R2* in niermerg, wat duidt op een toename van de medullaire P o 2. Gegevens van alle waterdiurese-experimenten zijn samengevat in de tabel en grafisch weergegeven in figuur 4. Waterdiurese had geen invloed op BOLD MRI-signalen in de niercortex. Zoals figuur 4 laat zien, veranderde waterdiurese R . niet2 in medulla of cortex, wat weinig verandering in het watergehalte van het weefsel impliceert.

Discussie

Een aantal MRI-onderzoeken hebben het effect van zuurstof op de magnetische toestand van hemoglobine benut. 5 9 10 11 12 Sinds kort wordt dit principe gebruikt om veranderingen in cerebrale zuurstofspanning en/of bloedstroom te detecteren. Hoppel et al. 13 ontdekten een afname van de T2* van weefselwater in konijnenhersenen tijdens hypoxie. Kwong et al. 14 en Bandettini et al. 15 toonden veranderingen in T2*-gewogen echo vlakke MRI-beelden van het menselijk brein na visuele stimulatie en het inhouden van de adem die werden toegeschreven aan veranderingen in zuurstofspanning. Deze en soortgelijke onderzoeken hebben actief onderzoek gestimuleerd op het gebied van functionele MRI van de hersenen.

Thulborn et al. 10 toonden aan dat de T2 relaxatiesnelheid van volbloed is een lineaire functie van het kwadraat van de fractie hemoglobine die gedeoxygeneerd was. Het effect was relatief ongevoelig voor temperatuur en hematocriet over het fysiologische bereik, maar verdween wanneer het bloed werd gehemolyseerd. Vanwege de sigmoïdale relatie van P o 2 aan de oxygenatie van hemoglobine, 16 veranderingen in BOLD MR-signaal geproduceerd door veranderingen in bloed P o 2 is naar verwachting het meest uitgesproken bij lage niveaus van P o 2 en relatief minder gevoelig bij een P o 2 >40 mm Hg, op welk punt de meeste hemoglobine in de geoxygeneerde vorm is. Dit maakt BOLD MRI bij uitstek geschikt voor zuurstofmetingen in het niermerg, waar P o 2 ligt normaal gesproken in het bereik van 15 tot 20 mm Hg, 1 2 in plaats van in de cortex, waar kleine veranderingen in O2 spanning kan onopgemerkt blijven. Omdat de zuurstofspanning van bloed die van het te doorbloeden weefsel moet weerspiegelen, worden veranderingen in BOLD-signaalintensiteit gemeten bij een voldoende lange echotijd, of in R2*, moet veranderingen in de P o . weerspiegelen 2 van weefsel (Fig 1). Berekening van R2* is robuuster en nauwkeuriger, minimaliseert kunstmatige fouten en vermijdt storende effecten zoals die veroorzaakt door veranderingen in het watergehalte van weefsels.

De validiteit van deze metingen, althans in kwalitatieve zin, wordt versterkt door de overeenstemming van de veranderingen die we bij mensen hebben waargenomen nadat furosemide en acetazolamide waren toegediend met de veranderingen die eerder direct waren gemeten met zuurstofmicro-elektroden bij verdoofde ratten. Furosemide, dat actief transport in de medullaire dikke oplopende ledematen remt, verhoogde medullaire P o sterk 2, terwijl na toediening van acetazolamide, dat voornamelijk de proximale tubulaire reabsorptie in de nierschors remt, medullaire P o 2 veranderde niet. Significante veranderingen in medullair R2* vergeleken met R2 valideer de veronderstelling dat de waargenomen veranderingen worden gedomineerd door het BOLD-effect in plaats van veranderingen in het regionale watergehalte.

De huidige studie verschaft ook nieuwe informatie over de effecten van waterdiurese bij de mens. Waterdiurese verhoogde consequent medullaire P o 2 bij vijf gezonde jonge proefpersonen in een mate die dicht in de buurt kwam van die waargenomen na toediening van furosemide zonder het BOLD MRI-signaal van de cortex te veranderen. Hoewel waterdiurese de totale renale bloedstroom niet wezenlijk verandert, is het mogelijk dat de capillaire stroom naar het niermerg selectief wordt verhoogd. Het is ook waarschijnlijk dat waterdiurese gepaard gaat met een afname van het zuurstofverbruik in de medulla vanwege een afname van actief transport door cellen die de medullaire dikke oplopende ledematen bekleden. Waterdiurese wordt in ieder geval bij jonge mensen in verband gebracht met een duidelijke toename van de urinaire excretie van prostaglandine E2 (PGE2) en dopamine. 18 Beide middelen hebben lokale vaatverwijdende effecten en remmen actief reabsorptief transport in medullaire tubuli, acties die de medullaire P o 2. 19 20 21 Vasopressine zou ook het actieve transport 22 en de lokale bloedstroom naar de niermedulla kunnen moduleren 23 24 op een manier die de medullaire P o zou verhogen 2 wanneer de invloed ervan werd verwijderd, zoals bij waterdiurese. Omdat normale veroudering gepaard gaat met een verlies van het vermogen om prostaglandine E . in de urine te verhogen2 en dopamine tijdens waterdiurese, 18 zal het van belang zijn om te zien of veroudering ook het effect van waterdiurese vermindert om medullaire P o te verhogen 2, zoals geschat door BOLD MRI.

De precieze kwantificering van weefsel P o 2 in absolute termen zal een geschikte kalibratie nodig zijn. Bovendien kan BOLD MRI natuurlijk geen onderscheid maken tussen veranderingen in oxygenatie die worden veroorzaakt door veranderingen in de toevoer van zuurstof (bloedstroom) en in het verbruik (actief transport). Veranderingen in de hemoglobine-O2 dissociatiecurve zoals die geproduceerd door grote pH-veranderingen kan ook BOLD MRI beïnvloeden, hoewel de pH van de buitenste medulla van de nier (in tegenstelling tot het distale deel van de binnenste medulla) waarschijnlijk niet significant verschilt van die van perifeer bloed. 25 26

De huidige experimenten tonen aan dat BOLD MRI kan worden gebruikt om de effecten van fysiologische en farmacologische verstoringen en van ziekteprocessen op regionale oxygenatie in de nier, sequentieel en niet-invasief, bij menselijke proefpersonen te bestuderen.

Figuur 1. Bloedoxygenatieniveau-afhankelijke (BOLD) MRI verandert met P o O2. De deoxygenatie van hemoglobine verandert zijn magnetische eigenschappen, wat leidt tot veranderingen in een parameter van magnetische resonantie genaamd R2* (schijnbare spin-spin relaxatiesnelheid). R2* kan worden geschat op basis van signaalintensiteitsmetingen die zijn uitgevoerd op verschillende echotijden (a tot en met e). De helling van loge (intensiteit) vs echo tijd bepaalt R2* en is direct gerelateerd aan de hoeveelheid zuurstofarm bloed. Een afname van de helling impliceert een toename van de P o O2 van bloed. We kunnen de helling meten of intensiteitsmetingen verkrijgen op een enkele echo-tijd (bijv. d) om een ​​verschil in P o O te detecteren2. Omdat bloed P o O2 wordt verondersteld in snel evenwicht te zijn met weefsel P o O2, veranderingen in BOLD-signaalintensiteit of R2* moet veranderingen in de P o O . weerspiegelen2 van het weefsel.

Figuur 2. BIJ2*-gewogen vlakke echobeelden (echotijd [TE]=29, 50, 80 en 100 ms) van de nier van een menselijke vrijwilliger voor (links) en na (rechts) toediening van furosemide (20 mg IV). Op de beelden die vóór de toediening van furosemide zijn gemaakt, kan men het corticomedullaire contrast waarderen dat toeneemt met de echotijd. Medulla lijkt donker (pijlen) vanwege de aanwezigheid van meer zuurstofarm bloed. Na toediening van furosemide lijkt de medulla lichter, wat een verbeterde oxygenatie van bloed en vermoedelijk van extravasculair weefsel in de medulla impliceert, aangezien het corticomedullaire contrast verdwijnt. Merk op dat het opvangsysteem verwijd lijkt na toediening van furosemide, wat consistent is met diurese. B, voorbeeld van een typische dataset die is geanalyseerd met interessegebieden. Getoond worden prefurosemide echo vlakke beelden van dezelfde nier. Ook inbegrepen is de T1-gewogen anatomische afbeelding.De interessegebieden worden gedefinieerd over het anatomische beeld en vervolgens gepropageerd door de echo vlakke beelden, en de gemiddelde signaalintensiteit (SI) binnen elk interessegebied wordt gemeten en gebruikt om log te genererene (intensiteit) vs TE-curve, die vervolgens wordt aangepast aan een rechte lijn om de helling te bepalen (R2*). C, R2* berekend in niermerg (boven) en cortex (onder) voor en na toediening van furosemide (20 mg IV). R2* neemt af met verminderde deoxyhemoglobine (of verbeterde bloedoxygenatie). Het verschil in R2* waargenomen na toediening van furosemide duidt op een toename van de oxygenatie van bloed in de medulla.

Figuur 3. Verandering (vóór vs na diureticum) in R2* in medulla en cortex na toediening van furosemide of acetazolamide bij menselijke vrijwilligers (n=6 voor elk). Gegevens zijn gemiddelde ± SD. NS=P≥.05. Ook inbegrepen is R2 gegevens (n=4) met furosemide. Aanzienlijk grotere verandering in R2* vs R2 geeft aan dat deze MRI-techniek primair verantwoordelijk is voor de waargenomen veranderingen na toediening van furosemide.

Figuur 4. Veranderingen (vóór vs na diureticum) in R2* (n=5) en R2 (n=3) in medulla en cortex na inductie van waterdiurese bij menselijke vrijwilligers. Kolommen tonen gemiddelde ± SD. NS=P≥.05. Aanzienlijk grotere verandering in R2* vs R2 geeft aan dat het BOLD-effect primair verantwoordelijk is voor de waargenomen veranderingen na waterbelasting.

Tafel 1. Effecten van furosemide, acetazolamide en waterdiurese op R2* en R2 in niermedulla en cortex van menselijke proefpersonen

*Aanzienlijk anders dan de waarde vóór de stimulatie (P<.01).

†Niet significant verschillend van waarde vóór stimulatie (P≥.05).

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door een biomedische onderzoeksbeurs van de Whitaker Foundation (Dr Prasad) en NIH (NIDDK) Grant RO-18078 (Dr Epstein). We danken Katherine Spokes, John Cannillo en Dr. Wei Li voor hun technische bijstand.


Abstract

Doelen- De bijdrage van de endotheelfunctie aan weefseloxygenatie is niet goed begrepen. Bloed zuurstofniveau-afhankelijke MRI (BOLD MRI) levert gegevens die grotendeels afhankelijk zijn van hemoglobine (Hb) oxygenatie. We gebruikten BOLD MRI om endotheel-afhankelijke signaalintensiteit (SI) veranderingen te beoordelen.

Methoden en resultaten— We onderzochten gemiddelde BOLD SI-veranderingen in de onderarmmusculatuur met behulp van een gradiënt-echotechniek bij 1,5 T bij 9 gezonde proefpersonen die een protocol van herhaalde acetylcholine-infusies ondergingen met 2 verschillende doses (16 en 64 μg/min) en N G-monomethyl-l-arginine (l-NMMA 5 mg/min) in de armslagader. Als controlestof werd natriumnitroprusside gebruikt. Voor aanvullende correlatie met standaardmethoden werd hetzelfde protocol herhaald en werd de bloedstroom in de onderarm gemeten door middel van rekstrookjesplethysmografie. We verkregen een significante toename van BOLD SI tijdens acetylcholine-infusie (64 μg/min) en een significante afname voor l-NMMA-infusie (P<0.005 voor beide). BOLD SI vertoonde een ander kinetisch signaal dan de bloedstroom, vooral na intermitterende ischemie en bij hoge stroomsnelheden.

conclusies— Bij standaard endotheliale functietests detecteert BOLD MRI een dissociatie van weefsel-Hb-oxygenatie van de bloedstroom. BOLD MRI kan een nuttige aanvulling zijn bij het beoordelen van de endotheelfunctie.

We gebruikten spierbloed zuurstofniveau-afhankelijke MRI (BOLD MRI) om weefsel Hb-oxygenatie te bestuderen in relatie tot postischemische hyperemie en endotheliale stimulatie. We vonden ontkoppeling van weefsel Hb-oxygenatie van veranderingen in de bloedstroom en concluderen dat BOLD MRI aanvullende informatie kan bieden bij het beoordelen van de endotheelfunctie.

Het vasculaire endotheel reguleert de tonus en weefselperfusie door afgifte van vasoactieve stoffen zoals NO. Talrijke studies beoordeelden het effect van de endotheelfunctie, en in het bijzonder endotheeldisfunctie, bij mensen. De bijdrage van de endotheelfunctie aan de regulatie van weefseloxygenatie bij mensen is echter slecht begrepen. 1 Perfusie is niet het enige mechanisme dat weefseloxygenatie en -metabolisme bepaalt. Daarom kunnen bloedstroommetingen in dit opzicht een beperkt nut hebben. Bloedzuurstofniveauafhankelijke MRI (BOLD MRI) weerspiegelt veranderingen in de verhouding van oxyhemoglobine tot deoxyhemoglobine die kunnen worden toegeschreven aan hun verschillende eigenschappen in een magnetisch veld. 2,3 De BOLD-techniek is goed ingeburgerd voor functionele hersen-MRI 4 en is ook gebruikt om myocardiale 5-9 en skeletspierischemie te beoordelen. 10,11 Meer recentelijk werd de techniek toegepast om door inspanning geïnduceerde hyperemie in skeletspieren te beoordelen. 12,13 Beschikbare MRI-systemen kunnen BOLD-gevoelige datasets met een klein volume genereren in <1 s. BOLD MRI kan dus niet-invasief veranderingen in intravasculaire weefseloxygenatie detecteren met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie. Bovendien is de toegang tot het weefsel potentieel onbeperkt. We onderzochten veranderingen van weefseloxygenatie zoals gedefinieerd door BOLD MRI-signaalintensiteit (SI) in vergelijking met veranderingen in de bloedstroom na gevalideerde standaardeffectoren op de vasculaire tonus en toegepaste directe vasodilatatie en vasodilatatie toe te schrijven aan stimulatie van het endotheel.

Methoden:

Protocol

We bestudeerden 9 normale gezonde mannen (25±4 jaar 75±9 kg gewicht 180±9 cm lengte). Ze kregen geen medicijnen. Onze interne beoordelingsraad keurde alle onderzoeken goed en er werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen. Alle onderzoeken werden uitgevoerd tussen 9.00 uur en 12.00 uur na een nacht vasten. Een katheter (18G Braun AG) werd ingebracht in de arteria brachialis van de niet-dominante arm, gevolgd door een rustperiode van 30 minuten. We vergeleken BOLD SI-veranderingen met veranderingen in de bloedstroom bepaald door spanningsmeter plethysmografie (SGP). Daarom ondergingen proefpersonen binnen 2 uur tweemaal de volgende protocollen: eenmaal in de MRI-scanner en eenmaal terwijl veranderingen in de bloedstroom in de onderarm (FBF) werden beoordeeld met SGP. Protocollen werden uitgevoerd in een willekeurige volgorde en met een pauze van 60 minuten tussen de technieken.

We gebruikten de volgende bekende stimulatoren van vasodilatatie.

Reactieve hyperemie na intermitterende ischemie, wat leidt tot vasodilatatie door regionale metabole veranderingen en secundaire endotheel-gemedieerde relaxatie van gladde spiercellen.

Toediening van natriumnitroprusside (SNP), dat gladde spiercellen direct blootstelt aan NO en leidt tot hun ontspanning zonder primaire endotheelstimulatie (endotheelonafhankelijke vasodilatatie).

Toediening van acetylcholine (ACh), wat een fysiologische stimulus is voor endotheelcellen om NO te produceren, wat weer de vasculaire gladde spieren ontspant.

In een eerste reeks experimenten voerden we reactieve hyperemie uit met 3 minuten ischemie gevolgd door een herstelperiode van 22 minuten en een incrementele intra-arteriële infusie van SNP (SNP2=2 μg/min SNP4=4 μg/min SNP6=6 μg /min gedurende 5 minuten elk) na een korte pauze. Ischemie werd veroorzaakt door een snelle inflatie van een manchet van een standaard automatische bloeddrukmeter (Omega Saegeling Medizintechnik), met een volledige stopzetting van de bloedstroom binnen 2,5 s. Op een andere dag werden endotheelafhankelijke perfusieveranderingen veroorzaakt door incrementele infusies van ACh (ACh16=16 g/min ACh64=64 μg/min). Elke infusiestap duurde 4 minuten. Na herstel hebben we de niet-specifieke NO-synthaseremmer toegediend N G-monomethyl-l-arginine (l-NMMA) met een snelheid van 5 mg/min gedurende 5 minuten. We gebruikten medicijndoses waarvan bekend is dat ze geen systemische effecten veroorzaken. 14 De concentraties van het onderzoeksgeneesmiddel werden aangepast om een ​​constante intra-arteriële infusiesnelheid van 1,2 ml/min te bereiken. In de loop van onze studies waren alle 8 datasets verkregen tijdens de reactieve hyperemie/SNP-experimenten geschikt voor evaluatie. Tijdens de ACh/l-NMMA-onderzoeken traden significante bewegingsartefacten op bij 1 proefpersoon, waardoor een betrouwbare evaluatie onmogelijk was.

Plethysmografie

We gebruikten een Hokanson EC5R-plethysmograaf met kwik-in-silastische rekstrookjes die met de grootste diameter om de onderarm waren gewikkeld. Een polsmanchet werd opgeblazen tot 50 mm Hg boven de systolische druk 1 minuut voordat het protocol de handcirculatie begon uit te sluiten. Door intermitterende toepassing van een veneuze occlusiedruk van 50 mm Hg werd de bloedtoevoer naar de onderarm elke 15 s gemeten. Met uitzondering van reactieve hyperemie werden stroomwaarden berekend uit 8 enkele metingen nadat de stroom een ​​stabiele toestand had bereikt in elke sectie van het protocol.

Magnetische resonantiebeeldvorming

We gebruikten een 1,5-T MRI-systeem (Sigma CV/I GE Medical Systems), uitgerust met een cardiovasculair geoptimaliseerd gradiëntsysteem (maximale gradiëntsterkte 40 mT/m zwenksnelheid 150 T/m per seconde). Een kwadratuurkopspoel werd gebruikt voor excitatie en ontvangst om een ​​homogeen radiofrequentie-intensiteitsprofiel te bereiken. De proefpersonen werd gevraagd om een ​​"sfinx-achtige" buikligging aan te nemen met hun onderarmen in de hoofdspoel. Een enkele dwarsdoorsnede werd op de grootste onderarmdiameter geplaatst. We voerden T2*-gewogen single-shot, gradiënt-echo-sequentie uit, met een echo vlakke beelduitlezing met behulp van de volgende parameters: gezichtsveld 24×24 cm 2 pixelgrootte 1,87×1,87 mm 2 plakdikte 10 mm echotijd (TE) 18,5 ms en kantelhoek 20°. In de eerste serie experimenten gebruikten we een constante herhalingstijd van 250 ms, en in de tweede set pasten we ECG-triggering toe met een vertragingstijd van 200 ms om de invloed van stroomafhankelijke verzadiging en T1-effecten op de SI te minimaliseren. We hebben SI gemeten in een bepaald interessegebied op de hele onderarmmusculatuur met uitzondering van grote bloedvaten en botten (Figuur 1) met behulp van software die is ontworpen voor het volgen van het SI-tijdsverloop in functionele MRI (Functool GE Medical Systems). Bovendien werden de beelden van de contralaterale (non-infusion) onderarm verwerkt om variaties in de systemische circulatie te identificeren.

Figuur 1. T2*-gewogen MRI van menselijke onderarmen tijdens ischemie (links) en tijdens hyperemie (rechts). De arm die intermitterende occlusie van de bloedsomloop ondergaat, is afgebeeld aan de linkerkant. In deze arm kan de stroom-geïnduceerde intensiteitstoename na het loslaten van de manchet duidelijk worden waargenomen in grote bloedvaten, terwijl de BOLD SI-variatie in de spieren te klein is om visueel te worden geïdentificeerd. Let op het onregelmatig gevormde interessegebied zoals handmatig getekend.

Vergelijking met theoretische modellen

Om de bijdragen van verschillende compartimenten aan BOLD SI in menselijke skeletspieren te beoordelen, vergeleken we onze gegevens met voorspellingen van theoretische modellen van het BOLD-effect. Voor het schatten van extravasculaire BOLD-effecten hebben we het model van Bauer et al 3 aangepast aan de skeletspier met behulp van een typische set weefselparameters (Tabel 1). Voor intravasculaire BOLD-effecten hebben we BOLD SI-veranderingen berekend op basis van zuurstofafhankelijke veranderingen van de bloedrelaxatiesnelheid zoals voorgesteld door Silvennoinen et al. 15 Net als bij eerdere simulaties van Meyer et al.12 gebruikten we een constant relatief bloedvolume van 3% en een spierontspanningssnelheid van 34/s.

TABEL 1. Weefselparameters van menselijke skeletspieren gebruikt voor berekening van extravasculaire BOLD-effecten

Statistische analyse

Beschrijvende statistieken worden uitgedrukt als gemiddelde ± SEM. Statistische significantie van BOLD SI-veranderingen tussen de secties van het protocol werd beoordeeld door ANOVA voor herhaalde metingen. We hebben de test van Bonferroni gebruikt om BOLD SI-veranderingen tijdens infusie te vergelijken met gemiddelde controlewaarden. EEN P waarde <0,05 werd als significant beschouwd.

Resultaten

Postischemische vasodilatatie

De SI in de T2*-gewogen echo vlakke beelden leverde een signaal-ruisverhouding van 200 tot 400 op. Een laagfrequente ruis verscheen synchroon op beide onderarmen, voornamelijk als gevolg van hartpulsatie en ademhalingsbewegingen. Figuur 1 toont representatieve axiale BOLD-afbeeldingen die zijn verkregen tijdens ischemie van de onderarm en onmiddellijk na het loslaten van de manchet. De controle-onderarm is afgebeeld aan de rechterkant van elke afbeelding. Reperfusie veroorzaakte een sterke SI-toename in het luminale gebied van de zichtbare bloedvaten en, in mindere mate, in het spierweefsel.

Het tijdsverloop van de gemiddelde BOLD SI en veranderingen in de bloedstroom tijdens het reactieve hyperemie-protocol worden geïllustreerd in figuur 2. Onmiddellijk na het opblazen van de manchet vertoonde de BOLD SI een exponentieel verval met een maximale afname van 2,2 ± 0,4% in vergelijking met de uitgangswaarde. Na het loslaten van de manchet bereikte de SI een maximum van 3,6 ± 0,4% boven de uitgangswaarde binnen ≈30 s en keerde daarna langzaam terug naar de uitgangswaarden. Het tijdsverloop van de bloedstroomrespons was duidelijk anders dan die van de BOLD SI. De bloedstroom bereikte een maximum van 48,4 ± 5,6 ml/min x 100 ml weefsel al 5 s na het loslaten van de manchet, met een snelle terugkeer naar de uitgangswaarde (5,1 ± 1,7 ml/min x 100 ml weefsel). De analyse van BOLD SI-curves toonde aan dat de gemiddelde exponentiële tijdconstante voor de BOLD-signaalafname tijdens ischemie 71 ± 11 s was, en de gemiddelde lineaire BOLD-signaaltoenametijd (van 10% tot 90% van de totale toename na het loslaten van de manchet) was 9,5 ± 1 s. De individueel bepaalde tijdconstante voor het verval in de BOLD SI na het maximum was 136 ± 22 s, terwijl de tijdconstante voor het verval van de bloedstroom na de overschrijding van de bloedstroom slechts 19,3 ± 3,7 s was.

Figuur 2. BOLD SI verandert (lijn) en FBF in een reactief hyperemie-experiment. FBF en weefseloxygenatie keren terug naar rustwaarden op een andere tijdschaal. Vierkantjes geven rust aan.

Intra-arteriële infusies

SNP en ACh leidden tot een dosisafhankelijke BOLD SI-toename, als gevolg van verhoogde oxygenatie die toe te schrijven is aan een verhoogde bloedstroom. Met beide stoffen bleef de door SGP gemeten bloedstroom hoog tijdens de infusieperiode, terwijl de BOLD SI afnam vóór het einde van de infusie. Figuur 3a toont een representatieve opname van BOLD SI en stroom van een onderwerp tijdens incrementele intra-arteriële SNP-infusies. Vergeleken met baseline waren de BOLD SI-verhogingen 2,0 ± 0,3%, 2,4 ± 0,3% en 2,6 ± 0,3% tijdens SNP-infusies met respectievelijk 2, 4 en 6 g/min (P<0,001). De overeenkomstige FBF-waarden waren 17 ± 2, 24 ± 2 en 29 ± 3 ml/min x 100 ml weefsel. Terwijl FBF bij elke infusiestap binnen 2 minuten stabiliseerde, bereikte de BOLD SI geen stabiele toestand. We induceerden endotheel-afhankelijke vasodilatatie met incrementele intra-arteriële ACh-infusie. De BOLD SI- en FBF-veranderingen in een representatief onderwerp worden geïllustreerd in figuur 3b. Terwijl FBF bij elke infusiestap snel de stabiele toestand naderde, nam BOLD SI af bij elke ACh-infusiestap vroeg na het bereiken van een maximum, ondanks aanhoudend hoge bloedstroom. Tijdens ACh-infusie met de hoge dosis (ACh64) was de maximale BOLD SI-toename 3,6 ± 0,5% (P<0.005), overeenkomend met een 8,4-voudige FBF-toename, terwijl deze niet significant was tijdens lage dosis ACh16 (1,9 ± 0,6, P>0.05 FBF-toename 4,2-voudig, P= 0,38). Tabel 2 vat de resultaten samen.

Figuur 3. BOLD SI (oscillerende lijn) en stroom (ononderbroken lijn) veranderingen tijdens intra-arteriële infusie van SNP (a) en incrementele infusie van ACh, herstel en l-NMMA (b).

TABEL 2. Waargenomen veranderingen van onderarm BOLD SI en bloedstroom in de instellingen van reactieve hyperemie, toediening van nitroprusside en endotheliale stimulatie

FBF en maximale BOLD SI-waarden die in elke sectie van het protocol worden aangetroffen, worden weergegeven in een spreidingsdiagram in figuur 4a. Hoewel er een bijna lineaire toename was in FBF met toenemende SNP-doses, bereikten de BOLD SI-stijgingen verzadiging met toenemende SNP-dosis. Tijdens intra-arteriële l-NMMA namen BOLD SI en FBF aanzienlijk af (verandering −1,6±0,2% [P<0.005] en −35%), respectievelijk). Figuur 4b toont de bloedstroomwaarden die zijn verkregen tijdens l-NMMA- en ACh-infusies, uitgezet tegen de BOLD SI-waarden. De BOLD SI-curve laat een steile stijging zien bij lagere bloedstroomwaarden en verzadiging bij hogere bloedstroomwaarden. Een afname van de bloedstroom van 35% tijdens l-NMMA-infusie veroorzaakte ruwweg dezelfde hoeveelheid BOLD SI-verandering als de 4-voudige toename van de bloedstroom tijdens ACh16-infusie. BOLD SI bij vergelijkbare perfusieveranderingen verschilde niet tussen endotheel-afhankelijke en endotheel-onafhankelijke onderzoeken (P=0.3).

Figuur 4. Links, Scatterplot van FBF- en BOLD SI-veranderingen tijdens endotheelonafhankelijke bloedstroomveranderingen na SNP (χ 2 van fit=0.00007). Juist, vergelijkbare gegevens die endotheelafhankelijke veranderingen in de bloedstroom vergelijken die worden geïnduceerd door incrementele ACh en door l-NMMA (χ 2 van fit=0.00016). De BOLD SI verzadigt voor het verhogen van FBF vanwege verzadigende weefseloxygenatie.

Vergelijking met theoretische modellen

Voor een schatting van de extracapillaire BOLD-effecten hebben we de gemeten FBF-gegevens in rust en na l-NMMA-, ACh64- en SNP6-infusie ingevoegd in respectievelijk vergelijkingen 1, 3 en 48, zoals beschreven in Bauer et al. 3 Als benadering voor een klein intracapillair bloedvolume hebben we vergelijking 40 uit dezelfde publicatie toegepast. Vergeleken met rustwaarden resulteerden de berekeningen in relatieve veranderingen in de spierontspanningssnelheid (ΔR2*) van −0,013, 0,009 en 0,009 per seconde voor respectievelijk l -NMMA, ACh64 en SNP6. De relatieve BOLD SI-verandering werd berekend door de relatie TE×ΔR2*, resulterend in een absolute extravasculaire bijdrage van respectievelijk −0,024%, 0,016% en 0,016% voor l-NMMA, ACh64 en SNP6. Deze waarden liggen in het bereik van slechts 1% van de gemeten BOLD SI-veranderingen.

Met behulp van vergelijking 48 van Bauer et al om de stroomafhankelijke hemoglobine (Hb) verzadiging en vergelijking 1 van Meyer et al om de relaxatiesnelheid van bloed in de microcirculatie te bepalen, konden we intravasculaire BOLD-effecten schatten. 3,15 Relatieve BOLD SI-veranderingen leverden respectievelijk −0,22, 0,21 en 0,20% op voor l-NMMA, ACh64 en SNP6, 10% van de waargenomen totale BOLD SI-verandering. Toen we echter rekening hielden met de relatieve toename van het bloedvolume tijdens hyperperfusie, resulteerde een toename van het relatieve bloedvolume van 3% naar 4% in een relatieve BOLD SI-verandering van 1,8% voor SNP6. 16,17

Discussie

Voor zover wij weten, is onze studie de eerste die BOLD SI-veranderingen systematisch correleert met endotheel-gemedieerde veranderingen in de bloedstroom in de menselijke onderarm. Met toenemende bloedstroom zagen we een toename van BOLD SI, met verzadiging bij hoge bloedstroomniveaus. Na intermitterende ischemie bleef BOLD SI echter verhoogd, zelfs na normalisatie van de bloedstroom. Omdat O2 verbruik is constant voor P o 2 niveaus van ≥1 mm Hg en houdt dus geen rekening met de waargenomen dissociatie, kan de vervaltijdconstante voor het BOLD MRI-signaal wijzen op de aanwezigheid van microvasculaire zuurstofreserve.

Onze resultaten van reactieve hyperemie komen overeen met de omvang en dynamiek van eerder gerapporteerde BOLD SI-gerelateerde veranderingen. 10,11 Zeer recente gegevens van Towse et al leverden ook bewijs voor een dissociatie van flow en BOLD SI. 18 Aanhoudende hoge waarden van BOLD SI na normalisatie van de bloedstroom worden bereikt door postischemische en zelfs posthyperemische verhogingen van zuurstofverzadiging van veneus bloed en weefselzuurstofspanning. 19–21 Intermitterende rekrutering van haarvaten na ischemie verhoogt het zuurstofgehalte in het bloed en leidt tot een meer uniforme en efficiënte O2 uitwisseling tussen capillair bloed en omliggende weefsels. 16,22 Kort na hyperemie, verhoogd weefsel O2 spanning kan een intermitterende afname van O . veroorzaken2 extractie totdat het preischemische evenwicht opnieuw is ingesteld.Het mechanisme wordt versterkt door flow-gemedieerde NO-afgifte.

Endotheel NO medieert inspanningsgerelateerde reacties 23,24 en reactieve hyperemie. Jordan et al. toonden onlangs aan dat de verlengde weefseloxygenatie na inspanning en verhoogde BOLD SI waargenomen bij wildtype muizen afwezig was in endotheliale NO-synthasegen-verstoorde muizen. 13 De bloedstroom na de training keerde in beide groepen snel terug naar de uitgangswaarde. Deze stand van zaken kan worden verklaard door het feit dat endotheliaal NO niet alleen de vasculaire tonus reguleert en dus O2 aanbod, maar ook O2 consumptie. Zowel exogeen als endogeen NO verlaagt mitochondriale O2 consumptie, terwijl endotheliale NO-synthaseremming O . verhoogt2 opname. 26–29 Beperkingen in de endotheliale NO-productie kunnen dus bijdragen aan ischemie door een combinatie van beperkte O2 voeding en het niet afsluiten van O2 consumptie.

Infusie van endotheel-afhankelijke of endotheel-onafhankelijke vasodilatoren leidde niet tot een stabiel BOLD SI-plateau, terwijl de bloedstroom snel een stabiele toestand naderde. Naast de genoemde impact van NO, kan dit fenomeen gedeeltelijk worden verklaard door een weefselzuurstofspanningsafhankelijke herverdeling van het bloedvolume in gebieden met een lagere O2.2 spanning. In een eerdere studie waren regionale bloedstroom en functionele capillaire dichtheid omgekeerd gerelateerd aan weefsel O2 spanning. 17

BOLD SI in onze studie benaderde verzadiging met toenemende FBF. De respons op endotheelafhankelijke en endotheelonafhankelijke vasodilatatie was vergelijkbaar. De verzadiging van de BOLD SI suggereert dat microvasculaire Hb-oxygenatie geleidelijk arteriële Hb-oxygenatie naderde naarmate de bloedstroom toenam. Theoretisch kunnen veranderingen in de zuurstofvoorziening van myoglobine ook een BOLD-effect veroorzaken. Maar zelfs met de door l-NMMA geïnduceerde verminderde bloedstroom, bleef de myoglobinezuurstofverzadiging in onze studie ≈100%. 11 Bovendien wordt myoglobine binnen 15 s na reperfusie volledig opnieuw geoxygeneerd. We geloven dus niet dat de verzadiging van myoglobine-oxygenatie onze resultaten beïnvloedde.

BOLD SI wordt beïnvloed door het bloedvolume, de bloedstroom en weefseloxygenatie, dus de waargenomen BOLD SI-veranderingen kunnen het gevolg zijn van andere factoren dan oxygenatie. Studies van Li et al hebben echter aangetoond dat veranderingen van BOLD SI in vivo voornamelijk toe te schrijven zijn aan veranderingen van weefseloxygenatie. 5 Bijdragen aan het BOLD-signaal zijn afkomstig van intravasculaire en extravasculaire compartimenten. Meyer et al. toonden echter aan dat intravasculaire in plaats van extravasculaire effecten voornamelijk BOLD SI-veranderingen in de skeletspier verklaren. Variaties in het microvasculaire bloedvolume of in de gemiddelde hoek tussen spiervezels en de hoofdveldas kunnen de grootte van de berekende BOLD SI veranderen. Er is een breed scala aan waarden gerapporteerd, met name voor capillaire dichtheid, waarvan bekend is dat deze varieert met het fysieke trainingsniveau. 30 Verder is functionele capillaire dichtheid afhankelijk van weefsel O2 spanning en precapillaire druk. Deze variabelen kunnen in de loop van onze experimenten aanzienlijk zijn veranderd.

We konden FBF en BOLD SI niet tegelijkertijd meten omdat SGP niet binnen de MRI-scanner kon worden uitgevoerd. We hebben echter de testomstandigheden tijdens beide metingen gestandaardiseerd. We handhaafden de condities van SGP en BOLD MRI zo gelijk mogelijk. We hebben geen gelijktijdig metabolisch onderzoek gedaan, bijvoorbeeld met magnetische resonantiespectroscopie van myoglobine. We kunnen dus geen commentaar geven op metabole aspecten van de waargenomen veranderingen, maar het koppelen van magnetische resonantiespectroscopie aan microdialysetechnieken zou interessante toekomstperspectieven kunnen bieden.

De potentiële impact van onze resultaten is legio.

De nieuwe techniek maakt het mogelijk om de zuurstofbeschikbaarheid direct te beoordelen als de gereguleerde vasculaire metabolische variabele zelf, in plaats van surrogaatmarkers zoals bloedstroom of vaatdiameters te gebruiken.

Mechanismen van regionale oxygenatieregulatie in het weefsel anders dan endotheelafhankelijke bloedstroomregulatie kunnen worden onderzocht. Kandidaten kunnen precapillaire shunts zijn, nieuwe weefselregulatoren van zuurstofverbruik of modificatoren van Hb-deoxygenatie.

Deze mechanismen kunnen toekomstige doelen zijn voor therapeutische benaderingen voor het aanpakken van weefseloxygenatie.

BOLD MRI kan een nauwkeurig, stabiel en reproduceerbaar hulpmiddel zijn om de endotheelfunctie te beoordelen als een vroeg kenmerk van hypertensie en atherosclerose en hun voorlopers diabetes, obesitas, fysieke inactiviteit, lipidenstoornissen of systemische ontsteking. Toegepast in onderzoeksproeven, kan het bekende beperkingen van gevestigde modaliteiten overwinnen.

Omdat BOLD MRI geen lokale manipulaties zoals rekstrookjes nodig heeft en grotendeels onafhankelijk is van de locatie van het te onderzoeken weefsel, zijn andere gebieden zoals intra-abdominale organen en het hart binnen handbereik.

De methode kan nuttig zijn bij het volgen van veranderingen tijdens therapeutische interventies, met name in gebieden die niet toegankelijk zijn voor andere technieken.

We zijn Todd Anderson dankbaar voor zijn uitstekende herziening van het manuscript en de nuttige discussies. Verder zijn we dank verschuldigd aan de technische bijstand van Kerstin Kretschel, Evelyn Polzin en Ursula Wagner.


Wat is deoxyhemoglobine?

Deoxyhemoglobine is de hemoglobine die zuurstof heeft afgegeven. De afgifte van zuurstof vindt plaats in het metaboliserende weefsel vanwege de lage pH, hoge kooldioxideconcentratie en lage temperatuur. Deoxyhemoglobine is de gespannen (T) toestand van hemoglobine als gevolg van het vrijkomen van zuurstofmoleculen.

Figuur 2: Oxyhemoglobine-dissociatiecurve

Deoxyhemoglobine, dat paarsachtig van kleur is, wordt via aderen naar het hart getransporteerd. Bloed met deoxyhemoglobine staat bekend als zuurstofarm bloed. Het kan zich binden met zuurstof in de longen, waardoor oxyhemoglobine wordt gevormd, wat op zijn beurt de pH van het bloed verhoogt.


Abstract

Doelen- De bijdrage van de endotheelfunctie aan weefseloxygenatie is niet goed begrepen. Bloed zuurstofniveau-afhankelijke MRI (BOLD MRI) levert gegevens die grotendeels afhankelijk zijn van hemoglobine (Hb) oxygenatie. We gebruikten BOLD MRI om endotheel-afhankelijke signaalintensiteit (SI) veranderingen te beoordelen.

Methoden en resultaten— We onderzochten gemiddelde BOLD SI-veranderingen in de onderarmmusculatuur met behulp van een gradiënt-echotechniek bij 1,5 T bij 9 gezonde proefpersonen die een protocol van herhaalde acetylcholine-infusies ondergingen met 2 verschillende doses (16 en 64 μg/min) en N G-monomethyl-l-arginine (l-NMMA 5 mg/min) in de armslagader. Als controlestof werd natriumnitroprusside gebruikt. Voor aanvullende correlatie met standaardmethoden werd hetzelfde protocol herhaald en werd de bloedstroom in de onderarm gemeten door middel van rekstrookjesplethysmografie. We verkregen een significante toename van BOLD SI tijdens acetylcholine-infusie (64 μg/min) en een significante afname voor l-NMMA-infusie (P<0.005 voor beide). BOLD SI vertoonde een ander kinetisch signaal dan de bloedstroom, vooral na intermitterende ischemie en bij hoge stroomsnelheden.

conclusies— Bij standaard endotheliale functietests detecteert BOLD MRI een dissociatie van weefsel-Hb-oxygenatie van de bloedstroom. BOLD MRI kan een nuttige aanvulling zijn bij het beoordelen van de endotheelfunctie.

We gebruikten spierbloed zuurstofniveau-afhankelijke MRI (BOLD MRI) om weefsel Hb-oxygenatie te bestuderen in relatie tot postischemische hyperemie en endotheliale stimulatie. We vonden ontkoppeling van weefsel Hb-oxygenatie van veranderingen in de bloedstroom en concluderen dat BOLD MRI aanvullende informatie kan bieden bij het beoordelen van de endotheelfunctie.

Het vasculaire endotheel reguleert de tonus en weefselperfusie door afgifte van vasoactieve stoffen zoals NO. Talrijke studies beoordeelden het effect van de endotheelfunctie, en in het bijzonder endotheeldisfunctie, bij mensen. De bijdrage van de endotheelfunctie aan de regulatie van weefseloxygenatie bij mensen is echter slecht begrepen. 1 Perfusie is niet het enige mechanisme dat weefseloxygenatie en -metabolisme bepaalt. Daarom kunnen bloedstroommetingen in dit opzicht een beperkt nut hebben. Bloedzuurstofniveauafhankelijke MRI (BOLD MRI) weerspiegelt veranderingen in de verhouding van oxyhemoglobine tot deoxyhemoglobine die kunnen worden toegeschreven aan hun verschillende eigenschappen in een magnetisch veld. 2,3 De BOLD-techniek is goed ingeburgerd voor functionele hersen-MRI 4 en is ook gebruikt om myocardiale 5-9 en skeletspierischemie te beoordelen. 10,11 Meer recentelijk werd de techniek toegepast om door inspanning geïnduceerde hyperemie in skeletspieren te beoordelen. 12,13 Beschikbare MRI-systemen kunnen BOLD-gevoelige datasets met een klein volume genereren in <1 s. BOLD MRI kan dus niet-invasief veranderingen in intravasculaire weefseloxygenatie detecteren met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie. Bovendien is de toegang tot het weefsel potentieel onbeperkt. We onderzochten veranderingen van weefseloxygenatie zoals gedefinieerd door BOLD MRI-signaalintensiteit (SI) in vergelijking met veranderingen in de bloedstroom na gevalideerde standaardeffectoren op de vasculaire tonus en toegepaste directe vasodilatatie en vasodilatatie toe te schrijven aan stimulatie van het endotheel.

Methoden:

Protocol

We bestudeerden 9 normale gezonde mannen (25±4 jaar 75±9 kg gewicht 180±9 cm lengte). Ze kregen geen medicijnen. Onze interne beoordelingsraad keurde alle onderzoeken goed en er werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen. Alle onderzoeken werden uitgevoerd tussen 9.00 uur en 12.00 uur na een nacht vasten. Een katheter (18G Braun AG) werd ingebracht in de arteria brachialis van de niet-dominante arm, gevolgd door een rustperiode van 30 minuten. We vergeleken BOLD SI-veranderingen met veranderingen in de bloedstroom bepaald door spanningsmeter plethysmografie (SGP). Daarom ondergingen proefpersonen binnen 2 uur tweemaal de volgende protocollen: eenmaal in de MRI-scanner en eenmaal terwijl veranderingen in de bloedstroom in de onderarm (FBF) werden beoordeeld met SGP. Protocollen werden uitgevoerd in een willekeurige volgorde en met een pauze van 60 minuten tussen de technieken.

We gebruikten de volgende bekende stimulatoren van vasodilatatie.

Reactieve hyperemie na intermitterende ischemie, wat leidt tot vasodilatatie door regionale metabole veranderingen en secundaire endotheel-gemedieerde relaxatie van gladde spiercellen.

Toediening van natriumnitroprusside (SNP), dat gladde spiercellen direct blootstelt aan NO en leidt tot hun ontspanning zonder primaire endotheelstimulatie (endotheelonafhankelijke vasodilatatie).

Toediening van acetylcholine (ACh), wat een fysiologische stimulus is voor endotheelcellen om NO te produceren, wat weer de vasculaire gladde spieren ontspant.

In een eerste reeks experimenten voerden we reactieve hyperemie uit met 3 minuten ischemie gevolgd door een herstelperiode van 22 minuten en een incrementele intra-arteriële infusie van SNP (SNP2=2 μg/min SNP4=4 μg/min SNP6=6 μg /min gedurende 5 minuten elk) na een korte pauze. Ischemie werd veroorzaakt door een snelle inflatie van een manchet van een standaard automatische bloeddrukmeter (Omega Saegeling Medizintechnik), met een volledige stopzetting van de bloedstroom binnen 2,5 s. Op een andere dag werden endotheelafhankelijke perfusieveranderingen veroorzaakt door incrementele infusies van ACh (ACh16=16 g/min ACh64=64 μg/min). Elke infusiestap duurde 4 minuten. Na herstel hebben we de niet-specifieke NO-synthaseremmer toegediend N G-monomethyl-l-arginine (l-NMMA) met een snelheid van 5 mg/min gedurende 5 minuten. We gebruikten medicijndoses waarvan bekend is dat ze geen systemische effecten veroorzaken. 14 De concentraties van het onderzoeksgeneesmiddel werden aangepast om een ​​constante intra-arteriële infusiesnelheid van 1,2 ml/min te bereiken. In de loop van onze studies waren alle 8 datasets verkregen tijdens de reactieve hyperemie/SNP-experimenten geschikt voor evaluatie. Tijdens de ACh/l-NMMA-onderzoeken traden significante bewegingsartefacten op bij 1 proefpersoon, waardoor een betrouwbare evaluatie onmogelijk was.

Plethysmografie

We gebruikten een Hokanson EC5R-plethysmograaf met kwik-in-silastische rekstrookjes die met de grootste diameter om de onderarm waren gewikkeld. Een polsmanchet werd opgeblazen tot 50 mm Hg boven de systolische druk 1 minuut voordat het protocol de handcirculatie begon uit te sluiten. Door intermitterende toepassing van een veneuze occlusiedruk van 50 mm Hg werd de bloedtoevoer naar de onderarm elke 15 s gemeten. Met uitzondering van reactieve hyperemie werden stroomwaarden berekend uit 8 enkele metingen nadat de stroom een ​​stabiele toestand had bereikt in elke sectie van het protocol.

Magnetische resonantiebeeldvorming

We gebruikten een 1,5-T MRI-systeem (Sigma CV/I GE Medical Systems), uitgerust met een cardiovasculair geoptimaliseerd gradiëntsysteem (maximale gradiëntsterkte 40 mT/m zwenksnelheid 150 T/m per seconde). Een kwadratuurkopspoel werd gebruikt voor excitatie en ontvangst om een ​​homogeen radiofrequentie-intensiteitsprofiel te bereiken. De proefpersonen werd gevraagd om een ​​"sfinx-achtige" buikligging aan te nemen met hun onderarmen in de hoofdspoel. Een enkele dwarsdoorsnede werd op de grootste onderarmdiameter geplaatst. We voerden T2*-gewogen single-shot, gradiënt-echo-sequentie uit, met een echo vlakke beelduitlezing met behulp van de volgende parameters: gezichtsveld 24×24 cm 2 pixelgrootte 1,87×1,87 mm 2 plakdikte 10 mm echotijd (TE) 18,5 ms en kantelhoek 20°. In de eerste serie experimenten gebruikten we een constante herhalingstijd van 250 ms, en in de tweede set pasten we ECG-triggering toe met een vertragingstijd van 200 ms om de invloed van stroomafhankelijke verzadiging en T1-effecten op de SI te minimaliseren. We hebben SI gemeten in een bepaald interessegebied op de hele onderarmmusculatuur met uitzondering van grote bloedvaten en botten (Figuur 1) met behulp van software die is ontworpen voor het volgen van het SI-tijdsverloop in functionele MRI (Functool GE Medical Systems). Bovendien werden de beelden van de contralaterale (non-infusion) onderarm verwerkt om variaties in de systemische circulatie te identificeren.

Figuur 1. T2*-gewogen MRI van menselijke onderarmen tijdens ischemie (links) en tijdens hyperemie (rechts). De arm die intermitterende occlusie van de bloedsomloop ondergaat, is afgebeeld aan de linkerkant. In deze arm kan de stroom-geïnduceerde intensiteitstoename na het loslaten van de manchet duidelijk worden waargenomen in grote bloedvaten, terwijl de BOLD SI-variatie in de spieren te klein is om visueel te worden geïdentificeerd. Let op het onregelmatig gevormde interessegebied zoals handmatig getekend.

Vergelijking met theoretische modellen

Om de bijdragen van verschillende compartimenten aan BOLD SI in menselijke skeletspieren te beoordelen, vergeleken we onze gegevens met voorspellingen van theoretische modellen van het BOLD-effect. Voor het schatten van extravasculaire BOLD-effecten hebben we het model van Bauer et al 3 aangepast aan de skeletspier met behulp van een typische set weefselparameters (Tabel 1). Voor intravasculaire BOLD-effecten hebben we BOLD SI-veranderingen berekend op basis van zuurstofafhankelijke veranderingen van de bloedrelaxatiesnelheid zoals voorgesteld door Silvennoinen et al. 15 Net als bij eerdere simulaties van Meyer et al.12 gebruikten we een constant relatief bloedvolume van 3% en een spierontspanningssnelheid van 34/s.

TABEL 1. Weefselparameters van menselijke skeletspieren gebruikt voor berekening van extravasculaire BOLD-effecten

Statistische analyse

Beschrijvende statistieken worden uitgedrukt als gemiddelde ± SEM. Statistische significantie van BOLD SI-veranderingen tussen de secties van het protocol werd beoordeeld door ANOVA voor herhaalde metingen. We hebben de test van Bonferroni gebruikt om BOLD SI-veranderingen tijdens infusie te vergelijken met gemiddelde controlewaarden. EEN P waarde <0,05 werd als significant beschouwd.

Resultaten

Postischemische vasodilatatie

De SI in de T2*-gewogen echo vlakke beelden leverde een signaal-ruisverhouding van 200 tot 400 op. Een laagfrequente ruis verscheen synchroon op beide onderarmen, voornamelijk als gevolg van hartpulsatie en ademhalingsbewegingen. Figuur 1 toont representatieve axiale BOLD-afbeeldingen die zijn verkregen tijdens ischemie van de onderarm en onmiddellijk na het loslaten van de manchet. De controle-onderarm is afgebeeld aan de rechterkant van elke afbeelding. Reperfusie veroorzaakte een sterke SI-toename in het luminale gebied van de zichtbare bloedvaten en, in mindere mate, in het spierweefsel.

Het tijdsverloop van de gemiddelde BOLD SI en veranderingen in de bloedstroom tijdens het reactieve hyperemie-protocol worden geïllustreerd in figuur 2. Onmiddellijk na het opblazen van de manchet vertoonde de BOLD SI een exponentieel verval met een maximale afname van 2,2 ± 0,4% in vergelijking met de uitgangswaarde. Na het loslaten van de manchet bereikte de SI een maximum van 3,6 ± 0,4% boven de uitgangswaarde binnen ≈30 s en keerde daarna langzaam terug naar de uitgangswaarden. Het tijdsverloop van de bloedstroomrespons was duidelijk anders dan die van de BOLD SI. De bloedstroom bereikte een maximum van 48,4 ± 5,6 ml/min x 100 ml weefsel al 5 s na het loslaten van de manchet, met een snelle terugkeer naar de uitgangswaarde (5,1 ± 1,7 ml/min x 100 ml weefsel). De analyse van BOLD SI-curves toonde aan dat de gemiddelde exponentiële tijdconstante voor de BOLD-signaalafname tijdens ischemie 71 ± 11 s was, en de gemiddelde lineaire BOLD-signaaltoenametijd (van 10% tot 90% van de totale toename na het loslaten van de manchet) was 9,5 ± 1 s. De individueel bepaalde tijdconstante voor het verval in de BOLD SI na het maximum was 136 ± 22 s, terwijl de tijdconstante voor het verval van de bloedstroom na de overschrijding van de bloedstroom slechts 19,3 ± 3,7 s was.

Figuur 2. BOLD SI verandert (lijn) en FBF in een reactief hyperemie-experiment. FBF en weefseloxygenatie keren terug naar rustwaarden op een andere tijdschaal. Vierkantjes geven rust aan.

Intra-arteriële infusies

SNP en ACh leidden tot een dosisafhankelijke BOLD SI-toename, als gevolg van verhoogde oxygenatie die toe te schrijven is aan een verhoogde bloedstroom. Met beide stoffen bleef de door SGP gemeten bloedstroom hoog tijdens de infusieperiode, terwijl de BOLD SI afnam vóór het einde van de infusie. Figuur 3a toont een representatieve opname van BOLD SI en stroom van een onderwerp tijdens incrementele intra-arteriële SNP-infusies. Vergeleken met baseline waren de BOLD SI-verhogingen 2,0 ± 0,3%, 2,4 ± 0,3% en 2,6 ± 0,3% tijdens SNP-infusies met respectievelijk 2, 4 en 6 g/min (P<0,001). De overeenkomstige FBF-waarden waren 17 ± 2, 24 ± 2 en 29 ± 3 ml/min x 100 ml weefsel. Terwijl FBF bij elke infusiestap binnen 2 minuten stabiliseerde, bereikte de BOLD SI geen stabiele toestand. We induceerden endotheel-afhankelijke vasodilatatie met incrementele intra-arteriële ACh-infusie. De BOLD SI- en FBF-veranderingen in een representatief onderwerp worden geïllustreerd in figuur 3b. Terwijl FBF bij elke infusiestap snel de stabiele toestand naderde, nam BOLD SI af bij elke ACh-infusiestap vroeg na het bereiken van een maximum, ondanks aanhoudend hoge bloedstroom. Tijdens ACh-infusie met de hoge dosis (ACh64) was de maximale BOLD SI-toename 3,6 ± 0,5% (P<0.005), overeenkomend met een 8,4-voudige FBF-toename, terwijl deze niet significant was tijdens lage dosis ACh16 (1,9 ± 0,6, P>0.05 FBF-toename 4,2-voudig, P= 0,38). Tabel 2 vat de resultaten samen.

Figuur 3. BOLD SI (oscillerende lijn) en stroom (ononderbroken lijn) veranderingen tijdens intra-arteriële infusie van SNP (a) en incrementele infusie van ACh, herstel en l-NMMA (b).

TABEL 2. Waargenomen veranderingen van onderarm BOLD SI en bloedstroom in de instellingen van reactieve hyperemie, toediening van nitroprusside en endotheliale stimulatie

FBF en maximale BOLD SI-waarden die in elke sectie van het protocol worden aangetroffen, worden weergegeven in een spreidingsdiagram in figuur 4a. Hoewel er een bijna lineaire toename was in FBF met toenemende SNP-doses, bereikten de BOLD SI-stijgingen verzadiging met toenemende SNP-dosis.Tijdens intra-arteriële l-NMMA namen BOLD SI en FBF aanzienlijk af (verandering −1,6±0,2% [P<0.005] en −35%), respectievelijk). Figuur 4b toont de bloedstroomwaarden die zijn verkregen tijdens l-NMMA- en ACh-infusies, uitgezet tegen de BOLD SI-waarden. De BOLD SI-curve laat een steile stijging zien bij lagere bloedstroomwaarden en verzadiging bij hogere bloedstroomwaarden. Een afname van de bloedstroom van 35% tijdens l-NMMA-infusie veroorzaakte ruwweg dezelfde hoeveelheid BOLD SI-verandering als de 4-voudige toename van de bloedstroom tijdens ACh16-infusie. BOLD SI bij vergelijkbare perfusieveranderingen verschilde niet tussen endotheel-afhankelijke en endotheel-onafhankelijke onderzoeken (P=0.3).

Figuur 4. Links, Scatterplot van FBF- en BOLD SI-veranderingen tijdens endotheelonafhankelijke bloedstroomveranderingen na SNP (χ 2 van fit=0.00007). Juist, vergelijkbare gegevens die endotheelafhankelijke veranderingen in de bloedstroom vergelijken die worden geïnduceerd door incrementele ACh en door l-NMMA (χ 2 van fit=0.00016). De BOLD SI verzadigt voor het verhogen van FBF vanwege verzadigende weefseloxygenatie.

Vergelijking met theoretische modellen

Voor een schatting van de extracapillaire BOLD-effecten hebben we de gemeten FBF-gegevens in rust en na l-NMMA-, ACh64- en SNP6-infusie ingevoegd in respectievelijk vergelijkingen 1, 3 en 48, zoals beschreven in Bauer et al. 3 Als benadering voor een klein intracapillair bloedvolume hebben we vergelijking 40 uit dezelfde publicatie toegepast. Vergeleken met rustwaarden resulteerden de berekeningen in relatieve veranderingen in de spierontspanningssnelheid (ΔR2*) van −0,013, 0,009 en 0,009 per seconde voor respectievelijk l -NMMA, ACh64 en SNP6. De relatieve BOLD SI-verandering werd berekend door de relatie TE×ΔR2*, resulterend in een absolute extravasculaire bijdrage van respectievelijk −0,024%, 0,016% en 0,016% voor l-NMMA, ACh64 en SNP6. Deze waarden liggen in het bereik van slechts 1% van de gemeten BOLD SI-veranderingen.

Met behulp van vergelijking 48 van Bauer et al om de stroomafhankelijke hemoglobine (Hb) verzadiging en vergelijking 1 van Meyer et al om de relaxatiesnelheid van bloed in de microcirculatie te bepalen, konden we intravasculaire BOLD-effecten schatten. 3,15 Relatieve BOLD SI-veranderingen leverden respectievelijk −0,22, 0,21 en 0,20% op voor l-NMMA, ACh64 en SNP6, 10% van de waargenomen totale BOLD SI-verandering. Toen we echter rekening hielden met de relatieve toename van het bloedvolume tijdens hyperperfusie, resulteerde een toename van het relatieve bloedvolume van 3% naar 4% in een relatieve BOLD SI-verandering van 1,8% voor SNP6. 16,17

Discussie

Voor zover wij weten, is onze studie de eerste die BOLD SI-veranderingen systematisch correleert met endotheel-gemedieerde veranderingen in de bloedstroom in de menselijke onderarm. Met toenemende bloedstroom zagen we een toename van BOLD SI, met verzadiging bij hoge bloedstroomniveaus. Na intermitterende ischemie bleef BOLD SI echter verhoogd, zelfs na normalisatie van de bloedstroom. Omdat O2 verbruik is constant voor P o 2 niveaus van ≥1 mm Hg en houdt dus geen rekening met de waargenomen dissociatie, kan de vervaltijdconstante voor het BOLD MRI-signaal wijzen op de aanwezigheid van microvasculaire zuurstofreserve.

Onze resultaten van reactieve hyperemie komen overeen met de omvang en dynamiek van eerder gerapporteerde BOLD SI-gerelateerde veranderingen. 10,11 Zeer recente gegevens van Towse et al leverden ook bewijs voor een dissociatie van flow en BOLD SI. 18 Aanhoudende hoge waarden van BOLD SI na normalisatie van de bloedstroom worden bereikt door postischemische en zelfs posthyperemische verhogingen van zuurstofverzadiging van veneus bloed en weefselzuurstofspanning. 19–21 Intermitterende rekrutering van haarvaten na ischemie verhoogt het zuurstofgehalte in het bloed en leidt tot een meer uniforme en efficiënte O2 uitwisseling tussen capillair bloed en omliggende weefsels. 16,22 Kort na hyperemie, verhoogd weefsel O2 spanning kan een intermitterende afname van O . veroorzaken2 extractie totdat het preischemische evenwicht opnieuw is ingesteld. Het mechanisme wordt versterkt door flow-gemedieerde NO-afgifte.

Endotheel NO medieert inspanningsgerelateerde reacties 23,24 en reactieve hyperemie. Jordan et al. toonden onlangs aan dat de verlengde weefseloxygenatie na inspanning en verhoogde BOLD SI waargenomen bij wildtype muizen afwezig was in endotheliale NO-synthasegen-verstoorde muizen. 13 De bloedstroom na de training keerde in beide groepen snel terug naar de uitgangswaarde. Deze stand van zaken kan worden verklaard door het feit dat endotheliaal NO niet alleen de vasculaire tonus reguleert en dus O2 aanbod, maar ook O2 consumptie. Zowel exogeen als endogeen NO verlaagt mitochondriale O2 consumptie, terwijl endotheliale NO-synthaseremming O . verhoogt2 opname. 26–29 Beperkingen in de endotheliale NO-productie kunnen dus bijdragen aan ischemie door een combinatie van beperkte O2 voeding en het niet afsluiten van O2 consumptie.

Infusie van endotheel-afhankelijke of endotheel-onafhankelijke vasodilatoren leidde niet tot een stabiel BOLD SI-plateau, terwijl de bloedstroom snel een stabiele toestand naderde. Naast de genoemde impact van NO, kan dit fenomeen gedeeltelijk worden verklaard door een weefselzuurstofspanningsafhankelijke herverdeling van het bloedvolume in gebieden met een lagere O2.2 spanning. In een eerdere studie waren regionale bloedstroom en functionele capillaire dichtheid omgekeerd gerelateerd aan weefsel O2 spanning. 17

BOLD SI in onze studie benaderde verzadiging met toenemende FBF. De respons op endotheelafhankelijke en endotheelonafhankelijke vasodilatatie was vergelijkbaar. De verzadiging van de BOLD SI suggereert dat microvasculaire Hb-oxygenatie geleidelijk arteriële Hb-oxygenatie naderde naarmate de bloedstroom toenam. Theoretisch kunnen veranderingen in de zuurstofvoorziening van myoglobine ook een BOLD-effect veroorzaken. Maar zelfs met de door l-NMMA geïnduceerde verminderde bloedstroom, bleef de myoglobinezuurstofverzadiging in onze studie ≈100%. 11 Bovendien wordt myoglobine binnen 15 s na reperfusie volledig opnieuw geoxygeneerd. We geloven dus niet dat de verzadiging van myoglobine-oxygenatie onze resultaten beïnvloedde.

BOLD SI wordt beïnvloed door het bloedvolume, de bloedstroom en weefseloxygenatie, dus de waargenomen BOLD SI-veranderingen kunnen het gevolg zijn van andere factoren dan oxygenatie. Studies van Li et al hebben echter aangetoond dat veranderingen van BOLD SI in vivo voornamelijk toe te schrijven zijn aan veranderingen van weefseloxygenatie. 5 Bijdragen aan het BOLD-signaal zijn afkomstig van intravasculaire en extravasculaire compartimenten. Meyer et al. toonden echter aan dat intravasculaire in plaats van extravasculaire effecten voornamelijk BOLD SI-veranderingen in de skeletspier verklaren. Variaties in het microvasculaire bloedvolume of in de gemiddelde hoek tussen spiervezels en de hoofdveldas kunnen de grootte van de berekende BOLD SI veranderen. Er is een breed scala aan waarden gerapporteerd, met name voor capillaire dichtheid, waarvan bekend is dat deze varieert met het fysieke trainingsniveau. 30 Verder is functionele capillaire dichtheid afhankelijk van weefsel O2 spanning en precapillaire druk. Deze variabelen kunnen in de loop van onze experimenten aanzienlijk zijn veranderd.

We konden FBF en BOLD SI niet tegelijkertijd meten omdat SGP niet binnen de MRI-scanner kon worden uitgevoerd. We hebben echter de testomstandigheden tijdens beide metingen gestandaardiseerd. We handhaafden de condities van SGP en BOLD MRI zo gelijk mogelijk. We hebben geen gelijktijdig metabolisch onderzoek gedaan, bijvoorbeeld met magnetische resonantiespectroscopie van myoglobine. We kunnen dus geen commentaar geven op metabole aspecten van de waargenomen veranderingen, maar het koppelen van magnetische resonantiespectroscopie aan microdialysetechnieken zou interessante toekomstperspectieven kunnen bieden.

De potentiële impact van onze resultaten is legio.

De nieuwe techniek maakt het mogelijk om de zuurstofbeschikbaarheid direct te beoordelen als de gereguleerde vasculaire metabolische variabele zelf, in plaats van surrogaatmarkers zoals bloedstroom of vaatdiameters te gebruiken.

Mechanismen van regionale oxygenatieregulatie in het weefsel anders dan endotheelafhankelijke bloedstroomregulatie kunnen worden onderzocht. Kandidaten kunnen precapillaire shunts zijn, nieuwe weefselregulatoren van zuurstofverbruik of modificatoren van Hb-deoxygenatie.

Deze mechanismen kunnen toekomstige doelen zijn voor therapeutische benaderingen voor het aanpakken van weefseloxygenatie.

BOLD MRI kan een nauwkeurig, stabiel en reproduceerbaar hulpmiddel zijn om de endotheelfunctie te beoordelen als een vroeg kenmerk van hypertensie en atherosclerose en hun voorlopers diabetes, obesitas, fysieke inactiviteit, lipidenstoornissen of systemische ontsteking. Toegepast in onderzoeksproeven, kan het bekende beperkingen van gevestigde modaliteiten overwinnen.

Omdat BOLD MRI geen lokale manipulaties zoals rekstrookjes nodig heeft en grotendeels onafhankelijk is van de locatie van het te onderzoeken weefsel, zijn andere gebieden zoals intra-abdominale organen en het hart binnen handbereik.

De methode kan nuttig zijn bij het volgen van veranderingen tijdens therapeutische interventies, met name in gebieden die niet toegankelijk zijn voor andere technieken.

We zijn Todd Anderson dankbaar voor zijn uitstekende herziening van het manuscript en de nuttige discussies. Verder zijn we dank verschuldigd aan de technische bijstand van Kerstin Kretschel, Evelyn Polzin en Ursula Wagner.


Bekijk de video: Brain MRI.. No Cure! (December 2022).