Methods of multi nuclear magnetic resonance spectroscopy for metabolic research

Abstract

Die Dissertation mit dem Titel Methods of Multi Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy for Metabolic Research geschrieben von DI.<br />Albrecht Schmid, beurteilt von Prof. Badurek und Prof. Moser beschaftigt sich mit in-vivo Kernspinresonanzspektroskopie. Fur die Untersuchung des Energiestoffwechsels sind Phosphor-31- und Kohlenstoff-13-Spektroskopie von großer Bedeutung. Dabei erlaubt Phosphorspektroskopie die quantitative Bestimmung der energiereichen Phosphate, C-13-Spektroskopie hingegen ermöglicht die Anwendung isotopenangereicherter Substrate, deren Verstoffwechselung verfolgt werden kann.<br />Nach einer Einfuhrung in die Grundlagen der Kernspinresonanz und der Radiofrequenzpulse, insbesondere B1-unabhängige, sogenannte adiabatische Pulse folgt ein Kapitel uber die Relevanz der Multikernspektroskopie fur die physiologische Forschung. Die zentralen Elemente im Verständnis unserer Energieversorgung sind die Bestimmung der Aktivität des Zitronensäurezyklus und der Rate der oxidativen Phosphorilierung. Das Experiment, welches in Kapitel 7 vorgestellt wird, ist die Implementierung des refokusierten INEPT Experiments mittels B1-unempfindlicher Radiofrequenzpulse. Glutamatbestimmung im Zuge der selektiven Isotopenanreicherung durch Verstoffwechselung von C-13-isotopenmarkierten Substraten ist der Schlussel zur Bestimmung der Zitronensäureyklusaktivität.<br />Mittels des vorgestellten INEPT-Experiments sollte das Glutamatsignal wesentlich besser quantifiziert werden können.<br />Ein anderer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Bestimmung der oxidativen Phosphorilierung in Form von ATP Synthese im Skelettmuskel. Zu diesem Zwecke ist ein robustes Messprotokoll entwickelt worden, das mittlerweile au mehr als hundert Probanden angewendet worden ist. Basierend auf diesen Experimenten wurde ein lokalisiertes Sättigungstransferexperiment speziell für die Leber entwickelt, welches den damit verbundnen hohen Anforderungen gerecht wird und die Messzeit in einem für die meisten Menschen erträglichem Ausmaß bleibt. Es ist damit weltweit erstmals gelungen, die hepatischen ATP Synthese in-vivo quantitativ zu bestimmen.<br />Zusammenfassend bieten die vorgestellten Experimente eine solide Basis für weiterführende klinische Studien, welche das Verständnis des menschlichen Energiestoffwechsels erweitern werden. Die damit verbundenen neuen Erkenntnisse werden helfen, zukünftig die Diagnose und Therapie verbreiteter Störungen wie Insulinresistenz, Diabetes mellitus, diffuse Lebererkrankungen sowie Herzkreislauferkrankungen zu verbessern.<br />

Nuclear magnetic resonance (NMR) is an established technique for the investigation of various kinds of materials, especially organic substances and tissues. For the study of energy metabolism phosphorus (31P) and carbon (13C) spectroscopy are especially useful After an introduction and a summary of the basics of nuclear magnetic resonance and radiofrequency pulses follows a chapter about the physiological relevance of multnuclear NMR spectroscopy. Measuring the activity of the tricarboxylic acid (TCA) cycle and the rates of oxidative phosphorilation are the keys to understanding the backbone of our energy supply.<br />The experiment presented in Chapter 7 is an implementation of the refocused INEPT experiment with B1 insensitive radiofrequency pulses. Glutamate detection after 13C enriched label incorporation is the key to TCA cycle measurements. With the presented fully adiabatic INEPT sequence the glutamate signal should be quantifiable significantly better.<br />Another focus of this work is measuring oxidative phosphorilation in the form of ATP synthesis in human skeletal muscle. To this end a robust measurement protocol has been developed and applied to more than a hundred subjects.Based on this experience, a localised 31P saturation transfer experiment has been developed specific for the application to human liver that meets the necessary requirements on signal to noise within a tolerable measurement duration for most people. With this protocol hepatic ATP synthesis could be measured for the first time in-vivo.<br />In conclusion, the presented experiments form a solid basis for on-going clinical research studies. These will lead to a significant gain of information accompanied by a better understanding of human metabolism. In consequence, progress in diagnosis and therapy of various metabolic disorders including insulin resistance, diabetes mellitus, diffuse liver disease or cardiovascular diseases can be expected in the future.