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Nature Communications | 5T糖原成像揭示人體肌糖原多模式代謝奧秘
近日，醫(yī)學成像科學與技術系統(tǒng)全重實驗室骨干、中國科學院深圳先進技術研究院勞特伯生物醫(yī)學成像研究中心周洋副研究員研究團隊在Nature Communications上發(fā)表了題為 “In vivo imaging of glycogen in human muscle” 的原創(chuàng)研究成果[1]。
該研究通過全身超高場磁共振成像平臺 uMR Jupiter 5T 開發(fā)的糖原 rNOE 成像方法（glycoNOE,relayed nuclear Overhauser effect in glycogen），成功實現(xiàn)了人體骨骼肌糖原的高分辨成像，揭示了運動后肌肉糖原消耗和補充過程中的復雜模式，展示了 glycoNOE MRI 在能量代謝機制探索中的應用前景。審稿人公開評價：“人體糖原的空間測量是革命性的（revolutionary）?！蔽恼碌牡谝蛔髡邽橹袊茖W院深圳先進技術研究院的別崇雪博士，通訊作者為周洋。主要合作者來自約翰斯·霍普金斯大學、廈門大學和利物浦約翰摩爾大學。
研究背景
肌糖原（muscle glycogen）是人體能量儲存的主要形式之一[2]。在健康個體中，靜息狀態(tài)下肌糖原的濃度約為 100 mM（按葡萄糖分子計算）[3]。肌糖原通過分解，為骨骼肌收縮提供三磷酸腺苷（adenosine triphosphate,ATP），滿足持續(xù)活動的能量需求，其代謝速率與運動強度和持續(xù)時間密切相關[4]。肌糖原的利用和儲存呈現(xiàn)顯著的空間異質性，既表現(xiàn)為不同肌群之間的差異[5]，也涉及亞細胞水平的分布特征[6]。上世紀 80-90 年代，Shulman 等人提出的 13C 磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy,MRS）技術，解決了人體糖原“看不到”的問題，是糖原在體檢測的重要手段[7]。然而，該方法在分辨率、靈敏度及硬件要求方面存在一定局限性。2019 年，周洋等人在PNAS提出利用飽和轉移磁共振實驗中的中繼核奧氏效應（relayed nuclear Overhauser effect,rNOE）[8]?實現(xiàn)糖原信號放大（命名為 glycoNOE），為高分辨率、高靈敏度成像糖原代謝開辟了新途徑[9]?。近日發(fā)表的研究，利用 glycoNOE MRI 技術，在人體上實現(xiàn)了肌糖原的高時空分辨率成像，部分解決人體糖原“看不清”的問題，展示了人體骨骼肌局部的糖原代謝特征。在運動后骨骼肌中，發(fā)現(xiàn)了三種獨特的肌糖原恢復模式，為人體肌糖原代謝調控帶來了新認知。
文章上線截圖
研究方法與結果
主要發(fā)現(xiàn) ①：5T 環(huán)境下高時空分辨的人體骨骼肌糖原測量方法的建立
該研究在 5T 磁共振環(huán)境開發(fā)了一套基于 glycoNOE MRI 的人體肌糖原測量方法，實現(xiàn)了毫米級空間分辨率和分鐘級時間分辨率成像。通過模擬人體肌糖原顆粒特性的體外仿體實驗（平均粒徑 26 nm），確定了糖原信號與濃度的轉換關系。隨后，研究了靜息狀態(tài)下人體骨骼肌的糖原含量及其分布特征。通過從小腿肌肉的Z譜中移除直接水飽和（Direct water saturation,DS）和磁化轉移造影（Magnetization transfer contrast,MTC）的背景信號，殘余譜中清晰顯示出位于 -1 ppm 的 glycoNOE 信號。采用兩階段多池洛倫茲擬合對 glycoNOE 信號進行定量，并結合仿體校準數(shù)據(jù)，成功繪制出肌糖原濃度圖譜。結果顯示，16 名健康受試者的小腿肌糖原分布均勻，平均濃度為 99 ± 13 mM。重復掃描驗證了該方法的穩(wěn)定性和精確性，為進一步探索肌糖原代謝奠定了基礎（圖 1）。
圖 1. 5T 磁共振環(huán)境下人體骨骼肌糖原的測量主要發(fā)現(xiàn)
主要發(fā)現(xiàn)②：骨骼肌糖原的消耗和恢復呈現(xiàn)顯著局部差異
該研究探討了不同強度運動引起的肌糖原消耗及運動后恢復的動態(tài)變化，其中低強度運動的總機械功為 16 kJ，高強度運動的總機械功為 30 kJ。實驗結果顯示，運動導致顯著的肌糖原耗竭，且在 6 小時恢復期間，肌糖原未能完全回到運動前的基線水平。此外，運動后肌糖原分布不均勻，各肌肉區(qū)域的恢復速率也有所不同。例如，在低強度跖屈運動組中，一名受試者的內側腓腸?。╩edial gastrocnemius,MG）區(qū)域表現(xiàn)出最為顯著的恢復，空間上與糖原明顯耗竭區(qū)域相對應，而比目魚?。╯oleus）和外側腓腸肌（lateral gastrocnemius,LG）區(qū)域的糖原消耗量較少，恢復較為緩慢。因此，肌糖原代謝具有空間異質性，且糖原的消耗與恢復呈現(xiàn)正相關（圖 2）。
圖 2. 低強度跖屈運動前后的小腿肌糖原分布
主要發(fā)現(xiàn) ③：肌糖原恢復具有與肌肉類型無關的三類典型模式
通過對高強度跖屈運動實驗數(shù)據(jù)的深入分析，該研究揭示骨骼肌局部區(qū)域的三種糖原恢復動力學模式（圖 3）：
? 單指數(shù)恢復（Type a）：糖原水平呈指數(shù)方式緩慢增加，但未完全恢復至基線，約占高強度運動后骨骼肌區(qū)域的 78 ± 12%。
? 快速恢復后再消耗（Type b）：糖原在初始恢復階段快速恢復至較高水平，隨后緩慢下降，約占骨骼肌區(qū)域的 14 ± 10%。
? 持續(xù)消耗后指數(shù)恢復（Type c）：初始恢復階段糖原水平持續(xù)下降，隨后指數(shù)恢復，約占骨骼肌區(qū)域的 8 ± 9%。
這三種動力學模式反映了局部糖原代謝的復雜調節(jié)機制。值得注意的是，即使在同一塊肌肉內（例如比目魚肌），不同區(qū)域的運動后剩余糖原水平可能存在顯著差異，并可能同時表現(xiàn)出多種恢復模式（a 型和 c 型）。
圖 3. 高強度跖屈運動后骨骼肌糖原恢復的三種動力學模式
研究展望
本研究建立了一套基于 glycoNOE MRI 測量人體肌糖原的方法，為精細化理解人體糖原代謝機制提供了手段。此方法有望拓展至人體肝糖原成像，在骨骼肌和肝臟中實現(xiàn)更全面的糖原動態(tài)監(jiān)測。未來，此方法也有望幫助臨床研究與診療，成為評估人體糖代謝紊亂相關疾病的新工具。
此外，通過對肌肉局部的深入分析，該研究揭示了運動后肌糖原合成的空間異質性和時間雙期性，并發(fā)現(xiàn)了部分區(qū)域在恢復期間糖原信號進一步降低，提示糖原磷酸化酶在運動后肌肉局部可能部分處于激活狀態(tài)，為未來能量代謝調控機制的深入研究指明了新方向。
作者簡介
周洋，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員、碩導。從事前沿分子磁共振成像理論、技術和應用研究。發(fā)展rNOE磁共振信號放大機制模型，受邀在磁共振領域國際權威期刊NMRin Biomedicine撰寫rNOE專題型綜述文章；提出糖原成像方法，獲得國際醫(yī)學磁共振年會金獎；發(fā)現(xiàn)人體肌糖原代謝3型模式，提出基于肌糖原成像的龐貝病評估方法。以第一/通訊作者在PNAS、Nature Communications等玉際權威期刊/會議發(fā)表論文10余篇。主持科技部重點研發(fā)課題、國家自然科學基金面上項目、深圳市基礎研究重點項目。
別崇雪，中國科學院深圳先進技術研究院博士后。主要研究方向為基于飽和轉移磁共振(STMRI)的糖代謝成像方法及其應用，以第一作者身份在Nature Communications、Magnetic Resonance in Medicine、NMRin Biomedicine等國際期刊發(fā)表論文十余篇，獲批國家資助博士后項目。
參考文獻
[1]?Bie,C.,Ma,Y.,van Zijl,P. C. M.,Yadav,N. N.,Xu,X.,Zheng,H.,Liang,D.,Zou,C.,Areta,J. L.,Chen,L.,& Zhou,Y. (2024). In vivo imaging of glycogen in human muscle.?Nature communications,?15(1),10826.?
[2]?Jue,T.,Rothman,D. L.,Shulman,G. I.,Tavitian,B. A.,DeFronzo,R. A.,& Shulman,R. G. (1989). Direct observation of glycogen synthesis in human muscle with 13C NMR.?Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,?86(12),4489–4491.?[3]?Price,T. B.,Rothman,D. L.,Taylor,R.,Avison,M. J.,Shulman,G. I.,& Shulman,R. G. (1994). Human muscle glycogen resynthesis after exercise: insulin-dependent and -independent phases.?Journal of applied physiology (Bethesda,Md.:1985),?76(1),104–111.[4]?Hargreaves,M.,& Spriet,L. L. (2020). Skeletal muscle energy metabolism during exercise.?Nature metabolism,?2(9),817–828.[5]?Vigh-Larsen,J. F.,?rtenblad,N.,Spriet,L. L.,Overgaard,K.,& Mohr,M. (2021). Muscle Glycogen Metabolism and High-Intensity Exercise Performance: A Narrative Review.?Sports medicine(Auckland,N.Z.),?51(9),1855–1874.?[6]?Schytz,C. T.,?rtenblad,N.,Gejl,K. D.,& Nielsen,J. (2024). Differential utilisation of subcellular skeletal muscle glycogen pools: a comparative analysis between 1 and 15?min of maximal exercise.?The Journal of physiology,?602(8),1681–1702.?[7]?Price,T. B.,Rothman,D. L.,& Shulman,R. G. (1999). NMR of glycogen in exercise.?The Proceedings of the Nutrition Society,?58(4),851–859.?[8]?Zhou,Y.,Bie,C.,van Zijl,P. C. M.,& Yadav,N. N. (2023). The relayed nuclear Overhauser effect in magnetization transfer and chemical exchange saturation transfer MRI.?NMR in biomedicine,?36(6),e4778.?
[9]?Zhou,Y.,van Zijl,P. C. M.,Xu,X.,Xu,J.,Li,Y.,Chen,L.,& Yadav,N. N. (2020). Magnetic resonance imaging of glycogen using its magnetic coupling with water.?Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,?117(6),3144–3149.?
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