Nouvelles explorations de la fonction musculaire : spectroscopie RMN. Application à l'hyperthermie maligne

REUNION DE GRENOBLE

Masson, Paris. Ann Fr Anesth Reanim, 8 : 400-405, 1989

Nouvelles explorations de la fonction musculaire : spectroscopie RMN. Application & rhyperthermie maligne New investigations of muscular function" NMR spectroscopy

G. KOZAK-REISS Centre de R#sonance Magn#tique Biologique et M6dicale, CNRS UA 1186, Facult6 de Medecine, 27, boulevard Jean-Moulin, 13005 Marseille

RESUME : De nouvelles m6thodes d'exploration de la fonction musculaire apparues ces derni~res ann6es sont g6n6ralement rest6es du domaine de la recherche. Actuellement la spectroscopie RMN est en pleine expansion. Appliqu6e ?a certaines myopathies enzymatiques, elle en permet un diagnostic ais6, voire un suivi de l'6volution et de la th6rapeutique. Appliqu6e ~t la reconnaissance des sujets sensibles l'hyperthermie maligne anesth6sique et ~ l'hyperthermie d'effort, elle a donn6 des r6sultats prornetteurs. Mots cl6s : H Y P E R T H E R M I E M A L I G N E : diagnostic, spectroscopie RMN.

Les m6thodes classiques d'exploration de la fonction musculaire permettent d'6valuer globalement la r6ponse m6canique et d'estimer l'aspect m6tabolique par des examens, soit bas6s sur le dosage des m6tabolites rejet6s dans le sang, soit morphologiques, enzymologiques et biochimiques partir de pr61~vements biopsiques. Dans ce dernier cas, on obtient une r6ponse ponctuelle h un moment donn6. Les techniques r6centes s'appliquent soit h la "fibre muscutaire en survie (61ectrophysiologie), soit a des fibres priv6es de membrane (fibres pel6es), soit ~ des 616ments cellulaires isol6s (r6ticulum sarcoplasmique, mitochondries, sarcolemme). Ces diverses techniques ont permis de mettre en 6vidence dans le cas de fibres musculaires squelettiques provenant de sujets sensibles ~t i'hyperthermie maligne (HM), un dysfonctionnement de la r6gulfftion du calcium cytosolique. Les derniers travaux mettent en 6vidence dans d'autres cellules, comme les lymphocytes le m~me type d'anomalie. Mais ces travaux ne donnent pas encore lieu h des tests diagnostiques fiables ou ais6s. L'6tude in vitro de la r6ponse m6canique est ~t la base des tests de contracture, seuls actuellement Requ le 18 avril 1989 ; accept6 apr6s r6vision le 21 aofat 1989.

reconnus comme tests diagn0stiques. Ces tests n6cessitent un pr61~vement musculaire traumatisant. La recherche de tests non invasifs ou peu traumatiques se basant sur un dysfonctionnement commun ~ plusieurs types cellulaires (plaquettes, globules rouges, lymphocytes) n'a pas donn6 de tests r6ellement discriminatifs. L'aspect 6nerg6tique, bien qu'indissociable de la contraction, n'a pu 6tre effectivement suivi temporellement que tr6s r6cemment gr~tce h la spectroscopie par r6sonance nucl6aire (SRM). Cette m6thode 6tant non invasive et r6it6rable a 6t6 appliqu6e ~ la physiologie et ~ la pathologie musculaires chez l'homme [2, 3, 4, 18, 21, 22].

1. SPECTROSCOPIE PAR RI=SONANCE NUCLI~AIRE

Elle est bas6e sur l'excitation d'un noyau plac6 dans un champ magn6tique intense. La fr6quence d'excitation diff6re selon le noyau et l'intensit6 du champ magn6tique. P o u r un noyau donn6 la fr6quence de r6sonance sera diff6rente selon son environnement et sa position dans la mol6cule. Tir~s a part: G. Kozak-Reiss.

SPECTROSCOPIE RMN ET HYPERTHERMiE MALIGNE

401

Les caract6ristiques du noyau de phosphore 31 (spin, abondance naturelle) permettent d'obtenir rapidement des spectres de bonne qualit6, les rdsonances des compos6s phosphoryl6s se r6partissant de plus sur une 6chelle assez 6tendue (50 ppm). Mais le nombre de compos6s d6celables reste assez restreint : en fait les noyaux phosphore ne doivent pas 6tre dans des structures rigides tels les phospholipides membranaires et de plus 8tre en concentration suffisante. Les spectres obtenus h partir d'enregistrements effectu6s apr~s positionnement d'une bobine de surface sur un groupe musculaire permettent de suivre l'6volution des principaux m6tabolites phosphor6s impliqu6s dans le m6tabolisme 6nerg6tique. Ainsi on peut ais6ment recueillir les signaux provenant de la phosphocr6atine (PC), du phosphate inorganique (Pi), des sucres mono- et diphosphat6s impliqu6s dans la glycolyse, de I ' A T P ; mais, quant ~ I'ADP libre, il ne peut 6tre isol6, 6tant en concentration trop faible d'une part, et r6sonant tr~s pr6s de I'ATP d'autre part (fig. 1). Une quantification du contenu en chaque compos6 peut 6tre tent6e en se basant sur la concentration d6termin6e par la m6thode biochimique et

^IMAHT

1

Polds

en admettant que cette valeur varie peu au repos. LAVANCI-[Y et coll. [14] ont mis en 6vidence l'excellente corr61ation existant entre les valeurs obtenues h partir des dosages biochimiques et les mesures SRM des compos6s phosphor6s caract6ristiques de l'6tat m6tabolique d'un muscle, ici le coeur i~o16 perfus6. Ces r6sultats sont un des moyens de valider cette technique, leur bonne reproductibilit6 en 6tant un autre. Enfin, comme la fr6quence de r6sonance est fonction de l'environnement du novau, les variations du pH intracellulaire (pHi) entrainent des modifications de charge du phosphate inorganique et le d6placement de la r6sonance du Pi, permettant donc une mesure indirecte du phi. En cons6quence, cette m6thode a 6t6 appliqu6e l'6tude du m6tabolisme 6nerg6tique musculaire aussi bien chez le sujet normal que pathologique. Certaines myopathies ont d6jh b6n6fici6 de cette , technique avec un double but : d'une part 6tudier des modifications m6taboliques pouvant 6tre li6es au processus pathologique, et d'autre part, rechercher une r6ponse discriminative pour chaque pathologie. Le protocole le plus couramment utilis6 permet l'6tude du m6tabolisme 6nerg6tique au repos, au cours de la contraction volontaire et pendant la phase de r6cup6ration. Dans certains cas une restriction circulatoire est impos6e par pose d'un brassard compressif.

-7--2. RI=SULTATS OBTENUS CHEZ DES SUJETS SENSIBLES A L'HYPERTHERMIE MALIGNE ET VlCTIMES D'HYPERTHERMIE MALIGNE

varl

Champmagnatique desurface homog~ne

Les tests sont bas6s sur l'ex6cution d'exercices de flexions des doigts pour le membre sup6rieur et d'extension de la cheville pour le membre inf6rieur. Ils ont particuli~rement 6t6 appliqu6s ~ deux groupes de sujets, ceux atteints de myopathies et ceux ayant une isch6mie chronique soit localis6e, soit g6n6ralis6e li6e h une d6faillance cardiaque mod6r6e.

.D~placement chimique d u p i c de Pi sensible au pH ~,pH~

PCr

ATP

2.1. Myopathies Pi

*

10

5

i

0

-5

i

-10

i

i

-15

-20

ppm

Fig. 1. - - 1 - Sch6ma d u dispositif utilis6 pour l'6tude du m6tabolisme 6nerg6tique musculaire chez l ' h o m m e . 2 - Spectre obtenu au repos par excitation des noyaux p h o s p h o r e (P31). Phosphocr6atine PCr - Phosphate inirganique Pi - Les n o y a u x phosphore de I ' A T P r6sonnent a trois fr6quences diff6rentes selon leur position a, 13, ~.

Dans le cas des myopathies, la SRM permet de mettre en 6vidence des d6ficits enzymatiques portant sur la glycolyse (syndrome de Mac ARDLE, d6ficit en phosphorylase (fig. 2) [3, 6], ou sur le m6tabolisme oxydatif [1, 5, 7], d6ficit en coenzyme Q. De plus 6tant non invasive, elle permet de suivre l'6volution du processus pathologique avec le temps, comme dans la dystrophie de Duchenne [22] (fig. 4), ou la r6gression du d6ficit apr~s traitement comme par exemple l'effet de la m6nadione dans le cas d'un d6ficit en coenzyme Q. Donc la SRM permet un suivi th6rapeutique.

402

G, KOZAK-REISS P[ K deficiency

7.05 ~

N

~c,

C

7.1 7 n~n pH = 5.55

j 7.05 ~

3

0

.pH = 5,24 .f~

exercise ~

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A.

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pH

pH 7.05 rest

recovery

0

-10

-20

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10

0

- 10

-20

Fig. 2. - - Spectres obtenus & partir des muscles fl6chisseurs de l'avant-bras chez un sujet atteint d'un d6ficit en phosphofructokinase. Notez le peu de variation du pic de Pi et l'apparition d'un pic correspondant ~t l'accumulation de sucre monophosphate signe du blocage de la glycolyse par le deficit enzymatique. Figure extraite de l'article de DUBOC et coil [6].

NORMAL PCr

DUCHENNE

CHz HzO

=

HzO I

"f~ ~ Susceptible "~'- ~¢'L/ "~'v~V"/~.-~-- k d'hyperthermiemahgne

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10

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7.0

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J

Hypertherm~e d'effort

10 5 0 -5 -10 -]5 -20 Fig. 4. - - Spectres obtenus pendant la premiere minute de r6cup6ration apres un exercice de flexion des doigts chez un sujet t6moin, un patient susceptible h i'hyperthermie maligne, et un sujet ayant et6 atteint d'hyperthermie d'effort. Notez chez ces patients les valeurs du pHi extremement basses et la r6duction importante du contenu en phosphocreatine.

montr6 clairement la relation 6troite entre la reduction de l'apport d'oxyg~ne au muscle pendant la contraction et sa consequence pendant la phase de r6cuperation. La vitesse de reconstitution de la phosphocr6atine est alors directement l i e e & l'apport d'oxyg~ne, donc & la capacit6 du m6tabolisme oxydatif ~t f o r m e r I ' A T P necessaire. I1 s'agit d'une experimentation m e n e e sur le rat, mais elle 6claire bien l'6volution metabolique observ6e chez les sujets ischemiques. 2.3. Sujets sensibles & I'hyperthermie maligne

.....___JVL_.

,,

.

ATP

i'w"~'W~~1~

II

ATP

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20

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-,

0

7,

ppm

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-50 20

IO

O

ppm

-IO

-20

-50

Fig. 3. - - Spectres H1 et P31 obtenus chez un sujet contrele et un enfant atteint de myopathie de Duchenne. Notez l'inversion des pics ;correspondant aux contenus en eau et graisses, signe de deg6nerescence musculaire (spectre H1) et le faible contenu en phosphocreatine (spectre P31). Figure extraite de l'article de YOUNKINet coil [22]. 2.2. Ischemie chronique

Le retentissement de l'ischemie chronique sur le m e t a b o l i s m e 6nerg6tique musculaire est bien mis e n 6vidence par la SRM. IDSTROM et coll. [9] ont

D a n s ce cas la SRM du P 31 a permis d'objectiver un dysfonctionnement m6tabolique couple au dysfonctionnement contractile. L ' e n r e g i s t r e m e n t simultan6 des contractures et de l'acidose m6tabolique sous l'action de la cafeine a bien 6t6 mis en evidence sur des biopsies de muscle de porcs sensibles placees dans des conditions experimentales semblables & celles utilis6es lors des tests de contracture diagnostiques [11]. Lors de la contraction, la lib6ration de calcium entraine non seulement l'activation du syst~me contractile mais encore l'activation de la glycolyse. I1 apparait donc logique q u ' u n e anomalie de la regulation calcique soit suivie de perturbations metaboliques ; ceci n'implique pas que l'intensit6 des troubles engendres soit identique dans les deux domaines, contractile et metabolique. Chez les patients ayant pr6sent6 un acc~s d'hyp e r t h e r m i e maligne au cours d'une anesthesie gen6rale et pour les m e m b r e s des families H M oft

SPECTROSCOPIE RMN ET HYPERTHERMIE MALIGNE

403

Repos Exerc. R6cup6ration

Repos Exer¢.

it---.

Recup6ration

m

O, 8( L - - - - . - - - - ~ p-:;:=,.$-.~-,=-~:

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min 20

Fig. 5. - - Evolution du contenu en phosphocr6atine (PC) exprim6 en valeur relative et du pH intracellulaire (pHi) au cours d'un exercice d'intensit6 mod6r6e chez un sujet non sensible (HMN) et sensible (HMS) g l'hyperthermie maligne.

la positivit6 a 6t6 confirm6e par les tests de contracture in vitro, on observe par SRM P 31 au cours d'un exercice d'intensit6 mod6r6e, une 6volution du m6tabolisme 6nerg6tique musculaire tr6s diff6rente de celle des sujets contr616s et des sujets reconnus comme non sensibles par biopsie (MHN) [12, 17]. Le m6tabolisme semble 6voluer dans ce cas de la m6me mani6re que celle observ6e exp6rimentalement sur les biopsies perfus6es de porc [11] ou chez le porcelet soumis ~ l'injection d'agents d6clenchants [19]. On observe en particulier une tr~s forte acidose intracellulaire suivie d'un retour retard6 du pHi ~ sa valeur de repos (fig. 4, 5). La glycolyse semble donc anormalement pr6pond6rante. Ces r6sultats sont maintenant confirm6s sur un grand nombre de sujets contr61ds syst6matiquement par les tests de contracture selon le protocole europ6en [13].

REPOS EXERCICE

00I +

0,60~

e~

0'40I 0'200I 0

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20

7,50 I 7~-.._.___._.._.__~" - -

Z'---S

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2.4. Cas des Sujets vietimes d'hyperthermie maligne

La SRM P 31 a permis d'objectiver chez les sujets victimes d'hyperthermie d'effort, un dysfonctionnement m6tabolique uniquement lorsque l'on impose une restriction circulatoire au cours de l'exercice. Jusqu'~ pr6sent, aucune autre m6thode n'avait r6v616 d'anomalies chez ces sujets. Ces syndromes d'effort sont variables dans leur mode d'apparition (marathon, exercice forc6, travaux p6nibles dans un environnement surchauff6), ainsi

RECUPERATION

1

/

6,50

"~'~~'i

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6 I0

2o t rain

= A 2KG

* B 2KG ISCHEMIE

Fig. 6. - - Evolution du contenu en phosphocr6atine et du pHi des muscles fl6chisseurs de l'avant-bras chez un patient ayant 6t4 victime d'un acc6s grave d'hyperthermie d'effort.

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que dans leur 6volution. L'6tiologie en est g6n6ralement inconnue. Un exemple en est donn6 ici par le cas d'un patient adress6 par le service de Neurologie de l'H6pital Raymond-Poincar6 de Garches (pr S. Pannier). Ce patient fut victime, au cours d'un travail p6nible dans un local surchauff6, d'un acc~s d'hyperthermie. Cette hyperthermie ayant partiellement r6gress6 apr~s injection de dantrol~ne, rut suivi de CIVD et d'une rhabdomyolyse tr~s intense, et le patient a pr6sent6 des s6quelles neurologiques invalidantes. Un an apr~s l'accident, un examen par SRM P 31 a mis en 6vidence un dysfonctionnement m6tabolique musculaire du type de ceux habituellement observ6s chez les sujets victimes d'acc~s d'hyperthermie d'effort (fig. 6). En outre les tests de contracture pratiqu6s selon le protocole europ6en ont r6v616 une sensibilit6 anormale ta la caf6ine et ~ l'halothane (d6signant ce sujet comme sensible ~ l'hyperthermie maligne). Ce cas est rare, mais il incite h pratiquer ce type d'examens lorsque ces syndromes sont mal d6finis. CONCLUSION

La spectroscopie RMN du phosphore 31 r6v~le des dysfonctionnements m6taboliques dans un certain nombre de myopathies et en particulier chez les sujets sensibles ta l'hyperthermie maligne et l'hyperthermie d'effort. Les myopathies d'origine inconnue pourraient b6n6ficier de ce type d'exploration. L'6volution de la technique avec l'utilisation simultan6e d'autres noyaux comme le proton et le carbone 13 devrait entrainer d'autres progr~s.

G. KOZAK-REISS

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9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16. BIBLIOGRAPHIE

1. ARNOLD DL, MATrHEWS DL, RADDA OK. Metabolic recovery after exercise and the assessement of mitochondrial function in vivo in human skeletal muscle by means of 31P NMR. Magnetic Resonance in Medecine, 1 : 307-315, 1984. 2. BARANYM, DOYLE DD, GRAFF G, WESTLER WM, MARKELY" JL. Natural abundance of 13C NMR spectra of human " muscle, normal and diseaded. Magnetic Resonance in Medecine, l : 30-43, 1984. 3. BARANYM, GLONEK T. Identification of diseaded states by phosphorus 31 NMR (pp511-544). In: Phosphorus 31 NMR. Principles and applications. DG Gorenstein ed. Academic Press, London, 1983. 4. CHANCE B, CLARK J, NIOKA S, SUBRAMAN1ANH, MARLSJM, ARGOV Z, BODE H. Phosphorus nuclear magnetic resonance spectroscopy in vivo. Circulation, 72 : 103-110, 1985. 5, CHANGE B, LEIGH JS, NIOKA S, CLARK BJ. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy studies of the role of mitochondria in the disease process. Ann N Y Acad Sci, 488: 140-153, 1986. 6. DUBOC D, JEHENSON P, TRAN DINH S, MARSAC C, 8YROTA A, FARDEAU M. Phosphorus NMR spectroscopy study of muscular enzyme deficiencies involving glycogenolysis and glycolysis. Neurology, 37 : 663-671, 1987. 7. ELEFF S, KENNAWAY NG, DUIST NRM, DARLEY USMAR VM, CAPALDI RA, BANK WJ, CHANCE B. 31P NMR study

17.

18.

19.

20.

21.

22.

of improvement in oxydative phosphorylation by vitamin K3 and C in a patient with a defect in electron transport at complex III in skeletal muscle. Proc Natl Acad Sci USA, 81 : 3529-3533, 1984. The EUROPEAN MALIGNANT HYPERPYREXIA GROUP. m protocol for the investigation of malignant hyperpyrexia (MH) susceptibility. Br J Anaesth, 56 : 1267-1269, 1984. IDSTROM JP, SUBRAMANIANVH, CHANCE B, SCHERSTEN T, BYLUND-FELLENIUS AC. Oxygen dependence of energy metabolism in contracting and recovering rat skeletal muscle. A m J Physiol, 248 : H40-H48, 1985. JEHENSON P, DUBOC D, FARDEAU M, SYROTA A. Etude in vivo par spectroscopie RMN du phosphore 31 du m6tabolisme musculaire en pathologie et sous l'influence de th6rapeutiques. Thdrapie, 4 2 : 467-470, 1987. KOZAK-REISS G, DESMOULIN F, CANIONI P, COZZONE P, GASCARD JP, MONIN G, PUSEL JM, RENOU JP, TALMANT A. Contraction and metabolism traits in skeletal muscle biopsies from halothane positive pigs as studied by mechanical measurements and 31P NMR (pp 27-38). In : Evaluation and control of meat quality in pigs. PV Tarrant, G Eikelenboom, G Monin eds, Martinus Nijhoff, 1987. KOZAK-REISS G, GASCARD JP, REDOUANE-BENICHOU K. D6pistage de l'hyperthermie maligne anesth6sique par les tests de contracture musculaire et par la spectroscopie RMN (SRM-P31). Ann Fr Anesth Rdanirn, 5 : 584-589, 1986. KOZAK-REISS G, GASCARD JP, HERVE P, JEHENSON P, SYROTA A. Malignant and exercise hyperthermia investigation of 73 subjects by contracture tests and P31 NMR spectroscopy. Anesthesiology, 8 9 : A 415, 1988. LAVANCHY N, MARTIN J, ROSSI A. Caract6risation par la spectroscopie en RMN du 31P, de l'6tat du m6tabolisme 6nerg6tique cardiaque : comparaison avec les donn6es biochimiques. J Physiol Paris, 80 : 196-201, 1985. MASSIE BM, CONWAY M, YONGE R, FROSTICK S, SLEIGHT P, LEDINGHAM J, RADDA G, RAJAGOPALAN B. 31P nuclear magnetic resonance evidence of abnormal skeletal muscle metabolism in patients with congestive heart failure. A m J Cardiol, 6 0 : 309-315, 1987. NEWMAN RJ. An in vivo study of phosphate metabolism in Becker's dystrophy by 31P NMR spectroscopy. Metabolism, 3 4 : 737-740, 1985. OLGIN J, ARGOV Z, ROSENBERG H, CHANCE B. Non invaHive evaluation of malignant hyperthermia susceptibility with phosphorus nuclear magnetic resonance spectroscopy. Anesthesiology, 68 : 507-513, 1988. RADDA GK, TAYLOR DJ. Applications of nuclear magnetic resonance spectroscopy in pathology (pp 1-58). In : International review of experimental pathology vol 27. Richter CW, Epstein MA eds, Academic Press London, 1985. ROBERTS TJ, BURT T, GOUYLAI I, CHANCE B, SRETER F, RYAN H. Immediate uncoupling of high energy oxydative phosphorylation in muscle of malignant hyperthermia swine determined non invasively by nuclear magnetic resonance. Anesthesiology, 59 : A 230, 1983. SMITH R, NEWMAN RJ, RADDA GK, STOKES M, YOUNG k . Hypophosphatemic osteomalacia and myopathy: studies with nuclear magnetic resonance spectroscopy. Clin Sci, 6 7 : 505-509, 1984. WILSON JR, FINK L, MARLSJ, FERRERO N, POWER-VANWART J, ELEFF S, CHANCE B. Evaluation of energy metabolism in skeletal muscle of patients with heart failure with gated phosphorus-31 nuclear magnetic resonance. Circulation, 7 1 : 57-62, 1985. YOUNKIN DP, BERMAN P, SLADKY J, CHEE C, BANK W, CHANCE B. 31P NMR studies in Duchenne muscular dystrophy: age related metabolic changes. Neurology, 3 7 : 165-169, 1987.

SPECTROSCOPIE RMN ET HYPERTHERMIE MALIGNE

ABSTRACT: p31 nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMRS) is a new noninvasive method for the study of normal and diseased muscle. Significant differences between the spectra of normal and pathological human muscles were reported in some known myopathies and in patients with congestive heart failure. The possibility that metabolic disturbances are linked to contraction abnormalities led to the investigation of malignant hyperthermia susceptible (MHs) muscle with NMRS. At rest, no differences were found between patients and normal subjects. During exercise, and recovery, MHs exercise hyperthermic patients developped an abnormal p31 spectral configuration, indicating a defective energy metabolism. This technique is of great interest, and could be used in patients with muscle diseases of unknown origin. NMRS with p31 and, simultaneously, other nuclei (C 13, H l) could refine the results already obtained.

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