Measurement of creatine kinase reaction rate in cerebrum using 31-phosphorus magnetization transfer approach in magnetic resonance spectroscopy

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 협동과정 인지과학전공, 2014. 8. 이동영.서론: 아데노신 삼인산(ATP, adenosine triphosphate)의 합성과 분해는 생명체의 에너지 대사 활동에 필수적인 과정이다. 특히, 크레아틴키나제(CK, creatine kinase) 반응은 신속하게 ATP를 합성하여 안정적으로 에너지대사가 이루어질 수 있도록 한다. 최근 발표된 연구에서 뇌 내 에너지대사 저하와 다양한 신경, 정신질환과의 상관관계가 알려지면서, 사람에서 에너지대사 효소의 활성도 측정에 대한 연구가 관심을 받고 있다. 그러나, 아직 국내에서는 인(31P, phosphorus) 자화 전이(MT, magnetization transfer) 자기공명 분광영상(MRS, magnetic resonance spectroscopy)을 위한 프로토콜이 정립되어있지 않다. 해외에서는 핵자기공명(NMR, nuclear magnetic resonance) system 또는 Siemens Magnetic Resonance Imaging (MRI) system을 위한 설정이 개발되어 연구가 진행 중이지만, Philips MRI System에서는 아직 표준적인 프로토콜이 설정되어있지 않으며, 시스템 별로 다른 특성이 있기 때문에, 한 시스템에서 설정한 프로토콜을 그대로 다른 시스템에서 사용하는 것은 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 Philips MRI system에서 31P MT MRS를 이용해 정상 성인에서 CK반응 속도 상수 kf를 측정하는 프로토콜을 개발하고, 측정에의 타당성을 확인하여 뇌 내 에너지대사 효율성을 비침습적이고 직접적으로 평가할 수 있는 방법론을 구축하고자 하였다. 방법: Philips Magnetic Resonance Imaging System에서 31P volume head coil을 이용하여 MT MRS에서 정상 상태(steady-state) 포화 방법론을 통해 CK 반응속도 kf를 측정하였다. 건강한 성인 19명을 대상으로 하였고, 그 중 6명의 연구참여자가 전 포화(pre-saturation) 파라미터 값을 설정하기 위한 실험에 참여하였다. 13명의 연구참여자를 대상으로, 설정된 프로토콜을 통해 31P MT MRS스펙트라(spectra)를 획득하였고, 포스포크레아틴(PCr, phosphocreatine)의 역전 회복(inversion recovery)방법으로 T1이완시간(relaxation time)을 측정하여 kf값을 계산했다. 결과: γ-ATP (gamma-ATP)를 포화시키기 위한 전 포화 파라미터는, 상쇄 주파수(offset frequency)를 -94(Hz), 진동 각(pulse angle)을 3000, 신호지속시간(window)을 1(Hz), 신호 평균 횟수(NSA, number of signal average)를 64으로 설정하였다. T1 이완영상을 획득하기 위한 시간 지점을 각 55, 661, 1464, 2653, 5000(ms)으로 다섯 개를 설정하였다. 최종적으로 결정된 프로토콜의 총 촬영시간은 37분2초였다. 본 연구에서 개발한 프로토콜을 통해 측정한 평균 T1 이완시간은 0.48(표준편차 0.05)(s-1)이었으며, 평균 kf값은 0.28(표준편차 0.07)이었다. 평균 수소이온농도지수(pH)는 7.04(표준편차 0.04), 평균 마그네슘이온농도지수(pMg)는 4.46(표준편차 0.27)이었다. 이 값들은 선행연구의 결과값과 일관된 결과로 볼 수 있다. 따라서 개발된 프로토콜이 타당함을 입증하였다. 고찰: 본 연구에서 설정한 프로토콜을 이용하여 비교적 짧은 시간 안에 타당한 측정이 가능하다. 본 연구는 최초로 Philips Magnetic Resonance System에서 31P 코일을 이용하여 뇌 내 에너지대사 연구 방법론을 확립하였음에 그 의의가 있다. 본 연구의 결과는 향후 에너지대사와 관련된 정신질환의 원인을 규명하고 치료효과를 확인하는 데에 이용 될 수 있을 것이다.Introduction: The synthesis and decomposition of adenosine triphosphate (ATP) are essential processes for the energy metabolism of organisms. In particular, the creatine kinase (CK) reaction rapidly synthesizes ATP andenables stable energy metabolism. Recent studies have reported relationships between brain energy metabolism and neurodegenerative and psychiatric disorders, contributing to growing interest in the field. Thus, the current study aimed to validate a noninvasive and direct methodology to evaluate the efficiency of brain energy metabolism, by measuring the forward transition rate constant (kf) of the CK reaction through phosphorus (31P) magnetization transfer magnetic resonance spectroscopy (MT-MRS). Method:Using the steady-state saturation MT-MRS method, the kfvalues from 19 participants were measured with a 31P volume head coil in a Philips magnetic resonance system. Among the participants, 6 participants participated in an experiment to set up the protocols for pre-saturation parameters. Subsequently, the 31P MT-MRS spectra were obtained from 13 participants by using the established protocols. The kf values were calculated from the T1 relaxation time measured by using the inversion recovery of phosphocreatine. Results: The following parameters were set up in order to saturate the peak of γ-ATP (gamma-ATP): offset frequency = -94 Hzpulse angle = 3000 degreewindow = 1 Hznumber of signal average (NSA) = 64. For the T1 relaxation protocols, 5 time points including 55, 661, 1464, 2653, and 5000 milliseconds were chosen. The total scanning time of the finally established protocol was 37 minutes and 2 seconds. The mean T1 relaxation time was 0.48(s-1) (standard deviation, SD=0.05). The mean kfwas measured as 0.28 (SD = 0.07) in the current study. The mean values of pH and pMg were 7.04 (SD=0.04) and 4.46 (SD=0.27), respectively. As these values are consistent with those from previous studies, the validity of the currently proposed novel protocol has been affirmed. Discussion: Using the new protocols set up in the current study, to obtain a valid measure of kfin a relatively short period of time has become possible. The present study is the first South Korean study which has validated a research methodology to study brain energy metabolites with a 31P volume coil in an magnetic resonance system. The current results may constructively contribute to the investigation ofthe cause of psychiatric disorders related to energy metabolism and the assessment of treatment effectiveness in the future.서론 1 연구방법 20 결과 34 고찰 49 참고문헌 59 영문초록 65Maste

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