Diagnostika osteoartrózy: MRI kĺbovej chrupavky

MRI obraz kĺbovej chrupavky odráža celkovú jej histologickú štruktúru a biochemické zloženie. Kĺbová chrupavka je hyalínová, nemá vlastné prekrvenie, lymfatickú drenáž a inerváciu. Pozostáva z vody a iónov, kolagénových vlákien typu II, chondrocytov, agregovaných proteoglykánov a iných glykoproteínov. Kolagénové vlákna sú zosilnené v subchondrálnej vrstve kosti, podobne ako kotva, a prebiehajú kolmo na povrch kĺbu, kde sa horizontálne rozbiehajú. Medzi kolagénovými vláknami sa nachádzajú veľké molekuly proteoglykánov s výrazným negatívnym nábojom, ktoré intenzívne priťahujú molekuly vody. Chondrocyty chrupavky sú umiestnené v rovnomerných stĺpcoch. Syntetizujú kolagén a proteoglykány, ako aj neaktívne enzýmy, ktoré rozkladajú enzýmy a inhibítory enzýmov.

Histologicky boli vo veľkých kĺboch, ako sú koleno a bedro, identifikované tri vrstvy chrupavky. Najhlbšia vrstva je spojením chrupavky a subchondrálnej kosti a slúži ako kotviaca vrstva pre rozsiahlu sieť kolagénových vlákien, ktoré sa od nej tiahnu k povrchu v hustých zväzkoch spojených početnými zosieťovanými fibrilami. Táto vrstva sa nazýva radiálna vrstva. Smerom k kĺbovému povrchu sa jednotlivé kolagénové vlákna stávajú jemnejšími a sú zoskupené do pravidelnejších a kompaktnejších rovnobežných polí s menším počtom zosieťovaných väzieb. Stredná vrstva, prechodná alebo medzivrstva, obsahuje viac náhodne usporiadaných kolagénových vlákien, z ktorých väčšina je šikmo orientovaná, aby odolávala vertikálnemu zaťaženiu, tlaku a nárazom. Najpovrchnejšia vrstva kĺbovej chrupavky, známa ako tangenciálna vrstva, je tenká vrstva pevne usporiadaných, tangenciálne orientovaných kolagénových vlákien, ktorá odoláva ťahovým silám vyvíjaným tlakovým zaťažením a tvorí vodotesnú bariéru pre intersticiálnu tekutinu, čím zabraňuje jej strate počas kompresie. Najpovrchnejšie kolagénové vlákna tejto vrstvy sú usporiadané horizontálne a tvoria husté horizontálne vrstvy na kĺbovom povrchu, hoci fibrily povrchovej tangenciálnej zóny nie sú nevyhnutne spojené s fibrilami hlbších vrstiev.

Ako už bolo uvedené, v tejto komplexnej bunkovej sieti vlákien sa nachádzajú agregované hydrofilné molekuly proteoglykánov. Tieto veľké molekuly majú na koncoch svojich početných vetiev negatívne nabité fragmenty SQ a COO", ktoré silne priťahujú opačne nabité ióny (zvyčajne Na ⁺ ), čo následne podporuje osmotické prenikanie vody do chrupavky. Tlak v kolagénovej sieti je obrovský a chrupavka funguje ako mimoriadne účinný hydrodynamický vankúš. Kompresia kĺbového povrchu spôsobuje horizontálne posunutie vody obsiahnutej v chrupavke, pretože sieť kolagénových vlákien je stlačená. Voda sa v chrupavke prerozdeľuje tak, že jej celkový objem sa nemôže zmeniť. Keď sa kompresia po zaťažení kĺbu zníži alebo eliminuje, voda sa vráti späť, priťahovaná negatívnym nábojom proteoglykánov. Toto je mechanizmus, ktorý udržiava vysoký obsah vody, a teda aj vysokú hustotu protónov v chrupavke. Najvyšší obsah vody sa pozoruje bližšie k kĺbovému povrchu a klesá smerom k subchondrálnej kosti. Koncentrácia proteoglykánov sa zvyšuje v hlbokých vrstvách chrupavky.

V súčasnosti je magnetická rezonancia (MRI) hlavnou zobrazovacou technikou pre hyalínnu chrupavku, ktorá sa vykonáva najmä pomocou sekvencií gradientného echa (GE). MRI odráža obsah vody v chrupavke. Dôležité je však množstvo protónov vody obsiahnutých v chrupavke. Obsah a rozloženie hydrofilných proteoglykánových molekúl a anizotropná organizácia kolagénových fibríl ovplyvňujú nielen celkové množstvo vody, teda hustotu protónov, v chrupavke, ale aj stav relaxačných vlastností, konkrétne T2, tejto vody, čo dáva chrupavke jej charakteristické „zonálne“ alebo stratifikované obrazy na MRI, ktoré podľa niektorých výskumníkov zodpovedajú histologickým vrstvám chrupavky.

Na snímkach s veľmi krátkym časom ozveny (TE) (menej ako 5 ms) snímky chrupavky s vyšším rozlíšením zvyčajne zobrazujú dvojvrstvový obraz: hlboká vrstva sa nachádza bližšie ku kosti v prekalcifikačnej zóne a má nízky signál, pretože prítomnosť vápnika výrazne skracuje TR a nevytvára obraz; povrchová vrstva vytvára MP signál so strednou až vysokou intenzitou.

Na stredne dynamických TE snímkach (5 – 40 ms) má chrupavka trojvrstvový vzhľad: povrchová vrstva s nízkym signálom; prechodová vrstva so strednou intenzitou signálu; hlboká vrstva s nízkym MP signálom. Pri T2 vážení signál nezahŕňa strednú vrstvu a obraz chrupavky má homogénne nízku intenzitu. Pri použití nízkeho priestorového rozlíšenia sa na krátkych TE snímkach niekedy objaví ďalšia vrstva v dôsledku artefaktov šikmého rezu a vysokého kontrastu na rozhraní chrupavky a tekutiny, čomu sa dá vyhnúť zvýšením veľkosti matrice.

Okrem toho niektoré z týchto zón (vrstiev) nemusia byť za určitých podmienok viditeľné. Napríklad, keď sa zmení uhol medzi osou chrupavky a hlavným magnetickým poľom, môže sa zmeniť vzhľad chrupavkových vrstiev a chrupavka môže mať homogénny obraz. Autori vysvetľujú tento jav anizotropnou vlastnosťou kolagénových vlákien a ich rôznou orientáciou v rámci každej vrstvy.

Iní autori sa domnievajú, že získanie vrstevnatého obrazu chrupavky nie je spoľahlivé a ide o artefakt. Názory výskumníkov sa líšia aj v otázke intenzity signálov zo získaných trojvrstvových obrazov chrupavky. Tieto štúdie sú veľmi zaujímavé a samozrejme si vyžadujú ďalšie štúdium.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ]

Štrukturálne zmeny chrupavky pri osteoartritíde

V počiatočných štádiách osteoartrózy dochádza k degradácii kolagénovej siete v povrchových vrstvách chrupavky, čo vedie k povrchovému strapkaniu a zvýšenej priepustnosti vody. Keďže niektoré proteoglykány sú zničené, objavuje sa viac negatívne nabitých glykozaminoglykánov, ktoré priťahujú katióny a molekuly vody, zatiaľ čo zostávajúce proteoglykány strácajú schopnosť priťahovať a zadržiavať vodu. Okrem toho strata proteoglykánov znižuje ich inhibičný účinok na intersticiálny tok vody. V dôsledku toho chrupavka napučiava, mechanizmus kompresie (retencie) tekutiny „nefunguje“ a znižuje sa kompresný odpor chrupavky. Dochádza k prenosu väčšiny zaťaženia na už poškodenú tvrdú matricu, čo vedie k tomu, že napučaná chrupavka sa stáva náchylnejšou na mechanické poškodenie. V dôsledku toho sa chrupavka buď obnovuje, alebo sa naďalej zhoršuje.

Okrem poškodenia proteoglykánov je kolagénová sieť čiastočne zničená a už sa neobnovuje a v chrupavke sa objavujú vertikálne trhliny a vredy. Tieto lézie sa môžu rozšíriť po chrupavke až do subchondrálnej kosti. Produkty rozpadu a synoviálna tekutina sa šíria do bazálnej vrstvy, čo vedie k vzniku malých oblastí osteonekrózy a subchondrálnych cýst.

Súbežne s týmito procesmi prechádza chrupavka sériou reparačných zmien v snahe obnoviť poškodený kĺbový povrch, medzi ktoré patrí aj tvorba chondrofytov. Tie nakoniec podliehajú enchondrálnej osifikácii a menia sa na osteofyty.

Akútna mechanická trauma a kompresné zaťaženie môžu viesť k vzniku horizontálnych trhlín v hlbokej kalcifikovanej vrstve chrupavky a oddeleniu chrupavky od subchondrálnej kosti. Bazálne štiepenie alebo delaminácia chrupavky týmto spôsobom môže slúžiť ako mechanizmus degenerácie nielen normálnej chrupavky pri mechanickom preťažení, ale aj pri osteoartróze, keď dochádza k nestabilite kĺbu. Ak je hyalínna chrupavka úplne zničená a kĺbový povrch je obnažený, sú možné dva procesy: prvým je tvorba hustej sklerózy na povrchu kosti, ktorá sa nazýva eburnácia; druhým je poškodenie a kompresia trabekúl, ktorá na röntgenových snímkach vyzerá ako subchondrálna skleróza. V súlade s tým možno prvý proces považovať za kompenzačný, zatiaľ čo druhý je jednoznačne fázou deštrukcie kĺbu.

Zvýšenie obsahu vody v chrupavke zvyšuje hustotu protónov chrupavky a eliminuje účinky skracovania T2 v dôsledku proteoglykánovo-kolagénovej matrice, ktorá má vysokú intenzitu signálu v oblastiach poškodenia matrice na konvenčných MRI sekvenciách. Táto skorá chondromalacia, ktorá je najskorším príznakom poškodenia chrupavky, môže byť viditeľná ešte predtým, ako dôjde k miernemu stenčeniu chrupavky. V tomto štádiu môže byť prítomné aj mierne zhrubnutie alebo „opuch“ chrupavky. Štrukturálne a biomechanické zmeny v kĺbovej chrupavke sú progresívne, so stratou základnej hmoty. Tieto procesy môžu byť fokálne alebo difúzne, obmedzené na povrchové stenčenie a strapcovanie alebo úplné vymiznutie chrupavky. V niektorých prípadoch možno pozorovať fokálne zhrubnutie alebo „opuch“ chrupavky bez narušenia kĺbového povrchu. Pri osteoartritíde sa často pozoruje fokálna zvýšená intenzita signálu chrupavky na T2-vážených snímkach, čo sa artroskopicky potvrdí prítomnosťou povrchových, transmurálnych a hlbokých lineárnych zmien. Tie môžu odrážať hlboké degeneratívne zmeny, ktoré začínajú najmä oddelením chrupavky od kalcifikovanej vrstvy alebo línie prílivu a odlivu. Včasné zmeny môžu byť obmedzené na hlboké vrstvy chrupavky, v takom prípade nie sú detekovateľné pri artroskopickom vyšetrení kĺbového povrchu, hoci fokálna riedkosť hlbokých vrstiev chrupavky môže viesť k postihnutiu susedných vrstiev, často s proliferáciou subchondrálnej kosti vo forme centrálneho osteofytu.

V zahraničnej literatúre existujú údaje o možnosti získania kvantitatívnych informácií o zložení kĺbovej chrupavky, napríklad o obsahu vodnej frakcie a difúznom koeficiente vody v chrupavke. To sa dosahuje pomocou špeciálnych programov MR tomografu alebo MR spektroskopie. Oba tieto parametre sa zvyšujú s poškodením proteoglykánovo-kolagénovej matrice počas poškodenia chrupavky. Koncentrácia mobilných protónov (obsah vody) v chrupavke klesá smerom od kĺbového povrchu k subchondrálnej kosti.

Kvantitatívne hodnotenie zmien je možné aj na T2-vážených snímkach. Zlúčením údajov zo snímok tej istej chrupavky získaných s rôznymi TE autori vyhodnotili T2-vážené snímky (WI) chrupavky pomocou vhodnej exponenciálnej krivky zo získaných hodnôt intenzity signálu pre každý pixel. T2 sa hodnotí v špecifickej oblasti chrupavky alebo sa zobrazuje na mape celej chrupavky, na ktorej intenzita signálu každého pixelu zodpovedá T2 v tomto mieste. Napriek relatívne veľkým možnostiam a relatívnej jednoduchosti vyššie opísanej metódy je však úloha T2 podceňovaná, čiastočne kvôli nárastu účinkov súvisiacich s difúziou so zvyšujúcim sa TE. T2 sa podceňuje najmä v chrupavke s chrupavkou...

MRI je teda veľmi sľubnou metódou na detekciu a monitorovanie včasných štrukturálnych zmien charakteristických pre degeneráciu kĺbovej chrupavky.

Morfologické zmeny chrupavky pri osteoartritíde

Vyhodnotenie morfologických zmien v chrupavke závisí od vysokého priestorového rozlíšenia a vysokého kontrastu od povrchu kĺbu po subchondrálnu kosť. To sa najlepšie dosiahne pomocou T1-vážených 3D GE sekvencií s potlačením tuku, ktoré presne odrážajú lokálne defekty identifikované a overené pri artroskopii aj v pitevnom materiáli. Chrupavku je možné zobraziť aj pomocou magnetizačného prenosu odčítaním obrazu, v takom prípade sa kĺbová chrupavka javí ako samostatný pás s vysokou intenzitou signálu, jasne kontrastujúci so susednou synoviálnou tekutinou s nízkou intenzitou, intraartikulárnym tukovým tkanivom a subchondrálnou kostnou dreňou. Táto metóda však produkuje obrazy o polovicu pomalšie ako T1-vážené obrazy s potlačením tuku, a preto sa používa menej často. Okrem toho je možné pomocou konvenčných MR sekvencií zobraziť lokálne defekty, povrchové nerovnosti a generalizované stenčenie kĺbovej chrupavky. Podľa niektorých autorov je možné kvantitatívne vypočítať morfologické parametre - hrúbku, objem, geometriu a povrchovú topografiu chrupavky - pomocou 3D MRI snímok. Sčítaním voxelov, ktoré tvoria 3D rekonštruovaný obraz chrupavky, je možné určiť presnú hodnotu týchto komplexne súvisiacich štruktúr. Okrem toho je meranie celkového objemu chrupavky získanej z jednotlivých rezov jednoduchšou metódou vďaka menším zmenám v rovine jedného rezu a je spoľahlivejšie v priestorovom rozlíšení. Pri štúdiu celých amputovaných kolenných kĺbov a patelárnych vzoriek získaných počas artroplastiky týchto kĺbov sa určil celkový objem kĺbovej chrupavky stehennej kosti, holennej kosti a pately a zistila sa korelácia medzi objemami získanými pomocou MRI a zodpovedajúcimi objemami získanými oddelením chrupavky od kosti a jej histologickým meraním. Preto môže byť táto technológia užitočná na dynamické hodnotenie zmien objemu chrupavky u pacientov s osteoartrózou. Získanie potrebných a presných rezov kĺbovej chrupavky, najmä u pacientov s osteoartrózou, si vyžaduje dostatočné zručnosti a skúsenosti lekára vykonávajúceho vyšetrenie, ako aj dostupnosť vhodného softvéru pre MRI.

Merania celkového objemu obsahujú málo informácií o rozsiahlych zmenách, a preto sú citlivé na lokálnu stratu chrupavky. Teoreticky by strata alebo stenčenie chrupavky v jednej oblasti mohlo byť vyvážené ekvivalentným nárastom objemu chrupavky inde v kĺbe a meranie celkového objemu chrupavky by nepreukázalo žiadnu abnormalitu, takže takéto zmeny by touto metódou nebolo možné zistiť. Rozdelenie kĺbovej chrupavky na samostatné malé oblasti pomocou 3D rekonštrukcie umožnilo odhadnúť objem chrupavky v špecifických oblastiach, najmä na povrchoch nesúcich silu. Presnosť meraní je však znížená, pretože sa vykonáva len veľmi málo rozdelenia. Na potvrdenie presnosti meraní je v konečnom dôsledku potrebné extrémne vysoké priestorové rozlíšenie. Ak sa dosiahne dostatočné priestorové rozlíšenie, je možné mapovať hrúbku chrupavky in vivo. Mapy hrúbky chrupavky dokážu reprodukovať lokálne poškodenie počas progresie osteoartrózy.