Diagnostisering av artrose: MR-undersøkelse av leddbrusk

MR-bildet av leddbrusk gjenspeiler helheten av dens histologiske struktur og biokjemiske sammensetning. Leddbrusk er hyalin, som ikke har egen blodforsyning, lymfedrenasje og innervasjon. Den består av vann og ioner, type II kollagenfibre, kondrocytter, aggregerte proteoglykaner og andre glykoproteiner. Kollagenfibre er forsterket i det subkondrale laget av beinet, som et anker, og går vinkelrett på leddoverflaten, hvor de divergerer horisontalt. Mellom kollagenfibrene er det store proteoglykanmolekyler med en betydelig negativ ladning, som intensivt tiltrekker seg vannmolekyler. Bruskkondrocytter er plassert i jevne kolonner. De syntetiserer kollagen og proteoglykaner, samt inaktive enzymer som bryter ned enzymer og enzymhemmere.

Histologisk har tre lag med brusk blitt identifisert i store ledd som kne og hofte. Det dypeste laget er overgangen mellom brusk og subkondralt bein og fungerer som et forankringslag for et omfattende nettverk av kollagenfibre som strekker seg fra det til overflaten i tette bunter forbundet med en rekke tverrbindende fibriller. Dette kalles det radiale laget. Mot leddoverflaten blir de individuelle kollagenfibrene finere og buntes sammen til mer regelmessige og kompakte parallelle matriser med færre tverrbindinger. Mellomlaget, overgangs- eller mellomlaget, inneholder mer tilfeldig organiserte kollagenfibre, hvorav de fleste er skrått orientert for å motstå vertikale belastninger, trykk og støt. Det mest overfladiske laget av leddbrusk, kjent som det tangentielle laget, er et tynt lag med tettpakkede, tangentielt orienterte kollagenfibre som motstår strekkreftene som utøves av kompresjonsbelastning og danner en vanntett barriere mot interstitiell væske, og forhindrer tap av den under kompresjon. De mest overfladiske kollagenfibrene i dette laget er anordnet horisontalt og danner tette horisontale ark på leddoverflaten, selv om fibrillene i den overfladiske tangentielle sonen ikke nødvendigvis er forbundet med de i de dypere lagene.

Som nevnt, innenfor dette komplekse cellulære nettverket av fibre er det aggregerte hydrofile proteoglykanmolekyler. Disse store molekylene har negativt ladede SQ- og COO"-fragmenter i endene av sine mange grener, som sterkt tiltrekker motsatt ladede ioner (vanligvis Na ⁺ ), som igjen fremmer osmotisk penetrering av vann inn i brusken. Trykket i kollagennettverket er enormt, og brusken fungerer som en ekstremt effektiv hydrodynamisk pute. Kompresjon av leddflaten forårsaker en horisontal forskyvning av vannet som finnes i brusken, siden kollagenfibernettverket komprimeres. Vannet fordeles om i brusken slik at det totale volumet ikke kan endres. Når kompresjonen etter leddbelastning reduseres eller elimineres, beveger vannet seg tilbake, tiltrukket av den negative ladningen til proteoglykanene. Dette er mekanismen som opprettholder et høyt vanninnhold og dermed en høy protontetthet i brusk. Det høyeste vanninnholdet observeres nærmere leddflaten og avtar mot det subkondrale beinet. Konsentrasjonen av proteoglykaner økes i de dype lagene av brusk.

MR er for tiden den viktigste avbildningsteknikken for hyalin brusk, og utføres hovedsakelig ved hjelp av gradientekko (GE)-sekvenser. MR gjenspeiler vanninnholdet i brusk. Mengden vannprotoner i brusk er imidlertid viktig. Innholdet og fordelingen av hydrofile proteoglykanmolekyler og den anisotrope organiseringen av kollagenfibriller påvirker ikke bare den totale mengden vann, dvs. protontettheten, i brusk, men også tilstanden til relaksasjonsegenskapene, nemlig T2, til dette vannet, noe som gir brusk dens karakteristiske "zonale" eller lagdelte bilder på MR, som noen forskere mener samsvarer med de histologiske lagene i brusk.

På bilder med svært kort ekkotid (TE) (mindre enn 5 ms) viser bilder av brusk med høyere oppløsning vanligvis et tolagsbilde: det dype laget ligger nærmere beinet i pre-forkalkningssonen og har et lavt signal, siden tilstedeværelsen av kalsium forkorter TR betraktelig og ikke produserer et bilde; det overfladiske laget produserer et MP-signal med middels til høy intensitet.

I mellomliggende TE-bilder (5–40 ms) har brusken et trelagsutseende: et overfladisk lag med lavt signal; et overgangslag med mellomliggende signalintensitet; et dypt lag med lavt MP-signal. Ved T2-vekting inkluderer ikke signalet mellomlaget, og bruskbildet blir homogent lavintensitets. Når lav romlig oppløsning brukes, kan et ekstra lag noen ganger dukke opp i korte TE-bilder på grunn av skråsnittartefakter og høy kontrast ved brusk/væske-grensesnittet. Dette kan unngås ved å øke matrisestørrelsen.

I tillegg kan det hende at noen av disse sonene (lagene) ikke er synlige under visse forhold. For eksempel, når vinkelen mellom bruskaksen og hovedmagnetfeltet endres, kan brusklagenes utseende endres, og brusken kan ha et homogent bilde. Forfatterne forklarer dette fenomenet med den anisotrope egenskapen til kollagenfibre og deres forskjellige orientering innenfor hvert lag.

Andre forfattere mener at det ikke er pålitelig å få et lagdelt bilde av brusk, og at det er en artefakt. Forskernes meninger er også forskjellige når det gjelder intensiteten til signalene fra de innhentede trelagsbildene av brusk. Disse studiene er svært interessante og krever selvsagt videre studier.

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

Strukturelle endringer i brusk ved slitasjegikt

I de tidlige stadiene av slitasjegikt skjer nedbrytning av kollagennettverket i de overfladiske lagene av brusk, noe som fører til overflatefrynsing og økt permeabilitet for vann. Etter hvert som noen av proteoglykanene ødelegges, dukker det opp flere negativt ladede glykosaminoglykaner, som tiltrekker kationer og vannmolekyler, mens de gjenværende proteoglykanene mister sin evne til å tiltrekke og holde på vann. I tillegg reduserer tapet av proteoglykaner deres hemmende effekt på den interstitielle vannstrømmen. Som et resultat svulmer brusken opp, mekanismen for kompresjon (retensjon) av væske "fungerer ikke", og bruskens kompresjonsmotstand avtar. Effekten av å overføre mesteparten av lasten til den allerede skadede harde matrisen oppstår, og dette fører til at den hovne brusken blir mer utsatt for mekanisk skade. Som et resultat gjenopprettes brusken eller fortsetter den å forringes.

I tillegg til skade på proteoglykaner, blir kollagennettverket delvis ødelagt og ikke lenger gjenopprettet, og vertikale sprekker og sår oppstår i brusken. Disse lesjonene kan strekke seg nedover brusken til det subkondrale beinet. Nedbrytningsproduktene og synovialvæsken sprer seg til basallaget, noe som fører til forekomst av små områder med osteonekrose og subkondrale cyster.

Parallelt med disse prosessene gjennomgår brusken en rekke reparative forandringer i et forsøk på å gjenopprette den skadede leddflaten, som inkluderer dannelsen av kondrofytter. Sistnevnte gjennomgår til slutt enkondral ossifikasjon og blir osteofytter.

Akutt mekanisk traume og kompresjonsbelastning kan føre til utvikling av horisontale sprekker i det dype forkalkede brusklaget og løsning av brusk fra subkondralbenet. Basal splitting eller delaminering av brusk på denne måten kan tjene som en mekanisme for degenerasjon ikke bare av normal brusk under mekanisk overbelastning, men også ved slitasjegikt, når det er ustabilitet i leddet. Hvis hyaline brusk er fullstendig ødelagt og leddflaten er eksponert, er to prosesser mulige: den første er dannelsen av tett sklerose på beinoverflaten, som kalles eburnasjon; den andre er skade og kompresjon av trabekler, som på røntgenbilder ser ut som subkondral sklerose. Følgelig kan den første prosessen betraktes som kompenserende, mens den andre tydelig er en fase med leddødeleggelse.

Økningen i bruskvanninnhold øker protontettheten i brusken og eliminerer T2-forkortende effekter av proteoglykan-kollagenmatrisen, som har en høy signalintensitet i områder med matriksskade på konvensjonelle MR-sekvenser. Denne tidlige kondromalacien, som er det tidligste tegnet på bruskskade, kan være synlig før selv mindre fortynning av brusken oppstår. Mild fortykkelse eller "hevelse" av brusken kan også være tilstede på dette stadiet. Strukturelle og biomekaniske endringer i leddbrusken er progressive, med tap av grunnsubstans. Disse prosessene kan være fokale eller diffuse, begrenset til overfladisk fortynning og frynsing, eller fullstendig forsvinning av brusken. I noen tilfeller kan fokal fortykkelse eller "hevelse" av brusken observeres uten forstyrrelse av leddoverflaten. Ved slitasjegikt observeres ofte fokal økt signalintensitet av brusk på T2-vektede bilder, bekreftet artroskopisk ved tilstedeværelsen av overfladiske, transmurale og dype lineære forandringer. Sistnevnte kan reflektere dype degenerative forandringer, som hovedsakelig begynner som løsrivelse av brusk fra det forkalkede laget eller tidevannslinjen. Tidlige forandringer kan være begrenset til de dype brusklagene, og i så fall kan de ikke påvises ved artroskopisk undersøkelse av leddoverflaten, selv om fokal sparsomhet i de dype brusklagene kan føre til involvering av tilstøtende lag, ofte med proliferasjon av subkondralt bein i form av en sentral osteofytt.

Det finnes data i utenlandsk litteratur om muligheten for å innhente kvantitativ informasjon om sammensetningen av leddbrusk, for eksempel om innholdet av vannfraksjonen og diffusjonskoeffisienten av vann i brusk. Dette oppnås ved hjelp av spesielle programmer fra MR-tomografen eller med MR-spektroskopi. Begge disse parameterne øker med skade på proteoglykan-kollagenmatrisen under bruskskade. Konsentrasjonen av mobile protoner (vanninnhold) i brusk avtar i retning fra leddoverflaten til subkondralen.

Kvantitativ vurdering av endringer er også mulig på T2-vektede bilder. Ved å samle data fra bilder av samme brusk innhentet med forskjellige TE-er, vurderte forfatterne T2-vektede bilder (WI) av brusk ved hjelp av en passende eksponensiell kurve fra de innhentede signalintensitetsverdiene for hver piksel. T2 vurderes i et spesifikt område av brusken eller vises på et kart over hele brusken, der signalintensiteten til hver piksel tilsvarer T2 på dette stedet. Til tross for de relativt store mulighetene og den relative brukervennligheten til den ovenfor beskrevne metoden, undervurderes rollen til T2, delvis på grunn av en økning i diffusjonsrelaterte effekter med økende TE. T2 undervurderes hovedsakelig i kondromalacia-brusk, når vanndiffusjonen økes. Med mindre spesielle teknologier brukes, vil den potensielle økningen i T2 målt med disse teknologiene i kondromalacia-brusk undertrykke diffusjonsrelaterte effekter noe.

MR er dermed en svært lovende metode for å oppdage og overvåke tidlige strukturelle endringer som er karakteristiske for leddbruskdegenerasjon.

Morfologiske endringer i brusk ved slitasjegikt

Evaluering av morfologiske endringer i brusk avhenger av høy romlig oppløsning og høy kontrast fra leddoverflaten til det subkondrale beinet. Dette oppnås best ved bruk av fettundertrykte T1-vektede 3D GE-sekvenser, som nøyaktig reflekterer lokale defekter identifisert og verifisert både ved artroskopi og i obduksjonsmateriale. Brusk kan også avbildes med magnetiseringsoverføring ved hjelp av bildesubtraksjon, i hvilket tilfelle leddbrusk fremstår som et separat bånd med høy signalintensitet, i tydelig kontrast til den tilstøtende lavintensitets synovialvæsken, intraartikulært fettvev og subkondral benmarg. Denne metoden produserer imidlertid bilder halvparten så sakte som fettundertrykte T1-vektede bilder, og er derfor mindre brukt. I tillegg kan lokale defekter, overflateuregelmessigheter og generalisert fortynning av leddbrusk avbildes ved hjelp av konvensjonelle MR-sekvenser. Ifølge noen forfattere kan morfologiske parametere - tykkelse, volum, geometri og overflatetopografi av brusk - beregnes kvantitativt ved hjelp av 3D MR-bilder. Ved å summere vokselene som utgjør det 3D-rekonstruerte bildet av brusk, kan den nøyaktige verdien av disse komplekst relaterte strukturene bestemmes. Dessuten er måling av det totale bruskvolumet oppnådd fra individuelle snitt en enklere metode på grunn av mindre endringer i planet til et enkelt snitt, og er mer pålitelig i romlig oppløsning. Når man studerer hele amputerte kneledd og patellarprøver oppnådd under artroplastikk av disse leddene, ble det totale volumet av leddbrusk i femur, tibia og patella bestemt, og det ble funnet en korrelasjon mellom volumene oppnådd ved MR og de tilsvarende volumene oppnådd ved å separere brusken fra beinet og måle det histologisk. Derfor kan denne teknologien være nyttig for dynamisk vurdering av bruskvolumendringer hos pasienter med slitasjegikt. Å innhente de nødvendige og nøyaktige snittene av leddbrusk, spesielt hos pasienter med slitasjegikt, krever tilstrekkelig ferdigheter og erfaring fra legen som utfører undersøkelsen, samt tilgjengeligheten av passende MR-programvare.

Målinger av totalt volum inneholder lite informasjon om utbredte endringer og er derfor følsomme for lokalt brusktap. Teoretisk sett kan brusktap eller -tynning i ett område balanseres av en tilsvarende økning i bruskvolum andre steder i leddet, og målingen av totalt bruskvolum ville ikke vise noen abnormaliteter, så slike endringer ville ikke kunne oppdages med denne metoden. Å dele opp leddbrusken i separate små regioner ved hjelp av 3D-rekonstruksjon har gjort det mulig å estimere bruskvolumet i spesifikke områder, spesielt på kraftbærende overflater. Nøyaktigheten av målingene reduseres imidlertid fordi svært lite oppdeling utføres. Til syvende og sist er ekstremt høy romlig oppløsning nødvendig for å bekrefte nøyaktigheten av målingene. Hvis tilstrekkelig romlig oppløsning kan oppnås, blir muligheten til å kartlegge brusktykkelse in vivo mulig. Brusktykkelseskart kan reprodusere lokal skade under artroseprogresjon.