Diagnoza osteoartritisa: MRI sklepnega hrustanca

Slika MRI sklepnega hrustanca odraža celotno njegovo histološko strukturo in biokemijsko sestavo. Sklepni hrustanec je hialinski, nima lastne oskrbe s krvjo, limfne drenaže in inervacije. Sestavljen je iz vode in ionov, kolagenskih vlaken tipa II, hondrocitov, agregiranih proteoglikanov in drugih glikoproteinov. Kolagena vlakna so ojačana v subhondralni plasti kosti, kot sidro, in potekajo pravokotno na sklepno površino, kjer se vodoravno razhajajo. Med kolagenskimi vlakni so velike molekule proteoglikana z znatnim negativnim nabojem, ki intenzivno privlačijo molekule vode. Hrustančni hondrociti so razporejeni v enakomernih kolonah. Sintetizirajo kolagen in proteoglikane ter neaktivne encime, ki razgrajujejo encime in zaviralce encimov.

Histološko so v velikih sklepih, kot sta koleno in kolk, identificirali tri plasti hrustanca. Najgloblja plast je stičišče hrustanca in subhondralne kosti ter služi kot sidrna plast za obsežno mrežo kolagenskih vlaken, ki se od nje raztezajo do površine v gostih snopih, povezanih s številnimi zamreženimi fibrilami. To se imenuje radialna plast. Proti sklepni površini posamezna kolagena vlakna postanejo tanjša in se združujejo v bolj pravilne in kompaktne vzporedne nize z manj zamreženimi povezavami. Srednja plast, prehodna ali vmesna plast, vsebuje več naključno organiziranih kolagenskih vlaken, od katerih je večina poševno usmerjenih, da se uprejo navpičnim obremenitvam, pritiskom in udarcem. Najbolj površinska plast sklepnega hrustanca, znana kot tangencialna plast, je tanka plast tesno zloženih, tangencialno usmerjenih kolagenskih vlaken, ki se upira nateznim silam, ki jih povzroča tlačna obremenitev, in tvori vodotesno pregrado za intersticijsko tekočino, kar preprečuje njeno izgubo med stiskanjem. Najbolj površinska kolagena vlakna te plasti so razporejena vodoravno in tvorijo goste horizontalne plasti na sklepni površini, čeprav fibrile površinske tangencialne cone niso nujno povezane s tistimi iz globljih plasti.

Kot je bilo omenjeno, se znotraj te kompleksne celične mreže vlaken nahajajo agregirane hidrofilne molekule proteoglikanov. Te velike molekule imajo na koncih svojih številnih vej negativno nabite fragmente SQ in COO", ki močno privlačijo nasprotno nabite ione (običajno Na ⁺ ), kar posledično spodbuja osmotsko prodiranje vode v hrustanec. Tlak znotraj kolagene mreže je ogromen in hrustanec deluje kot izjemno učinkovita hidrodinamična blazina. Stiskanje sklepne površine povzroči horizontalni premik vode, ki jo vsebuje hrustanec, saj je mreža kolagenskih vlaken stisnjena. Voda se znotraj hrustanca prerazporedi tako, da se njegov celotni volumen ne more spremeniti. Ko se kompresija po obremenitvi sklepa zmanjša ali odpravi, se voda premakne nazaj, privlečena z negativnim nabojem proteoglikanov. To je mehanizem, ki ohranja visoko vsebnost vode in s tem visoko gostoto protonov v hrustancu. Najvišja vsebnost vode je opazna bližje sklepni površini in se zmanjšuje proti subhondralni kosti. Koncentracija proteoglikanov se poveča v globokih plasteh hrustanca.

Trenutno je magnetna resonanca (MRI) glavna slikovna tehnika za hialinski hrustanec, ki se izvaja predvsem z uporabo gradientnih odmevov (GE). MRI odraža vsebnost vode v hrustancu. Vendar pa je pomembna količina vodnih protonov v hrustancu. Vsebnost in porazdelitev hidrofilnih proteoglikanskih molekul ter anizotropna organizacija kolagenskih fibril ne vplivata le na skupno količino vode, tj. gostoto protonov, v hrustancu, temveč tudi na stanje relaksacijskih lastnosti te vode, in sicer T2, kar daje hrustancu značilne "conalne" ali stratificirane slike na MRI, za katere nekateri raziskovalci menijo, da ustrezajo histološkim plastem hrustanca.

Na slikah z zelo kratkim odmevnim časom (TE) (manj kot 5 ms) slike hrustanca z višjo ločljivostjo običajno prikazujejo dvoslojno sliko: globoka plast se nahaja bližje kosti v območju pred kalcifikacijo in ima nizek signal, saj prisotnost kalcija močno skrajša TR in ne ustvari slike; površinska plast ustvari MP signal srednje do visoke intenzivnosti.

Na vmesnih TE-slikah (5–40 ms) ima hrustanec triplasten videz: površinska plast z nizkim signalom; prehodna plast z vmesno intenzivnostjo signala; globoka plast z nizkim MP-signalom. Pri T2-uteževanju signal ne vključuje vmesne plasti in slika hrustanca postane homogeno nizke intenzivnosti. Pri nizki prostorski ločljivosti se na kratkih TE-slikah včasih pojavi dodatna plast zaradi artefaktov poševnega reza in visokega kontrasta na vmesniku med hrustancem in tekočino, temu pa se je mogoče izogniti s povečanjem velikosti matrice.

Poleg tega nekatere od teh con (plasti) pod določenimi pogoji morda niso vidne. Na primer, ko se spremeni kot med osjo hrustanca in glavnim magnetnim poljem, se lahko spremeni videz hrustančnih plasti in hrustanec ima lahko homogeno sliko. Avtorji ta pojav pojasnjujejo z anizotropno lastnostjo kolagenskih vlaken in njihovo različno orientacijo znotraj vsake plasti.

Drugi avtorji menijo, da pridobitev večplastne slike hrustanca ni zanesljiva in gre za artefakt. Mnenja raziskovalcev se razlikujejo tudi glede intenzivnosti signalov iz pridobljenih triplastnih slik hrustanca. Te študije so zelo zanimive in seveda zahtevajo nadaljnje preučevanje.

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

Strukturne spremembe hrustanca pri osteoartritisu

V zgodnjih fazah osteoartritisa pride do razgradnje kolagenske mreže v površinskih plasteh hrustanca, kar vodi do površinskega cefranja in povečane prepustnosti za vodo. Ko se nekateri proteoglikani uničijo, se pojavi več negativno nabitih glikozaminoglikanov, ki privlačijo katione in molekule vode, preostali proteoglikani pa izgubijo sposobnost privlačenja in zadrževanja vode. Poleg tega izguba proteoglikanov zmanjša njihov zaviralni učinek na intersticijski pretok vode. Posledično hrustanec nabrekne, mehanizem stiskanja (zadrževanja) tekočine "ne deluje" in tlačna odpornost hrustanca se zmanjša. Pojavi se učinek prenosa večine obremenitve na že poškodovano trdo matrico, kar vodi do tega, da otekel hrustanec postane bolj dovzeten za mehanske poškodbe. Posledično se hrustanec bodisi obnovi bodisi se še naprej slabša.

Poleg poškodb proteoglikanov se kolagena mreža delno uniči in se ne obnovi več, v hrustancu pa se pojavijo navpične razpoke in razjede. Te lezije se lahko razširijo po hrustancu do subhondralne kosti. Produkti razpadanja in sinovialna tekočina se razširijo v bazalno plast, kar vodi do pojava majhnih področij osteonekroze in subhondralnih cist.

Vzporedno s temi procesi hrustanec doživlja vrsto reparativnih sprememb v poskusu obnove poškodovane sklepne površine, ki vključujejo nastanek hondrofitov. Slednji sčasoma doživijo enhondralno osifikacijo in postanejo osteofiti.

Akutna mehanska travma in tlačna obremenitev lahko povzročita razvoj horizontalnih razpok v globoki kalcificirani plasti hrustanca in odstop hrustanca od subhondralne kosti. Bazalno cepljenje ali delaminacija hrustanca na ta način lahko služi kot mehanizem degeneracije ne le normalnega hrustanca pri mehanski preobremenitvi, temveč tudi pri osteoartrozi, ko pride do nestabilnosti sklepa. Če je hialinski hrustanec popolnoma uničen in je sklepna površina izpostavljena, sta možna dva procesa: prvi je nastanek goste skleroze na površini kosti, ki se imenuje eburnacija; drugi je poškodba in stiskanje trabekul, ki na rentgenskih slikah izgleda kot subhondralna skleroza. V skladu s tem lahko prvi proces štejemo za kompenzacijskega, drugi pa za očitno fazo uničenja sklepa.

Povečanje vsebnosti vode v hrustancu poveča gostoto protonov hrustanca in odpravi učinke skrajšanja T2 zaradi proteoglikansko-kolagenega matriksa, ki ima na običajnih MRI posnetkih visoko intenzivnost signala na območjih poškodbe matriksa. Ta zgodnja hondromalacija, ki je najzgodnejši znak poškodbe hrustanca, je lahko vidna že pred manjšim tanjšanjem hrustanca. V tej fazi je lahko prisotno tudi blago odebelitev ali "otekanje" hrustanca. Strukturne in biomehanične spremembe v sklepnem hrustancu so progresivne, z izgubo osnovne snovi. Ti procesi so lahko fokalni ali difuzni, omejeni na površinsko tanjšanje in cefranje ali popolno izginotje hrustanca. V nekaterih primerih lahko opazimo fokalno odebelitev ali "otekanje" hrustanca brez motenj sklepne površine. Pri osteoartritisu pogosto opazimo fokalno povečano intenzivnost signala hrustanca na T2-uteženih slikah, kar artroskopsko potrdi prisotnost površinskih, transmuralnih in globokih linearnih sprememb. Slednje lahko odražajo globoke degenerativne spremembe, ki se začnejo predvsem kot odstop hrustanca od kalcificirane plasti ali linije plimovanja. Zgodnje spremembe so lahko omejene na globoke plasti hrustanca, v tem primeru pa jih pri artroskopskem pregledu sklepne površine ni mogoče zaznati, čeprav lahko žariščna redkost globokih plasti hrustanca povzroči prizadetost sosednjih plasti, pogosto s proliferacijo subhondralne kosti v obliki centralnega osteofita.

V tuji literaturi obstajajo podatki o možnosti pridobivanja kvantitativnih informacij o sestavi sklepnega hrustanca, na primer o vsebnosti vodne frakcije in difuzijskem koeficientu vode v hrustancu. To se doseže s posebnimi programi MR tomografa ali z MR spektroskopijo. Oba parametra se povečata s poškodbo proteoglikansko-kolagenske matrice med poškodbo hrustanca. Koncentracija mobilnih protonov (vsebnost vode) v hrustancu se zmanjšuje v smeri od sklepne površine proti subhondralni kosti.

Kvantitativna ocena sprememb je možna tudi na slikah, uteženih s T2. Z združevanjem podatkov iz slik istega hrustanca, pridobljenih z različnimi TE, so avtorji ocenili T2-utežene slike (WI) hrustanca z uporabo ustrezne eksponentne krivulje iz pridobljenih vrednosti intenzivnosti signala za vsak slikovni element. T2 se oceni na določenem območju hrustanca ali prikaže na zemljevidu celotnega hrustanca, kjer intenzivnost signala vsakega slikovnega elementa ustreza T2 na tej lokaciji. Vendar pa je kljub relativno velikim zmogljivostim in relativni enostavnosti zgoraj opisane metode vloga T2 podcenjena, deloma zaradi povečanja učinkov, povezanih z difuzijo, z naraščajočim TE. T2 je podcenjen predvsem pri hrustancu s hondromalacijo, ko se poveča difuzija vode. Če se ne uporabijo posebne tehnologije, bo potencialno povečanje T2, izmerjeno s temi tehnologijami v hrustancu s hondromalacijo, nekoliko zavrlo učinke, povezane z difuzijo.

Tako je MRI zelo obetavna metoda za odkrivanje in spremljanje zgodnjih strukturnih sprememb, značilnih za degeneracijo sklepnega hrustanca.

Morfološke spremembe hrustanca pri osteoartritisu

Vrednotenje morfoloških sprememb v hrustancu je odvisno od visoke prostorske ločljivosti in visokega kontrasta od sklepne površine do subhondralne kosti. To je najbolje doseči z uporabo 3D GE zaporedij z zadržano maščobo in uteženimi T1, ki natančno odražajo lokalne okvare, ugotovljene in potrjene tako pri artroskopiji kot v obdukcijskem materialu. Hrustanec je mogoče slikati tudi z magnetizacijskim prenosom z odštevanjem slike, pri čemer se sklepni hrustanec pojavi kot ločen pas z visoko intenzivnostjo signala, ki je v jasnem kontrastu s sosednjo sinovialno tekočino nizke intenzivnosti, intraartikularnim maščobnim tkivom in subhondralnim kostnim mozgom. Vendar pa ta metoda ustvarja slike pol počasneje kot slike z zadržano maščobo in uteženimi T1, zato se manj pogosto uporablja. Poleg tega je mogoče lokalne okvare, površinske nepravilnosti in generalizirano stanjšanje sklepnega hrustanca slikati z uporabo običajnih MR zaporedij. Po mnenju nekaterih avtorjev je mogoče morfološke parametre - debelino, volumen, geometrijo in površinsko topografijo hrustanca - kvantitativno izračunati z uporabo 3D MRI slik. S seštevanjem vokselov, ki sestavljajo 3D rekonstruirano sliko hrustanca, je mogoče določiti natančno vrednost teh kompleksno povezanih struktur. Poleg tega je merjenje celotnega volumna hrustanca, pridobljenega iz posameznih rezin, enostavnejša metoda zaradi manjših sprememb v ravnini posameznega rezina in je zanesljivejša pri prostorski ločljivosti. Pri preučevanju celih amputiranih kolenskih sklepov in vzorcev pogačice, pridobljenih med artroplastiko teh sklepov, je bil določen celotni volumen sklepnega hrustanca stegnenice, golenice in pogačice ter ugotovljena korelacija med volumni, pridobljenimi z MRI, in ustreznimi volumni, pridobljenimi z ločitvijo hrustanca od kosti in njegovim histološkim merjenjem. Zato je ta tehnologija lahko uporabna za dinamično oceno sprememb volumna hrustanca pri bolnikih z osteoartritisom. Pridobitev potrebnih in natančnih rezov sklepnega hrustanca, zlasti pri bolnikih z osteoartritisom, zahteva zadostno znanje in izkušnje zdravnika, ki izvaja pregled, ter razpoložljivost ustrezne programske opreme za MRI.

Meritve celotnega volumna vsebujejo malo informacij o razširjenih spremembah in so zato občutljive na lokalno izgubo hrustanca. Teoretično bi lahko izgubo ali stanjšanje hrustanca na enem območju uravnotežili z enakovrednim povečanjem volumna hrustanca drugje v sklepu, meritev celotnega volumna hrustanca pa ne bi pokazala nobenih nepravilnosti, zato takšnih sprememb s to metodo ne bi bilo mogoče zaznati. Razdelitev sklepnega hrustanca na ločena majhna območja z uporabo 3D-rekonstrukcije je omogočila oceno volumna hrustanca na določenih območjih, zlasti na površinah, ki prenašajo sile. Vendar pa je natančnost meritev zmanjšana, ker se izvede zelo malo razdelitve. Za potrditev natančnosti meritev je navsezadnje potrebna izjemno visoka prostorska ločljivost. Če je mogoče doseči zadostno prostorsko ločljivost, postane možnost kartiranja debeline hrustanca in vivo mogoča. Zemljevidi debeline hrustanca lahko reproducirajo lokalno poškodbo med napredovanjem osteoartritisa.