Diagnostika osteoartrózy: MRI kloubní chrupavky

MRI snímek kloubní chrupavky odráží celek její histologické struktury a biochemického složení. Kloubní chrupavka je hyalinní, nemá vlastní krevní zásobení, lymfatickou drenáž a inervaci. Skládá se z vody a iontů, kolagenních vláken typu II, chondrocytů, agregovaných proteoglykanů a dalších glykoproteinů. Kolagenová vlákna jsou zesílena v subchondrální vrstvě kosti, jako kotva, a probíhají kolmo k povrchu kloubu, kde se horizontálně rozbíhají. Mezi kolagenními vlákny se nacházejí velké molekuly proteoglykanů s výrazným negativním nábojem, které intenzivně přitahují molekuly vody. Chondrocyty chrupavky jsou uspořádány v rovnoměrných sloupcích. Syntetizují kolagen a proteoglykany, stejně jako neaktivní enzymy, které štěpí enzymy, a inhibitory enzymů.

Histologicky byly ve velkých kloubech, jako je koleno a kyčel, identifikovány tři vrstvy chrupavky. Nejhlubší vrstva je spojení chrupavky a subchondrální kosti a slouží jako kotevní vrstva pro rozsáhlou síť kolagenních vláken, která se od ní táhnou k povrchu v hustých svazcích spojených četnými zesítěnými fibrilami. Tato vrstva se nazývá radiální vrstva. Směrem k kloubnímu povrchu se jednotlivá kolagenní vlákna zjemňují a svazují se do pravidelnějších a kompaktnějších paralelních polí s menším počtem zesítěných vazeb. Střední vrstva, přechodná nebo mezivrstva, obsahuje více náhodně uspořádaných kolagenních vláken, z nichž většina je šikmo orientována, aby odolala vertikálnímu zatížení, tlakům a nárazům. Nejpovrchnější vrstva kloubní chrupavky, známá jako tangenciální vrstva, je tenká vrstva pevně uspořádaných, tangenciálně orientovaných kolagenních vláken, která odolává tahovým silám vyvíjeným tlakovým zatížením a tvoří vodotěsnou bariéru pro intersticiální tekutinu, čímž zabraňuje její ztrátě během komprese. Nejpovrchnější kolagenní vlákna této vrstvy jsou uspořádána horizontálně a tvoří husté horizontální vrstvy na kloubním povrchu, ačkoli fibrily povrchové tangenciální zóny nemusí být nutně spojeny s fibrilami hlubších vrstev.

Jak již bylo uvedeno, v této komplexní buněčné síti vláken se nacházejí agregované hydrofilní molekuly proteoglykanů. Tyto velké molekuly mají na koncích svých četných větví záporně nabité fragmenty SQ a COO", které silně přitahují opačně nabité ionty (obvykle Na ⁺ ), což následně podporuje osmotické pronikání vody do chrupavky. Tlak v kolagenní síti je obrovský a chrupavka funguje jako extrémně účinný hydrodynamický polštář. Stlačení kloubního povrchu způsobuje horizontální posunutí vody obsažené v chrupavce, protože síť kolagenních vláken je stlačena. Voda je v chrupavce redistribuována tak, že se její celkový objem nemůže změnit. Když je komprese po zatížení kloubu snížena nebo eliminována, voda se vrací zpět, přitahována záporným nábojem proteoglykanů. To je mechanismus, který udržuje vysoký obsah vody a tím i vysokou protonovou hustotu chrupavky. Nejvyšší obsah vody je pozorován blíže k kloubnímu povrchu a směrem k subchondrální kosti klesá. Koncentrace proteoglykanů se zvyšuje v hlubokých vrstvách chrupavky.

V současné době je magnetická rezonance (MRI) hlavní zobrazovací technikou pro hyalinní chrupavku, prováděnou převážně pomocí sekvencí gradientního echa (GE). MRI odráží obsah vody v chrupavce. Důležité je však množství protonů vody obsažených v chrupavce. Obsah a distribuce hydrofilních molekul proteoglykanů a anizotropní organizace kolagenních fibril ovlivňují nejen celkové množství vody, tj. hustotu protonů, v chrupavce, ale také stav relaxačních vlastností, konkrétně T2, této vody, což dává chrupavce její charakteristické „zonální“ nebo stratifikované obrazy na MRI, které podle některých vědců odpovídají histologickým vrstvám chrupavky.

Na snímcích s velmi krátkým časem ozvěny (TE) (méně než 5 ms) obvykle vykazují snímky chrupavky s vyšším rozlišením dvouvrstvý obraz: hluboká vrstva se nachází blíže ke kosti v prekalcifikační zóně a má nízký signál, protože přítomnost vápníku výrazně zkracuje TR a nevytváří obraz; povrchová vrstva produkuje MP signál střední až vysoké intenzity.

Na středních TE snímcích (5-40 ms) má chrupavka třívrstvý vzhled: povrchová vrstva s nízkým signálem; přechodová vrstva se střední intenzitou signálu; hluboká vrstva s nízkým MP signálem. Při T2 vážení signál nezahrnuje střední vrstvu a obraz chrupavky se stává homogenně nízkou intenzitou. Při použití nízkého prostorového rozlišení se na krátkých TE snímcích někdy objeví další vrstva v důsledku artefaktů šikmého řezu a vysokého kontrastu na rozhraní chrupavka/tekutina, tomu lze předejít zvětšením velikosti matrice.

Kromě toho některé z těchto zón (vrstev) nemusí být za určitých podmínek viditelné. Například když se změní úhel mezi osou chrupavky a hlavním magnetickým polem, může se změnit vzhled chrupavčitých vrstev a chrupavka může mít homogenní obraz. Autoři tento jev vysvětlují anizotropní vlastností kolagenních vláken a jejich odlišnou orientací v každé vrstvě.

Jiní autoři se domnívají, že získání vrstevnatého obrazu chrupavky není spolehlivé a jedná se o artefakt. Názory výzkumníků se liší i ohledně intenzity signálů ze získaných třívrstvých obrazů chrupavky. Tyto studie jsou velmi zajímavé a samozřejmě vyžadují další studium.

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

Strukturální změny chrupavky při osteoartróze

V raných stádiích osteoartrózy dochází k degradaci kolagenní sítě v povrchových vrstvách chrupavky, což vede k povrchovému třepení a zvýšené propustnosti pro vodu. S ničením některých proteoglykanů se objevuje více negativně nabitých glykosaminoglykanů, které přitahují kationty a molekuly vody, zatímco zbývající proteoglykany ztrácejí schopnost přitahovat a zadržovat vodu. Navíc ztráta proteoglykanů snižuje jejich inhibiční účinek na intersticiální tok vody. V důsledku toho chrupavka bobtná, mechanismus komprese (zadržování) tekutiny „nefunguje“ a snižuje se kompresní odpor chrupavky. Dochází k přenosu většiny zátěže na již poškozenou tvrdou matrici, což vede k tomu, že oteklá chrupavka se stává náchylnější k mechanickému poškození. V důsledku toho se chrupavka buď obnovuje, nebo se dále zhoršuje.

Kromě poškození proteoglykanů je kolagenní síť částečně zničena a již se neobnovuje a v chrupavce se objevují vertikální trhliny a vředy. Tyto léze se mohou šířit po chrupavce až k subchondrální kosti. Produkty rozpadu a synoviální tekutina se šíří do bazální vrstvy, což vede ke vzniku malých oblastí osteonekrózy a subchondrálních cyst.

Souběžně s těmito procesy prochází chrupavka řadou reparačních změn ve snaze obnovit poškozený kloubní povrch, které zahrnují tvorbu chondrofytů. Ty nakonec podléhají enchondrální osifikaci a stávají se osteofyty.

Akutní mechanické trauma a kompresní zatížení mohou vést k rozvoji horizontálních trhlin v hluboké kalcifikované vrstvě chrupavky a oddělení chrupavky od subchondrální kosti. Bazální štěpení nebo delaminace chrupavky tímto způsobem může sloužit jako mechanismus degenerace nejen normální chrupavky při mechanickém přetížení, ale také při osteoartróze, kdy dochází k nestabilitě kloubu. Pokud je hyalinní chrupavka zcela zničena a kloubní povrch je obnažený, pak jsou možné dva procesy: prvním je tvorba husté sklerózy na povrchu kosti, která se nazývá eburnace; druhým je poškození a komprese trabekul, která na rentgenových snímcích vypadá jako subchondrální skleróza. První proces lze tedy považovat za kompenzační, zatímco druhý je jasně fází destrukce kloubu.

Zvýšení obsahu vody v chrupavce zvyšuje hustotu protonů chrupavky a eliminuje účinky zkrácení T2 z důvodu proteoglykano-kolagenní matrix, která má v oblastech poškození matrix na konvenčních MRI sekvencích vysokou intenzitu signálu. Tato časná chondromalácie, která je nejčasnějším příznakem poškození chrupavky, může být viditelná ještě předtím, než dojde k mírnému ztenčení chrupavky. V této fázi může být také přítomno mírné ztluštění nebo „otok“ chrupavky. Strukturální a biomechanické změny v kloubní chrupavce jsou progresivní, se ztrátou základní hmoty. Tyto procesy mohou být fokální nebo difúzní, omezené na povrchové ztenčení a třepení nebo úplné vymizení chrupavky. V některých případech lze pozorovat fokální ztluštění nebo „otok“ chrupavky bez narušení kloubního povrchu. U osteoartrózy je často pozorována fokální zvýšená intenzita signálu chrupavky na T2 vážených snímcích, což je artroskopicky potvrzeno přítomností povrchových, transmurálních a hlubokých lineárních změn. Ty mohou odrážet hluboké degenerativní změny, začínající hlavně jako oddělení chrupavky od kalcifikované vrstvy nebo linie přílivu a odlivu. Časné změny mohou být omezeny na hluboké vrstvy chrupavky, v takovém případě nejsou detekovatelné při artroskopickém vyšetření kloubního povrchu, ačkoli ložisková řídkost hlubokých vrstev chrupavky může vést k postižení sousedních vrstev, často s proliferací subchondrální kosti ve formě centrálního osteofytu.

V zahraniční literatuře existují údaje o možnosti získání kvantitativních informací o složení kloubní chrupavky, například o obsahu vodní frakce a difuzním koeficientu vody v chrupavce. Toho se dosahuje pomocí speciálních programů MR tomografu nebo pomocí MR spektroskopie. Oba tyto parametry se zvyšují s poškozením proteoglykano-kolagenní matrice při poškození chrupavky. Koncentrace mobilních protonů (obsah vody) v chrupavce klesá ve směru od kloubního povrchu k subchondrální kosti.

Kvantitativní hodnocení změn je možné i na T2 vážených snímcích. Sloučením dat ze snímků stejné chrupavky pořízených s různými TE autoři vyhodnotili T2 vážené snímky (WI) chrupavky pomocí vhodné exponenciální křivky ze získaných hodnot intenzity signálu pro každý pixel. T2 se hodnotí ve specifické oblasti chrupavky nebo se zobrazuje na mapě celé chrupavky, kde intenzita signálu každého pixelu odpovídá T2 v tomto místě. Navzdory relativně velkým možnostem a relativní snadnosti výše popsané metody je však role T2 podceňována, částečně kvůli nárůstu účinků souvisejících s difuzí se zvyšujícím se TE. T2 se podceňuje hlavně u chrupavčitých...

Magnetická rezonance (MRI) je tedy velmi slibnou metodou pro detekci a sledování časných strukturálních změn charakteristických pro degeneraci kloubní chrupavky.

Morfologické změny chrupavky při osteoartróze

Hodnocení morfologických změn chrupavky závisí na vysokém prostorovém rozlišení a vysokém kontrastu od povrchu kloubu k subchondrální kosti. Toho se nejlépe dosahuje pomocí tukem potlačených T1 vážených 3D GE sekvencí, které přesně odrážejí lokální defekty identifikované a ověřené jak při artroskopii, tak v pitevním materiálu. Chrupavku lze také zobrazit pomocí magnetizačního přenosu odečtením obrazu, v takovém případě se kloubní chrupavka jeví jako samostatný pás s vysokou intenzitou signálu, jasně kontrastující s přilehlou synoviální tekutinou s nízkou intenzitou, intraartikulární tukovou tkání a subchondrální kostní dření. Tato metoda však produkuje snímky o polovinu pomaleji než tukem potlačené T1 vážené snímky, a proto se používá méně často. Kromě toho lze pomocí konvenčních MR sekvencí zobrazit lokální defekty, povrchové nerovnosti a generalizované ztenčení kloubní chrupavky. Podle některých autorů lze morfologické parametry - tloušťku, objem, geometrii a povrchovou topografii chrupavky - kvantitativně vypočítat pomocí 3D MRI snímků. Sečtením voxelů, které tvoří 3D rekonstruovaný obraz chrupavky, lze určit přesnou hodnotu těchto komplexně souvisejících struktur. Měření celkového objemu chrupavky získané z jednotlivých řezů je navíc jednodušší metodou díky menším změnám v rovině jednoho řezu a je spolehlivější v prostorovém rozlišení. Při studiu celých amputovaných kolenních kloubů a patelárních vzorků získaných během artroplastiky těchto kloubů byl stanoven celkový objem kloubní chrupavky stehenní kosti, holenní kosti a pately a byla zjištěna korelace mezi objemy získanými pomocí MRI a odpovídajícími objemy získanými oddělením chrupavky od kosti a jejím histologickým měřením. Tato technologie proto může být užitečná pro dynamické posouzení změn objemu chrupavky u pacientů s osteoartritidou. Získání potřebných a přesných řezů kloubní chrupavky, zejména u pacientů s osteoartritidou, vyžaduje dostatečné dovednosti a zkušenosti lékaře provádějícího vyšetření, stejně jako dostupnost vhodného softwaru pro MRI.

Měření celkového objemu obsahuje málo informací o rozsáhlých změnách, a proto je citlivé na lokální ztrátu chrupavky. Teoreticky by ztráta nebo ztenčení chrupavky v jedné oblasti mohlo být vyváženo ekvivalentním nárůstem objemu chrupavky jinde v kloubu a měření celkového objemu chrupavky by neprokázalo žádnou abnormalitu, takže takové změny by touto metodou nebyly detekovatelné. Rozdělení kloubní chrupavky na samostatné malé oblasti pomocí 3D rekonstrukce umožnilo odhadnout objem chrupavky ve specifických oblastech, zejména na površích nesoucích sílu. Přesnost měření je však snížena, protože se provádí jen velmi málo dělení. Pro potvrzení přesnosti měření je v konečném důsledku nutné extrémně vysoké prostorové rozlišení. Pokud lze dosáhnout dostatečného prostorového rozlišení, je možné mapovat tloušťku chrupavky in vivo. Mapy tloušťky chrupavky mohou reprodukovat lokální poškození během progrese osteoartrózy.