Diagnoza choroby zwyrodnieniowej stawów: MRI chrząstki stawowej

Obraz MRI chrząstki stawowej odzwierciedla całość jej struktury histologicznej i składu biochemicznego. Chrząstka stawowa jest szklista, nie posiada własnego ukrwienia, drenażu limfatycznego i unerwienia. Składa się z wody i jonów, włókien kolagenowych typu II, chondrocytów, zagregowanych proteoglikanów i innych glikoprotein. Włókna kolagenowe są wzmacniane w warstwie podchrzęstnej kości, niczym kotwica, i biegną prostopadle do powierzchni stawu, gdzie rozchodzą się poziomo. Pomiędzy włóknami kolagenowymi znajdują się duże cząsteczki proteoglikanów o znacznym ładunku ujemnym, które intensywnie przyciągają cząsteczki wody. Chondrocyty chrząstki są rozmieszczone w równych kolumnach. Syntetyzują kolagen i proteoglikany, a także nieaktywne enzymy rozkładające enzymy i inhibitory enzymów.

Histologicznie, w dużych stawach, takich jak kolano i biodro, zidentyfikowano trzy warstwy chrząstki. Najgłębsza warstwa to połączenie chrząstki i kości podchrzęstnej, która służy jako warstwa kotwicząca dla rozległej sieci włókien kolagenowych rozciągających się od niej do powierzchni w gęstych wiązkach połączonych licznymi włókienkami usieciowanymi. Nazywa się to warstwą promieniową. W kierunku powierzchni stawowej poszczególne włókna kolagenowe stają się cieńsze i są wiązane razem w bardziej regularne i zwarte równoległe układy z mniejszą liczbą wiązań poprzecznych. Warstwa środkowa, przejściowa lub pośrednia, zawiera bardziej losowo zorganizowane włókna kolagenowe, z których większość jest ukośnie zorientowana, aby opierać się obciążeniom pionowym, ciśnieniom i wstrząsom. Najbardziej powierzchowna warstwa chrząstki stawowej, znana jako warstwa styczna, to cienka warstwa ściśle upakowanych, stycznie zorientowanych włókien kolagenowych, która opiera się siłom rozciągającym wywieranym przez obciążenie ściskające i tworzy wodoszczelną barierę dla płynu śródmiąższowego, zapobiegając jego utracie podczas ściskania. Najbardziej powierzchowne włókna kolagenowe tej warstwy ułożone są poziomo, tworząc na powierzchni stawowej gęste poziome płaty, chociaż włókienka powierzchniowej strefy stycznej niekoniecznie łączą się z włókienkami warstw głębszych.

Jak zauważono, w tej złożonej sieci włókien komórkowych znajdują się zagregowane hydrofilowe cząsteczki proteoglikanów. Te duże cząsteczki mają ujemnie naładowane fragmenty SQ i COO" na końcach swoich licznych gałęzi, które silnie przyciągają jony o przeciwnym ładunku (zwykle Na ⁺ ), co z kolei sprzyja osmotycznej penetracji wody do chrząstki. Ciśnienie w sieci kolagenowej jest ogromne, a chrząstka działa jak niezwykle wydajna poduszka hydrodynamiczna. Ściskanie powierzchni stawowej powoduje poziome przemieszczenie wody zawartej w chrząstce, ponieważ sieć włókien kolagenowych jest ściskana. Woda jest redystrybuowana w chrząstce, tak że jej całkowita objętość nie może się zmienić. Gdy ściskanie po obciążeniu stawu zostanie zmniejszone lub wyeliminowane, woda cofa się, przyciągana przez ujemny ładunek proteoglikanów. Jest to mechanizm, który utrzymuje wysoką zawartość wody, a tym samym wysoką gęstość protonów chrząstki. Najwyższą zawartość wody obserwuje się bliżej powierzchni stawowej i zmniejsza się w kierunku kości podchrzęstnej. Stężenie proteoglikanów wzrasta w głębokich warstwach chrząstki.

Obecnie MRI jest główną techniką obrazowania chrząstki szklistej, wykonywaną głównie przy użyciu sekwencji echa gradientowego (GE). MRI odzwierciedla zawartość wody w chrząstce. Jednak ilość protonów wody zawartych w chrząstce jest ważna. Zawartość i rozmieszczenie hydrofilowych cząsteczek proteoglikanów oraz anizotropowa organizacja włókienek kolagenowych wpływają nie tylko na całkowitą ilość wody, tj. gęstość protonów, w chrząstce, ale także na stan właściwości relaksacyjnych, mianowicie T2, tej wody, nadając chrząstce charakterystyczne „strefowe” lub warstwowe obrazy w MRI, które według niektórych badaczy odpowiadają histologicznym warstwom chrząstki.

W przypadku obrazów o bardzo krótkim czasie echa (mniej niż 5 ms) obrazy chrząstki o wyższej rozdzielczości zwykle pokazują obraz dwuwarstwowy: warstwa głęboka znajduje się bliżej kości w strefie przedwapnienia i ma słaby sygnał, ponieważ obecność wapnia znacznie skraca czas TR i nie powoduje powstania obrazu; warstwa powierzchniowa wytwarza sygnał MP o średniej lub dużej intensywności.

W pośrednich obrazach TE (5-40 ms) chrząstka ma trójwarstwowy wygląd: warstwa powierzchniowa o niskim sygnale; warstwa przejściowa o średniej intensywności sygnału; głęboka warstwa o niskim sygnale MP. W przypadku ważonego obrazu T2 sygnał nie obejmuje warstwy pośredniej, a obraz chrząstki staje się jednorodnie niskointensywny. Gdy używana jest niska rozdzielczość przestrzenna, dodatkowa warstwa czasami pojawia się w krótkich obrazach TE z powodu artefaktów ukośnego cięcia i wysokiego kontrastu na granicy chrząstka/płyn; można tego uniknąć, zwiększając rozmiar macierzy.

Ponadto niektóre z tych stref (warstw) mogą nie być widoczne w pewnych warunkach. Na przykład, gdy kąt między osią chrząstki a głównym polem magnetycznym ulega zmianie, wygląd warstw chrząstki może się zmienić, a chrząstka może mieć jednorodny obraz. Autorzy wyjaśniają to zjawisko anizotropową właściwością włókien kolagenowych i ich różną orientacją w obrębie każdej warstwy.

Inni autorzy uważają, że uzyskanie warstwowego obrazu chrząstki nie jest wiarygodne i jest artefaktem. Opinie badaczy różnią się również co do intensywności sygnałów z uzyskanych trójwarstwowych obrazów chrząstki. Badania te są bardzo interesujące i oczywiście wymagają dalszych badań.

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

Zmiany strukturalne chrząstki w chorobie zwyrodnieniowej stawów

We wczesnych stadiach choroby zwyrodnieniowej stawów dochodzi do degradacji sieci kolagenowej w powierzchniowych warstwach chrząstki, co prowadzi do strzępienia się powierzchni i zwiększonej przepuszczalności dla wody. W miarę jak część proteoglikanów ulega zniszczeniu, pojawia się więcej ujemnie naładowanych glikozaminoglikanów, które przyciągają kationy i cząsteczki wody, podczas gdy pozostałe proteoglikany tracą zdolność przyciągania i zatrzymywania wody. Ponadto utrata proteoglikanów zmniejsza ich hamujący wpływ na śródmiąższowy przepływ wody. W efekcie chrząstka puchnie, mechanizm kompresji (zatrzymywania) płynu „nie działa”, a odporność chrząstki na ściskanie maleje. Następuje efekt przeniesienia większości obciążenia na już uszkodzoną twardą macierz, co prowadzi do tego, że spuchnięta chrząstka staje się bardziej podatna na uszkodzenia mechaniczne. W efekcie chrząstka albo się odbudowuje, albo dalej się pogarsza.

Oprócz uszkodzeń proteoglikanów, sieć kolagenowa jest częściowo zniszczona i nie jest już odbudowywana, a w chrząstce pojawiają się pionowe pęknięcia i owrzodzenia. Te zmiany mogą rozprzestrzeniać się w dół chrząstki do kości podchrzęstnej. Produkty rozpadu i płyn stawowy rozprzestrzeniają się do warstwy podstawnej, co prowadzi do pojawienia się małych obszarów martwicy kości i torbieli podchrzęstnych.

Równolegle z tymi procesami chrząstka przechodzi szereg zmian naprawczych w celu przywrócenia uszkodzonej powierzchni stawowej, które obejmują tworzenie się chondrofitów. Te ostatnie ostatecznie ulegają kostnieniu chrzęstnemu i stają się osteofitami.

Ostre urazy mechaniczne i obciążenia ściskające mogą prowadzić do rozwoju poziomych pęknięć w głębokiej zwapniałej warstwie chrząstki i oderwania chrząstki od kości podchrzęstnej. Rozszczepienie lub rozwarstwienie chrząstki w ten sposób może służyć jako mechanizm degeneracji nie tylko normalnej chrząstki pod przeciążeniem mechanicznym, ale także w osteoartrozie, gdy występuje niestabilność stawu. Jeśli chrząstka szklista zostanie całkowicie zniszczona, a powierzchnia stawowa zostanie odsłonięta, możliwe są dwa procesy: pierwszy to powstanie gęstego stwardnienia na powierzchni kości, które nazywa się eburnacją; drugi to uszkodzenie i kompresja beleczek, co na zdjęciach rentgenowskich wygląda jak stwardnienie podchrzęstne. Zgodnie z tym pierwszy proces można uznać za kompensacyjny, podczas gdy drugi jest wyraźnie fazą zniszczenia stawu.

Wzrost zawartości wody w chrząstce zwiększa gęstość protonów chrząstki i eliminuje efekt skracania T2 macierzy proteoglikanowo-kolagenowej, która ma wysoką intensywność sygnału w obszarach uszkodzenia macierzy w konwencjonalnych sekwencjach MRI. Ta wczesna chondromalacja, która jest najwcześniejszym objawem uszkodzenia chrząstki, może być widoczna jeszcze przed wystąpieniem niewielkiego ścieńczenia chrząstki. Na tym etapie może również występować łagodne pogrubienie lub „obrzęk” chrząstki. Zmiany strukturalne i biomechaniczne w chrząstce stawowej są postępujące, z utratą substancji podstawowej. Procesy te mogą być ogniskowe lub rozproszone, ograniczone do powierzchownego ścieńczenia i strzępienia lub całkowitego zaniku chrząstki. W niektórych przypadkach można zaobserwować ogniskowe pogrubienie lub „obrzęk” chrząstki bez naruszenia powierzchni stawowej. W chorobie zwyrodnieniowej stawów często obserwuje się ogniskowe zwiększenie intensywności sygnału chrząstki na obrazach T2-zależnych, potwierdzone artroskopowo obecnością powierzchownych, przezściennych i głębokich zmian liniowych. Te ostatnie mogą odzwierciedlać głębokie zmiany zwyrodnieniowe, zaczynające się głównie jako oderwanie chrząstki od warstwy zwapniałej lub linii pływowej. Wczesne zmiany mogą być ograniczone do głębokich warstw chrząstki, w takim przypadku nie są wykrywalne podczas artroskopowego badania powierzchni stawowej, chociaż ogniskowe rozrzedzenie głębokich warstw chrząstki może prowadzić do zaangażowania sąsiednich warstw, często z proliferacją kości podchrzęstnej w postaci centralnego osteofitu.

W literaturze zagranicznej istnieją dane o możliwości uzyskania ilościowych informacji o składzie chrząstki stawowej, na przykład o zawartości frakcji wodnej i współczynniku dyfuzji wody w chrząstce. Uzyskuje się to za pomocą specjalnych programów tomografu MR lub za pomocą spektroskopii MR. Oba te parametry wzrastają wraz z uszkodzeniem macierzy proteoglikanowo-kolagenowej podczas uszkodzenia chrząstki. Stężenie protonów ruchomych (zawartość wody) w chrząstce zmniejsza się w kierunku od powierzchni stawowej do kości podchrzęstnej.

Ilościowa ocena zmian jest również możliwa na obrazach ważonych T2. Poprzez łączenie danych z obrazów tej samej chrząstki uzyskanych przy użyciu różnych TE, autorzy ocenili obrazy ważone T2 (WI) chrząstki, używając odpowiedniej krzywej wykładniczej z uzyskanych wartości intensywności sygnału dla każdego piksela. T2 jest oceniane w określonym obszarze chrząstki lub wyświetlane na mapie całej chrząstki, w której intensywność sygnału każdego piksela odpowiada T2 w tym miejscu. Jednak pomimo stosunkowo dużych możliwości i względnej łatwości opisanej powyżej metody, rola T2 jest niedoceniana, częściowo z powodu wzrostu efektów związanych z dyfuzją wraz ze wzrostem TE. T2 jest głównie niedoceniane w chrząstce chondromalacji, gdy zwiększa się dyfuzja wody. Jeśli nie zostaną użyte specjalne technologie, potencjalny wzrost T2 mierzony tymi technologiami w chrząstce chondromalacji nieznacznie stłumi efekty związane z dyfuzją.

Rezonans magnetyczny jest zatem bardzo obiecującą metodą wykrywania i monitorowania wczesnych zmian strukturalnych charakterystycznych dla zwyrodnienia chrząstki stawowej.

Zmiany morfologiczne chrząstki w chorobie zwyrodnieniowej stawów

Ocena zmian morfologicznych w chrząstce zależy od wysokiej rozdzielczości przestrzennej i dużego kontrastu od powierzchni stawu do kości podchrzęstnej. Najlepiej osiągnąć to za pomocą tłumionych tłuszczem sekwencji 3D GE T1, które dokładnie odzwierciedlają lokalne defekty zidentyfikowane i zweryfikowane zarówno podczas artroskopii, jak i w materiale autopsyjnym. Chrząstkę można również obrazować za pomocą transferu magnetyzacji przez odejmowanie obrazu, w którym to przypadku chrząstka stawowa pojawia się jako oddzielne pasmo o wysokiej intensywności sygnału, wyraźnie kontrastujące z sąsiadującym płynem maziowym o niskiej intensywności, tkanką tłuszczową wewnątrzstawową i podchrzęstnym szpikiem kostnym. Jednak ta metoda generuje obrazy o połowę wolniej niż tłumione tłuszczem obrazy T1 i dlatego jest mniej powszechnie stosowana. Ponadto lokalne defekty, nierówności powierzchni i uogólnione ścieńczenie chrząstki stawowej można obrazować za pomocą konwencjonalnych sekwencji MR. Według niektórych autorów parametry morfologiczne - grubość, objętość, geometria i topografia powierzchni chrząstki - można obliczyć ilościowo za pomocą obrazów 3D MRI. Sumując woksele tworzące trójwymiarowy zrekonstruowany obraz chrząstki, można określić dokładną wartość tych złożonych powiązanych struktur. Ponadto pomiar całkowitej objętości chrząstki uzyskanej z poszczególnych przekrojów jest prostszą metodą ze względu na mniejsze zmiany w płaszczyźnie pojedynczego przekroju i jest bardziej niezawodny w rozdzielczości przestrzennej. Podczas badania całych amputowanych stawów kolanowych i próbek rzepki uzyskanych podczas artroplastyki tych stawów, określono całkowitą objętość chrząstki stawowej kości udowej, piszczelowej i rzepki i stwierdzono korelację między objętościami uzyskanymi za pomocą MRI a odpowiadającymi im objętościami uzyskanymi przez oddzielenie chrząstki od kości i pomiar histologiczny. Dlatego technologia ta może być przydatna do dynamicznej oceny zmian objętości chrząstki u pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów. Uzyskanie niezbędnych i dokładnych przekrojów chrząstki stawowej, szczególnie u pacjentów z chorobą zwyrodnieniową stawów, wymaga wystarczających umiejętności i doświadczenia lekarza wykonującego badanie, a także dostępności odpowiedniego oprogramowania MRI.

Pomiary całkowitej objętości zawierają niewiele informacji o rozległych zmianach i dlatego są wrażliwe na lokalną utratę chrząstki. Teoretycznie utrata chrząstki lub jej ścieńczenie w jednym obszarze mogłoby zostać zrównoważone przez odpowiedni wzrost objętości chrząstki w innym miejscu stawu, a pomiar całkowitej objętości chrząstki nie wykazałby żadnych nieprawidłowości, więc takie zmiany nie byłyby wykrywalne tą metodą. Podział chrząstki stawowej na dyskretne małe obszary za pomocą rekonstrukcji 3D umożliwił oszacowanie objętości chrząstki w określonych obszarach, szczególnie na powierzchniach przenoszących siły. Jednak dokładność pomiarów jest zmniejszona, ponieważ wykonuje się bardzo mało podziałów. Ostatecznie, niezwykle wysoka rozdzielczość przestrzenna jest konieczna do potwierdzenia dokładności pomiarów. Jeśli uda się osiągnąć wystarczającą rozdzielczość przestrzenną, perspektywa mapowania grubości chrząstki in vivo staje się możliwa. Mapy grubości chrząstki mogą odtwarzać lokalne uszkodzenia podczas postępu choroby zwyrodnieniowej stawów.