Диагностика на остеоартрит: ЯМР на ставен хрущял

Ядрено-магнитният резонанс (ЯМР) на ставния хрущял отразява цялостната му хистологична структура и биохимичен състав. Ставният хрущял е хиалинен, няма собствено кръвоснабдяване, лимфен дренаж и инервация. Състои се от вода и йони, колагенови влакна тип II, хондроцити, агрегирани протеогликани и други гликопротеини. Колагеновите влакна са укрепени в субхондралния слой на костта, подобно на котва, и се простират перпендикулярно на ставната повърхност, където се разминават хоризонтално. Между колагеновите влакна се намират големи протеогликанови молекули със значителен отрицателен заряд, които интензивно привличат водни молекули. Хрущялните хондроцити са разположени в равномерни колони. Те синтезират колаген и протеогликани, както и неактивни ензими, които разграждат ензимите и ензимните инхибитори.

Хистологично в големи стави, като колянната и тазобедрената става, са идентифицирани три слоя хрущял. Най-дълбокият слой е мястото на свързване на хрущяла и субхондралната кост и служи като закрепващ слой за обширна мрежа от колагенови влакна, простиращи се от него до повърхността в плътни снопове, свързани чрез множество омрежващи се фибрили. Това се нарича радиален слой. Към ставната повърхност отделните колагенови влакна стават по-фини и се групират в по-правилни и компактни успоредни редове с по-малко омрежващи се връзки. Средният слой, преходният или междинният слой, съдържа повече произволно организирани колагенови влакна, повечето от които са наклонено ориентирани, за да устоят на вертикални натоварвания, налягания и удари. Най-повърхностният слой на ставния хрущял, известен като тангенциален слой, е тънък слой от плътно опаковани, тангенциално ориентирани колагенови влакна, който се съпротивлява на силите на опън, упражнявани от компресионно натоварване, и образува водонепроницаема бариера за интерстициалната течност, предотвратявайки загубата ѝ по време на компресия. Най-повърхностните колагенови влакна на този слой са разположени хоризонтално, образувайки плътни хоризонтални пластове върху ставната повърхност, въпреки че фибрилите на повърхностната тангенциална зона не са непременно свързани с тези на по-дълбоките слоеве.

Както беше отбелязано, в рамките на тази сложна клетъчна мрежа от влакна са разположени агрегирани хидрофилни протеогликанови молекули. Тези големи молекули имат отрицателно заредени SQ и COO" фрагменти в краищата на многобройните си разклонения, които силно привличат противоположно заредени йони (обикновено Na ⁺ ), което от своя страна насърчава осмотичното проникване на вода в хрущяла. Налягането в колагеновата мрежа е огромно и хрущялът функционира като изключително ефективна хидродинамична възглавница. Компресията на ставната повърхност причинява хоризонтално изместване на водата, съдържаща се в хрущяла, тъй като колагеновата мрежа от влакна е компресирана. Водата се преразпределя в хрущяла, така че общият му обем не може да се промени. Когато компресията след натоварване на ставата се намали или елиминира, водата се връща обратно, привлечена от отрицателния заряд на протеогликаните. Това е механизмът, който поддържа високо съдържание на вода и по този начин висока протонна плътност на хрущяла. Най-високото съдържание на вода се наблюдава по-близо до ставната повърхност и намалява към субхондралната кост. Концентрацията на протеогликани се увеличава в дълбоките слоеве на хрущяла.

В момента ЯМР е основната образна техника за хиалинен хрущял, извършвана главно с помощта на градиентно ехо (GE) последователности. ЯМР отразява водното съдържание на хрущяла. Важно е обаче количеството водни протони, съдържащи се в хрущяла. Съдържанието и разпределението на хидрофилните протеогликанови молекули и анизотропната организация на колагеновите фибрили влияят не само на общото количество вода, т.е. плътността на протоните, в хрущяла, но и на състоянието на релаксационните свойства, а именно Т2, на тази вода, което придава на хрущяла характерните му „зонални“ или стратифицирани изображения на ЯМР, които някои изследователи смятат, че съответстват на хистологичните слоеве на хрущяла.

При изображения с много кратко ехо време (TE) (по-малко от 5 ms), изображенията с по-висока резолюция на хрущяла обикновено показват двуслойно изображение: дълбокият слой е разположен по-близо до костта в зоната на предкалцификация и има нисък сигнал, тъй като наличието на калций значително скъсява TR и не създава изображение; повърхностният слой произвежда MP сигнал със средна до висока интензивност.

В междинни TE изображения (5-40 ms) хрущялът има трислоен вид: повърхностен слой с нисък сигнал; преходен слой с междинен интензитет на сигнала; дълбок слой с нисък MP сигнал. При T2-претегляне сигналът не включва междинния слой и изображението на хрущяла става хомогенно с нисък интензитет. Когато се използва ниска пространствена резолюция, в къси TE изображения понякога се появява допълнителен слой поради артефакти от наклонен разрез и висок контраст на границата хрущял/течност, което може да се избегне чрез увеличаване на размера на матрицата.

Освен това, някои от тези зони (слоеве) може да не са видими при определени условия. Например, когато ъгълът между оста на хрущяла и основното магнитно поле се промени, външният вид на хрущялните слоеве може да се промени и хрущялът може да има хомогенно изображение. Авторите обясняват това явление с анизотропното свойство на колагеновите влакна и различната им ориентация във всеки слой.

Други автори смятат, че получаването на слоесто изображение на хрущяла не е надеждно и е артефакт. Мненията на изследователите се различават и по отношение на интензитета на сигналите от получените трислойни изображения на хрущяла. Тези изследвания са много интересни и, разбира се, изискват по-нататъшно проучване.

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

Структурни промени в хрущяла при остеоартрит

В ранните стадии на остеоартрит настъпва разграждане на колагеновата мрежа в повърхностните слоеве на хрущяла, което води до повърхностно разнищване и повишена пропускливост за вода. С разрушаването на някои от протеогликаните се появяват повече отрицателно заредени гликозаминогликани, които привличат катиони и водни молекули, докато останалите протеогликани губят способността си да привличат и задържат вода. Освен това, загубата на протеогликани намалява инхибиращия им ефект върху интерстициалния поток на вода. В резултат на това хрущялът набъбва, механизмът на компресия (задържане) на течности „не работи“ и компресионната устойчивост на хрущяла намалява. Получава се ефектът от прехвърляне на по-голямата част от натоварването върху вече увредената твърда матрица и това води до факта, че подутият хрущял става по-податлив на механични увреждания. В резултат на това хрущялът или се възстановява, или продължава да се влошава.

В допълнение към увреждането на протеогликаните, колагеновата мрежа е частично разрушена и вече не се възстановява, а в хрущяла се появяват вертикални пукнатини и язви. Тези лезии могат да се разпространят надолу по хрущяла до субхондралната кост. Продуктите от разпад и синовиалната течност се разпространяват до базалния слой, което води до появата на малки области на остеонекроза и субхондрални кисти.

Успоредно с тези процеси, хрущялът претърпява серия от репаративни промени в опит да възстанови увредената ставна повърхност, които включват образуването на хондрофити. Последните в крайна сметка претърпяват енхондрална осификация и се превръщат в остеофити.

Острата механична травма и компресивното натоварване могат да доведат до развитие на хоризонтални пукнатини в дълбокия калцифициран слой на хрущяла и отлепване на хрущяла от субхондралната кост. Базалното разцепване или деламиниране на хрущяла по този начин може да служи като механизъм на дегенерация не само на нормалния хрущял при механично претоварване, но и при остеоартроза, когато е налице ставна нестабилност. Ако хиалинният хрущял е напълно разрушен и ставната повърхност е оголена, тогава са възможни два процеса: първият е образуване на плътна склероза върху костната повърхност, което се нарича ебърнация; вторият е увреждане и компресия на трабекулите, което на рентгенови изображения изглежда като субхондрална склероза. Съответно, първият процес може да се счита за компенсаторен, докато вторият е ясно фаза на разрушаване на ставата.

Увеличаването на водното съдържание в хрущяла увеличава протонната плътност на хрущяла и елиминира ефектите на скъсяване на Т2-сензорите от протеогликаново-колагеновата матрица, която има висок интензитет на сигнала в области на увреждане на матрицата при конвенционални ЯМР секвенции. Тази ранна хондромалация, която е най-ранният признак на увреждане на хрущяла, може да бъде видима още преди да се появи незначително изтъняване на хрущяла. На този етап може да се наблюдава и леко удебеляване или "подуване" на хрущяла. Структурните и биомеханичните промени в ставния хрущял са прогресивни, със загуба на основно вещество. Тези процеси могат да бъдат фокални или дифузни, ограничени до повърхностно изтъняване и разнищване или пълно изчезване на хрущяла. В някои случаи може да се наблюдава фокално удебеляване или "подуване" на хрущяла без нарушаване на ставната повърхност. При остеоартрит често се наблюдава фокално повишен интензитет на сигнала на хрущяла на Т2-претеглени изображения, потвърден артроскопски от наличието на повърхностни, трансмурални и дълбоки линейни промени. Последните могат да отразяват дълбоки дегенеративни промени, започващи главно като отлепване на хрущяла от калцифицирания слой или линията на прилива. Ранните промени могат да бъдат ограничени до дълбоките слоеве на хрущяла, като в този случай те не се откриват при артроскопско изследване на ставната повърхност, въпреки че фокалната разреденост на дълбоките слоеве на хрущяла може да доведе до засягане на съседни слоеве, често с пролиферация на субхондрална кост под формата на централен остеофит.

В чуждестранната литература има данни за възможността за получаване на количествена информация за състава на ставния хрущял, например за съдържанието на водната фракция и коефициента на дифузия на водата в хрущяла. Това се постига с помощта на специални програми на MR томографа или с MR спектроскопия. И двата параметъра се увеличават с увреждане на протеогликано-колагеновата матрица по време на увреждане на хрущяла. Концентрацията на мобилни протони (съдържание на вода) в хрущяла намалява в посока от ставната повърхност към субхондралната кост.

Количествена оценка на промените е възможна и при T2-претеглени изображения. Чрез обединяване на данни от изображения на един и същ хрущял, получени с различни TE, авторите оценяват T2-претеглените изображения (WI) на хрущяла, използвайки подходяща експоненциална крива от получените стойности на интензитета на сигнала за всеки пиксел. T2 се оценява в специфична област на хрущяла или се показва на карта на целия хрущял, в която интензитетът на сигнала на всеки пиксел съответства на T2 на това място. Въпреки относително големите възможности и относителната лекота на описания по-горе метод, ролята на T2 е подценена, отчасти поради увеличаване на ефектите, свързани с дифузията, с увеличаване на TE. T2 е подценен главно при хондромалационния хрущял, когато дифузията на водата е увеличена. Освен ако не се използват специални технологии, потенциалното увеличение на T2, измерено с тези технологии при хондромалационния хрущял, леко ще потисне ефектите, свързани с дифузията.

Следователно, ЯМР е многообещаващ метод за откриване и наблюдение на ранни структурни промени, характерни за дегенерация на ставния хрущял.

Морфологични промени в хрущяла при остеоартрит

Оценката на морфологичните промени в хрущяла зависи от високата пространствена резолюция и високия контраст от повърхността на ставата до субхондралната кост. Това се постига най-добре с помощта на T1-претеглени 3D GE секвенции с потискане на мазнините, които точно отразяват локалните дефекти, идентифицирани и проверени както при артроскопия, така и в аутопсичен материал. Хрущялът може да бъде изобразен и с трансфер на намагнитване чрез изваждане на изображението, като в този случай ставният хрущял се появява като отделна лента с висок интензитет на сигнала, ясно контрастираща със съседната нискоинтензивна синовиална течност, вътреставна мастна тъкан и субхондрален костен мозък. Този метод обаче произвежда изображения наполовина по-бавно от T1-претеглените изображения с потискане на мазнините и следователно е по-рядко използван. Освен това, локални дефекти, повърхностни неравности и генерализирано изтъняване на ставния хрущял могат да бъдат изобразени с помощта на конвенционални MR секвенции. Според някои автори, морфологичните параметри - дебелина, обем, геометрия и повърхностна топография на хрущяла - могат да бъдат количествено изчислени с помощта на 3D MRI изображения. Чрез сумиране на вокселите, които съставляват 3D реконструираното изображение на хрущяла, може да се определи точната стойност на тези сложно свързани структури. Освен това, измерването на общия обем на хрущяла, получен от отделни срезове, е по-опростен метод поради по-малките промени в равнината на единичен срез и е по-надежден по отношение на пространствената резолюция. При изследване на цели ампутирани коленни стави и пателарни проби, получени по време на артропластика на тези стави, е определен общият обем на ставния хрущял на бедрената кост, тибията и пателата и е установена корелация между обемите, получени чрез ЯМР, и съответните обеми, получени чрез отделяне на хрущяла от костта и хистологичното му измерване. Следователно, тази технология може да бъде полезна за динамична оценка на промените в обема на хрущяла при пациенти с остеоартрит. Получаването на необходимите и точни срезове от ставния хрущял, особено при пациенти с остеоартрит, изисква достатъчни умения и опит на лекаря, извършващ изследването, както и наличието на подходящ ЯМР софтуер.

Измерванията на общия обем съдържат малко информация за широко разпространените промени и следователно са чувствителни към локалната загуба на хрущял. Теоретично, загубата или изтъняването на хрущяла в една област може да бъде балансирано от еквивалентно увеличение на обема на хрущяла другаде в ставата, а измерването на общия обем на хрущяла не би показало никаква аномалия, така че такива промени не биха били открити чрез този метод. Разделянето на ставния хрущял на отделни малки области, използвайки 3D реконструкция, направи възможно оценяването на обема на хрущяла в специфични области, особено върху повърхности, носещи сила. Точността на измерванията обаче е намалена, тъй като се извършва много малко подразделяне. В крайна сметка е необходима изключително висока пространствена резолюция, за да се потвърди точността на измерванията. Ако може да се постигне достатъчна пространствена резолюция, перспективата за картографиране на дебелината на хрущяла in vivo става възможна. Картите на дебелината на хрущяла могат да възпроизведат локалните увреждания по време на прогресията на остеоартрита.