Diagnos av artros: MR-undersökning av ledbrosk

MR-bilden av ledbrosk återspeglar helheten av dess histologiska struktur och biokemiska sammansättning. Ledbrosk är hyalint och saknar egen blodförsörjning, lymfdränage och innervation. Det består av vatten och joner, kollagenfibrer av typ II, kondrocyter, aggregerade proteoglykaner och andra glykoproteiner. Kollagenfibrer är förstärkta i benets subkondrala lager, likt ett ankare, och löper vinkelrätt mot ledytan, där de divergerar horisontellt. Mellan kollagenfibrerna finns stora proteoglykanmolekyler med en betydande negativ laddning, som intensivt attraherar vattenmolekyler. Broskkondrocyter är belägna i jämna kolumner. De syntetiserar kollagen och proteoglykaner, samt inaktiva enzymer som bryter ner enzymer och enzymhämmare.

Histologiskt har tre lager brosk identifierats i stora leder som knä och höft. Det djupaste lagret är övergången mellan brosk och subkondralt ben och fungerar som ett förankringslager för ett omfattande nätverk av kollagenfibrer som sträcker sig från det till ytan i täta buntar sammankopplade av ett flertal tvärbindande fibriller. Detta kallas det radiella lagret. Mot ledytan blir de enskilda kollagenfibrerna finare och buntas samman till mer regelbundna och kompakta parallella matriser med färre tvärbindningar. Mellanlagret, övergångs- eller mellanlagret, innehåller mer slumpmässigt organiserade kollagenfibrer, varav de flesta är snett orienterade för att motstå vertikala belastningar, tryck och stötar. Det ytligaste lagret av ledbrosk, känt som det tangentiella lagret, är ett tunt lager av tätt packade, tangentiellt orienterade kollagenfibrer som motstår dragkrafterna som utövas av tryckbelastning och bildar en vattentät barriär mot interstitiell vätska, vilket förhindrar dess förlust under kompression. De ytligaste kollagenfibrerna i detta lager är anordnade horisontellt och bildar täta horisontella ark på ledytan, även om fibrillerna i den ytliga tangentiella zonen inte nödvändigtvis är kopplade till de djupare lagren.

Som noterats finns inom detta komplexa cellulära nätverk av fibrer aggregerade hydrofila proteoglykanmolekyler. Dessa stora molekyler har negativt laddade SQ- och COO"-fragment i ändarna av sina många grenar, vilka starkt attraherar motsatt laddade joner (vanligtvis Na ⁺ ), vilket i sin tur främjar osmotisk penetration av vatten in i brosket. Trycket inom kollagennätverket är enormt, och brosket fungerar som en extremt effektiv hydrodynamisk kudde. Kompression av ledytan orsakar en horisontell förskjutning av vattnet som finns i brosket, eftersom kollagenfibernätverket komprimeras. Vattnet omfördelas inom brosket så att dess totala volym inte kan förändras. När kompressionen efter ledbelastning minskas eller elimineras, rör sig vattnet tillbaka, attraherat av proteoglykanernas negativa laddning. Detta är den mekanism som upprätthåller en hög vattenhalt och därmed en hög protondensitet i brosket. Den högsta vattenhalten observeras närmare ledytan och minskar mot det subkondrala benet. Koncentrationen av proteoglykaner ökar i de djupa brosklagren.

För närvarande är MR den huvudsakliga avbildningstekniken för hyalint brosk, och utförs huvudsakligen med hjälp av gradienteko (GE)-sekvenser. MR återspeglar vattenhalten i brosket. Mängden vattenprotoner som finns i brosket är dock viktig. Halten och fördelningen av hydrofila proteoglykanmolekyler och den anisotropa organisationen av kollagenfibriller påverkar inte bara den totala mängden vatten, dvs. protondensiteten, i brosket, utan också tillståndet för relaxationsegenskaperna, nämligen T2, hos detta vatten, vilket ger brosket dess karakteristiska "zonala" eller stratifierade bilder på MR, vilka vissa forskare anser motsvarar de histologiska lagren i brosket.

På bilder med mycket kort ekotid (TE) (mindre än 5 ms) visar bilder av brosk med högre upplösning vanligtvis en tvåskiktsbild: det djupa lagret ligger närmare benet i förkalkningszonen och har en låg signal, eftersom närvaron av kalcium kraftigt förkortar TR och inte producerar någon bild; det ytliga lagret producerar en MP-signal med medelhög till hög intensitet.

I mellanliggande TE-bilder (5–40 ms) har brosket ett treskiktat utseende: ett ytligt lager med låg signal; ett övergångslager med mellanliggande signalintensitet; ett djupt lager med låg MP-signal. Vid T2-viktning inkluderar inte signalen det mellanliggande lagret och broskbilden blir homogent lågintensitetsbilden. När låg spatial upplösning används, uppträder ibland ett ytterligare lager i korta TE-bilder på grund av sneda snittartefakter och hög kontrast vid brosk/vätske-gränssnittet. Detta kan undvikas genom att öka matrisstorleken.

Dessutom kan vissa av dessa zoner (lager) vara osynliga under vissa förhållanden. Till exempel, när vinkeln mellan broskaxeln och det huvudsakliga magnetfältet ändras, kan brosklagren förändras, och brosket kan ha en homogen bild. Författarna förklarar detta fenomen med kollagenfibrernas anisotropa egenskap och deras olika orientering inom varje lager.

Andra författare anser att det inte är tillförlitligt att få en bild av brosk i flera lager och att det är en artefakt. Forskarnas åsikter skiljer sig också åt när det gäller intensiteten hos signalerna från de erhållna bilderna av brosk i tre lager. Dessa studier är mycket intressanta och kräver naturligtvis ytterligare studier.

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

Strukturella förändringar i brosk vid artros

I de tidiga stadierna av artros sker nedbrytning av kollagennätverket i broskets ytliga lager, vilket leder till ytfransning och ökad vattenpermeabilitet. När en del av proteoglykanerna förstörs uppstår fler negativt laddade glykosaminoglykaner, vilka attraherar katjoner och vattenmolekyler, medan de återstående proteoglykanerna förlorar sin förmåga att attrahera och hålla kvar vatten. Dessutom minskar förlusten av proteoglykaner deras hämmande effekt på det interstitiella vattenflödet. Som ett resultat sväller brosket, mekanismen för kompression (retention) av vätska "fungerar inte" och broskets tryckmotstånd minskar. Effekten av att överföra det mesta av lasten till den redan skadade hårda matrisen uppstår, och detta leder till att det svullna brosket blir mer mottagligt för mekanisk skada. Som ett resultat återställs brosket antingen eller fortsätter att försämras.

Förutom skador på proteoglykaner förstörs kollagennätverket delvis och återställs inte längre, och vertikala sprickor och sår uppstår i brosket. Dessa lesioner kan sträcka sig ner i brosket till det subkondrala benet. Nedbrytningsprodukterna och synovialvätskan sprider sig till basala lagret, vilket leder till uppkomsten av små områden med osteonekros och subkondrala cystor.

Parallellt med dessa processer genomgår brosket en serie reparativa förändringar i ett försök att återställa den skadade ledytan, vilket inkluderar bildandet av kondrofyter. De senare genomgår så småningom enkondral ossifikation och blir osteofyter.

Akut mekanisk trauma och tryckbelastning kan leda till utveckling av horisontella sprickor i det djupa förkalkade brosklagret och lossning av brosk från det subkondrala benet. Basal delning eller delaminering av brosk på detta sätt kan fungera som en mekanism för degeneration inte bara av normalt brosk under mekanisk överbelastning, utan även vid artros, när det finns ledinstabilitet. Om det hyalina brosket är helt förstört och ledytan exponeras, är två processer möjliga: den första är bildandet av tät skleros på benytan, vilket kallas eburnation; den andra är skada och kompression av trabekler, vilket på röntgenbilder ser ut som subkondral skleros. Följaktligen kan den första processen betraktas som kompensatorisk, medan den andra tydligt är en fas av ledförstörelse.

Ökningen av vattenhalten i brosket ökar protondensiteten i brosket och eliminerar T2-förkortningseffekterna av proteoglykan-kollagenmatrisen, som har en hög signalintensitet i områden med matrixskada på konventionella MR-sekvenser. Denna tidiga kondromalaci, som är det tidigaste tecknet på broskskada, kan vara synlig innan ens mindre förtunning av brosket inträffar. Mild förtjockning eller "svullnad" av brosket kan också förekomma i detta skede. Strukturella och biomekaniska förändringar i ledbrosket är progressiva, med förlust av grundsubstans. Dessa processer kan vara fokala eller diffusa, begränsade till ytlig förtunning och fransning, eller fullständigt försvinnande av brosket. I vissa fall kan fokal förtjockning eller "svullnad" av brosket observeras utan störning av ledytan. Vid artros observeras ofta fokal ökad signalintensitet av brosk på T2-viktade bilder, vilket bekräftas artroskopiskt genom förekomsten av ytliga, transmurala och djupa linjära förändringar. De senare kan återspegla djupa degenerativa förändringar, som huvudsakligen börjar som lossning av brosk från det förkalkade lagret eller tidvattenlinjen. Tidiga förändringar kan vara begränsade till de djupa brosklagren, i vilket fall de inte är detekterbara vid artroskopisk undersökning av ledytan, även om fokal gleshet i de djupa brosklagren kan leda till engagemang av intilliggande lager, ofta med proliferation av subkondralt ben i form av en central osteofyt.

Det finns data i utländsk litteratur om möjligheten att erhålla kvantitativ information om ledbrosks sammansättning, till exempel om innehållet av vattenfraktionen och diffusionskoefficienten för vatten i brosk. Detta uppnås med hjälp av speciella program från MR-tomografen eller med MR-spektroskopi. Båda dessa parametrar ökar med skada på proteoglykan-kollagenmatrisen vid broskskada. Koncentrationen av mobila protoner (vattenhalten) i brosk minskar i riktning från ledytan till det subkondrala benet.

Kvantitativ bedömning av förändringar är också möjlig på T2-viktade bilder. Genom att samla data från bilder av samma brosk erhållna med olika TE, bedömde författarna T2-viktade bilder (WI) av brosk med hjälp av en lämplig exponentiell kurva från de erhållna signalintensitetsvärdena för varje pixel. T2 bedöms i ett specifikt område av brosket eller visas på en karta över hela brosket, där signalintensiteten för varje pixel motsvarar T2 på denna plats. Trots de relativt stora möjligheterna och den relativa enkelheten hos den ovan beskrivna metoden underskattas dock T2:s roll, delvis på grund av en ökning av diffusionsrelaterade effekter med ökande TE. T2 underskattas huvudsakligen i kondromalacibrosk, när vattendiffusionen ökar. Om inte speciella tekniker används, kommer den potentiella ökningen av T2 mätt med dessa tekniker i kondromalacibrosk att något undertrycka diffusionsrelaterade effekter.

MR är således en mycket lovande metod för att upptäcka och övervaka tidiga strukturella förändringar som är karakteristiska för ledbroskdegeneration.

Morfologiska förändringar i brosk vid artros

Utvärdering av morfologiska förändringar i brosk är beroende av hög spatial upplösning och hög kontrast från ledytan till det subkondrala benet. Detta uppnås bäst med hjälp av fettundertryckta T1-viktade 3D-GE-sekvenser, vilka korrekt återspeglar lokala defekter som identifierats och verifierats både vid artroskopi och i obduktionsmaterial. Brosk kan också avbildas med magnetiseringsöverföring genom bildsubtraktion, i vilket fall ledbrosk framträder som ett separat band med hög signalintensitet, vilket tydligt kontrasterar mot intilliggande lågintensiv synovialvätska, intraartikulär fettvävnad och subkondral benmärg. Denna metod producerar dock bilder hälften så långsamt som fettundertryckta T1-viktade bilder, och används därför mindre i stor utsträckning. Dessutom kan lokala defekter, ytojämnheter och generaliserad förtunning av ledbrosk avbildas med konventionella MR-sekvenser. Enligt vissa författare kan morfologiska parametrar - tjocklek, volym, geometri och yttopografi av brosk - beräknas kvantitativt med hjälp av 3D-MR-bilder. Genom att summera voxlarna som utgör den 3D-rekonstruerade bilden av brosk kan det exakta värdet av dessa komplext relaterade strukturer bestämmas. Dessutom är det en enklare att mäta den totala broskvolymen som erhålls från enskilda snitt på grund av mindre förändringar i planet för en enda skiva och är mer tillförlitlig i rumslig upplösning. När man studerar hela amputerade knäleder och patellaprover som erhållits under artroplastik av dessa leder bestämdes den totala volymen av ledbrosk i lårbenet, skenbenet och knäskålen och en korrelation hittades mellan volymerna som erhölls med MR och motsvarande volymer som erhölls genom att separera brosket från benet och mäta det histologiskt. Därför kan denna teknik vara användbar för dynamisk bedömning av broskvolymförändringar hos patienter med artros. Att erhålla de nödvändiga och noggranna snitten av ledbrosk, särskilt hos patienter med artros, kräver tillräcklig skicklighet och erfarenhet hos den läkare som utför undersökningen, samt tillgång till lämplig MR-programvara.

Mätningar av total volym innehåller lite information om utbredda förändringar och är därför känsliga för lokal broskförlust. Teoretiskt sett skulle broskförlust eller förtunning i ett område kunna balanseras av en motsvarande ökning av broskvolymen någon annanstans i leden, och mätningen av total broskvolym skulle inte visa någon avvikelse, så sådana förändringar skulle inte kunna detekteras med denna metod. Att dela upp ledbrosket i diskreta små regioner med hjälp av 3D-rekonstruktion har gjort det möjligt att uppskatta broskvolymen i specifika områden, särskilt på kraftbärande ytor. Mätningarnas noggrannhet minskar dock eftersom mycket lite uppdelning utförs. I slutändan är extremt hög spatial upplösning nödvändig för att bekräfta mätningarnas noggrannhet. Om tillräcklig spatial upplösning kan uppnås blir möjligheten att kartlägga brosktjockleken in vivo möjlig. Brosktjocklekskartor kan reproducera lokala skador under artrosprogression.