Діагностика остеоартрозу: МРТ суглобового хряща

МРТ-зображення суглобового хряща відображає всю сукупність його гістологічної структури та біохімічного складу. Суглобовий хрящ є гіаліновим, не має власного кровопостачання, лімфатичного дренажу та іннервації. Він складається з води та іонів, колагенових волокон II типу, хондроцитів, агрегованих протеогліканів та інших глікопротеїнів. Колагенові волокна укріплені в субхондральному шарі кістки, подібно до якоря, та йдуть перпендикулярно до поверхні суглоба, де розходяться горизонтально. Між колагеновими волокнами розташовані великі молекули протеогліканів зі значним негативним зарядом, які інтенсивно притягують молекули води. Хондроцити хряща розташовані рівними колонками. Вони синтезують колаген та протеоглікани, а також неактивні ферменти, що розщеплюють ферменти, та інгібітори ферментів.

Гістологічно у великих суглобах, таких як колінний та кульшовий, було виявлено три шари хряща. Найглибший шар – це місце з’єднання хряща та субхондральної кістки, який служить кріпильним шаром для розгалуженої мережі колагенових волокон, що тягнуться від нього до поверхні щільними пучками, з’єднаними численними зшитими фібрилами. Це називається радіальним шаром. Ближче до суглобової поверхні окремі колагенові волокна стають тоншими та об’єднуються в більш регулярні та компактні паралельні масиви з меншою кількістю зшивок. Середній шар, перехідний або проміжний, містить більше хаотично організованих колагенових волокон, більшість з яких орієнтовані косо, щоб протистояти вертикальним навантаженням, тиску та ударам. Найповерхневий шар суглобового хряща, відомий як тангенціальний шар, являє собою тонкий шар щільно упакованих, тангенціально орієнтованих колагенових волокон, який протистоїть силам розтягування, що виникають під час стискання, та утворює водонепроникний бар’єр для інтерстиціальної рідини, запобігаючи її втраті під час стиснення. Найбільш поверхневі колагенові волокна цього шару розташовані горизонтально, утворюючи щільні горизонтальні пласти на суглобовій поверхні, хоча фібрили поверхневої тангенціальної зони не обов'язково з'єднані з фібрилами глибших шарів.

Як зазначалося, всередині цієї складної клітинної мережі волокон розташовані агреговані гідрофільні молекули протеогліканів. Ці великі молекули мають негативно заряджені фрагменти SQ та COO" на кінцях своїх численних гілок, які сильно притягують протилежно заряджені іони (зазвичай Na ⁺ ), що, у свою чергу, сприяє осмотичному проникненню води в хрящ. Тиск всередині колагенової мережі величезний, і хрящ функціонує як надзвичайно ефективна гідродинамічна подушка. Стиснення суглобової поверхні викликає горизонтальне зміщення води, що міститься в хрящі, оскільки мережа колагенових волокон стискається. Вода перерозподіляється в хрящі таким чином, що його загальний об'єм не може змінитися. Коли стиснення після навантаження на суглоб зменшується або усувається, вода рухається назад, притягнута негативним зарядом протеогліканів. Це механізм, який підтримує високий вміст води і, отже, високу щільність протонів хряща. Найвищий вміст води спостерігається ближче до суглобової поверхні та зменшується до субхондральної кістки. Концентрація протеогліканів збільшується в глибоких шарах хряща.

Наразі МРТ є основним методом візуалізації гіалінового хряща, який виконується переважно за допомогою градієнтного ехо (ГЕ) послідовностей. МРТ відображає вміст води в хрящі. Однак кількість протонів води, що містяться в хрящі, є важливою. Вміст і розподіл гідрофільних молекул протеогліканів та анізотропна організація колагенових фібрил впливають не тільки на загальну кількість води, тобто щільність протонів, у хрящі, але й на стан релаксаційних властивостей, а саме Т2, цієї води, що надає хрящу характерні «зональні» або стратифіковані зображення на МРТ, які, на думку деяких дослідників, відповідають гістологічним шарам хряща.

На зображеннях з дуже коротким часом відлуння (TE) (менше 5 мс) зображення хряща з вищою роздільною здатністю зазвичай показують двошарове зображення: глибокий шар розташований ближче до кістки в зоні перед кальцифікацією та має низький сигнал, оскільки присутність кальцію значно скорочує TR і не створює зображення; поверхневий шар створює MP-сигнал середньої або високої інтенсивності.

На проміжних ТЕ-зображеннях (5-40 мс) хрящ має тришаровий вигляд: поверхневий шар з низьким сигналом; перехідний шар із проміжною інтенсивністю сигналу; глибокий шар з низьким МП-сигналом. При Т2-зваженні сигнал не включає проміжний шар, і зображення хряща стає однорідно низької інтенсивності. При використанні низької просторової роздільної здатності на коротких ТЕ-зображеннях іноді з'являється додатковий шар через артефакти косого зрізу та високий контраст на межі хряща/рідини, цього можна уникнути, збільшивши розмір матриці.

Крім того, деякі з цих зон (шарів) можуть бути невидимими за певних умов. Наприклад, коли змінюється кут між віссю хряща та основним магнітним полем, зовнішній вигляд хрящових шарів може змінитися, і хрящ може мати однорідне зображення. Автори пояснюють це явище анізотропною властивістю колагенових волокон та їх різною орієнтацією в межах кожного шару.

Інші автори вважають, що отримання шаруватого зображення хряща не є надійним і є артефактом. Думки дослідників також розходяться щодо інтенсивності сигналів від отриманих тришарових зображень хряща. Ці дослідження є дуже цікавими та, звичайно, потребують подальшого вивчення.

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

Структурні зміни хряща при остеоартриті

На ранніх стадіях остеоартриту відбувається деградація колагенової мережі в поверхневих шарах хряща, що призводить до поверхневого зношування та підвищеної проникності для води. У міру руйнування частини протеогліканів з'являється більше негативно заряджених глікозаміногліканів, які притягують катіони та молекули води, тоді як решта протеогліканів втрачають здатність притягувати та утримувати воду. Крім того, втрата протеогліканів знижує їх гальмівний вплив на міжклітинний потік води. В результаті хрящ набрякає, механізм стиснення (утримання) рідини «не працює» та опір хряща стиску знижується. Відбувається ефект перенесення більшої частини навантаження на вже пошкоджену тверду матрицю, і це призводить до того, що набряклий хрящ стає більш схильним до механічних пошкоджень. В результаті хрящ або відновлюється, або продовжує руйнуватися.

Окрім пошкодження протеогліканів, колагенова мережа частково руйнується та більше не відновлюється, а в хрящі з'являються вертикальні тріщини та виразки. Ці ураження можуть поширюватися вниз по хрящу до субхондральної кістки. Продукти розпаду та синовіальна рідина поширюються до базального шару, що призводить до появи невеликих ділянок остеонекрозу та субхондральних кіст.

Паралельно з цими процесами хрящ зазнає низки репаративних змін у спробі відновити пошкоджену суглобову поверхню, які включають утворення хондрофітів. Останні зрештою зазнають енхондральної осифікації та перетворюються на остеофіти.

Гостра механічна травма та компресійне навантаження можуть призвести до розвитку горизонтальних тріщин у глибокому кальцифікованому шарі хряща та відшарування хряща від субхондральної кістки. Базальне розщеплення або розшарування хряща таким чином може служити механізмом дегенерації не лише нормального хряща при механічному перевантаженні, але й при остеоартрозі, коли спостерігається нестабільність суглоба. Якщо гіаліновий хрящ повністю зруйнований і суглобова поверхня оголена, то можливі два процеси: перший - утворення щільного склерозу на поверхні кістки, що називається ебурнацією; другий - пошкодження та стиснення трабекул, що на рентгенівських знімках виглядає як субхондральний склероз. Відповідно, перший процес можна вважати компенсаторним, тоді як другий явно є фазою руйнування суглоба.

Збільшення вмісту води в хрящі збільшує щільність протонів хряща та усуває ефекти скорочення Т2-передаточного сигналу протеоглікан-колагенової матриці, яка має високу інтенсивність сигналу в ділянках пошкодження матриці на звичайних МРТ-зображеннях. Ця рання хондромаляція, яка є найдавнішою ознакою пошкодження хряща, може бути помітною ще до того, як відбудеться навіть незначне витончення хряща. На цій стадії також може бути присутнім легке потовщення або «набряк» хряща. Структурні та біомеханічні зміни в суглобовому хрящі є прогресуючими, з втратою основної речовини. Ці процеси можуть бути вогнищевими або дифузними, обмежуватися поверхневим витонченням та зношуванням або повним зникненням хряща. У деяких випадках вогнищеве потовщення або «набряк» хряща може спостерігатися без порушення суглобової поверхні. При остеоартриті часто спостерігається вогнищеве збільшення інтенсивності сигналу хряща на Т2-зважених зображеннях, що підтверджується артроскопічно наявністю поверхневих, трансмуральних та глибоких лінійних змін. Останні можуть відображати глибокі дегенеративні зміни, що починаються головним чином як відшарування хряща від кальцифікованого шару або лінії припливу. Ранні зміни можуть обмежуватися глибокими шарами хряща, і в цьому випадку вони не виявляються при артроскопічному дослідженні суглобової поверхні, хоча вогнищева розрідженість глибоких шарів хряща може призвести до ураження сусідніх шарів, часто з проліферацією субхондральної кістки у вигляді центрального остеофіта.

У зарубіжній літературі є дані про можливість отримання кількісної інформації про склад суглобового хряща, наприклад, про вміст водної фракції та коефіцієнт дифузії води в хрящі. Це досягається за допомогою спеціальних програм МР-томографа або за допомогою МР-спектроскопії. Обидва ці параметри збільшуються при пошкодженні протеоглікан-колагенової матриці під час пошкодження хряща. Концентрація рухомих протонів (вміст води) в хрящі зменшується в напрямку від суглобової поверхні до субхондральної кістки.

Кількісна оцінка змін також можлива на зображеннях, зважених за допомогою T2. Об'єднуючи дані зображень одного й того ж хряща, отриманих за допомогою різних ТЕ, автори оцінили T2-зважені зображення (WI) хряща, використовуючи відповідну експоненціальну криву з отриманих значень інтенсивності сигналу для кожного пікселя. T2 оцінюється в певній ділянці хряща або відображається на карті всього хряща, на якій інтенсивність сигналу кожного пікселя відповідає T2 у цьому місці. Однак, незважаючи на відносно великі можливості та відносну простоту описаного вище методу, роль T2 недооцінюється, частково через збільшення ефектів, пов'язаних з дифузією, зі збільшенням ТЕ. T2 в основному недооцінюється в хрящі хондромаляції, коли дифузія води збільшується. Якщо не використовуються спеціальні технології, потенційне збільшення T2, виміряне за допомогою цих технологій у хрящі хондромаляції, дещо пригнічуватиме ефекти, пов'язані з дифузією.

Таким чином, МРТ є дуже перспективним методом виявлення та моніторингу ранніх структурних змін, характерних для дегенерації суглобового хряща.

Морфологічні зміни хряща при остеоартриті

Оцінка морфологічних змін у хрящі залежить від високої просторової роздільної здатності та високого контрасту від поверхні суглоба до субхондральної кістки. Найкраще цього досягається за допомогою T1-зважених 3D GE послідовностей з пригніченням жиру, які точно відображають локальні дефекти, виявлені та підтверджені як під час артроскопії, так і в матеріалі аутопсії. Хрящ також можна візуалізувати за допомогою перенесення намагніченості шляхом віднімання зображення, і в цьому випадку суглобовий хрящ виглядає як окрема смуга з високою інтенсивністю сигналу, чітко контрастуючи з прилеглою синовіальною рідиною низької інтенсивності, внутрішньосуглобовою жировою тканиною та субхондральним кістковим мозком. Однак цей метод створює зображення вдвічі повільніше, ніж T1-зважені зображення з пригніченням жиру, і тому використовується менш широко. Крім того, локальні дефекти, нерівності поверхні та генералізоване витончення суглобового хряща можна візуалізувати за допомогою звичайних МРТ-послідовностей. На думку деяких авторів, морфологічні параметри - товщину, об'єм, геометрію та топографію поверхні хряща - можна кількісно розрахувати за допомогою 3D МРТ-зображень. Підсумовуючи вокселі, що складають 3D-реконструйоване зображення хряща, можна визначити точне значення цих складно пов'язаних структур. Більше того, вимірювання загального об'єму хряща, отриманого з окремих зрізів, є простішим методом через менші зміни в площині одного зрізу та є надійнішим у просторовій роздільній здатності. Під час вивчення цілих ампутованих колінних суглобів та зразків надколінка, отриманих під час артропластики цих суглобів, було визначено загальний об'єм суглобового хряща стегнової кістки, великогомілкової кістки та надколінка, а також виявлено кореляцію між об'ємами, отриманими за допомогою МРТ, та відповідними об'ємами, отриманими шляхом відділення хряща від кістки та його гістологічного вимірювання. Тому ця технологія може бути корисною для динамічної оцінки змін об'єму хряща у пацієнтів з остеоартритом. Отримання необхідних та точних зрізів суглобового хряща, особливо у пацієнтів з остеоартритом, вимагає достатньої кваліфікації та досвіду лікаря, який проводить обстеження, а також наявності відповідного програмного забезпечення для МРТ.

Вимірювання загального об'єму містять мало інформації про поширені зміни і тому чутливі до локальної втрати хряща. Теоретично, втрата або витончення хряща в одній ділянці може бути збалансовано еквівалентним збільшенням об'єму хряща в іншій частині суглоба, і вимірювання загального об'єму хряща не виявить жодних аномалій, тому такі зміни не можна буде виявити цим методом. Поділ суглобового хряща на окремі невеликі області за допомогою 3D-реконструкції дозволив оцінити об'єм хряща в певних ділянках, особливо на поверхнях, що несуть навантаження. Однак точність вимірювань знижується, оскільки виконується дуже мало поділу. Зрештою, для підтвердження точності вимірювань необхідна надзвичайно висока просторова роздільна здатність. Якщо можна досягти достатньої просторової роздільної здатності, стає можливою перспектива картування товщини хряща in vivo. Карти товщини хряща можуть відтворювати локальні пошкодження під час прогресування остеоартриту.