Diagnose van artrose: MRI van gewrichtskraakbeen

De MRI-afbeelding van gewrichtskraakbeen weerspiegelt de totaliteit van de histologische structuur en biochemische samenstelling ervan. Gewrichtskraakbeen is hyaline, wat betekent dat het geen eigen bloedtoevoer, lymfedrainage en innervatie heeft. Het bestaat uit water en ionen, collageenvezels type II, chondrocyten, geaggregeerde proteoglycanen en andere glycoproteïnen. Collageenvezels zijn versterkt in de subchondrale laag van het bot, als een anker, en lopen loodrecht op het gewrichtsoppervlak, waar ze horizontaal divergeren. Tussen de collageenvezels bevinden zich grote proteoglycaanmoleculen met een significante negatieve lading, die intensief watermoleculen aantrekken. Kraakbeenchondrocyten bevinden zich in gelijkmatige kolommen. Ze synthetiseren collageen en proteoglycanen, evenals inactieve enzymen die enzymen en enzymremmers afbreken.

Histologisch gezien zijn er drie lagen kraakbeen geïdentificeerd in grote gewrichten zoals de knie en de heup. De diepste laag is de verbinding tussen kraakbeen en subchondraal bot en dient als verankeringslaag voor een uitgebreid netwerk van collageenvezels dat zich in dichte bundels naar het oppervlak uitstrekt, verbonden door talrijke kruisverbindende fibrillen. Dit wordt de radiale laag genoemd. Richting het gewrichtsoppervlak worden de individuele collageenvezels fijner en worden ze gebundeld tot regelmatigere en compactere parallelle reeksen met minder kruisverbindende fibrillen. De middelste laag, de overgangs- of tussenlaag, bevat meer willekeurig georganiseerde collageenvezels, waarvan de meeste schuin georiënteerd zijn om verticale belastingen, druk en schokken te weerstaan. De meest oppervlakkige laag van gewrichtskraakbeen, bekend als de tangentiële laag, is een dunne laag dicht opeengepakte, tangentiaal georiënteerde collageenvezels die de trekkrachten van drukbelasting weerstaan en een waterdichte barrière vormen voor interstitiële vloeistof, waardoor verlies ervan tijdens compressie wordt voorkomen. De meest oppervlakkige collageenvezels van deze laag zijn horizontaal gerangschikt en vormen dichte horizontale lagen op het gewrichtsoppervlak, hoewel de fibrillen van de oppervlakkige tangentiële zone niet noodzakelijkerwijs verbonden zijn met die van de diepere lagen.

Zoals opgemerkt, bevinden zich in dit complexe cellulaire netwerk van vezels geaggregeerde hydrofiele proteoglycaanmoleculen. Deze grote moleculen hebben negatief geladen SQ- en COO"-fragmenten aan de uiteinden van hun talrijke vertakkingen, die tegengesteld geladen ionen (meestal Na ⁺ ) sterk aantrekken, wat op zijn beurt de osmotische penetratie van water in het kraakbeen bevordert. De druk in het collageennetwerk is enorm en het kraakbeen functioneert als een extreem efficiënt hydrodynamisch kussen. Compressie van het gewrichtsoppervlak veroorzaakt een horizontale verplaatsing van het water in het kraakbeen, omdat het collageenvezelnetwerk wordt gecomprimeerd. Het water wordt herverdeeld binnen het kraakbeen, zodat het totale volume niet kan veranderen. Wanneer de compressie na gewrichtsbelasting wordt verminderd of geëlimineerd, beweegt het water terug, aangetrokken door de negatieve lading van de proteoglycanen. Dit is het mechanisme dat een hoog watergehalte en dus een hoge protondichtheid van het kraakbeen handhaaft. Het hoogste watergehalte wordt dichter bij het gewrichtsoppervlak waargenomen en neemt af richting het subchondrale bot. De concentratie van proteoglycanen is verhoogd in de diepe lagen van het kraakbeen.

MRI is momenteel de belangrijkste beeldvormingstechniek voor hyaline kraakbeen, voornamelijk uitgevoerd met behulp van gradiënt-echo (GE)-sequenties. MRI weerspiegelt het watergehalte van kraakbeen. De hoeveelheid waterprotonen in kraakbeen is echter belangrijk. Het gehalte en de verdeling van hydrofiele proteoglycaanmoleculen en de anisotrope organisatie van collageenfibrillen beïnvloeden niet alleen de totale hoeveelheid water, oftewel de protondichtheid, in kraakbeen, maar ook de relaxatie-eigenschappen, namelijk T2, van dit water. Dit geeft kraakbeen zijn karakteristieke "zonale" of gelaagde beelden op MRI, die volgens sommige onderzoekers overeenkomen met de histologische lagen van kraakbeen.

Op afbeeldingen met een zeer korte echotijd (TE) (minder dan 5 ms) tonen afbeeldingen met een hogere resolutie van kraakbeen doorgaans een afbeelding met twee lagen: de diepe laag bevindt zich dichter bij het bot in de pre-calcificatiezone en heeft een laag signaal, omdat de aanwezigheid van calcium de TR aanzienlijk verkort en geen afbeelding oplevert; de oppervlakkige laag produceert een MP-signaal met een gemiddelde tot hoge intensiteit.

In intermediaire TE-beelden (5-40 ms) heeft het kraakbeen een drielaags uiterlijk: een oppervlakkige laag met een laag signaal; een overgangslaag met een intermediaire signaalintensiteit; en een diepe laag met een laag MP-signaal. Bij T2-weging bevat het signaal de intermediaire laag niet en krijgt de kraakbeenafbeelding een homogeen lage intensiteit. Bij lage ruimtelijke resolutie verschijnt er soms een extra laag in korte TE-beelden als gevolg van schuine snijartefacten en een hoog contrast aan de grensvlak tussen kraakbeen en vloeistof. Dit kan worden vermeden door de matrixgrootte te vergroten.

Bovendien zijn sommige van deze zones (lagen) onder bepaalde omstandigheden mogelijk niet zichtbaar. Wanneer bijvoorbeeld de hoek tussen de kraakbeenas en het hoofdmagneetveld verandert, kan het uiterlijk van de kraakbeenlagen veranderen en kan het kraakbeen een homogeen beeld vertonen. De auteurs verklaren dit fenomeen door de anisotrope eigenschap van collageenvezels en hun verschillende oriëntatie binnen elke laag.

Andere auteurs zijn van mening dat het verkrijgen van een gelaagde afbeelding van kraakbeen niet betrouwbaar is en een artefact. Onderzoekers verschillen ook van mening over de intensiteit van de signalen uit de verkregen drielaagse afbeeldingen van kraakbeen. Deze studies zijn zeer interessant en behoeven uiteraard verder onderzoek.

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

Structurele veranderingen in kraakbeen bij artrose

In de vroege stadia van artrose treedt afbraak op van het collageennetwerk in de oppervlakkige lagen van het kraakbeen, wat leidt tot oppervlakterafeling en een verhoogde waterdoorlaatbaarheid. Naarmate een deel van de proteoglycanen wordt vernietigd, verschijnen er meer negatief geladen glycosaminoglycanen, die kationen en watermoleculen aantrekken, terwijl de resterende proteoglycanen hun vermogen om water aan te trekken en vast te houden verliezen. Bovendien vermindert het verlies van proteoglycanen hun remmende effect op de interstitiële waterstroom. Hierdoor zwelt het kraakbeen op, werkt het compressiemechanisme (retentie) van vocht niet meer en neemt de drukweerstand van het kraakbeen af. Het effect van het overbrengen van het grootste deel van de belasting naar de reeds beschadigde harde matrix treedt op, waardoor het gezwollen kraakbeen gevoeliger wordt voor mechanische schade. Hierdoor herstelt het kraakbeen zich of gaat het verder achteruit.

Naast de beschadiging van proteoglycanen wordt het collageennetwerk gedeeltelijk vernietigd en niet meer hersteld, en ontstaan er verticale scheuren en zweren in het kraakbeen. Deze laesies kunnen zich uitstrekken tot in het subchondrale bot. De afbraakproducten en synoviale vloeistof verspreiden zich naar de basale laag, wat leidt tot het ontstaan van kleine osteonecrosegebieden en subchondrale cysten.

Parallel aan deze processen ondergaat het kraakbeen een reeks herstellende veranderingen in een poging het beschadigde gewrichtsoppervlak te herstellen, waaronder de vorming van chondrofyten. Deze laatste ondergaan uiteindelijk enchondrale ossificatie en ontwikkelen zich tot osteofyten.

Acuut mechanisch trauma en drukbelasting kunnen leiden tot de ontwikkeling van horizontale scheuren in de diepe verkalkte kraakbeenlaag en loslating van kraakbeen van het subchondrale bot. Basale splitsing of delaminatie van kraakbeen kan op deze manier dienen als een mechanisme voor degeneratie, niet alleen van normaal kraakbeen bij mechanische overbelasting, maar ook bij artrose, wanneer er sprake is van gewrichtsinstabiliteit. Als het hyaliene kraakbeen volledig is vernietigd en het gewrichtsoppervlak blootligt, zijn er twee processen mogelijk: het eerste is de vorming van dichte sclerose op het botoppervlak, wat eburnatie wordt genoemd; het tweede is beschadiging en compressie van trabeculae, wat op röntgenfoto's lijkt op subchondrale sclerose. Het eerste proces kan dus als compensatoir worden beschouwd, terwijl het tweede duidelijk een fase van gewrichtsdestructie is.

De toename van het watergehalte in het kraakbeen verhoogt de protondichtheid van het kraakbeen en elimineert de T2-verkortende effecten van de proteoglycaan-collageenmatrix, die een hoge signaalintensiteit heeft in gebieden met matrixschade op conventionele MRI-sequenties. Deze vroege chondromalacie, het vroegste teken van kraakbeenschade, kan zichtbaar zijn voordat er zelfs maar een geringe verdunning van het kraakbeen optreedt. In dit stadium kan ook sprake zijn van een lichte verdikking of "zwelling" van het kraakbeen. Structurele en biomechanische veranderingen in het gewrichtskraakbeen zijn progressief, met verlies van grondsubstantie. Deze processen kunnen focaal of diffuus zijn, beperkt tot oppervlakkige verdunning en rafeling, of volledig verdwijnen van het kraakbeen. In sommige gevallen kan focale verdikking of "zwelling" van het kraakbeen worden waargenomen zonder verstoring van het gewrichtsoppervlak. Bij artrose wordt vaak een focaal verhoogde signaalintensiteit van het kraakbeen waargenomen op T2-gewogen beelden, wat artroscopisch wordt bevestigd door de aanwezigheid van oppervlakkige, transmurale en diepe lineaire veranderingen. Deze laatste kunnen wijzen op diepe degeneratieve veranderingen, die voornamelijk beginnen met loslating van kraakbeen van de verkalkte laag of vloedlijn. Vroege veranderingen kunnen beperkt blijven tot de diepere kraakbeenlagen, in welk geval ze niet zichtbaar zijn bij artroscopisch onderzoek van het gewrichtsoppervlak. Focaal beperkte aanwezigheid van de diepere kraakbeenlagen kan echter leiden tot betrokkenheid van aangrenzende lagen, vaak met proliferatie van subchondraal bot in de vorm van een centrale osteofyt.

Er zijn gegevens in de buitenlandse literatuur over de mogelijkheid om kwantitatieve informatie te verkrijgen over de samenstelling van gewrichtskraakbeen, bijvoorbeeld over het gehalte aan water en de diffusiecoëfficiënt van water in kraakbeen. Dit wordt bereikt met behulp van speciale programma's van de MR-tomograaf of met MR-spectroscopie. Beide parameters nemen toe bij beschadiging van de proteoglycaan-collageenmatrix tijdens kraakbeenschade. De concentratie mobiele protonen (watergehalte) in kraakbeen neemt af in de richting van het gewrichtsoppervlak naar het subchondrale bot.

Kwantitatieve beoordeling van veranderingen is ook mogelijk op T2-gewogen afbeeldingen. Door gegevens te bundelen van afbeeldingen van hetzelfde kraakbeen, verkregen met verschillende TE's, beoordeelden de auteurs T2-gewogen afbeeldingen (WI) van kraakbeen met behulp van een geschikte exponentiële curve van de verkregen signaalintensiteitswaarden voor elke pixel. T2 wordt beoordeeld in een specifiek gebied van het kraakbeen of weergegeven op een kaart van het gehele kraakbeen, waarbij de signaalintensiteit van elke pixel overeenkomt met T2 op deze locatie. Ondanks de relatief grote mogelijkheden en het relatieve gemak van de hierboven beschreven methode, wordt de rol van T2 echter onderschat, deels vanwege een toename van diffusiegerelateerde effecten bij toenemende TE. T2 wordt vooral onderschat in kraakbeen met chondromalacie, wanneer de waterdiffusie toeneemt. Tenzij speciale technologieën worden gebruikt, zal de potentiële toename van T2, gemeten met deze technologieën in kraakbeen met chondromalacie, de diffusiegerelateerde effecten enigszins onderdrukken.

MRI is daarom een veelbelovende methode om vroegtijdig structurele veranderingen te detecteren en te monitoren die kenmerkend zijn voor degeneratie van gewrichtskraakbeen.

Morfologische veranderingen in kraakbeen bij artrose

De evaluatie van morfologische veranderingen in kraakbeen is afhankelijk van een hoge ruimtelijke resolutie en een hoog contrast tussen het gewrichtsoppervlak en het subchondrale bot. Dit wordt het best bereikt met behulp van vetonderdrukte T1-gewogen 3D GE-sequenties, die lokale defecten die zowel bij artroscopie als in autopsiemateriaal zijn geïdentificeerd en geverifieerd, nauwkeurig weergeven. Kraakbeen kan ook worden afgebeeld met magnetisatieoverdracht door middel van beeldsubtractie. In dat geval verschijnt gewrichtskraakbeen als een aparte band met een hoge signaalintensiteit, die duidelijk contrasteert met de aangrenzende synoviale vloeistof met lage intensiteit, intra-articulair vetweefsel en subchondrale beenmerg. Deze methode produceert echter half zo langzaam beelden als vetonderdrukte T1-gewogen beelden en wordt daarom minder vaak gebruikt. Bovendien kunnen lokale defecten, oppervlakte-onregelmatigheden en algemene verdunning van gewrichtskraakbeen worden afgebeeld met conventionele MRI-sequenties. Volgens sommige auteurs kunnen morfologische parameters - dikte, volume, geometrie en oppervlaktetopografie van kraakbeen - kwantitatief worden berekend met behulp van 3D MRI-beelden. Door de voxels op te tellen die de 3D-gereconstrueerde afbeelding van kraakbeen vormen, kan de exacte waarde van deze complex gerelateerde structuren worden bepaald. Bovendien is het meten van het totale kraakbeenvolume, verkregen uit individuele plakjes, een eenvoudigere methode vanwege kleinere veranderingen in het vlak van een enkele plak en is de ruimtelijke resolutie betrouwbaarder. Bij het bestuderen van volledige geamputeerde kniegewrichten en patellapreparaten, verkregen tijdens een artroplastiek van deze gewrichten, werd het totale volume van het gewrichtskraakbeen van het femur, de tibia en de patella bepaald en werd een correlatie gevonden tussen de volumes verkregen door MRI en de corresponderende volumes verkregen door het kraakbeen van het bot te scheiden en histologisch te meten. Daarom kan deze technologie nuttig zijn voor de dynamische beoordeling van veranderingen in het kraakbeenvolume bij patiënten met artrose. Het verkrijgen van de benodigde en nauwkeurige plakjes gewrichtskraakbeen, met name bij patiënten met artrose, vereist voldoende vaardigheid en ervaring van de arts die het onderzoek uitvoert, evenals de beschikbaarheid van geschikte MRI-software.

Metingen van het totale volume bevatten weinig informatie over wijdverspreide veranderingen en zijn daarom gevoelig voor lokaal kraakbeenverlies. Theoretisch gezien zou kraakbeenverlies of -verdunning in één gebied gecompenseerd kunnen worden door een equivalente toename van het kraakbeenvolume elders in het gewricht. De meting van het totale kraakbeenvolume zou geen afwijkingen aan het licht brengen, waardoor dergelijke veranderingen met deze methode niet detecteerbaar zouden zijn. Door het gewrichtskraakbeen op te delen in afzonderlijke kleine gebieden met behulp van 3D-reconstructie is het mogelijk geworden om het kraakbeenvolume in specifieke gebieden te schatten, met name op drukdragende oppervlakken. De nauwkeurigheid van de metingen is echter verminderd omdat er zeer weinig onderverdeling wordt uitgevoerd. Uiteindelijk is een extreem hoge ruimtelijke resolutie nodig om de nauwkeurigheid van de metingen te bevestigen. Indien voldoende ruimtelijke resolutie kan worden bereikt, wordt het mogelijk om de dikte van het kraakbeen in vivo in kaart te brengen. Kraakbeendiktekaarten kunnen lokale schade reproduceren tijdens de progressie van artrose.