Diagnose der Arthrose: MRT des Gelenkknorpels

Das MRT-Bild des Gelenkknorpels spiegelt die Gesamtheit seiner histologischen Struktur und biochemischen Zusammensetzung wider. Gelenkknorpel ist hyalin und verfügt nicht über eine eigene Blutversorgung, Lymphdrainage und Innervation. Er besteht aus Wasser und Ionen, Kollagenfasern Typ II, Chondrozyten, aggregierten Proteoglykanen und anderen Glykoproteinen. Kollagenfasern sind in der subchondralen Schicht des Knochens wie ein Anker verstärkt und verlaufen senkrecht zur Gelenkoberfläche, wo sie horizontal divergieren. Zwischen den Kollagenfasern befinden sich große Proteoglykanmoleküle mit einer signifikanten negativen Ladung, die Wassermoleküle stark anziehen. Knorpelchondrozyten sind in gleichmäßigen Säulen angeordnet. Sie synthetisieren Kollagen und Proteoglykane sowie inaktive Enzyme, die Enzyme und Enzyminhibitoren abbauen.

Histologisch wurden in großen Gelenken wie Knie und Hüfte drei Knorpelschichten identifiziert. Die tiefste Schicht bildet die Verbindung zwischen Knorpel und subchondralem Knochen und dient als Verankerungsschicht für ein ausgedehntes Netzwerk aus Kollagenfasern, die sich von ihr in dichten Bündeln, die durch zahlreiche Vernetzungsfibrillen miteinander verbunden sind, bis zur Oberfläche erstrecken. Diese Schicht wird als radiale Schicht bezeichnet. Zur Gelenkoberfläche hin werden die einzelnen Kollagenfasern feiner und bündeln sich zu regelmäßigeren und kompakteren parallelen Anordnungen mit weniger Vernetzungen. Die mittlere Schicht, die Übergangs- oder Zwischenschicht, enthält eher zufällig angeordnete Kollagenfasern, von denen die meisten schräg ausgerichtet sind, um vertikalen Belastungen, Drücken und Stößen standzuhalten. Die oberflächlichste Schicht des Gelenkknorpels, die sogenannte Tangentialschicht, ist eine dünne Schicht dicht gepackter, tangential ausgerichteter Kollagenfasern, die den durch Druckbelastungen ausgeübten Zugkräften standhält und eine wasserdichte Barriere für die interstitielle Flüssigkeit bildet, um deren Verlust bei Kompression zu verhindern. Die oberflächlichsten Kollagenfasern dieser Schicht sind horizontal angeordnet und bilden dichte horizontale Schichten auf der Gelenkoberfläche, obwohl die Fibrillen der oberflächlichen Tangentialzone nicht unbedingt mit denen der tieferen Schichten verbunden sind.

Wie bereits erwähnt, befinden sich in diesem komplexen zellulären Fasernetzwerk aggregierte hydrophile Proteoglykanmoleküle. Diese großen Moleküle besitzen an den Enden ihrer zahlreichen Verzweigungen negativ geladene SQ- und COO"-Fragmente, die stark entgegengesetzt geladene Ionen (meist Na ⁺ ) anziehen, was wiederum das osmotische Eindringen von Wasser in den Knorpel fördert. Der Druck im Kollagennetzwerk ist enorm, und der Knorpel fungiert als äußerst effizientes hydrodynamisches Polster. Kompression der Gelenkfläche führt zu einer horizontalen Verschiebung des im Knorpel enthaltenen Wassers, da das Kollagenfasernetzwerk komprimiert wird. Das Wasser wird im Knorpel neu verteilt, sodass sich sein Gesamtvolumen nicht verändern kann. Wird die Kompression nach Gelenkbelastung reduziert oder aufgehoben, fließt das Wasser zurück, angezogen von der negativen Ladung der Proteoglykane. Dieser Mechanismus sorgt für einen hohen Wassergehalt und damit eine hohe Protonendichte des Knorpels. Der höchste Wassergehalt wird näher an der Gelenkfläche beobachtet und nimmt zum subchondralen Knochen hin ab. Die Konzentration der Proteoglykane ist in den tiefen Knorpelschichten erhöht.

Die MRT ist derzeit das gängigste Bildgebungsverfahren für hyalinen Knorpel und wird hauptsächlich mit Gradientenechosequenzen (GE) durchgeführt. Die MRT spiegelt den Wassergehalt des Knorpels wider. Wichtig ist jedoch die Menge der im Knorpel enthaltenen Wasserprotonen. Gehalt und Verteilung hydrophiler Proteoglykanmoleküle sowie die anisotrope Anordnung der Kollagenfibrillen beeinflussen nicht nur die Gesamtwassermenge, also die Protonendichte, im Knorpel, sondern auch den Zustand der Relaxationseigenschaften, d. h. T2, dieses Wassers. Dadurch erhält der Knorpel seine charakteristischen „zonalen“ oder geschichteten Bilder in der MRT, die nach Ansicht einiger Forscher den histologischen Knorpelschichten entsprechen.

Bei Bildern mit sehr kurzer Echozeit (TE) (weniger als 5 ms) zeigen Bilder von Knorpel mit höherer Auflösung typischerweise ein Bild aus zwei Schichten: Die tiefe Schicht befindet sich näher am Knochen in der Zone vor der Verkalkung und weist ein schwaches Signal auf, da das Vorhandensein von Kalzium die TR stark verkürzt und kein Bild erzeugt; die oberflächliche Schicht erzeugt ein MP-Signal mittlerer bis hoher Intensität.

In mittleren TE-Bildern (5–40 ms) erscheint der Knorpel dreischichtig: eine oberflächliche Schicht mit niedrigem Signal; eine Übergangsschicht mit mittlerer Signalintensität; eine tiefe Schicht mit niedrigem MP-Signal. In der T2-Gewichtung berücksichtigt das Signal die mittlere Schicht nicht, und das Knorpelbild weist eine homogene niedrige Intensität auf. Bei niedriger räumlicher Auflösung erscheint in kurzen TE-Bildern aufgrund von Schrägschnittartefakten und hohem Kontrast an der Knorpel-Flüssigkeits-Grenzfläche manchmal eine zusätzliche Schicht. Dies kann durch eine Vergrößerung der Matrix vermieden werden.

Darüber hinaus sind einige dieser Zonen (Schichten) unter bestimmten Bedingungen möglicherweise nicht sichtbar. Ändert sich beispielsweise der Winkel zwischen der Knorpelachse und dem Hauptmagnetfeld, kann sich das Erscheinungsbild der Knorpelschichten verändern, und der Knorpel kann ein homogenes Bild aufweisen. Die Autoren erklären dieses Phänomen mit der anisotropen Eigenschaft der Kollagenfasern und ihrer unterschiedlichen Orientierung innerhalb jeder Schicht.

Andere Autoren sind der Ansicht, dass die Gewinnung eines mehrschichtigen Knorpelbildes nicht zuverlässig ist und ein Artefakt darstellt. Auch hinsichtlich der Signalintensität der erhaltenen dreischichtigen Knorpelbilder gehen die Meinungen der Forscher auseinander. Diese Studien sind sehr interessant und bedürfen natürlich weiterer Untersuchungen.

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Strukturelle Veränderungen im Knorpel bei Arthrose

In den frühen Stadien der Arthrose kommt es zum Abbau des Kollagennetzwerks in den oberflächlichen Knorpelschichten, was zu Oberflächenausfransungen und erhöhter Wasserdurchlässigkeit führt. Durch die Zerstörung einiger Proteoglykane entstehen mehr negativ geladene Glykosaminoglykane, die Kationen und Wassermoleküle anziehen, während die verbleibenden Proteoglykane ihre Fähigkeit verlieren, Wasser anzuziehen und zu speichern. Zudem verringert der Verlust von Proteoglykanen deren hemmende Wirkung auf den interstitiellen Wasserfluss. Infolgedessen schwillt der Knorpel an, der Mechanismus der Flüssigkeitskompression (-retention) funktioniert nicht mehr und der Druckwiderstand des Knorpels nimmt ab. Der Effekt der Übertragung des größten Teils der Belastung auf die bereits geschädigte harte Matrix tritt ein, was dazu führt, dass der geschwollene Knorpel anfälliger für mechanische Schäden wird. Infolgedessen wird der Knorpel entweder wiederhergestellt oder verschlechtert sich weiter.

Neben der Schädigung der Proteoglykane wird das Kollagennetzwerk teilweise zerstört und kann nicht mehr wiederhergestellt werden. Es bilden sich vertikale Risse und Geschwüre im Knorpel. Diese Läsionen können sich bis zum subchondralen Knochen ausbreiten. Zerfallsprodukte und Synovialflüssigkeit breiten sich in der Basalschicht aus, was zur Entstehung kleiner Osteonekrosen und subchondraler Zysten führt.

Parallel zu diesen Prozessen erfährt der Knorpel eine Reihe von Reparaturvorgängen, um die beschädigte Gelenkoberfläche wiederherzustellen. Dazu gehört die Bildung von Chondrophyten. Diese verknöchern schließlich enchondral und werden zu Osteophyten.

Akute mechanische Traumata und Druckbelastungen können zur Entstehung horizontaler Risse in der tiefen verkalkten Knorpelschicht und zur Ablösung des Knorpels vom subchondralen Knochen führen. Eine derartige basale Spaltung oder Delamination des Knorpels kann nicht nur als Degenerationsmechanismus für normalen Knorpel bei mechanischer Überlastung dienen, sondern auch bei Osteoarthrose, wenn ein Gelenk instabil ist. Ist der hyaline Knorpel völlig zerstört und liegt die Gelenkfläche frei, sind zwei Prozesse möglich: Erstens die Bildung dichter Sklerose auf der Knochenoberfläche, die als Eburnation bezeichnet wird; zweitens eine Schädigung und Kompression der Trabekel, die auf Röntgenbildern wie eine subchondrale Sklerose aussieht. Demnach kann der erste Prozess als kompensatorisch betrachtet werden, während der zweite eindeutig eine Phase der Gelenkzerstörung darstellt.

Der erhöhte Wassergehalt des Knorpels erhöht dessen Protonendichte und hebt die T2-verkürzende Wirkung der Proteoglykan-Kollagen-Matrix auf, die in Bereichen mit Matrixschäden auf konventionellen MRT-Sequenzen eine hohe Signalintensität aufweist. Diese frühe Chondromalazie, das früheste Anzeichen einer Knorpelschädigung, kann bereits vor einer geringfügigen Ausdünnung des Knorpels sichtbar sein. Auch eine leichte Verdickung oder „Schwellung“ des Knorpels kann in diesem Stadium vorhanden sein. Strukturelle und biomechanische Veränderungen des Gelenkknorpels sind fortschreitend, mit Verlust der Grundsubstanz. Diese Prozesse können fokal oder diffus sein, sich auf eine oberflächliche Ausdünnung und Ausfransung beschränken oder zum vollständigen Verschwinden des Knorpels führen. In manchen Fällen kann eine fokale Verdickung oder „Schwellung“ des Knorpels ohne Zerstörung der Gelenkoberfläche beobachtet werden. Bei Arthrose findet sich häufig eine fokale Signalerhöhung des Knorpels in T2-gewichteten Bildern, die arthroskopisch durch oberflächliche, transmurale und tiefe lineare Veränderungen bestätigt wird. Letztere können tiefe degenerative Veränderungen widerspiegeln, die hauptsächlich mit einer Ablösung des Knorpels von der verkalkten Schicht oder der Gezeitenlinie beginnen. Frühe Veränderungen können auf die tiefen Knorpelschichten beschränkt sein und sind dann bei der arthroskopischen Untersuchung der Gelenkfläche nicht nachweisbar. Eine fokale Verdünnung der tiefen Knorpelschichten kann jedoch zur Beteiligung benachbarter Schichten führen, oft mit einer Proliferation des subchondralen Knochens in Form eines zentralen Osteophyten.

In der ausländischen Literatur finden sich Angaben zur Möglichkeit, quantitative Informationen über die Zusammensetzung des Gelenkknorpels zu erhalten, beispielsweise über den Wassergehalt und den Diffusionskoeffizienten von Wasser im Knorpel. Dies wird durch spezielle Programme des MR-Tomographen oder mittels MR-Spektroskopie erreicht. Beide Parameter nehmen mit einer Schädigung der Proteoglykan-Kollagen-Matrix bei Knorpelschädigung zu. Die Konzentration mobiler Protonen (Wassergehalt) im Knorpel nimmt von der Gelenkfläche zum subchondralen Knochen ab.

Eine quantitative Beurteilung der Veränderungen ist auch anhand von T2-gewichteten Bildern möglich. Durch Zusammenführung der Daten von Bildern desselben Knorpels, die mit unterschiedlichen TEs aufgenommen wurden, bewerteten die Autoren T2-gewichtete Bilder (WI) des Knorpels mithilfe einer geeigneten Exponentialkurve aus den erhaltenen Signalintensitätswerten für jeden Pixel. T2 wird in einem bestimmten Knorpelbereich beurteilt oder auf einer Karte des gesamten Knorpels dargestellt, in der die Signalintensität jedes Pixels T2 an dieser Stelle entspricht. Trotz der relativ umfangreichen Möglichkeiten und der relativen Einfachheit der oben beschriebenen Methode wird die Rolle von T2 unterschätzt, was teilweise auf eine Zunahme diffusionsbedingter Effekte bei zunehmender TE zurückzuführen ist. T2 wird vor allem bei Chondromalazie-Knorpel unterschätzt, wenn die Wasserdiffusion erhöht ist. Sofern keine speziellen Technologien zum Einsatz kommen, wird der mit diesen Technologien gemessene potenzielle Anstieg von T2 bei Chondromalazie-Knorpel die diffusionsbedingten Effekte leicht unterdrücken.

Daher ist die MRT eine sehr vielversprechende Methode zur Erkennung und Überwachung früher struktureller Veränderungen, die für die Degeneration des Gelenkknorpels charakteristisch sind.

Morphologische Veränderungen im Knorpel bei Arthrose

Die Beurteilung morphologischer Knorpelveränderungen ist auf eine hohe räumliche Auflösung und einen hohen Kontrast von der Gelenkoberfläche bis zum subchondralen Knochen angewiesen. Dies lässt sich am besten mit fettunterdrückten T1-gewichteten 3D-GE-Sequenzen erreichen, die lokale Defekte, die sowohl bei der Arthroskopie als auch im Autopsiematerial identifiziert und verifiziert wurden, genau wiedergeben. Knorpel kann auch mit Magnetisierungstransfer durch Bildsubtraktion abgebildet werden, in diesem Fall erscheint der Gelenkknorpel als separates Band mit hoher Signalintensität, das sich deutlich von der angrenzenden Synovialflüssigkeit mit niedriger Intensität, dem intraartikulären Fettgewebe und dem subchondralen Knochenmark abhebt. Diese Methode produziert Bilder jedoch nur halb so langsam wie fettunterdrückte T1-gewichtete Bilder und wird daher weniger häufig verwendet. Außerdem können lokale Defekte, Oberflächenunregelmäßigkeiten und eine allgemeine Ausdünnung des Gelenkknorpels mit herkömmlichen MR-Sequenzen abgebildet werden. Einigen Autoren zufolge können morphologische Parameter - Dicke, Volumen, Geometrie und Oberflächentopografie des Knorpels - mit 3D-MRT-Bildern quantitativ berechnet werden. Durch Summierung der Voxel, aus denen das rekonstruierte 3D-Bild des Knorpels besteht, kann der genaue Wert dieser komplex verbundenen Strukturen bestimmt werden. Außerdem ist die Messung des gesamten Knorpelvolumens, das aus einzelnen Scheiben gewonnen wird, eine einfachere Methode, da die Änderungen in der Ebene einer einzelnen Scheibe kleiner sind und eine zuverlässigere räumliche Auflösung aufweisen. Bei der Untersuchung ganzer amputierter Kniegelenke und Patellaproben, die während der Arthroplastik dieser Gelenke gewonnen wurden, wurde das Gesamtvolumen des Gelenkknorpels von Femur, Tibia und Patella bestimmt und eine Korrelation zwischen den per MRT erhaltenen Volumina und den entsprechenden Volumina festgestellt, die durch Trennung des Knorpels vom Knochen und histologische Messung erhalten wurden. Daher kann diese Technologie zur dynamischen Beurteilung von Knorpelvolumenänderungen bei Patienten mit Osteoarthritis nützlich sein. Das Erhalten der notwendigen und genauen Schnitte des Gelenkknorpels, insbesondere bei Patienten mit Osteoarthritis, erfordert ausreichende Fertigkeiten und Erfahrung des untersuchenden Arztes sowie die Verfügbarkeit geeigneter MRT-Software.

Messungen des Gesamtvolumens enthalten nur wenige Informationen über umfassende Veränderungen und reagieren daher empfindlich auf lokalen Knorpelverlust. Theoretisch könnte Knorpelverlust oder -verdünnung in einem Bereich durch eine entsprechende Zunahme des Knorpelvolumens an anderer Stelle im Gelenk ausgeglichen werden, und die Messung des Gesamtknorpelvolumens würde keine Auffälligkeiten zeigen. Solche Veränderungen wären mit dieser Methode also nicht erkennbar. Durch die Unterteilung des Gelenkknorpels in diskrete kleine Bereiche mittels 3D-Rekonstruktion konnte das Knorpelvolumen in bestimmten Bereichen, insbesondere auf krafttragenden Oberflächen, geschätzt werden. Allerdings ist die Genauigkeit der Messungen dadurch verringert, dass nur eine sehr geringe Unterteilung vorgenommen wird. Letztendlich ist eine extrem hohe räumliche Auflösung erforderlich, um die Genauigkeit der Messungen zu bestätigen. Wenn eine ausreichende räumliche Auflösung erreicht werden kann, ist eine Kartierung der Knorpeldicke in vivo möglich. Kartierungen der Knorpeldicke können lokale Schäden im Verlauf der Osteoarthrose reproduzieren.