Ultrahochfeld (7T) MR der frühen Knorpelschädigung

Arthrose, degererative Gelenkserkrankungen und Knorpelverletzungen sind sehr häufig, betreffen einen wesentlichen Anteil der Bevölkerung aller Altersstufen (einer von sechs Personen in den USA leidet unter einer Form von Gelenkserkrankung) und erreichen epidemische Ausmaße. Nach den kardio-vaskulären Erkrankungen, sind Knorpelerkrankungen die zweithäufigste Ursache von Erkrankungen überhaupt, gemessen an Krankheitstagen, übertreffen die Knorpelerkrankungen sogar die kardiovaskulären Erkrankungen. Deshalb ist die Knorpelforschung ein "hot topic" Forschungsgebiet mit wesentlichen praktischen Implikationen und Anwendungen für das zukünftige Patientenmanagement und Therapie. Derzeitige klinische Untersuchungstechniken sind nicht geeignet, eine Knorpeldegeneration zu diagnostizieren, bevor es zu irreveriblen Veränderungen kommt. Dies ist aber die wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung und Bewertung neuer Strategien, die zum Ziel haben, den Beginn einer Arthrose zu verzögern oder zu verhindern. Die multi-parametrische MRT kann Informationen über die Knorpelstruktur und biochemische Integrität liefern. Die konventionelle MRT aber auch dedizierte Techniken wie Magnetisierungs-Transfer sind inkonklusiv im Nachweis früher Veränderungen bei der Arthrose. So bleibt die Evaluation ultrastruktureller Knorpeldetails durch die MRT unbefriedigend. Die frühesten Stadien der Knorpeldegeneration umfassen den Verlust an Glycosaminoglykanen (GAG) und den Anstieg im Wassergehalt. Ein Verlust an GAG von bis zu 20% wird als noch potentiell reversibel eingestuft, bevor sich irreversibel die invalidisierende Arthrose entwickelt. Zwei Strategien für eine Verbesserung der Sensitivität und Spezifität der MRT Knorpel-Evaluation sind von uns geplant: (1) Entwicklung und Implementierung von neuen MR Methoden auf hohen und ultrahohen MR Feldern (3T und 7T), die spezifisch für die Visualisierung und Quantifizierung des GAG Verlustes sind (Natrium-Bildgebung, neue Diffusions-sensitive Sequenzen und gag-spezifische Chemical Exchange Transfer Techniken) und (2) die Adaption und Optimierung dieser neuen Techniken für die potentielle klinische Anwendung in der Diagnose der frühen Knorpelverletzung und Knorpeldegeneration. Diese multidisziplinäre translationale Arbeit erfordert die enge Kooperation zwischen der Universität Basel und der Medizinischen Universität Wien. Das Erreichen dieser Ziele wird die Integration neuer Imaging Methoden in einem klinisch-wissenschaftlich geleiteten, translationalem klinischem Projekt unterstützen mit dem Fokus auf die Identifizierung einer Knorpel-Schädigung und Erkrankung, in einem so frühen Stadium um therapeutisch noch eingreifen zu können.

Innerhalb dieses Projektes wurden neue MR-Techniken auf Ultrahochfeld (7Tesla) MR entwickelt und implementiert, die das Potential haben, die frühesten Veränderungen der Knorpeldegeneration zu erkennen und zu quantifizieren. Der Verlust durch Glykosaminoglykane (GAG) wird als das früheste Stadium der Knorpeldegeneration angesehen und somit als der Beginn der Arthrose. Dieses frühe Stadium liefert daher die Chance einer Intervention durch Medikamente, die entweder den Krankheitsverlauf stoppen oder sogar den degenerativen Prozess umkehren können, bevor eine irreversible Arthrose entsteht. Die biochemischen MR-Techniken die für die Evaluation dieses frühen Stadiums der Arthrose im Gelenksknorpel eingesetzt werden, umfassen die Natriumbildgebung und Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST). Für diese GAG-spezifischen Techniken sind neue Methoden und Entwicklungen notwendig, um die Robustheit und die Reproduzierbarkeit dieser Technik als auch die Sensitivität und Spezifität für GAG bei klinischen Anwendungen zu erhöhen. Die modifizierten und optimierten MR-Protokolle wurden durch Präparate-Studien im direkten Vergleich mit der histochemischen Analyse der GAG als Referenz, sowohl an Knie als auch an Sprunggelenks-Kadavern evaluiert. Basierend auf dieser in vitro Validierung wurden klinische Studien mit Natrium und Gag CEST erfolgreich durchgeführt, die zu den ersten klinischen Studien auf diesem Gebiet weltweit gehören. Da GAG als ultrastrukturelle Komponente des Gelenksknorpel für die biomechanischen Eigenschaften des Knorpels und auch anderer Strukturen im Gelenk verantwortlich ist, erlauben die Ergebnisse ein besseres Verständnis der Rolle der verschiedenen Komponenten des Knorpels und helfen in der Detektion der frühesten Stadien der Knorpelverletzung und Degeneration und ermöglichen so die Entwicklung und die Beurteilung von neuen therapeutischen Strategien um die Arthrose zu verzögern oder überhaupt zu verhindern. Der Erfolg der GAG-spezifischen biochemischen MR im Knorpel hat uns ermutigt, diese Techniken auch auf andere Kniegelenkstrukturen wie die Menisci, das Kreuzband und die Patellarsehne mit vorläufigen Ergebnissen im Nachweis von frühen Degenerationen auch dieser Gelenkstrukturen einzusetzen.