Biochemische MR-Bildgebung der Bandscheibe mit 3T-MRT

Rückenschmerzen sind ein sehr häufiges Symptom, das etwa drei Viertel der Bevölkerung zumindest einmal im Laufe des Lebens betrifft. Als Schmerzauslöser dürfte die Bandscheibe der Wirbelsäule eine wesentliche Rolle spielen, allerdings sind eine abnorme Wirbelsäule und Bandscheibe, einschließlich von Bandscheibenvorfaellen bei beschwerdefreien Patienten ebenfalls beschrieben worden. Wissenschaftliche Studien über die Biochemie und Biomechanik der Bandscheibe haben Einblicke in die Beziehung zwischen Struktur, Funktion und Versagen der Bandscheibe gegeben.. Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat sich als verlässliche Methode für die morphologische Beurteilung der Wirbelsäule und der Bandscheibe etabliert. Neben der hochauflösenden Darstellung der Bandscheibe und des zugehörigen Wirbelkörpers wäre auch eine Analyse der ultrastrukturellen Zusammensetzung der Bandscheibe notwendig, da sie eine zusätzliche Information über die Entwicklung der Diskusdegeneration in vivo in einem frühen Stadium ermöglichen und die mechanischen Eigenschaften der Bandscheibe unter Belastung visualisieren könnten. Kontrastmittel-verstaerkte Techniken, als auch die Natrium Bildgebung haben sich als vorteilhaft in der selektiven Darstellung von Proteoglykanen erwiesen, ein Makromolekül, das sowohl im Knorpel als auch in der Bandscheibe ein wesentlicher funktioneller Bestandteil der Matrix ist. Diese Techniken wurden von unserer Arbeitsgruppe mit der Unterstützung durch zwei Jubiläumsfondprojekte und einem laufenden FWF-Projekt entwickelt und in der Knorpelforschung eingesetzt. Aufgrund der großen Ähnlichkeit in der Struktur und Funktion von Knorpel und Diskus werden die Erfahrungen in der biochemischen Bildgebung des Knorpels versucht auf die Bandscheibe der Wirbelsäule zu übertragen unter Einsatz eines modernen Hochfeld (3 Tesla) MRT und dedizierter moderner Spulentechnologie. Die Struktur des Kollagens, eines weiteren wichtigen Bestandteiles des Bandscheibengerüstes soll mittels T2 Mapping und diffusionsgewichteter Bildgebung untersucht werden. Wie wir in einem weiteren Jubiläumsfondprojekt zeigen konnten, dürfte T1rho Imaging mit noch höherer Sensitivität als T2 einsetzt werden können. . Vor wenigen Jahren wurde die autologe Diskuszell Transplantation entwickelt, eine sehr viel versprechende Methode, die eine Diskusdegeneration verzögern, die Diskushöhe erhalten und die Regeneration nach Diskushernienoperation stimulieren kann. Diese Technik erfordert eine verlässliche, objektive und nicht invasive Technik, die sensitiv auf die makromolekularen Veränderungen im postoperativen Follow-up ist, da Biopsien nach ADCT ethisch nicht zugelassen sind. Darüber hinaus könnten mit dieser Technik neu entwickelte Bandscheibenersatztechniken evaluiert und Rehabilitationsprogramme im allgemeinen und individuell im besonderen optimiert werden.

In der biochemischen MR- Bildgebung der Bandscheibe wurden folgende Techniken für die in vivo Anwendung optimiert: T2- Mapping, T2*- Mapping, diffusionsgewichtete Bildgebung auf 3 Tesla und kürzlich die Natrium Bildgebung auf 7 Tesla und die Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) Technik auf 3 Tesla. In einer ersten klinischen Studie an 34 Patienten mit Rückenschmerzen ohne radikuläre Symptomatik auf 3 Tesla wurde die konventionelle morphologische MR Bildgebung mit T2 Mapping verglichen. Es wurden die T2 Werte sämtlicher lumbaler Disci in 5er Schritten (jeweils 20%) in der sagittalen Ebene mit Regions of interest (ROI) ausgewertet, wobei die vorderen und hinteren 20% anatomisch als Annulus fibrosus, die mittleren 60% als Nucleus pulposus Region definiert wurden. Es fand sich eine gute Korrelation zwischen der Pfirrmann Klassifikation und den T2 Werten. Weiters wurde zur Verfeinerung der Auswertung der T2 Maps die posteriore Annulus fibrosus Region nochmals unterteilt, das heißt von 20% in 2 mal 10%, da auf Grund der axialen Belastung der Wirbelsäule im posterior Annulus bei 20% Einteilung oftmals Partial- Volumeneffekte durch den Nucleus pulposus zu finden waren mit fälschlich zu hohen T2 Werten. Die Aussagekraft dieser weiteren Unterteilung des posterioren Annulus fibrosus als möglicher Marker für eine beginnende Diskusherniation wurde evaluiert. Weiters wurde ein Vergleich der quantitativen T2 Werte der Bandscheibe mit konventionellen MR Befunden auf 3 Tesla der Wirbelsäule durchgeführt. So fanden sich bei 265 Bandscheiben 39 fokale Herniationen, 10 Annulusrisse, 123 Discusprotrusionen und 103 normale Disci. Es zeigte sich, dass die T2 Werte des Nucleus pulposus zwischen den Disci mit Annulusriss und allen anderen Gruppen statistisch signifikant waren, wobei Disci mit Annulusrissen deutlich niedrigere Nucleus pulposus T2 Werte aufwiesen als Disci ohne Annulus fibrosus Risse. Der Unterschied in den Nucleus pulposus T2 Werten zwischen Disci mit fokaler Herniation und normalen Disci war ebenfalls statistisch signifikant. Es fand sich jedoch kein signifikanter Unterschied in Nucleus pulposus T2 Werten zwischen Discusprotrusion und Discusherniation. Es konnten somit zum ersten Mal durch quantitatives T2 Mapping des Nucleus pulposus signifikante Unterschiede der T2 Werte bei unterschiedlichen Dislokationen der Disci der Lendenwirbelsäule auf 3 Tesla gezeigt werden. Weiters wurden methodisch die T2 Mapping Technik der Bandscheibe mit der T2* Technik bei 30 Patienten mit Low back Pain auf 3 Tesla verglichen. Es zeigte sich die höchste räumliche Variation als Anstieg der T2 und T2* Werte vom Annulus fibrosus zum Nucleus pulposus bei Pfirrmann Grad I und nahm zunehmend bei höherem Pfirrmanngraden II - IV ab. Mit zunehmender Bandscheibendegeneration zeigten T2 und T2* Mapping klare Unterschiede im Nucleus pulposus, während T2* zusätzlich Veränderungen im posterioren Annulus fibrosus zeigte. Die Korrelation zwischen T2 und T2* Mapping Werten zeigte eine mittlere Korrelation von 0,210 bis 0,356. Die klare Unterscheidung der Discusdegeneration und die mögliche Quantifizierung durch T2 und T2* Mapping könnte also eine neue Methode für die Therapieverlaufskontrolle bei Patienten mit Rückenschmerzen bieten. Zwischenzeitlich wurden mittels einer weltweit ersten Mehrkanal-Natriumspule für die Wirbelsäule für 7 Tesla erste Natrium Bilder der Bandscheiben der Lendenwirbelsäule angefertigt und die entsprechenden Sequenzen optimiert werden. Eine erste Studie, die die Natrium Bildgebung der Bandscheibe mit T2 Mapping und den Pfirrmann Score für die morphologische Bildgebung vergleicht, zeiget keine Korrelation zwischen T2 Mapping und Natriumbildgebung, was sich dadurch erklärt, dass beide Techniken unterschiedliche Komponenten der Discusmatrix bestimmen.