Darstellung der Biomechanik des Gelenksknorpels mit MRT

Die MRT hat sich als nicht-invasive Methode in der Bildgebung der Morphologie des normalen Knorpels und von Knorpelschäden etabliert. Parameterselektive MR-Bildgebung mit Mapping von Relaxationszeiten und Diffusionskonstanten erlauben erstmalig auch eine biochemische Analyse des Knorpels, um Frühschäden bei noch intakter Knorpelmorphologie sichtbar zu machen. Neben den frühen biochemischen Veränderungen spielen jedoch auch biomechanische Eigenschaften eine wesentliche Rolle in der Integrität des Knorpels und insbesondere bei Knorpeltransplantaten. Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung und Validierung selektiver MR-Parameter in der Evaluation von biomechanischen Eigenschaften des Knorpels, insbesondere die Steifigkeit des Knorpels. Zu diesem Zweck sind in vitro Studien geplant, die an ex-vivo Knorpel-Knochen-Präparaten mittels mehrerer MR- Techniken wie das Mapping von T1 - und T2 -Relaxationszeiten, die Diffusionsmessung und die Anwendung der Natriumbildgebung eine biochemische Analyse unter Applikation einer kontrollierten Druckbelastung durchführen. Daraus sollen MR-Parameter, die für die biomechanischen Eigenschaften des gesunden und geschädigten Knorpels sprechen, im Vergleich zu Histologie, Biochemie und biomechanischen Tests abgeleitet werden. Für die in vivo Anwendung der MRT in der biochemischen und biomechanischen Analyse des Knorpels und Knorpeltransplantates erfordert die Anwendung einer kontrollierten Belastung während des Bewegungsumfanges, deshalb ist die Entwicklung einer geeigneten MR-kompatiblen Vorrichtung für Knie- und Sprunggelenk geplant. Für die MR- Visualisierung der biomechanischen Eigenschaften des Knorpels müssen optimale Segmentierungs- und 3D- Rekonstruktionenstechniken der Knorpelbeläge entwickelt werden. Bildanalysen erlauben eine dynamische Visualisierung der Gelenkskinematik als auch eine Bestimmung der Gelenkskontaktflächen unter physiologischer Belastung. Die nicht invasive biomechanische Analyse mittels MRT in vivo könnte eine wesentliche Zusatzinformation zur morphologischen. und biochemischen Evaluation des Knorpels und Knorpeltransplantats liefern, die bisher nur invasiv mit der Arthroskopie gewonnen werden kann. Damit stehen mit dieser nicht invasiven Methode neben der Grundlagenforschung der Biomechanik der Gelenksknorpel in vivo auch eine verbesserte Verlaufskontrolle und Rehabilitation von Patienten mit Knorpelschäden oder Knorpeltransplantaten zur Verfügung.

Im Rahmen dieses Projektes wurden neue biomechanische MR Techniken in vivo mittels Hochfeld MR (3 Tesla) entwickelt und implementiert, die eine physiologische Belastung des Patienten im MR Gerät ermöglichen.Dies konnte durch in vitro Studien an Präparaten mittels einer selbstgebauten MR tauglichen Kompressionsvorrichtung erreicht werden, die Kompressionsstudien von Knorpelpräparaten im MR erlaubte. Diese MR paprameter konnten dann mit mechanischen Parametern derselben Präparate und der Histologie verglichen werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen folgten Studien an Probanden und Patienten, die mittels einer speziell in Zusammenarbeit mit einer Firma entwickelten MR tauglichen Kompressionsvorrichtung für die untere Extremität untersucht wurden. Dies erlaubte reproduzierbare und quantifizierbare Belastungsbedingungen in vivo. Biomechanische MR Bildgebung, d.h.biochemische MR Bildgebung ohne und mit Belastung wurde möglich durch die Entwicklung neuer biochemischer MR Methoden, die spezifisch für das Sichtbarmachen und die Messung von ultrastrukturellen Komponenten des Gelenksknorpels wie Glycosaminoglykane, kollagene Fasern und Wasser im Kniegelenk sind. Neben der aktiven Belastung, wurde auch die Entlastung über die Zeit genützt, d.h.wenn der patient den Magnetraum für die MR Untersuchung betritt, so belastet er sein Gelenk. Wenn er während der MR Untersuchung für eine halbe Stunde am Rücken liegt, entlastet er sein Gelenk und diese Entlastung kann gemessen werden. Die biochemischen MR Techniken, die für die biomechanische MR Bildgebung verwendet werden umfassen die Kontrastmittel-verstärkte T1 mapping Technik (dGEMRIC), T2 und T2* Mapping, Diffusionsgewichtete Bildgebung und die Natriumbildgebung.der Gelenke, die mit mechanischen Eigenschaften des Knorpelgewebes korreliert werden können. Für diese Techniken wurden im Rahmen dieses Projektes neue Entwicklungen durchgeführt, die entweder die Untersuchungszeit verkürzen (dGEMRIC), einen grösseren Untersuchungsumfang erlauben (dGEMRIC, T2,T2*) oder die Zuverlässigkeit von Techniken wie Diffusion und Natriumbildgebung erhöhen. Diese Techniken, besonders T2 Mapping und Diffusion lieferten den Input für neue Modelle, die die mechanische Antwort des Knorpels unter verschiedener Belastung simulieren. Zusätzliche Bewegungsstudien des Kniegelenkes unter Verwendung des obengenannter Vorichtung erlaubte die Beurteilung von Knorpel-Knorpel- Kontaktflächen und ihren Einfluss auf die biochemischen Parameter in verschiedenen Positionen des Kniegelenkes. Diese Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis der Rolle der verschiedenen Komponenten des Knorpels bei den biomechanischen Effekten der Belastung nicht invasiv und in vivo beitragen und zu einer verbesserten Diagnostik von frühesten Knorpelverletzungen und Degenerationen beitragen. Dies soll die Entwicklung und Beurteilung von neuen Strategien zur Verzögerung oder zur Verhinderung des Beginns der Arthrose durch frühe medikamentöse Intervention. Darüber hinaus sollen damit biomechanische Risikofaktoren für Patienten nach verschiedenen Knorpelersatztherapien entdeckt werden.