Multi-Parametrische Darstellung der Struktur des Kniegelenkes

Hochentwickelte operative Verfahren in der Behandlung von Knorpelschäden, Meniskuspathologien oder Rupturen des vorderen Kreuzbands (VKB) benötigen eine differenzierte Nachbehandlung. Da diese Verletzungen häufig kombiniert vorkommen, ist eine Kombination an Diagnostik und Follow-up Bildgebung wünschenswert. Zusätzlich zur morphologischen Magnetresonanztomographie (MRT) zeigen biochemische MRT Verfahren vielversprechende Ergebnisse in der umfassenden post-operativen Analyse des Gelenkes. Aktuelle Publikationen weisen neue Möglichkeiten der fortschrittlichen biochemischen Bildgebung in der Visualisierung von gesundem Gelenkknorpel, degenerativ verändertem Knorpel und Knorpelersatzgewebe auf. Momentan rückt auch der Meniskus und beginnend das VKB immer mehr in den Fokus der biochemischen MRT. Die Kombination von optimaler morphologischer und biochemischer Bildgebung ermöglicht eine optimale Diagnostik und Nachuntersuchung der erwähnten Gelenksstrukturen. Während die morphologische Bildgebung die Oberflächenbeschaffenheit, die spezielle Anatomie und die Signalintensität des Gewebes beschreibt, ermöglicht die biochemische MRT den Blick in die Ultra-Struktur und die Beschaffenheit des Gewebes zum Teil auf molekularer Ebene. Die meisten dieser biochemischen MRT Techniken sind jedoch noch unzureichend histomorphologisch analysiert, was deren Anwendbarkeit in präklinischen und klinischen Studien limitiert. Während die Visualisierung des Knorpels mittels dGEMRIC oder T2 Mapping in vorhandenen Studien validiert wurde, ist die Analyse von Knorpelersatzgewebe und degenerativ verändertem Knorpel, insbesondere unter dem Einsatz neuerer Methoden wie 23Na(Sodium) Bildgebung, T2* Mapping, T2d Mapping, UTE (Ultra-short Echo-Time), Magnetisierungs Transfer Kontrast (MTC), Diffusionsgewichteter Bildgebung (DWI), oder T1rho, bis heute nicht ausreichend validiert. Weiterhin wurde die mögliche Implementierung dieser Techniken im Meniskus und im VKB bisher kaum auf histologischer Basis untersucht. Das Ziel des vorliegenden Antrages ist es diese neuen MRT Methoden mittels Histomorphometrie und Ultra- Hochfeld (7T) MR Mikroskopie anhand zweier etablierter Tiermodelle zu validieren und die Ergebnisse in klinischen Studien zu implementieren. In Kniegelenken von 20 Schafen wird gesunder Gelenkknorpel mit degenerativ verändertem Knorpel (induziert durch Meniskusresektion; "Osteoarthrose Gruppe"), oder mit zwei verschiedenen Knorpelersatzgewebe-Typen nach Mikrofrakturierung (MFX) und nach Matrix-gestützter autologer Chondrozyten Transplantation (MACT) ("Knorpelersatztherapie Gruppe") verglichen. In einem multi-modalen Ansatz zu verschiedenen post-operativen Zeiträumen werden die oben genannten biochemischen MR Techniken verwendet, um in denselben Kniegelenken, mit dem Meniskus und dem VKB, zusätzlich zwei weitere wichtige Strukturen zu untersuchen. Nicht behandelte Gelenke werden als Kontrollgruppe verwendet. Die MRT Untersuchungen werden an einem 3 Tesla System mit einer Mehrkanal-Kniespule (um eine spätere klinische Applikation zu gewährleisten) und an einem 7 Tesla MRT mit Gradienten Insert für ex-vivo MR Mikroskopie (um höchst mögliche Auflösung und Bildqualität zu gewährleisten) durchgeführt. Zusätzlich erfolgt eine komplette histologische Aufarbeitung der verschiedenen Präparate. Die Resultate der Histologie und der MR Mikrokopie können so auf die klinischen 3 Tesla Untersuchungen heruntergebrochen werden. Die Visualisierung und nicht-invasive biochemische Analyse dieser verschiedenen muskuloskeletalen Gewebe soll die Basis für ein neues klinisches Protokoll in der Nachuntersuchung von chondroprotektiven Therapieformen, Knorpelersatztherapie, Meniskus- und VKB Chirurgie darstellen.

Konventionelle morphologischen Magnetresonanz Bildgebung (Magnetic Resonance Imaging (MRI)) wird bereits routinemäßig als nicht-invasive bildgebende Untersuchungsmethode verwendet, um das menschliche Kniegelenk zu analysieren. Da jedoch Erkrankungen des Kniegelenks oft schon lange begonnen haben, bevor morphologische Veränderungen zu erkennen sind werden neue MRI Methoden benötigt die auch Rückschlüsse auf die biochemischen Veränderungen des Gelenks erlauben. Wichtig ist es eine umfassendere Analyse der Gewebe innerhalb des Gelenks zu ermögliche und dadurch die Diagnose zu verbessern. Es war daher das Ziel dieses Projektes, eine Kombination von morphologischen und biochemischen MRI zu entwickeln die es ermöglichen frühzeitig Knorpeldefekte, Meniskuserkrankungen oder Kreuzbandrisse zu diagnostizieren. Innovative MRI Methoden wurden auf dem 7-Tesla-Scanner des MR-Center of Excellence in Wien entwickelt, um zusätzliche Daten von den wichtigsten Knorpel- und Bindegewebe zu erhalten. Kurz zusammengefasst können wir quantitative Informationen über den Wassergehalt des Gewebes, die Gewebestruktur, wie die Orientierung der Kollagenfasern (T2 / T2 *) und den Verlust aber auch den Wiederaufbau kritischer biochemischen Substanzen (s.g. Biomarker) wie Proteoglycan (dGEMRIC, 23Na, gag-CEST) erhalten. Darüber hinaus wurde die Qualität der Bildgebung (UTE, VTE) von Gewebe -Schnittstellen zwischen Knochen, Knorpel, Menisken und Bänder wesentlich verbessert. Um diese Methoden zu validieren wurden ausgewählte Erkrankungen des Kniegelenks wie Osteoarthritis (OA) sowie verschiedenen knorpelchirurgische Eingriffe in einem Tiermodell dargestellt. Zusätzlich zu der Bildgebung des gesamten Knies wurde danach auch eine MR-Mikroskopie durchgeführt um die Bildauflösung weiter zu verbessern. Vergleiche der MRI/ MR-Mikroskopie mit dem Standard der histo-morphologischen Untersuchung ergab ein detailliertere Überblick und zeigte welche Veränderungen analysiert werden können und wie sie interpretiert werden sollten. Man kann davon ausgehen, dass Erkrankungen des Kniegelenks wie Arthrose bereits jetzt sehr häufig auftreten und aufgrund der demografischen Entwicklung der westlichen Gesellschaften weiter zunehmen werden. Oft können auch Verletzungen wesentlicher Teile des Kniegelenks wie Risse des vorderen Kreuzbandes (ACL) und verschiedene Schädigungen des Meniskus zu Arthrose (OA) führen. Auch junge aktivere Patienten und Athleten nach Sportverletzungen können betroffen sein und benötigen ebenfalls spezielle Therapien die die Entwicklung eines langfristigen Gelenkverschleißes verhindern. Derzeit stehen innovative orthopädische Operationstechniken zur Verfügung um Meniskus Pathologien und Bänderrissen zu behandeln. Auch die Knorpelchirurgie wurde durch neue zellbasierten Reparaturverfahren ständig verbessert. Alle diese Techniken erfordern eine hohe Qualität der Nachsorge die so viele Informationen wie möglich über den Zustand des Kniegelenks bereitstellt. Magnetresonanz-Bildgebung ermöglicht eine nicht-invasive Beurteilung der Gewebereparatur, die nicht wie im Falle der Arthroskopie auf die Gewebeoberfläche begrenzt ist. Im Vergleich zur invasiven Arthroskopie werden außerdem regelmäßige Untersuchungen über einen längeren Zeitraum möglich, dies erweitert nicht nur die Diagnose, die zusätzlichen erhaltenen Informationen können auch benutzt werden um den optimale Zeitpunkt mehrere Behandlungsmöglichkeiten zu ermitteln. Auch die Qualität klinischer Studien, die benötigt werden um neue Behandlungsmethoden zu entwickeln, können dadurch wesentlich verbessert werden. Abschließend können wir zusammenfassen dass die gewonnen Erkenntnisse in zukünftige Untersuchungsprotokolle des Hochfeld-MR des Bewegungsapparates einfließen werden und damit die klinische Anwendbarkeit dieser Methoden weiter vorangetrieben werden kann. Der hier angewandte multi-parametrischen Ansatz morphologischen und biochemischen Darstellung des gesamten Kniegelenks durch die Anwendung moderne MRI Methoden wurde durch den Vergleich zu histologischen Untersuchung validiert. Die entwickelten Verfahren werden die Früherkennung von degenerativer Gelenkserkrankungen des Knies wesentlich verbessern und deren erheblichen sozioökonomischen Auswirkungen wie die Behandlungskosten senken, aber auch die Lebensqualität der Patienten verbessern.