Fortgeschrittene Biochemische MRT des Meniskus auf 3 und 7T

Die Hauptaufgaben des Meniskus liegen in der Verteilung des Drucks und der Dämpfung. Der Meniskus besteht aus einer dichten extrazellulären Matrix, die hauptsächlich aus Wasser und kollagenen Fasern besteht, in der die Zellen verteilt liegen. Glykosaminoglykane (GAGs), nicht- kollagene Proteine und Glykoproteine tragen zum Trockengewicht bei. Bis heute wurde die Bildgebung mittels Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet um Läsionen der Menisci aufzuzeigen. Die neuesten Entwicklungen im Bereich der Kollagen- und GAG-sensitiven MRT Techniken ermöglichen einen nicht invasiven Einblick in verschiedene Bindegewebe, so auch in den Meniskus. Die Bildgebung des Meniskus ist eine Herausforderung für ein MRT, da das Signal des Meniskus bei Echozeiten (TE) in Standard Sequenzen teilweise oder ganz zerfallen ist. Es ist bekannt dass in degenerativen Menisci ein makromolekularer Umbau stattfindet. Das Zusammenspiel zwischen Kollagenfasern (Orientierung und Gehalt) und Wassermolekülen ist entscheidend für die Generierung eines MR Signals. Der hohe Anteil der Anisotropie der kollagenen Matrix des Meniskus bedingt die Aufteilung des T2* Zerfalls in verschiedene Komponenten. Die kürzlich entwickelten modernen MRT Techniken ermöglichen die Aufnahme eines MR Signals mit den kürzesten T2* Komponenten. Dies öffnet ein Spektrum an Möglichkeiten um T2* als einen Marker für den Zustand der Kollagenfasern zu benutzen. Bis vor kurzem wurde der Meniskus hauptsächlich durch eine qualitative MR Standardbildgebung untersucht, aber neuere quantitative MR Techniken haben in der Forschung für Aufsehen gesorgt. Dazu gehören mono-exponentiell berechnetes T2*, T1 rho und longitudinales T1 mit der Verwendung von Kontrastmitteln. Das Ziel dieses Projektes ist es zusätzliche quantitative MR Techniken zu etablieren, die auf Glykosaminoglykane fokussiert sind, die bisher nicht im Meniskus untersucht wurden. Sodium imaging und gagCEST werden als potentielle Marker für die Meniskusdegeneration herangezogen, da beides GAG-spezifische Techniken sind. Außerdem wird T2* verwendet, da es sensitiv für kleine Veränderungen des kollagenen Netzwerkes ist. Alle Techniken werden mittels Immunhistologie und Polarisationsmikroskopie validiert. Nachdem diese Techniken in in vitro Untersuchungen validiert worden sind, wird sowohl eine Gruppe von Patienten mit Meniskusdegeneration und Meniskusrissen, als auch eine gleichaltrige Gruppe von gesunden Probanden untersucht werden. Die Techniken die in diesem Projekt entwickelt werden, erlauben Orthopäden und Unfallchirurgen in Zukunft einen Zugang zu fortgeschrittenen, nicht- invasiven Methoden für die Diagnosestellung, präoperative Planung, operativen Managements und postoperative Nachuntersuchungen von Meniskusrissen.

Die Ergebnisse dieses Projekts zeigten, dass die nicht-invasive Beurteilung der biochemischen Zusammensetzung des Meniskus und die hochauflösende vTE-Bildgebung zusätzlich zur konventionellen Morphologie des Kniemeniskus mittels Magnetresonanztomographie dazu beitragen, die Funktion des normalen Meniskus zu klären und die Frühdiagnose von Meniskusdegeneration und -rissen zu verbessern. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass MRT-Parameter wie die transversale Relaxationskonstante (T2*) mit biochemischen Parametern der Menisken korrelieren und somit in der Lage sind, den Status degenerierter und/oder gerissener Menisken nicht-invasiv zu diagnostizieren und darüber hinaus mit den strukturellen Veränderungen im Meniskusgewebe zu verknüpfen. Die Ergebnisse dieses Projekts trugen zur nicht-invasiven Beurteilung des Meniskus mittels quantitativer MRT bei. Es half, die Bedeutung der transversalen Relaxationskonstante (T2*) und ihre Beziehung zur Orientierung und Organisation der Kollagenfasern zu verstehen. Die wichtigste Erkenntnis ist die Orientierungsabhängigkeit des MRT-Signals von der Ausrichtung zum Hauptmagnetfeld, die eine potenziell signifikante klinische Auswirkung hat, da die hyperintensen Regionen typischerweise auf eine Gewebeverarmung hindeuten und mit dem so genannten magischen Winkeleffekt verwechselt werden können. Wir haben auch zwei Glykosaminoglykan (GAG)-spezifische MRI-Methoden untersucht, die ebenfalls wertvolle Informationen über den GAG-Gehalt und die Verteilung in den Menisken liefern und möglicherweise als Marker für frühe Meniskusdegenerationen dienen könnten. Aufgrund der schwierigen Natur dieser beiden Methoden waren wir jedoch nicht in der Lage, ihre klinische Anwendbarkeit schlüssig zu demonstrieren. Diese Untersuchungen führten zur Formulierung neuer Hypothesen und Forschungsfragen, die in Kürze in neue Projektanträge umgesetzt werden sollen. Während des Projekts haben wir zwei Methoden entwickelt, die durch den Bedarf an fortgeschrittener Datenauswertung inspiriert wurden. Die erste erweitert die Auswertung der quantitativen MRI-Bilder und Maps - die Beziehung zwischen einzelnen Pixeln kann mehr Informationen bringen als ein einfacher Durchschnittswert eines bestimmten quantitativen Maßes. Wir haben eine auf der Grey-Level-Co-Occurrence-Matrix basierende Texturanalyse (GLCM) für die erweiterte Analyse von Knorpel entwickelt. Für die Zukunft planen wir, diesen Ansatz auf andere Gewebe auszuweiten, die für Arthrose von Interesse sind, wie Menisken, Sehnen und Bänder. Zweitens haben wir eine Methode zur automatisierten Bewertung des Knieknorpels entwickelt, das Knorpelsegmentierung und Koregistrierung an quantitativen Maps verwendet, was zu einer robusten unüberwachten Kniebewertung führt. In Zukunft soll dieses Methode auch auf andere Teile des Knies (Meniskus, Bänder) angewendet werden und durch Deep Learning basierte Gewebesegmentierung erweitert werden. Die Ergebnisse wurden durch eine Reihe von peer-reviewed Publikationen (11), Konferenzpräsentationen (17+) und eingeladenen Vorträgen veröffentlicht. Mit den Projektmitteln wurden 7 Personen finanziell unterstützt (2 PosDocs, 4 Doktoranden und 1 Masterstudent).