In Vivo Intrastrukturelle MR-Bildgebung der Achillessehne auf 7 Tesla

Die Achillessehne, die am häufigsten durch Trauma oder Überbeanspruchung in Mitleidenschaft gezogene Sehne des menschlichen Körpers. Verletzungen der Sehne führen häufig zu Beschwerden von klinischer Relevanz und damit häufig zur nötigen Bildgebung. Die Sehnen dienen der mechanischen Übertragung der, von den Muskeln ausgehenden und auf den Knochen wirkenden Kraft. Dies ermöglicht Bewegung und trägt gleichzeitig zur Stabilisierung der Gelenke bei. Sehnen bestehen aus sich ständig wandelndem Gewebe, sie reagieren auf sich ändernde mechanische Ansprüche, indem sie sowohl ihren Metabolismus, als auch ihre Struktur und letztlich auch ihre mechanischen Eigenschaften anpassen. Die unterschiedlichen Sehnen des menschlichen Körpers weisen im Falle pathologischer Alterationen ähnliche Veränderungen auf. Der Anteil an Glycosaminoglycanen, inklusive Hyaluronan, der Wasser- und Zellanteil, sowie die Vaskularisierung steigen. Kollagenfasern degenerieren, werden ausgedünnt und aus ihrer ursprünglichen Orientierung gelenkt. Diese Veränderungen in der Sehnenzusammensetzung und Morpholgie können als typische Alterationen durch bildgebende Methoden erfasst werden. Gesunde Sehnen besitzen in der herkömmlichen Magnetresonanztomographie (MRT) kein Signal und erscheinen schwarz. Die MRT veranschaulicht die morphologische Zusammensetzung der Sehne. Letzte Entwicklungen zielten darauf ab, selbst kleinste Veränderungen in der biochemischen Zusammensetzung hoch organisierter Gewebe, wie zum Beispiel Menisci und Sehnen indirekt zu visualisieren. Es wurde gezeigt, dass die transversale Relaxationszeit die Mobilität der Wasserkomponenten reflektiert und somit in Korrelation mit Sehnenzusammensetzung und Kollagenorientierung steht. Die kontrastverstärkte longitudinale Relaxationszeit (T1) ist abhängig von der Konzentration und Verteilung der Proteoglykane; hierfür ist die Applikation von Kontrastmittel nötig. Auch mithilfe des Diffusionskoeffizienten kann durch die MRT Aufschluss über die Ausrichtung komplex orientierter Gewebe gewonnen werden. In den letzten Jahren wurde außerdem die nötige Hardware zur Fassung und Wiedergabe der Sodiumsignale in akzeptabler Auflösung entwickelt. Sodium fungiert als positives Ion gegenüber den negativ geladenen Glycosaminoglycanketten, woraus die Korrelation des normalisierten Sodium Signals mit dem Gehalt an Proteoglykanen resultiert. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der nicht invasiven Gewinnung biochemischer sowie morphologischer Information, mithilfe hochauflösender Darstellung der Achillessehne mittels MRT. Die Tests wurden in vitro an den Achillessehnen mehrerer Kadaverknöchel unter Anwendung multiparametrischer MR Protokolle und Micro- imaging Systemen auf 7 Tesla durchgeführt. Es erfolgte ein Vergleich mit immunhistochemischen Analysen. Die in vitro validierten Techniken und optimierten Protokolle sollen in weiterer Folge zur Anwendung in vivo gebracht werden. In zukünftigen prospektiven Probanden-, Patienten Vergleichsstudien soll dies zum besseren Verständniss der Funktion der gesunden Sehne, sowie zu Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten früher Stadien der Sehnendegeneration, noch bevor die in der herkömmlichen MR fassbaren morphologischen Veränderungen zu erkennen sind, beitragen. Weiters sollen MRT Verlaufskontrollen unter Therapie von Sehnenerkrankung helfen, den normalen Heilungsprozess zu definieren und weiters dazu beitragen, abnorme Heilungsvorgänge zu definieren und zu detektieren.

In dem Projekt war es geplant, neue Methoden zur biochemischen Bildgebung der Achillessehne zu entwickeln, weiterzuentwickeln, zu transferieren und zu validieren. Die Methoden umfassen a) 23Na (Natrium) Bildgebung, b) T2* Mapping, c) Diffusionsgewichtete Bildgebung und d) gagCEST (glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer) Bildgebung und die Messungen wurden auf hohen und ultrahohen Feldstärken (3 und 7 Tesla) durchgeführt.Im ersten Jahr wurde damit begonnen, die MR Methoden unter Verwendung von ex-vivo Proben zu validieren. Dabei wurden die Proben nach der MR Messung histologisch beurteilt, um die biochemische Zusammensetzung festzustellen. In weiterer Folge wurden die MR Ergebnisse mit der ermittelten biochemische Zusammensetzung verglichen. Es wurden fünf frische Kadaverfußgelenke (Durchschnittsalter: 48 +/- 8) im 3 und 7 Tesla MRT untersucht, um die neuen MR Methoden (Natriumbildgebung, T2* Mapping, Diffusionsgewichtete Bildgebung (FISP, PSIF)) zu validieren. Dadurch konnten wir die Anwendbarkeit der fortgeschrittenen biochemischen MRT zur Bildgebung der Achillessehne demonstrieren. Glykosaminoglykan (GAG) - spezifische, kontrastfreie Methoden (Natriumbildgebung), sowie kollagen- und wassersensitive Methoden (T2* Mapping, FISP, PSIF), können für schnell relaxierende Geweben, wie z.B. Sehnen, verwendet werden und das in akzeptabler Messzeit. Desweiteren konnte das Verhältnis zwischen MR Parametern und der Immunohistologie demonstriert werden. Mit der Korrelation zwischen Sodium Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und GAG Gehalt, konnte sehr deutlich die Sensitivität dieser MR Methode hinsichtlich macromolekularem GAG Gehalt in der Achillessehne validiert werden [1].Im zweiten Jahr wurde untersucht, ob sich quantitativen MR Bildgebungsmethoden (Natrium, gagCEST, T2* Mapping) als potentielle Marker für biochemische Veränderungen in der Achillessehne, induziert durch Ciprofloxacin Einnahme, verwenden lassen. Fluoroquinolones FQ (Ciprofloxacin) sind häufig verwendete Antibiotika und sie sind fest etabliert sowohl im stationären, als auch im ambulanten Bereich bei Harnwegs-, Atemwegs-, Haut-, Knochen-, Gelenk-, Abdominal- und Gastrointestinal Infektionen. In einer Vielzahl an Fallstudien wurde, als eine Nebenwirkung dieses Wirkstoffs, eine Schädigung der Achillessehne beschrieben. Unsere Studie konnte zeigen, dass Veränderungen der Natrium und gagCEST Bildgebung im Menschen sehr wahrscheinlich auf eine Abnahme des GAG Gehaltes in der Achillessehne zurückzuführen sind. Die beobachteten Veränderungen im GAG Gehalt dürften zu einer verbesserten Charakterisierung zukünftiger Pathomechanismen von FQ beitragen [2].Im dritten Jahr wurde eine neue MR Sequenz (3D-TESS) für schnelles T2 Mapping von Bindegewebe untersucht. Es hat sich herausgestellt, dass sich mit dieser Sequenz die Messzeit von 4 auf 2 Minuten reduzieren lässt (am 3T MRT) und von 11 auf 4 Minuten (am 7T MRT). Das hat große klinische Auswirkungen, weil diese Sequenz zum einen Messzeit spart und zum anderen auch noch B1 und B0 insensitiv ist [2].Wie haben auch den Unterschied zwischen T2 Werten im Knie- und im Fußgelenksknorpel untersucht [3,4]. Außerdem haben wir das Bi-komponent T2* Mapping in der Sehne weiterentwickelt. Die Bi-komponentenanalyse ist sehr rechenintensiv aufgrund des 5-parametrischen Levenberg Marquardt Fittings und deshalb wurde, um die Geschwindigkeit der Berechnung zu erhöhen, das Programm zur Berechnung der biexponentiellen T2* Maps in die C++ Programmiersprache übertragen. Der Einfluss von Diabetes Mellitus Typ 1 auf Sehnen wird momentan untersucht.Abschließend lässt sich sagen, dass die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der neuen quantitativen MR Bildgebungsmethoden zur Untersuchung der Achillessehne sehr deutlich gezeigt werden konnte und dass diese neuen Methoden uns einen neuen Einblick in die makromolekulare Zusammensetzung von Geweben ermöglichen.[1] Juras et al, Bi-exponential T2* analysis of healthy and diseased Achilles tendons: an in vivo preliminary magnetic resonance study and correlation with clinical score Eur Radiol (2013) 23:2814-2822