Un importante vantaggio della RMN rispetto alla radiografia è la capacità della prima di visualizzare direttamente la cartilagine e altri tessuti articolari. La risonanza magnetica è un potente strumento non invasivo per rilevare i danni alla cartilagine e per monitorare gli effetti della terapia conservativa e chirurgica. Altre caratteristiche dell’OA, come le lesioni del midollo osseo, le lesioni meniscali e la sinovite, possono essere visualizzate e valutate simultaneamente (Figura 2), permettendo lo studio dei potenziali fattori di rischio dell’OA e dei meccanismi del processo di malattia dell’OA. Le tecniche di risonanza magnetica utilizzate per la valutazione della cartilagine possono essere divise ampiamente in due categorie: valutazione morfologica e compositiva.
Valutazione morfologica
Le tecniche di risonanza magnetica per la valutazione morfologica della cartilagine articolare del ginocchio forniscono informazioni accurate sulla perdita di cartilagine focale o diffusa, parziale o totale. Nella ricerca clinica, soprattutto negli studi sull’OA del ginocchio, la valutazione morfologica della cartilagine con la risonanza magnetica viene eseguita utilizzando metodi di punteggio semiquantitativi, come il Whole Organ Magnetic Resonance Imaging Score (WORMS), il Boston Leeds Osteoarthritis Knee Score (BLOKS) e il Knee Osteoarthritis Scoring System (KOSS). Per esempio, in WORMS, il segnale e la morfologia della cartilagine sono valutati su una scala di punti da 0 a 6 (cioè 0, 1, 2, 2,5, 3, 4, 5, e 6, dove 0 è normale e 6 è la perdita diffusa a tutto spessore) in 14 regioni della superficie articolare dell’articolazione del ginocchio. Gli altri metodi impiegano approcci semiquantitativi simili e i dettagli possono essere trovati nelle pubblicazioni originali. Sono stati pubblicati eccellenti dati di affidabilità per tutti e tre i sistemi di punteggio. Inoltre, un nuovo sistema di punteggio (chiamato Magnetic Resonance Imaging Osteoarthritis Knee Score, o MOAKS) è stato sviluppato per massimizzare i vantaggi e ridurre gli svantaggi dei sistemi di punteggio esistenti.
Questi metodi semiquantitativi valutano le caratteristiche morfologiche della cartilagine articolare insieme a quelle di altre strutture intra e periarticolari (per esempio, osso subcondrale, menischi, osteofiti e sinovia) per stabilire fattori di rischio per i sintomi e la progressione strutturale della malattia. Queste caratteristiche sono anche utilizzate come misure di risultato, e la cartilagine è la più comunemente applicata. Utilizzando il metodo WORMS, Roemer e colleghi hanno dimostrato che, nei partecipanti senza danni alla cartilagine o con danni minimi al basale, un alto indice di massa corporea, danni meniscali, sinovite o versamento o la presenza di qualsiasi lesione grave al basale con risonanza magnetica sono fortemente associati a un aumento del rischio di rapida perdita della cartilagine.
Crema e colleghi hanno recentemente riassunto i dettagli delle tecniche di risonanza magnetica attualmente disponibili per la valutazione morfologica (cioè le sequenze convenzionali spin-echo (SE) e gradient-recalled echo (GRE), le sequenze fast spin echo (FSE) e le più avanzate sequenze tridimensionali (3D) SE e GRE). Ogni tecnica ha i suoi punti di forza e i suoi limiti, e il medico o il ricercatore deve considerarli attentamente quando seleziona le tecniche appropriate per uno studio particolare.
L’analisi quantitativa della morfologia della cartilagine sfrutta la natura 3D dei set di dati MRI per valutare le dimensioni del tessuto, come il volume e lo spessore, o il segnale come variabili continue. Una recente meta-analisi ha dimostrato che la risonanza magnetica può misurare i cambiamenti nella morfometria cartilaginea quantitativa in modo affidabile e con una buona reattività. Possono essere utilizzate più misure quantitative della cartilagine basate sulla risonanza magnetica (per esempio, volume, area superficiale e percentuale dell’area totale dell’osso non coperta da cartilagine), ma la maggior parte di queste sono fortemente correlate e sembra che alcune possano essere ridondanti o contenere informazioni aggiuntive minime. Buck e colleghi hanno condotto uno studio per identificare un efficiente sottoinsieme di misure fondamentali che comprende una descrizione completa della morfologia della cartilagine e dei suoi cambiamenti longitudinali nella cartilagine sana e malata. Lo studio ha dimostrato che tre misure (cioè lo spessore medio della cartilagine sull’area totale dell’osso subcondrale, l’area totale dell’osso subcondrale e la percentuale di area denudata dell’osso subcondrale) spiegano oltre il 90% della variazione trasversale e longitudinale in una serie più ampia di misure comuni della morfologia della cartilagine nelle ginocchia con o senza OA. Concentrarsi su questo efficiente sottoinsieme di misure della morfologia della cartilagine del ginocchio dovrebbe essere incoraggiato negli studi futuri.
Un’altra strategia per una misurazione più efficiente dello spessore della cartilagine è stata proposta da Buck e colleghi . La sensibilità al cambiamento dell’analisi quantitativa della cartilagine nel ginocchio OA utilizzando la risonanza magnetica è compromessa dall’eterogeneità spaziale della perdita di cartilagine. Gli autori hanno ipotizzato che la determinazione della grandezza del cambiamento di spessore indipendentemente dalla posizione anatomica ha fornito una migliore discriminazione tra soggetti sani e partecipanti OA longitudinalmente. Lo studio ha dimostrato che questo “approccio a valori ordinati” è sensibile all’assottigliamento della cartilagine nel KL grado 3 e all’ispessimento della cartilagine nei partecipanti al KL grado 2 rispetto al KL grado 0. Più recentemente, Wirth e colleghi hanno dimostrato che un “approccio esteso ai valori ordinati” mostra una maggiore sensibilità alle differenze nei tassi longitudinali di perdita di cartilagine nelle ginocchia con e senza JSN al basale rispetto alle sottoregioni anatomiche e alla radiografia. Poiché aggirano le sfide della selezione a priori di particolari regioni negli studi clinici, questi nuovi metodi possono diventare strumenti utili negli studi DMOAD.
La RMN quantitativa è stata utilizzata negli studi clinici per valutare l’efficacia della terapia farmacologica dell’OA. In un confronto tra utenti di inibitori della cicloossigenasi-2 e utenti di farmaci antinfiammatori non steroidei convenzionali, quest’ultimo gruppo è stato segnalato per avere una maggiore perdita di volume della cartilagine del ginocchio. La risonanza magnetica quantitativa è stata utilizzata anche in studi che tentano di identificare i bio-marcatori per prevedere la progressione della malattia di OA. Un maggiore rimodellamento osseo è stato associato a una ridotta perdita di cartilagine, e bassi livelli di biomarcatori cartilaginei al basale sono stati associati a un tasso significativamente ridotto di perdita di volume della cartilagine mediale. Valori basali più alti di interleuchina-6, proteina C-reattiva e proteina della matrice oligomerica della cartilagine erano predittivi di un maggior rischio di perdita di volume della cartilagine, ma nel tempo una riduzione dei livelli di metalloproteinasi di matrice (MMP)-1 e MMP-3 si correlava meglio con una ridotta perdita di volume della cartilagine e con l’effetto del trattamento DMOAD.
Valutazione compositiva
La cartilagine articolare ialina è composta da una rete macromolecolare piena di fluidi che supporta carichi meccanici. Questa rete macromolecolare consiste principalmente di collagene e proteoglicani. Il collagene è la macromolecola più abbondante e l’aggrecan, un grande proteoglicano aggregante, è il secondo più abbondante. Nelle articolazioni normali, la rete di collagene funge da quadro strutturale per il tessuto, fornendo la fonte principale della sua resistenza alla trazione e al taglio. I glicosaminoglicani sono attaccati covalentemente come catene laterali alla molecola del proteoglicano ed esibiscono abbondanti gruppi carbossilici e solfati caricati negativamente. I glicosaminoglicani forniscono alla cartilagine una notevole resistenza alla compressione. Poiché i proteoglicani hanno una sostanziale carica fissa negativa netta, gli ioni mobili come il sodio (Na+) e gli agenti di contrasto caricati a base di gadolinio per la risonanza magnetica (per esempio, l’acido gadolinio dietilene triamina pentaacetico (Gd-DTPA)2-) sono distribuiti in relazione alla concentrazione di proteoglicani nella cartilagine, con Na+ in concentrazione inferiore e Gd-DTPA2- in concentrazione superiore nella cartilagine impoverita di glicosaminoglicani rispetto al tessuto normale. Poiché i glicosaminoglicani associati al collagene e ai proteoglicani sono importanti per l’integrità funzionale e strutturale della cartilagine, la risonanza magnetica composizionale della cartilagine si concentra sul contenuto di collagene e glicosaminoglicani. Le tecniche di risonanza magnetica per valutare le caratteristiche composizionali della cartilagine articolare nel ginocchio includono la mappatura T2, la risonanza magnetica potenziata con gadolinio ritardato della cartilagine (dGEMRIC), l’imaging T1 rho, l’imaging del sodio e l’imaging pesato in diffusione (DWI).
La mappatura T2 è forse il parametro più studiato per l’imaging molecolare della cartilagine. Il T2 è un riflesso delle interazioni tra le molecole d’acqua e le macromolecole circostanti ed è influenzato da molti processi fisiologici e fisiopatologici relativi allo stato della cartilagine. L’aumento focale del tempo di rilassamento T2 è stato associato al danno della matrice cartilaginea, in particolare con la perdita di integrità del collagene e un aumento del contenuto di acqua. Le tecniche di mappatura T2 non utilizzano materiale di contrasto, hanno dimostrato di essere clinicamente utili e sono ben convalidate e robuste. Le mappe T2 possono essere utilizzate per monitorare l’efficacia della riparazione della cartilagine nel tempo. La mappatura T2 può essere implementata con relativa facilità poiché il software per la generazione di mappe T2 a colori è ora disponibile in pacchetti commerciali. È stato dimostrato che il T1 rho è correlato alla concentrazione di proteoglicani nella cartilagine. Uno studio recente ha dimostrato che i cambiamenti di T1 rho con il carico possono essere correlati alle proprietà biomeccaniche della cartilagine (cioè l’elasticità) e possono essere un valido strumento per identificare la malattia della cartilagine in fase iniziale.
La tecnica di risonanza magnetica potenziata con gadolinio ritardato della cartilagine (dGEMRIC) si basa sul fatto che i glicosaminoglicani contengono catene laterali caricate negativamente, che portano ad una distribuzione inversa delle molecole del mezzo di contrasto caricate negativamente (come il gadolinio) rispetto alla concentrazione dei glicosaminoglicani. Poiché la concentrazione di molecole di Gd-DTPA2- può essere approssimata misurando T1, la mappatura T1 della cartilagine dopo la somministrazione endovenosa di Gd-DTPA2- permette una valutazione quantitativa del contenuto di glicosaminoglicani. La misurazione del T1 dopo la penetrazione di Gd-DTPA2- è indicata come indice dGEMRIC. Le aree di cartilagine con un indice dGEMRIC più basso sono comunemente osservate nelle articolazioni in cui i risultati radiografici sono indicativi di OA. L’indice dGEMRIC è stato convalidato rispetto alle misurazioni istologiche e biochimiche del contenuto di glicosaminoglicani in studi clinici. dGEMRIC ha un potenziale come tecnica non invasiva per monitorare il contenuto di glicosaminoglicani della cartilagine dopo la riparazione con varie tecniche (Figura 6). Ha anche dimostrato la capacità di dimostrare i cambiamenti nella cartilagine morfologicamente intatta che possono essere predittivi di progressione verso l’OA. Un recente studio pilota randomizzato controllato ha dimostrato che la tecnica dGEMRIC può essere in grado di rilevare i cambiamenti nel contenuto di proteoglicani nella cartilagine del ginocchio tra gli individui che assumono idrolizzato di collagene dopo 24 settimane. Gli svantaggi della tecnica dGEMRIC sono la doppia dose di mezzo di contrasto MRI necessaria e il ritardo tra la somministrazione del contrasto per via endovenosa e l’esame MRI per consentire la completa penetrazione del mezzo di contrasto nella cartilagine.
immagini dGEMRIC di ginocchia in un individuo senza evidenza di osteoartrite radiografica (Kellgren-Lawrence grado 0). (a) Prima, (b) 3 mesi dopo, e (c) 1 anno dopo l’intervento di riparazione meniscale. La scala di colori mostra valori che aumentano da valori più bassi (gamma rosso-giallo) a valori medio-alti (gamma giallo-verde) in questo periodo di tempo. Queste immagini dimostrano il potenziale per mostrare variazioni nello stato molecolare della cartilagine anche in regioni di tessuto morfologicamente intatto e, come in questo caso, potenzialmente monitorare la riparazione della cartilagine quando alleviato del trauma o con un intervento progettato per migliorare lo stato biomeccanico del giunto. dGEMRIC, risonanza magnetica potenziata con gadolinio ritardato della cartilagine.
Il sodio è uno ione naturalmente abbondantemente caricato positivamente che si distribuisce nella cartilagine in proporzione alla concentrazione di molecole di glicosaminoglicano caricate negativamente. La risonanza magnetica al sodio ha dimostrato risultati promettenti nella valutazione della composizione della cartilagine articolare. Può descrivere le regioni di deplezione dei proteoglicani, che mostrano un’intensità di segnale inferiore rispetto alle aree di cartilagine normale. Pertanto, la risonanza magnetica al sodio può essere utile per differenziare la cartilagine degenerata allo stadio iniziale dalla cartilagine normale. Anche se la risonanza magnetica al sodio ha un’alta specificità e non richiede alcun agente di contrasto esogeno, richiede capacità hardware speciali (multinucleare), bobine a radiofrequenza specializzate (trasmissione/ricezione) e probabilmente sequenze 3D a TE ultracorto. Queste sfide attualmente limitano l’uso della risonanza magnetica al sodio in un contesto clinico.
Infine, la DWI della cartilagine si basa sul movimento delle molecole d’acqua all’interno della cartilagine. La grandezza e la direzione della diffusività locale del tessuto sono legate all’ambiente macro-molecolare della diffusione dell’acqua in massa. La diffusione dell’acqua nella cartilagine articolare riflette la struttura biochimica e l’architettura del tessuto. Il coefficiente di diffusione apparente (ADC) è basso a tempi di diffusione lunghi nella cartilagine sana perché la diffusione delle molecole d’acqua è limitata dai componenti della cartilagine. Tuttavia, la rottura della matrice cartilaginea si traduce in una maggiore mobilità dell’acqua, che aumenta i valori ADC della cartilagine. Un recente studio di DWI nella valutazione della riparazione della cartilagine come l’impianto di condrociti autologhi in vivo riportato buona sensibilità per il monitoraggio dei cambiamenti nel comportamento di diffusione degli impianti nel tempo. Le ultime due tecniche (cioè, l’imaging del sodio e DWI) sono ancora nella loro infanzia; a nostra conoscenza, non sono stati pubblicati grandi studi clinici utilizzando entrambe le tecniche in pazienti con OA del ginocchio o riparazione della cartilagine del ginocchio. Tuttavia, il campo della risonanza magnetica composizionale sembra avere un grande potenziale per aumentare la nostra comprensione dell’OA e per lo sviluppo di trattamenti che modificano la malattia.
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