Diagnosi di osteoartrite: risonanza magnetica della cartilagine articolare

L'immagine MRI della cartilagine articolare riflette la totalità della sua struttura istologica e della sua composizione biochimica. La cartilagine articolare è ialina, ovvero priva di irrorazione sanguigna, drenaggio linfatico e innervazione propria. È composta da acqua e ioni, fibre di collagene di tipo II, condrociti, aggregati di proteoglicani e altre glicoproteine. Le fibre di collagene sono rinforzate nello strato subcondrale dell'osso, come un'ancora, e corrono perpendicolarmente alla superficie articolare, dove divergono orizzontalmente. Tra le fibre di collagene si trovano grandi molecole di proteoglicani con una significativa carica negativa, che attraggono intensamente le molecole d'acqua. I condrociti cartilaginei sono disposti in colonne uniformi. Sintetizzano collagene e proteoglicani, nonché enzimi inattivi che degradano gli enzimi e gli inibitori enzimatici.

Istologicamente, sono stati identificati tre strati di cartilagine nelle grandi articolazioni come il ginocchio e l'anca. Lo strato più profondo è la giunzione tra cartilagine e osso subcondrale e funge da strato di ancoraggio per una vasta rete di fibre di collagene che si estendono da esso alla superficie in densi fasci connessi da numerose fibrille reticolate. Questo è chiamato strato radiale. Verso la superficie articolare, le singole fibre di collagene diventano più sottili e si raggruppano in fasci paralleli più regolari e compatti con meno reticolazioni. Lo strato intermedio, lo strato di transizione o intermedio, contiene fibre di collagene organizzate in modo più casuale, la maggior parte delle quali è orientata obliquamente per resistere a carichi verticali, pressioni e urti. Lo strato più superficiale della cartilagine articolare, noto come strato tangenziale, è un sottile strato di fibre di collagene strettamente compatte e orientate tangenzialmente che resiste alle forze di trazione esercitate dal carico compressivo e forma una barriera impermeabile al liquido interstiziale, prevenendone la perdita durante la compressione. Le fibre collagene più superficiali di questo strato sono disposte orizzontalmente, formando densi strati orizzontali sulla superficie articolare, anche se le fibrille della zona tangenziale superficiale non sono necessariamente collegate a quelle degli strati più profondi.

Come notato, all'interno di questa complessa rete cellulare di fibre si trovano molecole aggregate di proteoglicani idrofili. Queste grandi molecole presentano frammenti SQ e COO" caricati negativamente alle estremità delle loro numerose ramificazioni, che attraggono fortemente gli ioni di carica opposta (solitamente Na ⁺ ), favorendo a loro volta la penetrazione osmotica dell'acqua nella cartilagine. La pressione all'interno della rete di collagene è enorme e la cartilagine funziona come un cuscinetto idrodinamico estremamente efficiente. La compressione della superficie articolare provoca uno spostamento orizzontale dell'acqua contenuta nella cartilagine, poiché la rete di fibre di collagene viene compressa. L'acqua viene ridistribuita all'interno della cartilagine in modo che il suo volume complessivo non possa variare. Quando la compressione dopo il carico articolare viene ridotta o eliminata, l'acqua torna indietro, attratta dalla carica negativa dei proteoglicani. Questo è il meccanismo che mantiene un elevato contenuto di acqua e quindi un'elevata densità protonica della cartilagine. Il contenuto di acqua più elevato si osserva più vicino alla superficie articolare e diminuisce verso l'osso subcondrale. La concentrazione di proteoglicani aumenta negli strati profondi della cartilagine.

Attualmente, la risonanza magnetica (RM) è la principale tecnica di imaging per la cartilagine ialina, eseguita principalmente utilizzando sequenze a gradiente echo (GE). La RM riflette il contenuto d'acqua della cartilagine. Tuttavia, la quantità di protoni dell'acqua contenuti nella cartilagine è importante. Il contenuto e la distribuzione delle molecole idrofile di proteoglicani e l'organizzazione anisotropica delle fibrille di collagene influenzano non solo la quantità totale di acqua, ovvero la densità protonica, nella cartilagine, ma anche lo stato delle proprietà di rilassamento, ovvero T2, di quest'acqua, conferendo alla cartilagine le sue caratteristiche immagini "zonali" o stratificate sulla RM, che alcuni ricercatori ritengono corrispondano agli strati istologici della cartilagine.

Nelle immagini con tempo di eco (TE) molto breve (inferiore a 5 ms), le immagini ad alta risoluzione della cartilagine mostrano in genere un'immagine a due strati: lo strato profondo è situato più vicino all'osso nella zona di precalcificazione e ha un segnale basso, poiché la presenza di calcio accorcia notevolmente il TR e non produce un'immagine; lo strato superficiale produce un segnale MP di intensità da media ad alta.

Nelle immagini TE intermedie (5-40 ms) la cartilagine presenta un aspetto a tre strati: uno strato superficiale a basso segnale; uno strato di transizione a intensità di segnale intermedia; uno strato profondo a basso segnale MP. Nella pesatura T2, il segnale non include lo strato intermedio e l'immagine della cartilagine assume un'intensità omogeneamente bassa. Quando si utilizza una bassa risoluzione spaziale, a volte nelle immagini TE brevi appare uno strato aggiuntivo a causa di artefatti da taglio obliquo e di un elevato contrasto all'interfaccia cartilagine/fluido; questo può essere evitato aumentando le dimensioni della matrice.

Inoltre, alcune di queste zone (strati) potrebbero non essere visibili in determinate condizioni. Ad esempio, quando l'angolo tra l'asse cartilagineo e il campo magnetico principale cambia, l'aspetto degli strati cartilaginei può variare e la cartilagine può presentare un'immagine omogenea. Gli autori spiegano questo fenomeno con la proprietà anisotropica delle fibre di collagene e il loro diverso orientamento all'interno di ogni strato.

Altri autori ritengono che ottenere un'immagine a strati della cartilagine non sia affidabile e rappresenti un artefatto. Le opinioni dei ricercatori divergono anche riguardo all'intensità dei segnali provenienti dalle immagini a tre strati della cartilagine ottenute. Questi studi sono molto interessanti e, naturalmente, richiedono ulteriori approfondimenti.

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Cambiamenti strutturali della cartilagine nell'osteoartrite

Nelle fasi iniziali dell'osteoartrite, si verifica la degradazione della rete di collagene negli strati superficiali della cartilagine, con conseguente sfilacciamento superficiale e aumento della permeabilità all'acqua. Man mano che alcuni proteoglicani vengono distrutti, compaiono più glicosamminoglicani a carica negativa, che attraggono cationi e molecole d'acqua, mentre i proteoglicani rimanenti perdono la loro capacità di attrarre e trattenere acqua. Inoltre, la perdita di proteoglicani riduce il loro effetto inibitorio sul flusso interstiziale di acqua. Di conseguenza, la cartilagine si gonfia, il meccanismo di compressione (ritenzione) dei liquidi "non funziona" e la resistenza alla compressione della cartilagine diminuisce. Si verifica l'effetto di trasferire la maggior parte del carico sulla matrice dura già danneggiata, e questo porta al fatto che la cartilagine gonfia diventa più suscettibile al danno meccanico. Di conseguenza, la cartilagine viene ripristinata o continua a deteriorarsi.

Oltre al danno ai proteoglicani, la rete di collagene viene parzialmente distrutta e non viene più ripristinata, e nella cartilagine compaiono crepe e ulcere verticali. Queste lesioni possono estendersi lungo la cartilagine fino all'osso subcondrale. I prodotti di decomposizione e il liquido sinoviale si diffondono allo strato basale, causando la comparsa di piccole aree di osteonecrosi e cisti subcondrali.

Parallelamente a questi processi, la cartilagine subisce una serie di cambiamenti riparativi nel tentativo di ripristinare la superficie articolare danneggiata, tra cui la formazione di condrofiti. Questi ultimi, alla fine, subiscono un'ossificazione encondrale e si trasformano in osteofiti.

Traumi meccanici acuti e carichi compressivi possono portare allo sviluppo di crepe orizzontali nello strato calcificato profondo della cartilagine e al distacco della cartilagine dall'osso subcondrale. La scissione o delaminazione basale della cartilagine in questo modo può fungere da meccanismo di degenerazione non solo della cartilagine normale sotto sovraccarico meccanico, ma anche nell'osteoartrosi, quando si verifica instabilità articolare. Se la cartilagine ialina viene completamente distrutta e la superficie articolare viene esposta, sono possibili due processi: il primo è la formazione di una sclerosi densa sulla superficie ossea, chiamata eburnazione; il secondo è il danneggiamento e la compressione delle trabecole, che nelle immagini radiografiche appare come sclerosi subcondrale. Di conseguenza, il primo processo può essere considerato compensatorio, mentre il secondo è chiaramente una fase di distruzione articolare.

L'aumento del contenuto d'acqua nella cartilagine aumenta la densità protonica della cartilagine ed elimina gli effetti di accorciamento in T2 della matrice proteoglicano-collagene, che presenta un'elevata intensità di segnale nelle aree di danno alla matrice nelle sequenze RM convenzionali. Questa condromalacia precoce, che è il segno più precoce di danno cartilagineo, può essere visibile prima ancora che si verifichi un lieve assottigliamento della cartilagine. In questa fase può essere presente anche un lieve ispessimento o "gonfiore" della cartilagine. Le alterazioni strutturali e biomeccaniche della cartilagine articolare sono progressive, con perdita di sostanza fondamentale. Questi processi possono essere focali o diffusi, limitati ad assottigliamento e sfilacciamento superficiali, o alla completa scomparsa della cartilagine. In alcuni casi, l'ispessimento o il "gonfiore" focale della cartilagine può essere osservato senza alterazione della superficie articolare. Nell'osteoartrite, si osserva spesso un aumento focale dell'intensità del segnale della cartilagine nelle immagini pesate in T2, confermato artroscopicamente dalla presenza di alterazioni lineari superficiali, transmurali e profonde. Queste ultime possono riflettere alterazioni degenerative profonde, che iniziano principalmente con il distacco della cartilagine dallo strato calcificato o dalla linea di marea. Le alterazioni precoci possono essere limitate agli strati profondi della cartilagine, nel qual caso non sono rilevabili all'esame artroscopico della superficie articolare, sebbene la scarsità focale degli strati profondi della cartilagine possa portare al coinvolgimento degli strati adiacenti, spesso con proliferazione dell'osso subcondrale sotto forma di osteofita centrale.

Esistono dati in letteratura straniera sulla possibilità di ottenere informazioni quantitative sulla composizione della cartilagine articolare, ad esempio sul contenuto di acqua e sul coefficiente di diffusione dell'acqua nella cartilagine. Ciò si ottiene utilizzando programmi speciali del tomografo RM o con la spettroscopia RM. Entrambi questi parametri aumentano con il danno alla matrice proteoglicano-collagene durante la lesione cartilaginea. La concentrazione di protoni mobili (contenuto di acqua) nella cartilagine diminuisce nella direzione dalla superficie articolare verso l'osso subcondrale.

La valutazione quantitativa delle alterazioni è possibile anche su immagini pesate in T2. Combinando i dati di immagini della stessa cartilagine ottenute con diversi TE, gli autori hanno valutato le immagini pesate in T2 (WI) della cartilagine utilizzando una curva esponenziale appropriata a partire dai valori di intensità del segnale ottenuti per ciascun pixel. Il T2 viene valutato in un'area specifica della cartilagine o visualizzato su una mappa dell'intera cartilagine, in cui l'intensità del segnale di ciascun pixel corrisponde al T2 in tale posizione. Tuttavia, nonostante le capacità relativamente ampie e la relativa semplicità del metodo sopra descritto, il ruolo del T2 è sottostimato, in parte a causa di un aumento degli effetti correlati alla diffusione con l'aumento del TE. Il T2 è principalmente sottostimato nella cartilagine della condromalacia, quando la diffusione dell'acqua aumenta. A meno che non vengano utilizzate tecnologie speciali, il potenziale aumento del T2 misurato con queste tecnologie nella cartilagine della condromalacia sopprimerà leggermente gli effetti correlati alla diffusione.

Pertanto, la risonanza magnetica è un metodo molto promettente per rilevare e monitorare i primi cambiamenti strutturali caratteristici della degenerazione della cartilagine articolare.

Cambiamenti morfologici della cartilagine nell'osteoartrite

La valutazione delle alterazioni morfologiche della cartilagine dipende dall'elevata risoluzione spaziale e dall'elevato contrasto tra la superficie articolare e l'osso subcondrale. Questo risultato si ottiene al meglio utilizzando sequenze 3D GE pesate in T1 con soppressione del tessuto adiposo, che riflettono accuratamente i difetti locali identificati e verificati sia in artroscopia che nel materiale autoptico. La cartilagine può anche essere visualizzata con il trasferimento di magnetizzazione per sottrazione d'immagine, nel qual caso la cartilagine articolare appare come una banda separata con elevata intensità di segnale, in netto contrasto con il liquido sinoviale a bassa intensità adiacente, il tessuto adiposo intra-articolare e il midollo osseo subcondrale. Tuttavia, questo metodo produce immagini con una velocità dimezzata rispetto alle immagini pesate in T1 con soppressione del tessuto adiposo ed è quindi meno diffuso. Inoltre, difetti locali, irregolarità superficiali e assottigliamento generalizzato della cartilagine articolare possono essere visualizzati utilizzando sequenze RM convenzionali. Secondo alcuni autori, i parametri morfologici - spessore, volume, geometria e topografia superficiale della cartilagine - possono essere calcolati quantitativamente utilizzando immagini RM 3D. Sommando i voxel che compongono l'immagine 3D ricostruita della cartilagine, è possibile determinare il valore esatto di queste strutture complessamente correlate. Inoltre, la misurazione del volume totale della cartilagine ottenuto da singole sezioni è un metodo più semplice grazie alle minori variazioni nel piano di una singola sezione e offre una risoluzione spaziale più affidabile. Studiando articolazioni del ginocchio amputate intere e campioni rotulei ottenuti durante l'artroplastica di queste articolazioni, è stato determinato il volume totale della cartilagine articolare di femore, tibia e rotula ed è stata riscontrata una correlazione tra i volumi ottenuti mediante RM e i volumi corrispondenti ottenuti separando la cartilagine dall'osso e misurandola istologicamente. Pertanto, questa tecnologia può essere utile per la valutazione dinamica delle variazioni di volume della cartilagine nei pazienti con osteoartrite. Ottenere le sezioni necessarie e accurate della cartilagine articolare, soprattutto nei pazienti con osteoartrite, richiede una competenza ed esperienza sufficienti da parte del medico che esegue l'esame, nonché la disponibilità di un software RM appropriato.

Le misurazioni del volume totale contengono poche informazioni sulle alterazioni diffuse e sono quindi sensibili alla perdita locale di cartilagine. Teoricamente, la perdita o l'assottigliamento della cartilagine in un'area potrebbe essere bilanciata da un equivalente aumento del volume cartilagineo in altre parti dell'articolazione, e la misurazione del volume totale della cartilagine non mostrerebbe alcuna anomalia, quindi tali alterazioni non sarebbero rilevabili con questo metodo. La suddivisione della cartilagine articolare in piccole regioni distinte mediante ricostruzione 3D ha reso possibile stimare il volume cartilagineo in aree specifiche, in particolare sulle superfici sottoposte a sollecitazioni. Tuttavia, l'accuratezza delle misurazioni è ridotta poiché viene eseguita una suddivisione molto limitata. In definitiva, è necessaria una risoluzione spaziale estremamente elevata per confermare l'accuratezza delle misurazioni. Se si riesce a raggiungere una risoluzione spaziale sufficiente, diventa possibile la prospettiva di mappare lo spessore cartilagineo in vivo. Le mappe dello spessore cartilagineo possono riprodurre il danno locale durante la progressione dell'osteoartrite.