Исследование пространственной коллагеновой структуры суставного хряща с помощью высокоразрешающей ЯМР-томографии

Раздел I. Аппаратные и программные средства функциональной диагностики и терапии

УДК 541.64

Н. Гарнов, В. Грюндер

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КОЛЛАГЕНОВОЙ СТРУКТУРЫ СУСТАВНОГО ХРЯЩА С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩЕЙ ЯМР-ТОМОГРАФИИ

Исследование структурной матрицы гиалинового хряща, покрывающего соприкасающиеся кости коленного сустава, а также биомеханических и биохимических характеристик этой ткани способствует развитию методик для ранней диагностики артрита. Выдающиеся вискоэластические свойства хряща обоснованы сложным взаимодействием основных составляющих компонентов ткани - протеоглюканов и коллагена [1]. При этом решающее значение имеет организованная ориентация коллагеновых волокон, которая описывается аркадной моделью, предложенной Ветш^ой" в 1925 году [2]. В соответствии с этой моделью, волокна расположены вертикально в глубине хрящевой ткани, изгибаются вблизи поверхности и переходят в тангенциальный слой (рис. 1,а).

а б

Рис. 1. а - аркадная модель строения хрящевой ткани; б - Пространственная структура пластинчатого коллагенного хряща [3]

Изучению структуры суставного хряща, а также его биомеханических характеристик уделяется большое внимание с начала 20 века. Особенно развитие электронно-микроскопических методик привело к возникновению противоречивых высказываний и теорий относительно пространственной структуры этой ткани. Так, если на настоящий момент аркадная модель подтверждается исследованиями большинства ученых, то в вопросе пространственного расположения коллагеновых волокон существуют до сих пор спорные точки зрения.

Исследования, проведенные с помощью сканирующей электронной микроскопии, привели к постулированию двух видов пространственной организации коллагеновой структуры: пластинчатая (англ. leaf-like) [3-5] и колоннообразная (англ. columnar) [4, 6-9]. Согласно пластинчатой модели, коллагеновые волокна сформированы в плотно прилегающие и связанные друг с другом слои, которые образуют арки. Сами же пластинки, однако, образованы абсолютно беспорядочно (изотропически) пролегающими волокнами (рис. 1,б). При колоннообразной же структуре отдельные ворсинки сформированы в пучки

(волокна), которые имеют аркадную форму.

При детальном изучении литературы, описывающей результаты исследований суставного хряща с помощью сканирующей электронной микроскопии, были выявлены некоторые несоответствия в определении пластинчатой или колоннообразной структуры ткани. Minns и Steven, а также Nürnberger et al. сообщают о leaf-like строении коллагеновой структуры хряща, в глубине ткани, однако, обнаруживают упорядоченное радиальное расположение волокон [6, 9]. Clark описывает columnare-структуру в центральных регионах, но частично пластинчатую на периферии суставов [16], однако настаивает на строго радиальной матрице в глубине хрящевой ткани [7]. Другие авторы придерживаются пластинчатой модели с сугубо изотропным распределением коллагенных волокон внутри пластинок [35]. Hunziker et al. советуют не придерживаться крайних точек зрения и предложили модель, описывающую глубокие слои хрящевой ткани, включающие как радиальные, так и беспорядочно ориентированные волокна [11].

Очевидно, и в настоящее время не найдено однозначного ответа на вопрос организации пространственной структуры гиалинового хряща. Однако leaf-like модель неприемлема с точки зрения Т2-взвешенной ЯМР-микроскопии, которая опирается на влияние расположения хряща в постоянном магнитном поле на интенсивность ЯМР-сигнала [17]. В первую очередь это касается того факта, что коллагеновые волокна, формирующие пластинки, не имеют упорядоченной (радиальной) структуры даже в глубине хрящевой ткани. С точки зрения ЯМР, последствием этого было бы отсутствие влияния ориентации хряща во внешнем магнитном поле на ЯМР-интенсивность, и следовательно отсутствие выраженного эффекта «магического угла» на одной из плоскостей изображения (coronal или sagittal), параллельной коллагеновым пластинкам, при нормальном изображении другой плоскости. Из литературы и клинической практики, однако, такие случаи неизвестны. Но и специального исследования, направленного на решение этой проблемы, по нашим сведениям, также на настоящий момент не существует.

В связи с этим мы провели ряд ЯМР-экспериментов, в которых были использованы пробы хрящей человека и свиньи. Пространственная структура хряща этих особей, согласно Kääb, должна иметь строго leaf-like структуру [4].

В ходе исследования были получены Т2-взвешенные ЯМР-изображения (Rare, TEeff= = 20 ms, TR = 1500 ms, RF = 4, 70*70 цт/pix) при различной ориентации проб в магнитном поле B0 и в различных направлениях (coronal, sagittal). Измерения были проведены на 8-ми пробах (цилиндр хрящ-кость, диаметром ок. 15 мм): femur medial и lateral, tibia medial и lateral, соответственно, левой конечности 92-летней женщины и 7-летней свиноматки. Пробы были помещены в томограф (Bruker AMX 300, 7.1 Тл) так, что нормаль к поверхности хряща была параллельна направлению B0, и в ходе эксперимента они вращались в 9 тактов на 90°, после каждого такта было сделано изображение. Таким образом, каждой пробе соответствовал ряд изображений с углом между нормалью к поверхности хряща и направлением статического магнитного поля равным 0 - 90° соответственно в корональ-ном и сагиттальном направлениях.

Как было описано в [17], для идеально радиальной ориентации коллагеновых волокон интенсивность ЯМР-сигнала (в случае Т2-взвешенного изображения) I зависит от угла согласно соотношению

т —(1-3cos2 в)2

I <х \

Однако согласно leaf-like модели строения коллагенового хряща, в одном направлении (из литературы: в корональном) эта зависимость должна отсутствовать, т.к. волокна расположены в пластинках неорганизовано.

На рис. 2 представлены результаты измерения ЯМР-интенсивности (I) в радиальной (глубинной) зоне хряща в зависимости от ориентации в магнитном поле и плоскости изме-

рения. На обоих графиках наблюдается однозначная зависимость интенсивности от ориентации в В0, описанная соотношением (1), с максимумом при 55° («магический угол»), вне зависимости от плоскости измерения. Этот результат практически исключает возможность неупорядоченного (изотропного) расположения коллагеновых волокон в глубинной (радиальной) зоне хряшэ.

угол 0 угол о

а б

Рис. 2. Зависимость I

Решающим преимуществом микроскопических методик является прямое визуальное представление исследуемых структур, тогда как по ЯМР-изображению можно судить о коллагеновой ультраструктуре только с помощью модели диполь-дипольного взаимодействия протонов молекул воды, связанных с протеоглюканами хрящевой ткани [17]. Однако ЯМР-томография предоставляет возможность исследования свежих проб а также in vivo. Любому же гистологическому исследованию биологических объектов предшествует сложный препаративный процесс, несущий в себе большой артефактный потенциал. В частности, пробы хряща для сканирующей электронной микроскопии подвергаются энзиматической обработке, фиксации, обезвоживанию в этаноле, после которых объект разламывается в засушенном или замороженном состоянии [3-5, 7]. Вероятно, один или некоторые из процессов подготовки проб оказывают непредвиденное влияние на строение хрящевой ткани, ведущее в итоге при микроскопическом исследовании к констатированию leaf-like структуры. Некоторые авторы упоминают в своих работах такие возможные артефакты при подготовке хрящевых проб к SEM-исследованиям, как расщепление и нарушение анизотропии структуры ткани [18-20].

Результатом представленной работы является опровержение изотропии коллагеновых волокон в глубинной радиальной зоне хрящевого слоя, описанной в leaf-like модели ультраструктуры гиалинового хряща коленного сустава, с точки зрения Т2-взвешенной ЯМР-томографии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. M. Annefeld. Der Chondrozyt, das lebende Element des Gelenkknorpels. In H.G.Fassbender,

Hrsg., Gelenkknorpel und Arthrose. Stuttgart, 1983.

2. A. Benninghoff. Der funktionelle Aufbau des Hyalinknorpels. Ergeb. Anat.

Entwicklungsgesch., 26:1-54, 1925.

3. A. Jeffery, G. Blunn, C. Archer, G. Bentley. Three-dimensional collagen architecture in bovine articular cartilage. J Bone Joint Surg 73-B: 795-801, 1991.

4. M. Kääb, I. Gwynn, H. Nötzli. Collagen fibre arrangement in the tibial plateau articular cartilage of man and other mammalian species. J. Anat. 193, 23-34, 1998.

5. D. Goodwin, H: Zhu, J. Dunn. In Vitro MR Imaging of hyaline cartilage: correlation with scanning electron microscopy. AJR; 174: 405-409; 2000.

6. R. Minns, F. Steven. The collagen fibril organization in human articular cartilage. J Anat. 123 (Pt 2): 437-457, 1977.

7. J. Clark. Variation of Collagen Fiber Alignment in a Joint Surface: A Scanning Electron Microscope Study of the Tibial Plateau in Dog, Rabbit, and Man. J. Orthop. Res. 9:246-257, 1991.

8. M. Kääb, K. Ito, J. Clark, H. Notzli. Deformation of articular cartilage collagen structure under static and cyclic loading. J. Orthop. Res. 16: 743-751, 1998.

9. S. Nürnberger, W. Klepal, V. Vécsei, S. Marlovits. Ultrastructural insights into the world of cartilage: electron microscopy of articular cartilage. Ost Tr Care 14:168-180, 2006.

10. I. Clarke. Articular cartilage: a review and scanning electron microscope study. I. The interterritorial fibrillar architecture. J Bone Joint Surg Br. 53(4):732-50, 1971.

11. E. Hunziker, M. Michel, D. Studer. Ultrastructure of adult human articular cartilage matrix after cryotechnical processing. Microsc Res Tech. 37(4): 271-84, 1997.

12. G. Kempson, M. Freeman, S. Swanson. Tensile properties of articular cartilage. Nature. 220:1127-8, 1968.

13. W. Hultkrantz. Über die Spaltrichtungen der Gelenkknorpel. Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft, Kiel, 248, 1898.

14. S. Below, S. Arnoczky, J. Dodds, C. Kooima, N. Walter. The split-line pattern of the distal femur: A consideration in the orientation of autologous cartilage grafts. Arthroscopy. 18(6): 6137, 2002.

15. D. Goodwin, Y. Wadghiri, H. Zhu, C. Vinton, E. Smith, J. Dunn. Macroscopic Structure of Articular Cartilage of the Tibial Plateau: Influence of a Characteristic Matrix Architecture on MRI Appearance. AJR 182:311-318, 2004.

16. J. Clark. The organisation of collagen fibrils in the superficial zones of articular cartilage. J Anat. 171:117-30, 1990.

17. Н. Гарнов, В. Грюндер. Исследование ультраструктуры и биомеханических свойств суставного хряща с помощью высокоразрешающей ЯМР-томографии. Известия ТРТУ. МИС-2006. 11(66). С.58-65, 2006.

18. A. Boyde, E. Bailey, S. Jones, A. Tamarin. Dimensional changes during specimen preparation for scanning electron microscopy. In: Proceedings of the 10th Annual Scanning Electron Microscopy Symposium, Chicago, in Scanning Electron Microscopy/1977/I, IIT Res. Inst., Chicago, 507-518. 1977.

19. H. Helminen, J. Jurvelin, M. Tammi, A. Pelttari, C. Svartbäck, I. Kiviranta, A. Säämänen, K. Paukkonen. Prolonged ethanol replacement by CO2 increases splits on articular cartilage surface after critical point drying. J Microsc. 137(Pt 3):305-12, 1985.

20. J. Clark, P. Simonian. Scanning electron microscopy of "fibrillated" and "malacic" human articular cartilage: technical considerations. Microsc. Res. Tech. 37(4):299-313, 1997.

УДК 681.323:621.391.837

И.В. Разин, Е.П. Попечителев

О КОРРЕЛЯЦИОННОМ АНАЛИЗЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ОПИСАНИЯ

Весьма распространенной задачей в анализе биомедицинских изображений является задача быстрого поиска заданного (эталонного) изображения среди множества изображе-