Studying ultrastructure and biomechanical properties of joint cartilage by means of high-resolution MRI

Известия ТРТУ

Тематический выпуск

9. Nag D, Liney G, Gillespie P, Sherman K. Quantification of T2 relaxation changes in articular cartilage with in situ mechanical loading of the knee. J.Magn.Reson.Imaging, 19:317-322, 2004.

10. P. Seidel, G. Hanke, W. Grunder. Load distribution of articular cartilage from MR-images by neural nets. Z.Med.Phys., 15:101-106, 2005.

11. G. Gold, T. Besier, C. Draper, D. Asakawa, S. Delp, G. Beaupre. Weight-bearing of patel-lofemoral joint cartilage contact area. J.Magn.Reson.Imaging, 20:526-530, 2004.

12. G. Hanke, U. Reibetanz, W. Grunder. Determination of stress distribution in articular cartilage by means of intensity shifts under load. Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB, Glasgow, 21.-27. April 2001.

13. Grunder W, Kanowski M. Druckapparaturen fur NMR-mikroskopische Untersuchungen zum Belastungsverfahren von Gelenkknorpel. Biomed. Tech. 1998; 43: 287-292.

14. Grunder W, Kanowski M, Wagner M, Werner A. Visualization of pressure distribution within loaded joint cartilage by application of angle sensitive NMR microscopy. Magn. Reson. Med. 2000; 43: 884-891.

N. Garnov, W. Grunder

STUDYING ULTRASTRUCTURE AND BIOMECHANICAL PROPERTIES OF JOINT CARTILAGE BY MEANS OF HIGH-RESOLUTION MRI

Osteoarthrosis, which is mainly caused by joint cartilage degradation, is one of the most common diseases in the old age. Non-invasive methods to point out cartilage degeneration could greatly improve the early diagnosis and therefore the possibilities of intervention. In the last years Magnetic Resonance Imaging (MRI) turned out to be a powerful tool to investigate joint cartilage. Additional to a direct visualization of cartilage thickness and surface properties, the cartilage ultrastructure (collageneous network organization) non-invasively can be assess. Using load-influenced changes of the network structure biomechanical properties can be acquired.

By means of high-resolution MRI (MRI-microscopy, based on the properties of water molecules in the tissue) images with a resolution up to 10 ^m can be taken. Contrast determining is thereby the hydrate covers water connected with proteoglycan groups. Because of a direct interaction between these water molecules and collagen fibers, we have a potential non-invasive method to derive information about collageneous network structure. This is based on the effect that water T2-relaxation is strongly influenced by anisotropic dipolar coupling in zones of highly oriented matrix structures. Cartilage zones of different network organization are visualized as zones of different MR intensity resulting in a multilaminar appearance.

In case of ideal radial fiber orientation (adult cartilage) the dependency of the MR signal intensity I on the orientation 9 between the cartilage surface normal and the static magnetic field B0 can be described as:

I x e-

This function reaches its maximum at a “magic-angle” 9 of about 54.7°.

An adaptation of the common patient data to this function gives the information about the cartilage matrix structure. Using the angle dependence of the MR signal (1) three zones of collagen fiber orientation can be distinguished in articular cartilage: radial, tangential and isotropic. (Obviously) determined by load-influenced adaptation processes, age-related changes of the collagen structure can be observed. In the aging process cartilage shows an isotropic structure in knees of newborns, five-laminar structure in those of young people and a three-laminar structure in those of adults.

The complex organization of the cartilage matrix structure causes its special elastic characteristics. If arthrotic changes in the cartilage occur, slightest infractions of the ma-

Раздел II

Аппаратные и программные средства медицинской диагностики и терапии

trix anisotropy through MRI-microscopy can be proved. This allows to recognize early occurrence of this joint disease, which means higher chances of a successful treatment.

Г.Ш. Гафиятуллина

КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЭМБРИОНАЛЬНОГО НЕЙРОТРАНСПЛАНТАНТА КОРЫ

МОЗГА

При лечении ряда неврологических заболеваний человека методами консервативной терапии и классической нейрохирургии традиционные подходы имеют существенные ограничения и зачастую не приносят желаемых результатов. В связи с этим усилия нейрофизиологов сосредоточены на активных испытаниях нейротрансплантации как одного из наиболее новых и перспективных методов в области разработки новых медицинских технологий. Трансплантация донорской эмбриональной нервной ткани производится с целью коррекции и компенсации нарушенных функций и процессов в нервной системе реципиента. Кроме того, современные достижения нейротрансплантологии дают возможность относиться к ней как основе исследований по биоуправлению и протезированию мозговых функций. При этом пересадка эмбриональной ткани порождает ряд проблем, связанных с оценкой функционального состояния нейротрансплантата.

Несмотря на определенные успехи нейротрансплантологии, проблема трансплантации эмбриональной нервной ткани находится в самом начале своего разрешения и для ее широкого практического внедрения требуется выполнение многих фундаментальных научных исследований. К числу важнейших задач трансплантологии относится анализ эффективности приживления эмбрионального нейротрансплантата (ЭНТ), критериями которого могли бы служить параметры адаптивной коррекции поведения реципиента и физиологических особенностей имплантированной донорской ткани. Однако современная нейрофизиология не располагает достаточными сведениями об этих параметрах в разные сроки после имплантации ЭНТ. В связи с вышеизложенным, целью настоящего исследования явилось экспериментальное изучение у крыс особенностей характера поведенческих реакций, локального кровоснабжения, кислородного обеспечения и импульсной активности нейронов аллогенного гомотопического трансплантата эмбриональной нервной ткани в динамике его приживления в соматосенсорной области коры мозга.

Донорскую ткань получали от 17-18-дневных эмбрионов крыс линии Wistar, у которых из зоны мозга, соответствующей соматосенсорной коре, извлекали фрагмент ткани, используемый в качестве трансплантата. Аллогенную гомотопическую трансплантацию полученной эмбриональной ткани осуществляли 6месячным крысам линии Wistar. Для этого наркотизированных кетамином животных фиксировали в стереотаксическом приборе, трепанировали у них теменную кость справа, в области проекции соматосенсорной коры, координаты которой соответствовали: АР=+2,0 мм; L=5,5 мм. Надрезали твердую мозговую оболочку и удаляли 1 мм3 серого вещества, формируя в коре углубление, в которое под микроскопическим контролем помещали донорскую ткань. Осуществляли костную аутопластику, ткани головы ушивали.

У крыс с ЭНТ в 14-месячном возрасте проводили оценку вышеуказанных параметров. В качестве контроля были использованы данные, выявленные у 14месячных крыс линии Wistar с интактной соматосенсорной корой. В первой серии исследований изучали типологические особенности поведенческих реакций крыс с ЭНТ, для чего было использовано их тестирование в открытом поле, в Y-образном