Jak zobrazit hyalinní chrupavky

J. Kolář

Radiodiagnostická katedra IPVZ,Praha

Hyalinní chrupavka je významnou tkání pro lidskou existenci. Dovoluje tření kloubních plošek, je vůči němu robustně odolná. Je to však současně tkáň, jejíž defekt je zdrojem jedné z nejčastějších kloubních chorob: artrózy. V poslední době je proto středem pozornosti i terapeutické: jak by bylo možné podpořit její regeneraci a restituci a uchování v dobrém stavu až do vysokého věku. Hyalinní tkáň je vysoce specializovaný druh pojiva, který se objevuje na převážné většině kloubních ploch a ve velkých dýchacích cestách. U chrupavek známe, že jsou trojí kategorie: hyalinní, elastické a fibrózní; liší se skladbou své základní matrix. Hyalinní chrupavka má makroskopicky průsvitný, modrobílý vzhled (název je odvozen od řeckého slova hyalos = sklo). Na molekulární úrovni mají pojivové tkáně směs buněk a základní intercelulární substance. Oproti řadě jiných tkání těla je v hyalinní chrupavce právě tato základní substance neobyčejně pevná. Tím je umožněno, aby tato chrupavka byla nosnou tkání, odolnou na mechanickou zátěž. Buňky v této chrupavce - chondrocyty - mají původ v mezenchymu, resp. jeho buňkách, které jsou součástí řídké nediferencované tkáně z časného embryonálního života. Tyto chondrocyty jsou zdrojem tvorby základní substance, která je obklopuje a neobsahuje ani krevní, ani lymfatické cévy či nervy. Proto musí být nadána schopností zvýšené difuze, jíž přicházejí látky výživné a odcházejí odpadové produkty chondrocytů. Tyto buňky leží v drobných lakunkách a do okolí vysílají četné výběžky, jimiž zvětšují své aktivní povrchy. Základní substanci tvoří směs amorfních (netvarovaných) a tvarovaných fibrózních složek. Amorfní obsahují větším dílem proteoglykany. Ty jsou tvořeny polysacharidovými řetězci (glykosaminoglykany) jako je keratansulfát a chondroitinsulfát, které jsou vázány na proteiny. Tyto jádrové proteiny jsou současně vázány nekovalentně na dlouhá vlákna hyaluronové kyseliny, tvoříce velké agregáty proteoglykanů. Jejich hlavní funkcí je uchovávat vodu, která je vázána na negativně nabité glykosaminoglykany (GAG) a představuje asi 75 % celkového objemu základní substance. Tvarovanou složku základní substance tvoří vlákna kolagenu, na něž připadá 50 % objemu sušené chrupavky. Vlákna kolagenu elektrostaticky vzájemné působí s GAG, vytvářejíce zkříženou strukturu matrix. Hlavním typem kolagenových vláken hyalinní chrupavky je kolagen II, který je složen ze tří řetězců typu alfa-1 (typ II) /alfa 1 (II)/3. To je odlišné od běžnějšího typu kolagenu I, který se objevuje v kůži, šlachách a kostech, protože obsahuje větší množství hydroxylyzinu a je tedy hydrofiličtější.
Při histologickém vyšetření hyalinní chrupavky polarizačním mikroskopem a transmisní elektronovou mikroskopií se ukazuje zonální struktura této tkáně. Tenká povrchová či lamelární zóna tangenciální obsahuje hustě stlačená vlákna kolagenu, orientovaná souběžně s povrchem chrupavky. Pod touto povrchovou oblastí je zóna přechodná, obsahující šikmo orientovaná vlákna kolagenu, která se zvolna mění s hloubkou, až nabývají kolmou orientaci. Nejhlubší a také největší zóna je radiální ve dvou horních třetinách, v nichž jsou vlákna orientována kolmo, zatímco v nejhlubší třetině jsou početná vlákna, probíhající sešikmeně. Pod radiální zónou je tenká vrstva kalcifikované chrupavky, upoutané ke svazkům kolagenních fibril vespod ležící kosti. Jaké mají jednotlivé zóny speciální funkce se zatím neví. Mezi zónami se značně liší obsahy vody: v povrchní 82 %, v radiální 76 %. Nejpovrchnější vrstva je pro vodu neprostupná a má nižší koncentraci proteoglykanů než ostatní. Tato povrchní vrstva zastává tedy jakoby funkci elastické podušky, která tlumí a distribuuje do okolí nárazy kompresních sil. Do hlubších zón se dostávají jen protrahované tlakové síly.
Ačkoliv hyalinní chrupavka tvoří nejpodstatnější složku kostry během jejího vývoje časného období, její lokalizace je posléze omezena na několik speciálních míst. V dospělém skeletu kryje kloubní plošky ležící proti sobě v synoviálních a kartilaginózních kloubech. Objevuje se ale také v chrupavkách žeberních a především v dýchacích cestách. V hybných kloubech tato chrupavka zajišťuje malé tření v zatížených površích a funguje jako avaskulární absorbér šoků. Když je stlačen kloub, redistribuuje se voda v celé chrupavčité „podušce" a kompresní nápor absorbuje, zatímco objem zůstává prakticky nezměněn.
Jaké odchylky se objevují v hyalinní chrupavce? Radiologicky může prodělávat chrupavka jeden ze tří patologických procesů. Může se ztenčovat, ztlušťovat, nebo kalcifikuje.
Ztenčení
Ztenčování hyalinní chrupavky je s postupem věku normální fenomén a je vyvoláno změnami v syntéze proteoglykanů s následkem degradace proteoglykanů. Základní substance se stává méně „výkonnou" v zadržování vody. Proliferace chondrocytů a utváření chondrofytů na kloubním obvodu koriguje sekundární nestabilitu. Jsou to tyto struktury, které po enchondrální osifikaci tvoří zřetelné marginální osteofyty, klasický projev artrózy. Menší návalky ale často prostě ukazují na věkově podmíněnou ztrátu integrity chrupavky a jsou v tomto smyslu vlastně projevem přiměřeným a normálním. Patologické ztenčení hyalinní chrupavky se může objevit u jakékoliv artropatie, nebo jako následek úrazu.
U artropatie je jedním z prvních projevů zduření chrupavky. Je to zaviněno ztrátou proteoglykanů a porušením síťoviny kolagenu, což dovoluje agregátům proteoglykanů expandovat a přijmout víc vody. Změněná biomechanika znamená, že edematózní chrupavka je vnímavější k pokračující deformaci z opakovaných mechanických náporů. U artrózy nastává degradace kolagenu v povrchní a střední zóně. To má za následek fisury a prohlubně a oplošťování vrstvy chrupavky s tvorbou vertikálních trhlin, které se šíří až k subchondrální kosti. Do těchto fisur je vtlačována tekutina a debris, částečky chrupavky se odlamují a obnažuje se spodní kostní obrysová lamela. Výsledkem jsou subchondrální pseudocysty a eburnizace kostní povrchové lamely, protože synoviální tekutina je pro kostní dřeň toxická.
U zánětlivé a septické artritidy se objevuje difuzní destrukce povrchu hyalinní chrupavky, vyvolaná proteolytickým působením zánětlivých mediátorů a cytokinů v synoviální tekutině. Primární je degradace kolagenu kolem chondrocytů ve střední a hluboké zóně. Tento jev zčásti reflektuje odpověď chondrocytů na zánětlivé mediátory. Abnormální matrix má predispozici k dalšímu poškozování chrupavky. Během těchto dějů může hyalinní chrupavka prodělávat tendence k nápravě škod, jak tvorbou osteofytů, tak i kalcifikací chrupavky (chondrokalcinóza). Ztenčení hyalinní chrupavky, především na malých kloubech rukou a nohou, je signálem recidivující polychondritidy. U tohoto stavu probíhá speciální patologická změna právě v kolagenu II, a to jak v kloubních ploškách, tak prstencích v průdušnici; na všech místech vyvolává tento děj měknutí chrupavek.
U traumatu může dojít ke ztenčení, nebo rozpadu chrupavky jako následku zlomenin, postihujících kloubní povrch kosti. Chondrální a osteochondrální zlomeniny se našly při artroskopii u 9-20 % hemartrosů kolen akutního úrazového původu. Poškození trhlinami v hyalinní chrupavce se kupř. najde u 40-60 % nemocných s přetržením předního zkříženého vazu, nejčastěji na zevním kondylu femuru. Osteochondrální zlomeniny na trochlea tali se najdou u 2-6 % natažených kotníkových vazů. Povrch chrupavčitého krytu kloubu může být narušen také během subluxace nebo luxace, především v patelofemorálním kloubu.
Poranění kloubní chrupavky postihuje buď jen ji, nebo je spojeno s poškozením subchondrální kosti. U dospělých bývají léze obvykle omezeny jen na chrupavku, zatímco u adolescentů jsou osteochondrální fraktury běžnější. To je snad způsobeno pevnější vazbou mezi chrupavkou a kostním povrchem u mladých individuí.
Hyalinní chrupavka se nikdy plně nezhojí, pokud je jednou narušena její integrita. Defekty se reparují vláknitou chrupavkou, která je v porovnání s hyalinní biologicky méněcenná na kloubní ploše, takže se podporuje vývoj artrózy. Odchylky hyalinních chrupavek jsou intimně spojeny s omezením pohybů menisku; není ale jasné, co je v tomto ději příčina a co následek.
Ztluštění
Chrupavka může být ztluštěná u akromegalie, hypothyreoidizmu a u některých mukopolysacharidóz. Relativně tlustší se může také jevit u chronických nezánětlivých procesů, jako je dna a pigmentová villonodulární synovitida. Ztluštění hyalinní chrupavky u akromegalie však není jevem příznivým: tato chrupavka propadá urychlené deformační artróze.
Kalcifikace
Kalcifikace chrupavky, či chondrokalcinóza nastává ukládáním krystalků do hyalinní chrupavky, nebo chrupavky fibrokartilaginózní. Nejběžnějším depozitem je dihydrát kalciumpyrofosfátu (CPPD), ač někdy jde o hydroapatit vápníku. Tento nález je někdy náhodný a častější s rostoucím věkem. Může ovšem být spojen s akutním obdobím zánětu (pseudodna) nebo degenerativního onemocnění. Protože CPPD je zčásti produkován aktivními chondrocyty, jeho přítomnost v kloubu může naznačovat schopnost jisté reparativy. Jedinci s depozity CPPD mají tendenci k vývoji hypertrofické osteoartropatie s povšechnou náchylností k tvorbě kostní tkáně po úrazu. Naproti tomu ukládání hydroxyapatitu bývá spojeno s relativní osteopenií a destruktivní osteoartritidou. V odhalení kacifikací hyalinní chrupavky je MRI citlivější metodou než rentgenové vyšetření, ačkoliv nejběžněji se změny diagnostikují rentgenem.
Jak je možné hyalinní chrupavku zobrazit?
Konvenční rentgenové vyšetření má v zobrazení hyalinní chrupavky jen omezený význam, protože je většinou schopno odhalit změny jen nepřímo. Přesto je standardem při zahájení vyšetřování nemocných. Normální hyalinní chrupavka není rentgenkontrastní a na snímcích proto není vidět. Její tloušťka se určuje podle šířky kloubní štěrbiny - tedy nepřímo - ačkoliv na tuto šířku prostoru má také vliv zánětlivě zesílená synoviální výstelka a tekutina v kloubu. Podobně může být zúžení rentgenologické kloubní štěrbiny následek poškození jiných nitrokloubních struktur než chrupavky kloubní plochy, kupř. menisků. Menší stupně poškození kloubní chrupavky (kupř. povrchové ulcerace na ní) změna kloubní štěrbinové šířky neprovází. Navíc je mezi jednotlivými hodnotiteli rentgenových nálezů někdy značné kolísání v míře jejich odhadů. Měření šířky kloubní štěrbiny na rentgenových snímcích jsou obecně nepřesná a zatížena velkou chybou. Zlepšení přináší správná poloha kloubu při snímku, ortográdní zachycení kloubních ploch a správná centrace snopce záření. Nejspolehlivějším údajem je nejužší místo „štěrbiny" a měření se má provádět pokud možno v plné zátěži vahou těla. To je ovšem možné u kolen a kyčlí. Šířka tibiofemorální kloubní prostory může u kolena v zátěži a bez ní být odlišná až o 2 mm. Proměřování kolenní kloubní šíře ve flexi 30-45o v zátěži dává nejspolehlivější výsledky v mediálním femorotibiálním úseku, zatímco je nepřesné v laterálním, nebo ve femoropatelárním oddíle. V jiných kloubech není proměřování „v zátěži" užitečné ani možné.
Ultrazvuk hraje v zobrazení hyalinní chrupavky nepatrnou roli. Vysokofrekvenční UZ dává sice dobré výsledky proměření in vitro, ale ne in vivo a omezené „akustické okno" ve většině kloubů znemožňuje posouzení nitrokloubních struktur. Situaci ještě dále zhoršuje přítomnost osteofytů. U dětí může UZ prokázat poškození hyalinní chrupavky, ale obecně je méně citlivý než MR. Může pomoci v odhalení kalcifikací v kloubech, obtížně rentgenologicky přístupných, jako je kupř. kloub patelofemorální. Povrchní struktury naproti tomu jsou UZ lépe dostupné - kupř. chrupavčité „čepičky" na exostózách. Hlavní význam ale má UZ v hodnocení periartikulárních struktur, jako jsou ligamenta a svaly. Nitrokloubní UZ má některé výsledky lepší, ale je výkonem invazivním.
Radionuklidová vyšetření. Scintigrafie s 99mTc může pomoci v proměření hyalinní chrupavky, jsou-li změny v kosti. Je velice senzitivním průkazem časných odchylek: zvýšený příjem radionuklidu se kupř. objevuje na obvodu kloubů v počátcích artrózy. Jde ale o nespecifický obraz; přímé vyšetření hyalinní chrupavky možné není.
CT artrografie sice nemá smysl pro přímé zobrazení hyalinní chrupavky, nicméně dovolí rozlišit málo kontrastní chrupavku od aplikované vysoce kontrastní nitrokloubní látky. Uplatní se též u nemocných s pokročilejší nebo rozvinutou chondromalacií; iniciální stadia se zjišťují hůře.
MR. Vyšetření magnetickou rezonancí je v současné době pro zobrazení hyalinní chrupavky nejcitlivějším postupem in vivo. Má výborné prostorové rozlišení, dobrý kontrast měkkých tkání, dovolí multiplanární zobrazení a je neinvazivní. Počáteční nejisté výsledky se podstatně zlepšily použitím vyšších magnetických polí, povrchových cívek a novými vyšetřovacími sledy. Normální hyalinní chrupavka, jak se nově ukazuje, má v MR obraze v SE bilaminární strukturu. Rozdíl v obsahu vody v obou vrstvách (vzpomenutých 82 % v povrchní a 76 % v hluboké zóně) je příliš malý k vysvětlení tohoto jevu. V novější době sledy SE a gradient-echo prokázaly v řadě kloubů dokonce třívrstevnou strukturu. Zdá se, že tento fenomén, popsaný na 3D SPGR obrazech je do značné míry artefaktem, závislým na redukci rozměrů pixlů. Na přístrojích až se 4.7 T základního pole se ukazuje vertikální pruhování v okrscích mechanicky nejvíce zatížené chrupavky. MR lze použít k proměření tloušťky hyalinní chrupavky, ale je ještě řada nejasností v této věci. Nejlepší výsledky byly zatím dosaženy v kolenních kloubech, a to femoropatelárně, kde je tloušťka chrupavky mezi 4-3,7 mm; na jiných kloubech je ovšem daleko menší (na hlavici humeru jen 1,2 mm, na hlavici femuru kolem 1,8 mm). Taková tloušťka hyalinní vrstvy je ale v poměru k velikosti pixlů malá a výsledky měření nejsou spolehlivé. Ukázalo se také, že tloušťka hyalinních chrupavek je závislá na intenzitě denní zátěže aktivitou a mění se. Většina dosavadních proměřování byla prováděna na kolenou, ale postupně se objevují pokusy i na jiných kloubech, včetně metakarpofalangeálních. Zjišťuje se kupř. ztráta objemu chrupavky: zjistitelná je od 14 % a výše, na menších interfalangeálních kloubech od 27 %. Zatím jsou studie sledovány nejdéle 1-3 roky. Malá změna tloušťky chrupavky, kterou někdy u nemocných nacházíme, je vysvětlitelná i tím, že ne každý pacient po uvedenou dobu sledování trpí aktivním onemocněním; definitivní závěry jsou tedy zatím nejisté a vyžadují další, dlouhodobá sledování.
Abnormální hyalinní chrupavka: Ztenčování hyalinní chrupavky s věkem je fyziologickým fenoménem. Abnormity chrupavky se mohou projevit změnami charakteristik signálů nebo morfologie, nebo obojím. Jakákoliv změna obsahu vody, zduření chrupavky nebo změna fibril a jejich uspořádání může vést ke změně signálu. Při jejich interpretaci je však nutno dát pozor na možné artefakty, jako je kupř. chemický posun aj. Použití různých sledů buzení, optimalizovaných pro vyšetření hyalinní chrupavky, dovoluje odhalení i malých nerovností na povrchu chrupavky. T 1-zvažované konvenční SE sledy mají vysoký poměr signál-šum a tedy dobrou prostorovou rozlišovací schopnost, ovšem špatný kontrast mezi chrupavkou a nitrokloubní tekutinou. V T 2-SE zvažované obrazy mají výhodu, že tekutina v kloubu u nich „funguje" jako přídatná kontrastní látka, s dobrým rozlišením hypointenzní chrupavky od hyperintenzní kloubní tekutiny. Vyvinutá technika fast-spin má dobrý signál i poměr signál-šum s dobrým prostorovým rozlišením; navíc lze obrazy získat ve zlomku času proti konvenčním SE sledům. Signál normální chrupavky je difuzně nízký proti přítomné tekutině v kloubu. Povrchové defekty chrupavky se odhalují vcelku dobře. Sledy gradient-echo dovolují zobrazení SD v rozumném čase a lepší prostorové rozlišení, protože jsou možné tenčí vrstvy. U sledů GRASP a FISP je v obrazech T2 chrupavka hyperintenzní a kloubní tekutina ještě více. Sledy SPGR a FLASH poskytují v T1 obrazy s lepším kontrastem mezi hyperintenzní chrupavkou a hypointenzní nitrokloubní tekutinou. Potlačení tuku lze použít u všech sledů a zlepšuje se jím rozdíl kontrastu mezi chrupavkou a okolními tkáněmi. Když se kombinuje potlačení tuku a 3D GRASS sledem, je chrupavka jedinou jasnou kloubní strukturou. Tato kombinace má zatím nejlepší výsledky v detekci odchylek hyalinní kloubní chrupavky. Po nitrokloubní injekci 2 mmol gadolinia k přímé artrografii senzitivita detekce odchylek hyalinní chrupavky stoupá. Její využití je ovšem omezeno skutečností, že to je metoda invazivní, a je proto obvykle vymezeno jen pro případy problematických diagnóz.
Budoucí vývoj
V posledních 5-10 letech byla vyvinuta řada léčebných procedur k ošetření kloubních chrupavek s chondrálními defekty, především poúrazovými. Postupy jako návrty, abraze apod. vedou k vývoji fibrózní chrupavky s jejími nižšími kvalitami pokud jde o mechanickou zátěž. Náhrady hyalinní chrupavky se provádějí kupř. autologními štěpy artroskopicky (mozaiková plastika); štěpy se získávají z míst mechanicky nezatěžovaných. V koleně a hlezenném kloubu jsou výsledky těchto postupů slibné. Jde o alternativu k náhradě kloubů a do budoucnosti vypadá slibně. Zavádí se také metodika k proměření obsahu glykosaminoglykanů zpožděnou, gadoliniem zkontrastněnou MR (delayed gadolinium enhanced MR = dGEMRIC). V této technice jsou hodnoty T 1 přímo proporcionální ke koncentraci GAG v chrupavce. Tento postup může být užitečný kupř. ke sledování osudu osteochondrálních implantátů.

Podle anglického originálu D.R. Jeffreye a I. Watta: Imaging hyaline cartilage, z Brit.J.Radiol., 76, 2003, č. 911, s. 777-787 zpracoval