変形性関節症の診断：関節軟骨のMRI検査

関節軟骨のMRI画像は、その組織学的構造と生化学的組成の全体像を反映しています。関節軟骨は硝子体で、独自の血液供給、リンパ排出、神経支配はありません。水とイオン、II型コラーゲン繊維、軟骨細胞、凝集したプロテオグリカン、その他の糖タンパク質で構成されています。コラーゲン繊維は骨の軟骨下層でアンカーのように強化され、関節面に対して垂直に走り、そこから水平に分岐しています。コラーゲン繊維の間には、大きな負電荷を持つプロテオグリカン分子があり、これが水分子を強く引き付けます。軟骨軟骨細胞は均一な列状に存在し、コラーゲンとプロテオグリカンを合成するだけでなく、酵素を分解する不活性酵素や酵素阻害剤も合成します。

組織学的には、膝や股関節などの大きな関節では、3層の軟骨が確認されています。最深層は軟骨と軟骨下骨の接合部であり、そこから表面まで広がるコラーゲン繊維の広範なネットワークを固定する層として機能します。コラーゲン繊維は、多数の架橋原線維によって密集した束を形成しています。この層は放射状層と呼ばれます。関節面に向かって、個々のコラーゲン繊維は細くなり、より規則的でコンパクトな平行配列に束ねられ、架橋が少なくなります。中間層、すなわち移行層には、よりランダムに配列したコラーゲン繊維が含まれており、そのほとんどは垂直方向の荷重、圧力、および衝撃に耐えるために斜めに配向しています。関節軟骨の最も表層である接線層は、密集した接線方向に配向したコラーゲン繊維の薄い層で、圧縮荷重による引張力に抵抗し、間質液に対する防水バリアを形成して、圧縮時の間質液の損失を防ぎます。この層の最も表面のコラーゲン繊維は水平に配列され、関節面上に高密度の水平シートを形成しますが、表面接線領域の原線維は必ずしもより深い層の原線維と結合しているわけではありません。

前述のように、この複雑な繊維細胞ネットワーク内には凝集した親水性プロテオグリカン分子が存在します。これらの大きな分子は、多数の枝分かれの末端に負に帯電した SQ および COO" フラグメントを持ち、これが反対に帯電したイオン (通常は Na ⁺ ) を強く引き寄せ、軟骨への水の浸透を促進します。 コラーゲン ネットワーク内の圧力は非常に大きく、軟骨は極めて効率的な流体クッションとして機能します。 関節面の圧縮により、コラーゲン繊維ネットワークが圧縮されるため、軟骨に含まれる水分が水平方向に移動されます。 軟骨内の水分は再分配されるため、全体の体積は変化しません。 関節への負荷後の圧縮が軽減または解消されると、プロテオグリカンの負電荷に引き寄せられて水が戻ります。 これが、軟骨の高い水分含有量、ひいては高いプロトン密度を維持するメカニズムです。 最も高い水分含有量は関節面に近いほど観察され、軟骨下骨に向かって減少します。 プロテオグリカンの濃度は、軟骨の深層で増加します。

現在、硝子軟骨の主要画像診断法はMRIであり、主にグラジエントエコー（GE）シーケンスを用いて行われています。MRIは軟骨の水分含有量を反映しますが、軟骨に含まれる水プロトンの量が重要です。親水性プロテオグリカン分子の含有量と分布、およびコラーゲン線維の異方性組織は、軟骨中の水の総量、すなわちプロトン密度だけでなく、この水の緩和特性、すなわちT2の状態にも影響を与えます。その結果、MRI画像において軟骨に特徴的な「帯状」または層状の画像が示され、一部の研究者はこれが軟骨の組織学的層に相当すると考えています。

非常に短いエコー時間 (TE) 画像 (5 ミリ秒未満) では、軟骨の高解像度画像では通常 2 層画像が表示されます。深層は骨に近い石灰化前領域に位置し、カルシウムの存在によって TR が大幅に短縮され、画像が生成されないため信号は低くなります。表層では中程度から高強度の MP 信号が生成されます。

中間TE画像（5～40ms）では、軟骨は3層構造を呈します。低信号を示す表層、中信号を示す遷移層、そして低MP信号を示す深層です。T2強調画像では中間層は信号に含まれず、軟骨画像は均一な低信号となります。空間分解能を低く設定すると、斜めカットアーティファクトや軟骨／体液界面の高コントラストにより、短いTE画像に別の層が現れることがありますが、これはマトリックスサイズを大きくすることで回避できます。

さらに、これらのゾーン（層）の一部は、特定の条件下では見えなくなる場合があります。例えば、軟骨軸と主磁場の角度が変化すると、軟骨層の外観が変化し、軟骨が均質な画像になることがあります。著者らはこの現象を、コラーゲン繊維の異方性と各層内での異なる配向によって説明しています。

他の研究者は、軟骨の層状画像を得ることは信頼性が低く、アーティファクトであると考えています。また、得られた軟骨の三層画像から得られる信号の強度についても、研究者の意見は分かれています。これらの研究は非常に興味深いものであり、もちろんさらなる研究が必要です。

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変形性関節症における軟骨の構造変化

変形性関節症の初期段階では、軟骨表層のコラーゲンネットワークが劣化し、表面が擦り切れ、水分透過性が高まります。プロテオグリカンの一部が破壊されると、陰性に帯電したグリコサミノグリカンが増加し、陽イオンや水分子を引き寄せます。一方、残りのプロテオグリカンは水分を引き寄せ、保持する能力を失います。さらに、プロテオグリカンの喪失により、間質における水分の流れを抑制する効果も低下します。その結果、軟骨は腫脹し、体液の圧縮（保持）機構が「機能しなくなり」、軟骨の圧縮抵抗が低下します。荷重の大部分が、既に損傷した硬い基質に伝達されるという現象が発生し、腫脹した軟骨は機械的損傷を受けやすくなります。その結果、軟骨は修復されるか、あるいは劣化が進行するかのいずれかの状態に陥ります。

プロテオグリカンの損傷に加え、コラーゲンネットワークが部分的に破壊され、修復が不可能な状態となり、軟骨に縦方向の亀裂や潰瘍が発生します。これらの病変は軟骨を伝って軟骨下骨にまで広がることがあります。崩壊産物と滑液が基底層に広がり、小さな骨壊死や軟骨下嚢胞の形成につながります。

これらの過程と並行して、軟骨は損傷した関節面を修復しようと、一連の修復変化を起こします。これには軟骨棘の形成も含まれます。軟骨棘は最終的に軟骨内骨化を起こし、骨棘となります。

急性の機械的外傷および圧縮負荷は、軟骨の深部石灰化層に水平方向の亀裂を生じさせ、軟骨と軟骨下骨の剥離を引き起こす可能性があります。このように軟骨が基底分裂または剥離することは、機械的過負荷下にある正常な軟骨だけでなく、関節不安定性を伴う変形性関節症においても、変性のメカニズムとして作用する可能性があります。硝子軟骨が完全に破壊され、関節面が露出した場合、2つのプロセスが考えられます。1つは骨表面に緻密な硬化部が形成されることで、象牙化と呼ばれます。もう1つは骨梁の損傷と圧迫で、X線画像では軟骨下硬化のように見えます。したがって、最初のプロセスは代償的であると考えられますが、2つ目は明らかに関節破壊の段階です。

軟骨水分量の増加は、軟骨の陽子密度を高め、プロテオグリカン-コラーゲンマトリックスのT2短縮効果を排除します。このマトリックスは、従来のMRIシーケンスにおいてマトリックス損傷部位で高い信号強度を示します。この初期の軟骨軟化症は、軟骨損傷の最も初期の兆候であり、軟骨の軽度の菲薄化が起こる前に観察される可能性があります。この段階では、軟骨の軽度の肥厚または「腫脹」が認められることもあります。関節軟骨の構造的および生体力学的変化は進行性であり、基質の喪失を伴います。これらの変化は局所的または拡散的であり、表面的な菲薄化や擦り切れに限定される場合もあれば、軟骨が完全に消失する場合もあります。場合によっては、関節面の損傷を伴わずに、軟骨の局所的な肥厚または「腫脹」が観察されることもあります。変形性関節症では、T2強調画像において軟骨の局所的な信号強度の上昇がしばしば観察され、関節鏡検査では表層、貫壁、深層の線状変化によって確認されます。線状変化は深部の変性変化を反映している可能性があり、主に石灰化層または潮線からの軟骨の剥離から始まります。初期の変化は軟骨深層に限定される場合があり、その場合は関節面の関節鏡検査では検出できません。しかし、軟骨深層の局所的な疎性は隣接層への病変の拡大につながる可能性があり、多くの場合、中心骨棘の形で軟骨下骨の増殖が伴います。

関節軟骨の組成、例えば軟骨中の水分含有量や水の拡散係数に関する定量的な情報を得る可能性について、海外の文献にデータがあります。これは、MRトモグラフィーの専用プログラムまたはMRスペクトロスコピーを用いて行われます。これらのパラメータはいずれも、軟骨損傷時にプロテオグリカン-コラーゲンマトリックスの損傷に伴って増加します。軟骨中の可動性プロトン濃度（水分含有量）は、関節面から軟骨下骨に向かうにつれて減少します。

T2強調画像では、変化の定量的な評価も可能です。著者らは、異なるTEで得られた同一軟骨画像のデータを統合し、各ピクセルの信号強度値から適切な指数曲線を用いて軟骨のT2強調画像（WI）を評価しました。T2は、軟骨の特定領域で評価するか、軟骨全体のマップ上に表示します。マップ上では、各ピクセルの信号強度がその位置のT2に対応します。しかし、上記の方法は比較的大きな機能と比較的容易さを備えているにもかかわらず、TEの増加に伴う拡散関連効果の増加により、T2の役割が過小評価されています。T2は主に、水の拡散が増加する軟骨軟骨において過小評価されます。特別な技術を使用しない限り、これらの技術を用いて軟骨軟骨で測定されたT2の潜在的な増加は、拡散関連効果をわずかに抑制するでしょう。

したがって、MRI は関節軟骨の変性に特徴的な早期の構造変化を検出し、監視するための非常に有望な方法です。

変形性関節症における軟骨の形態学的変化

軟骨の形態変化の評価は、関節面から軟骨下骨に至るまでの高い空間分解能と高いコントラストに依存します。これは、脂肪抑制T1強調3D GEシーケンスを用いることで最も効果的に達成されます。このシーケンスは、関節鏡検査と剖検材料の両方で特定・検証された局所的欠損を正確に反映します。軟骨は、画像減算による磁化移動によっても画像化できます。この場合、関節軟骨は高信号強度の独立した帯として現れ、隣接する低信号滑液、関節内脂肪組織、および軟骨下骨髄と明瞭にコントラストを成します。しかし、この方法は脂肪抑制T1強調画像の半分の速度で画像を生成するため、あまり広く用いられていません。さらに、関節軟骨の局所的欠損、表面凹凸、および全体的な菲薄化は、従来のMRシーケンスを用いて画像化できます。一部の研究者によると、軟骨の厚さ、体積、形状、表面トポグラフィーといった形態学的パラメータは、3D MRI画像を用いて定量的に算出できます。軟骨の3D再構成画像を構成するボクセルを合計することで、これらの複雑に関連する構造の正確な値を決定することができます。さらに、個々のスライスから得られた軟骨の総体積を測定する方法は、単一スライスの平面における変化が小さいためより簡便であり、空間分解能の信頼性も高くなります。切断された膝関節全体と、これらの関節の人工関節置換術中に得られた膝蓋骨標本を研究した結果、大腿骨、脛骨、膝蓋骨の関節軟骨の総体積が測定され、MRIで得られた体積と、軟骨を骨から分離して組織学的に測定して得られた対応する体積との間に相関関係が認められました。したがって、この技術は、変形性関節症患者の軟骨体積変化の動的評価に有用です。特に変形性関節症患者において、必要かつ正確な関節軟骨の切片を取得するには、検査を実施する医師の十分なスキルと経験、そして適切なMRIソフトウェアの利用が不可欠です。

総体積の測定では広範囲な変化に関する情報がほとんど含まれないため、局所的な軟骨損失の影響を受けやすい。理論的には、ある部位の軟骨損失または菲薄化は、関節の他の場所での同等の軟骨体積の増加によってバランスが取れており、総軟骨体積の測定では異常が示されないため、この方法ではそのような変化は検出されない。3D再構成を使用して関節軟骨を個別の小領域に分割することで、特に力が加わる表面上の特定領域の軟骨体積を推定することが可能になった。ただし、分割がほとんど行われないため、測定の精度は低下する。最終的には、測定の精度を確認するために極めて高い空間分解能が必要である。十分な空間分解能が達成できれば、生体内で軟骨の厚さをマッピングできる可能性が出てくる。軟骨厚さマップは、変形性関節症の進行中に局所的な損傷を再現することができる。