Titelaufnahme

Titel
Evaluation of cartilage repair tissue in the knee and ankle joint using sodium magnetic resonance imaging at 7 Tesla / submitted by Stefan Zbyn
Weitere Titel
Evaluation von Knorpelersatzgewebe in Knie und Sprunggelenk mittels Natrium-Magnetresonanzbildgebung bei 7 Tesla
Verfasser / VerfasserinZbyn, Stefan
Begutachter / BegutachterinTrattnig, Siegfried
ErschienenWien, 2015
UmfangXX, 168 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2015
Anmerkung
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Magnetresonanzbildgebung / Natrium-Bildgebung / Gelenksknorpel / Knorpelersatzgewebe / Glykosaminoglykane / Kniegelenk / Sprunggelenk
Schlagwörter (EN)Magnetic resonance imaging / Sodium imaging / Articular cartilage / Cartilage Repair tissue / Glycosaminoglycans / Knee joint / Ankle joint
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-7861 Persistent Identifier (URN)
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Evaluation of cartilage repair tissue in the knee and ankle joint using sodium magnetic resonance imaging at 7 Tesla [7.88 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Gelenksknorpel von Erwachsenen weisen kein oder ein nur sehr limitiertes intrinsisches Vermögen zur Selbstreparatur auf. Da unbehandelte Knorpeldefekte sich oft zur Gelenksarthrose entwickeln, sollten symptomatische Defekte behandelt werden. Unterschiedliche Knorpelreparaturverfahren wurden mit dem Ziel entwickelt, die Gelenksfunktion wiederherzustellen und eine weitere Degeneration des Knorpels zu verhindern indem Reparaturgewebe mit der gleichen Struktur, Zusammensetzung, und biomechanischen Eigenschaften wie der native Knorpel verwendet wird. Verschiedene Knorpelreparaturverfahren wie etwa Knochenmarksstimulationstechniken (BMS) einschliesslich Mikrofrakturierung (MFX) oder zell-basierte Techniken wie beispielsweise die Matrix-assozierte Autologe Chondrozyten Transplantation (MACT) wurden entwickelt. Da Biopsien des Knorpelersatzgewebes invasiv sind und nicht beliebig wiederholt werden können ist eine nicht-invasive Methode notwendig, die es erlaubt die Qualität des Knorpels und des Reparaturgewebes im zeitlichen Verlauf zu verfolgen. Negativ geladene Glykosaminoglykane (GAG) sind sehr wichtig für die Knorpelfunktion, da sie positive Ionen wie etwa Natrium anziehen. Die hohe Konzentration von Ionen im Knorpel ist für den hohen osmotischen Druck verantwortlich, der dem Knorpel seine hohe Belastbarkeit gegen Kompression verschafft. Da GAG durch Natrium-Ionen kompensiert werden, wurde die Natrium-Magnetresonanzbildgebung (MRI) als eine sensitive Methode für die in vivo Evaluierung der GAG Konzentration in nativem Knorpel, jedoch nicht in Reparaturgewebe, validiert.

Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist deshalb die Natrium 7 Tesla MRI für die Evaluierung von Knorpelreparaturgewebequalität in Patienten nach unterschiedlichen Knorpelreparationstechniken im Knie und im Sprunggelenk zu optimieren und zu validieren.

In unseren Studien wurde Natrium MRI weltweit erstmals für die klinische Evaluierung von Knorpelreparaturgewebe verwendet. Die starke Korrelation zwischen Natriumbildgebung und dGEMRIC (eine andere GAG-sensitive Technik) in Patienten nach MACT des femoralen Knorpels beweisen die Sensitivität der Natriumbildgebung für Änderungen des GAG Gehaltes in nativem Knorpel und Reparaturgewebe in vivo. Ein Vergleich zwischen BMS und MACT Patienten zeigte signifikant niedrigere Natriumwerte in Reparaturgewebe als in nativem femoralem Knorpel. Obwohl das morphologische Erscheinungsbild von Reparaturgewebe in BMS und MACT Patienten ähnlich war, deuten unsere Natrium MRI Resultate auf einen höheren GAG Gehalt hin, und daher auf Reparaturgewebe von höherer Qualität in Patienten nach MACT im Gegensatz zu Patienten nach BMS Behandlung. Eine ausreichend hohe Sensitivität der Natrium MRI für Änderungen im GAG Gehalt in dünnen Gelenksknorpeln wie dem Sprunggelenk wurde durch eine starke Korrelation gezeigt, die zwischen den Natriumresultaten und dem histochemisch evaluierten GAG Gehalt in Kadavergelenkspräparaten beobachtet wurde. Im Gegensatz zu unserer Ergebnissen beim femoralen Knorpel des Kniegelenkes, scheint MFX und MACT beim Knorpel Reparaturgewebe des Talus am Sprunggelenk einen ähnlichen GAG Gehalt und ähnlichen morphologischen Erscheinungsbild zu produzieren, allerdings von niedrigerer Qualität als bei nativem Knorpel. Natrium MRI liefert Informationen über die GAG Konzentration, welche entscheidend für die ordentliche Funktion des Reparaturgewebes ist und welches deshalb vorteilhaft für die nicht-invasive Evaluierung der Effizienz von Knorpelreparaturoperationen und der Beurteilung von neuen Knorpelreparaturverfahren ist.

Zusammenfassung (Englisch)

Articular cartilage of adults shows no or very limited intrinsic capacity for self-repair. Since untreated chondral defects often progress to osteoarthritis, symptomatic defects should be treated. Different cartilage repair procedures have been developed with the goal to restore joint function and prevent further cartilage degeneration by providing repair tissue of the same structure, composition, and biomechanical properties as native cartilage. Various cartilage repair procedures have been developed; including bone marrow stimulation (BMS) techniques such as microfracture (MFX), cell-based techniques such as matrix-associated autologous chondrocyte transplantation (MACT), and others. Since biopsies of cartilage repair tissue are invasive and cannot be repeated, a noninvasive method is needed that could follow-up the quality of cartilage and repair tissue.

Negatively charged glycosaminoglycans (GAG) are very important for cartilage function as they attract positive ions such as sodium. The high concentration of ions in cartilage is responsible for osmotic pressure providing cartilage its resilience to compression. Since GAGs are counterbalanced by sodium ions, sodium magnetic resonance imaging (MRI) was validated as a sensitive method for the in vivo evaluation of GAG concentration in native cartilage but not for repair tissue.

Thus, the main goal of this thesis was to optimize and validate sodium 7 Tesla MRI for the evaluation of cartilage repair tissue quality in patients after different cartilage repair surgeries in the knee and ankle joint. In our studies, sodium MRI was used for the first time for the clinical evaluation of cartilage repair tissue. A strong correlation found between sodium imaging and dGEMRIC (another GAG-sensitive technique) in patients after MACT on femoral cartilage proved sensitivity of sodium MRI to GAG changes in native cartilage and repair tissue in vivo. Comparison between BMS and MACT patients showed significantly lower sodium values in repair tissue than in native femoral cartilage. Although morphological appearance of repair tissue was similar in BMS and MACT patients, our sodium MRI results suggest higher GAG content, and thus repair tissue of higher quality, in patients after MACT than in patients after BMS treatment. Sufficiently high sensitivity of sodium imaging to changes in the GAG content in thin ankle cartilage was demonstrated by a strong correlation observed between the sodium results and the histochemically evaluated GAG content in cadaver ankle samples. In contrast to our findings from femoral cartilage of knee joint, MFX and MACT in talar cartilage of ankle joint seems to produce repair tissue with a similar GAG content and similar morphological appearance, however, of lower quality than native cartilage. Sodium MRI provides information on the GAG concentration that is crucial for proper function of repair tissue and might be therefore beneficial in non-invasive evaluation of efficacy of cartilage repair surgery and in assessment of new cartilage repair procedures.