病損關節軟骨的磁共振成像與軟骨內蛋白多糖和Ⅱ型膠原纖維變化的關系研究

朱寶林　亓建洪　張經健

【摘要】 目的 探討MR對關節軟骨各期病變的敏感成像序列以及軟骨蛋白多糖（proteoglycan,PG）和Ⅱ型膠原纖維(collagen fibers,CF)改變與MR信號變化的關系。方法 通過1例新鮮截肢患者和4例正常豬膝關節的T2WI、PDWI、GE、STIR、3D FS-FSPGR等序列的成像研究，選定最佳的序列用于6例豬骨性關節炎（Osteoarthritis,OA）模型膝關節掃描，以MR圖像為標準切取標本染色，圖像與染色圖片對照以判斷PG和CF改變與MR信號變化的關系。結果 5種序列的組織分辨力、病變檢出率以3D FS-FSPGR序列最高分別達67.9%和93.7%；PG和CF主要分布在關節軟骨的深層組織。以MR圖像為標準切取的各級軟骨標本之間染色濃度,PG逐漸減少,CF早中期增加，晚期又出現下降。結論 在5種序列中，3D FS-FSPGR是理想的關節軟骨成像序列；由于軟骨內的PG含量下降和CF的先升后降共同導致了MR信號在不同病變期的改變。

【關鍵詞】 磁共振；關節軟骨；蛋白多糖；膠原纖維

The relation study of proteoglycan and typeⅡcollagen fibers changes with MRI of articulation cartilage erosion ZHU Bao-lin，QI Jian-hong, ZHANG Jing-jian.

Department of Orthopeadics,Shuyang Peoples Hospital, Shuyang 223600,China

【Abstract】 Objective To Study the sensitive sequence of MR for all stages of articulation cartilage erosion and the relation of Proteoglycan and TypeⅡCollagen Fibers Changes With MRI signal.Methods After one human fresh amputation and 4 normal pig knee joints were studied by T2WI、PDWI、GE、STIR、3D FS-FSPGR sequences and 6 pig osteoarthritis(OA) model knee joints were studied by the selected best sequence, MRI was compared with histology to study the relation of Proteoglycan and TypeⅡCollagen Fibers Changes With MRI sig-nal.Results The best results of tissue resolution and diagnosis rate were seen in 3D FS-FSPGR of of all five sequences respectively 67.9%and 93.7%,PG and CF main distribute in the deep cantilage.Dyeing of PG in diffent cantilage erosion is decrement while CF is increasment in early metaphase and then decrement in advanced stage.Conclusions3D FS-FSPGR is a favorable scan sequence to examine the pathological changes of articulation cartilage.The decrement ofPG and the increasment of CF in early metaphase and then decrement in advanced stage are basement of changes of MR signal.

【Key words】 MR; Articulation cartilage; Proteoglycan; Collagen fibers

軟骨的主要成分是軟骨細胞和基質，后者主要由PG和Ⅱ型CF構成。當軟骨發生退變時，其MR信號也發生變化。這種磁共振信號的改變是否與軟骨內PG和Ⅱ型CF的變化有某種關系。為此,筆者設計本實驗以探索MR根據軟骨信號的改變早期診斷軟骨病變的有關問題。

1 材料與方法

1.1 實驗設備與材料 美國GE公司1.5T超導型永磁體MR掃描儀SIGNA，膝線圈。即用型SABC免疫組化試劑盒；一抗,Rabbit Anti-Collagen Type Ⅱ型,武漢博士德生物工程有限公司 。外傷性股部截肢膝關節1例。對照組豬2頭膝關節4例，模型組豬3頭6例關節，均雄性，來自中國人民解放軍某師養殖場，兩組同一種系同樣１月齡，體質量均約35 kg。

1.2 截肢膝關節處理 關節囊切開向下翻轉髕骨，暴露股骨髁，用直徑4 mm鉆頭沿失狀徑分別磨除股骨外髁軟骨1、2、3、4 mm深度，制作軟骨缺損模型。

1.3 OA模型動物的建立 切斷實驗動物前交叉韌帶，切除部分內側半月板后任其活動。對照組未行手術處理。6周后宰殺所有動物，得到具備不同軟骨病變期的OA模型動物。

1.4 成像序列研究 對照組膝關節分別行快速自旋回波T2加權(FSE T2WI)、質子密度加權(PDWI)、梯度回波(GE)、短反轉時間的反轉恢復序列（STIR）、三維脂肪抑制快速擾相梯度回波(3D FS-FSPGR)等序列檢查矢狀位、冠狀位,圖像用以評價關節組織分辨率。截肢膝關節使用同樣序列掃描，將圖像與標本對照計算病變軟骨病灶檢出率。綜合兩者結果選定OA模型檢查使用序列。由兩位從事MR專業診斷副主任醫師按照Recht^［1］標準進行圖像評定。MR圖像組織分辨力評估按照朱寶林^［2］標準。

注：Flip翻轉角 Thick層厚SP間隔Fov視野Matrix矩陣

1.6 標本取材與組織學染色 標本取材依據MRI上軟骨病變分級定點取材，并以MRI為標準。標本經4%多聚甲醛固定１ d，用5%EDTA脫鈣2周后包埋。垂直于關節軟骨切片（4 μm），行蘇木素-伊紅（HE）、甲苯胺藍和番紅O染色。附于賴氨酸涂片上的實驗組組織切片，按SABC法進行Ⅱ型膠原的免疫組織化學染色。

1.7 圖像分析及統計學處理 HE染色總體觀察關節軟骨的形態。甲苯胺藍和番紅O染色切片，使用Photoshop7.0.1軟件測量顯色區5區域灰度值定量分析。免疫組化染色切片，使用醫學圖像工作站在100倍放大圖像上選取5個視野定標后計算Ⅱ型膠原所占該視野面積，取平均數定量分析。應用SPSS10.0統計學軟件，組織分辨力和病變檢出率資料采用χ²檢驗。關節軟骨甲苯胺藍、番紅O染色灰度、Ⅱ型膠原纖維染色面積結果采用方差分析計算P值。以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同MR序列的組織分辨力 對照組T2WI、PDWI、GE、STIR序列各選取60個圖像，3D FS-FSPGR選取失狀位128個圖象做為評價指標。T2WI、PDWI少數圖像能夠觀察到軟骨分層現象，組織對比度尚可，判斷軟骨內部信號較困難。GE軟骨分層一般，內部信號顯現尚好，軟骨輪廓因關節液較亮而分辨不清。STIR因信躁比低圖像較灰，軟骨周圍組織顯現清楚，軟骨信號強度一般。3D FS-FSPGR圖像較灰，軟骨顯得明亮，分層良好，周圍組織顯現一般，較多圖像能分清3層結構，內部信號顯現良好，由于連續掃描，各圖像之間連續性好。各序列組織分辨力見表2。

2.2 不同MR序列的病變撿出率 截肢膝關節T2WI、PDWI、GE、STIR各選取42個圖像，3D FS-FSPGR選取矢狀位48個圖像做為評價指標。以大體標本為準，評價MR對軟骨病變的檢出率。各序列病變檢出率見表3。

2.3 模型組3D FS-FSPGR 序列檢查 180個圖像中共檢查到軟骨病變Ⅰ級92個，Ⅱ級141個，Ⅲ級115個，Ⅳ級34個，關節軟骨相對于周圍組織低信號顯得明亮。在關節負重區大

部分軟骨顯示為三層結構，非負重區軟骨則較多顯示為一或二層結構。負重區軟骨主要為Ⅱ級病變，軟骨厚度變薄，軟骨內信號強度降低；同時可看到Ⅲ級軟骨退變，軟骨明顯變薄，信號強度降低，軟骨下骨亦表現異常低信號；在Ⅱ級病變邊緣多見到Ⅰ級病變，表現為軟骨輪廓尚規整，但出現厚度均勻變薄或輕度信號強度下降。Ⅳ級病變區可看到軟骨全層缺損，表現軟骨斷裂征，周圍軟骨信號強度降低，軟骨下骨出現異常低信號。

2.4 病理結果 隨著軟骨病變的加重，軟骨細胞逐漸減少，出現細胞皺縮和胞核、核漿比例變小，細胞基質增多，染色變淺。PG和CF主要分布在關節軟骨的深層組織，在表層組織中含量較少。各級軟骨病變之間染色濃度PG呈遞減關系(灰度值變化見表4）,CF在軟骨退變的早中期呈遞增關系，至中晚期又呈下降趨勢（表5）。

3 討論

本研究顯示，隨著OA軟骨退變的加重，PG的含量逐漸減少；CF在軟骨的中、深層由于組織的代償性增生修復，含量增多，但是其性質發生了變化。在軟骨的表層組織中，CF的含量雖然也有增多，其占整個軟骨體積的絕對百分比卻減少。在0級和Ⅰ級軟骨比較中可以看出CF含量的變化無明顯統計學意義，說明兩者之間的改變不明顯。而在0級和Ⅱ級、Ⅰ級和Ⅱ級之間，CF的含量變化均具有明顯統計學意義，說明主要在早期和中期軟骨病變中CF的含量和質量發生了變化，是病變發展較快的時期，提示早期診治軟骨病變的重要性。在早期，CF雖然變性，但是含量上卻無明顯缺失，這與晚期病變形成了鮮明的對比。晚期病變中，CF增生，與原有的Ⅱ型膠原纖維不同。其特點表現為雖然中、深層含量增多，但表層含量的明顯下降使得Ⅱ和Ⅲ級、甚至0和Ⅲ級之間無明顯統計學意義。在整個軟骨中，PG的含量表現為絕對性的減少，在0和Ⅰ級以及Ⅱ和Ⅲ級之間均表現出明顯差異，說明PG的丟失在軟骨發生病變的初期即較明顯。

CF具有T2效應，PG具有固水作用^［3］。CF從深層到淺層是一種特殊的排列方式，由軟骨下骨的骨小梁中膠原纖維合成小纖維束并垂直走向表面，形成軟骨拱形結構。在中間層，纖維呈噴射狀向四周散開斜行進入軟骨表層，沿切線方向排列，即軟骨的薄殼結構。因此，CF主要影響關節軟骨的中間層信號強度。隨著AO軟骨病變的逐步加重，在中期以前，CF表現為增生，其T2效應也逐漸明顯，使得軟骨原本正常的中間低信號強度逐漸升高；而同時由于PG的丟失，其固水作用減弱，而水主要分布在軟骨的表層，使得這一層信號強度最大。水的減少，減弱了T2效應，即軟骨的表層信號強度下降。由于CF和PG的共同作用，導致了軟骨三層分層結構的消失或模糊。PG和CF在不同層次中的含量不同以及變性共同導致了軟骨的分層現象和分層的變化。而MRI圖像與上述分子生物學改變一致。

在以往研究中，主要是MR技術的研究，且多集中在多種序列的比較性研究當中^［4-6］。本研究中，筆者根據軟骨MRI表現分級，再根據表現取材，進行切片組織學觀察，發現組織學表現不同，其MRI表現亦不相同。軟骨基質變化越明顯，PG減少越多，CF相對增生，而MRI分級越高。各個標本之間的染色鏡下結構具有較好的對比性，尤其是CF和PG的改變能夠解釋出軟骨的基本病變，而此種組織學改變，能顯示不同的圖像，具有很好的相關性。MRI能準確發現軟骨的各種病變，在其陰性結果顯示時，可以指導臨床醫師避免進一步地外科手術干預，減少創傷^［7］。MR圖像能準確的記錄關節軟骨的組織學變化，對關節軟骨疾病的診斷具有很高的價值，尤其是在對軟骨的早期病變的臨床診斷中。

參考文獻

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