Ortsaufgelöste Niederfeld-NMR-Untersuchungen der Wasser- und Proteindynamik an Knorpelgewebe sowie dessen Bestandteilen zur Charakterisierung von degenerativen Erkrankungen

Rößler, Erik GND

Hyaliner artikulärer Knorpel stellt aufgrund seiner möglichen Einteilung in drei verschiedene Zonen, welche anhand des Kollagenfaserverlaufs vorgenommen werden kann, ein Beispiel eines organisierten biologischen Gewebes dar. Diese tiefenabhängige Struktur wird von einem Gradienten zunehmender Glykosaminoglykan- (Protein-Disacharid-Makromoleküle) und abnehmender Wasserkonzentration zur Knochengrenzfläche hin begleitet. Bei niedrigen Magnetfeldstärken ist die longitudinale Relaxationszeitsvariation (T1) ein zuverlässiger Parameter zur Charakterisierung dieser Struktur. Überdies ist die T1-Zeit sensitiv zum enzymatischen Abbau, externer mechanische Belastung und Degeneration in Folge einer osteoarthritischen Erkrankung. Andererseits ermöglicht die feldabhängige Relaxometrie Zugang zu der quadrupolaren Wechselwirkung. Hierdurch wird der Gehalt und die Ordnung akromolekularer Bestandteile, im Knorpel sind dies die Glykosaminoglykane und Kollagenfasern, widergespiegelt. In diesem Projekt wurden sowohl Niedrigfeld- als auch feldabhängige Techniken kombiniert, um die Wasser- und Proteindynamik von artikulärem Knorpel als auch seinen Bestandteilen zu untersuchen. Erste Versuche fanden an Rinderknorpel und Glykosa-minoglykan / Kollagen - Wasser Modellsystemen statt. Im weiteren Verlauf wurden beide NMR-Techniken zum ersten Mal verwendet, um Korrelationen zwischen NMR-Parametern und dem Verhalten unter mechanischer Belastung bzw. dem Krankheitszustand einer Osteoarthritis bei humanem Knorpel zu identifizieren. Dabei konnte eine Abhängigkeit der Ausprägung der quadrupolaren Wechselwirkung und der Knorpeldicke mit dem Osteoarthritiszustand, welcher durch die Mankin-Grade abgebildet wurde, gefunden werden. Weiterhin ist eine signifikante Korrelation sowohl der Position als auch des maximalen T1-Wertes unter uniaxialer Belastung von 0,6 MPa, einem typischen Werte für eine Druckbelastung im menschlichen Knie, demonstriert wurden. Beide Ergebnisse sind unter Beachtung der räumlichen Auflösung des Tiefenscanners von 50 [my]m, welche eine Größenordnung besser als bei klinisch eingesetzten Geräten ist, von besonderer Wichtigkeit. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Niedrigfeld-NMR-Techniken zusätzliche Informationen zu den Hochfeldergebnissen liefern und damit einen entscheidenden Beitrag zum Gesamtbild des Knorpelgesundheitszustandes beitragen können.

Hyaline articular cartilage is an example of a well-organized biological tissue due to the distinction by three layers of differently orientied collagen fibers. Furthermore, its depth-dependent structure is accompanied by a gradient of increasing glycosaminoglycan (protein-dissacharid macromolecules) as well as decreasing water concentration from the top layer towards the bone interface. At low magnetic field strengths, the longitudinal relaxation time (T1) variation within the tissue represents a robust parameter characterizing its layered structure. Moreover, T1 is sensitive to factors such as enzymatic degradation, external load and degeneration, which might be a consequence of an ongoing osteoarthritis disease. Variable-field relaxometry, on the other hand, provides access to the quadrupolar dips. Therefore the content as well as local order of macromolecular constituents, which are glycosaminoglycans and collagen, is reflected. In this project, low-field and variable-field techniques were combined to investigate the water and proteine dynamic in articular cartilage and its constitutes. Therefore first experiments were performed on bovine cartilage and glycosaminoglycan / collagen - water model systems. In a further step, both NMR techniques were combined for the first time to correlate corresponding NMR parameters and the response to load with the severity of osteoarthritis on human cartilage samples. As a result of these experiments the magnitude of the quadrupolar dips as well as the cartilage thickness was found to correlate with osteoarthritis phase measured by its Manking grade. In addition, a significant correlation for the T1 position and its actual value after uniaxial compression at 0.6 MPa, a typical value for forces appearing in the human knee joint, could be demonstrated. This finding is of importance since the spatial resolution of 50 µm obtained with the applied single-sided scanner is about one order of magnitude better than achievable in clinical high-field or low-field scanners. In conclusion, the used low-field techniques could be proven to supply additional information, which can be combined with high-field results, to contribute to the big picture of the cartilage health status.

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Rößler, Erik: Ortsaufgelöste Niederfeld-NMR-Untersuchungen der Wasser- und Proteindynamik an Knorpelgewebe sowie dessen Bestandteilen zur Charakterisierung von degenerativen Erkrankungen. Ilmenau 2017.

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