Quantitative magnetic resonance imaging of articular cartilage and meniscus during osteoarthritis progression:experimental and clinical feasibility of novel MRI methods

Abstract Osteoarthritis (OA) is the most common degenerative joint disease, causing joint pain and functional disability in millions of people worldwide. OA is characterized by the progressive loss of articular cartilage and involves the whole joint including articular cartilage, meniscus, subchondral bone and synovium. Despite great success in modern medicine, there is still no effective treatment to prevent or cure OA. This is largely due to the absence of a reliable and sensitive biomarker that is able to identify early OA and follow up the disease progression. Early diagnosis of OA can lead the way to appropriate interventions that can potentially avoid the onset or progression of OA. Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) has been indirectly associated with the compositional changes and biomechanical properties of articular cartilage and meniscus. In addition to T1 and T2 relaxation time measurements, rotating frame of reference (RFR) relaxation parameters were found to be sensitive to the degenerative changes in articular cartilage and meniscus. The RFR parameters involve spin-locking irradiation, which can be modified to provide multiple relaxation methods such as continuous-wave T1ρ (CWT1ρ), adiabatic T1ρ (AdT1ρ), adiabatic T2ρ (AdT2ρ) and relaxation along a fictitious field (TRAFF). The aim of this thesis was to investigate the potential of qMRI parameters (T1, T2, CWT1ρ, AdT1ρ, AdT2ρ, TRAFF) for the assessment of structural and compositional changes in articular cartilage in a rabbit model of early OA and an equine model of post-traumatic OA. Biomechanical properties and histology were used as references. Moreover, the clinical feasibility of AdT1ρ and AdT2ρ for the evaluation of structural changes in meniscus was studied in human OA. Compared to other qMRI parameters, T1, CWT1ρ and AdT1ρ were more sensitive to the degenerative cartilage changes in both the rabbit model of early OA and the equine model of post-traumatic OA. The parameters were highly associated with cartilage tissue properties. Furthermore, AdT1ρ and AdT2ρ detected meniscus tissue alterations associated with meniscal tear and full-thickness cartilage lesions in human OA. These findings indicate the potential of T1, CWT1ρ and AdT1ρ mapping for the evaluation of early OA changes in articular cartilage, and clinical feasibility of AdT1ρ and AdT2ρ for the assessment of meniscus.Tiivistelmä Nivelrikko on yleisin nivelten sairaus, joka aiheuttaa huomattavaa kipua ja liikkumisvaikeuksia miljoonille ihmisille ympäri maailmaa. Nivelrikossa nivelrusto ohenee, mutta sairaus vaikuttaa koko niveleen ja kaikkiin sen kudoksiin, nivelrustoon, nivelkierukoihin, rustonalaiseen luuhun ja nivelkapseliin. Huolimatta nykylääketieteen saavutuksista, nivelrikkoa parantavaa tai estävää hoitoa ei ole olemassa. Merkittävä syy tehokkaiden hoitojen puuttumiseen on luotettavien ja herkkien nivelrikon diagnosointimenetelmien puute. Tällaisilla menetelmillä voitaisiin tunnistaa varhaisvaiheen nivelrikko ja seurata luotettavasti sen etenemistä. Varhainen diagnoosi mahdollistaisi paremmin nivelrikon etenemisen ennaltaehkäisyn, ja sitä kautta sen hidastamisen tai jopa pysäyttämisen kokonaan. Kvantitatiivisen magneettikuvauksen avulla voidaan epäsuorasti havainnoida muutoksia nivelruston ja nivelkierukoiden rakenteellisissa sekä toiminnallisissa ominaisuuksissa. T1- ja T2-relaksaatioaikamittausten ohella niin kutsuttujen pyörivän koordinaatiston relaksaatioparametrien on havaittu olevan herkkiä nivelruston ja nivelkierukoiden degeneratiivisille muutoksille. Pyörivän koordinaatiston parametrien mittauksessa käytettyä spin-lukko-pulssia voidaan muuttaa ja siten tuottaa erilaisia kontrasteja, kuten jatkuvan aallon T1ρ (CW-T1ρ), adiabaattinen T1ρ (AdT1ρ), adiabaattinen T2ρ (AdT2ρ) ja fiktiivisen kentän relaksaatio (TRAFF). Väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää kvantitatiivisten magneettikuvausparametrien (T1, T2, CWT1ρ, AdT1ρ, AdT2ρ ja TRAFF) potentiaalia kanin varhaisen nivelrikon ja ponin traumaperäisen nivelrikon tautimalleissa. Nivelruston biomekaanisia ominaisuuksia ja histologiaa käytettiin verrokkimenetelminä. Väitöskirjatyössä selvitettiin AdT 1ρ:n ja AdT2ρ:n kliinistä soveltuvuutta nivelkierukan rakenteellisten ominaisuuksien arviointiin ihmisillä. Muihin magneettikuvausparametreihin verrattuna T1, CWT1ρ sekä AdT1ρ olivat herkimpiä degeneratiivisille muutoksille kanin ja ponin tautimalleissa. Nivelkierukassa AdT1ρ ja AdT2ρ havaitsivat kudosmuutoksia, jotka liittyivät nivelkierukan repeämiseen ja nivelrustovaurioihin ihmisen nivelrikossa. Väitöskirjatyön havainnot osoittavat, että T1, CWT1ρ sekä AdT1ρ ovat potentiaalisia menetelmiä varhaisen nivelrikon aiheuttamien rustomuutosten havaitsemiseen sekä AdT1ρ ja AdT2ρ kliinisesti soveltuvia nivelkierukan arviointiin