Diagnostic de l'arthrose: IRM du cartilage articulaire

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) du cartilage articulaire reflète l'intégralité de sa structure histologique et de sa composition biochimique. Le cartilage articulaire est hyalin, dépourvu de vascularisation, de drainage lymphatique et d'innervation propres. Il est composé d'eau et d'ions, de fibres de collagène de type II, de chondrocytes, de protéoglycanes agrégés et d'autres glycoprotéines. Les fibres de collagène sont renforcées dans la couche sous-chondrale de l'os, comme une ancre, et s'étendent perpendiculairement à la surface articulaire, où elles divergent horizontalement. Entre les fibres de collagène se trouvent de grosses molécules de protéoglycanes, fortement chargées négativement, qui attirent intensément les molécules d'eau. Les chondrocytes cartilagineux sont disposés en colonnes régulières. Ils synthétisent le collagène et les protéoglycanes, ainsi que des enzymes inactives qui dégradent les enzymes et les inhibiteurs enzymatiques.

Histologiquement, trois couches de cartilage ont été identifiées dans les grosses articulations comme le genou et la hanche. La couche la plus profonde, à la jonction du cartilage et de l'os sous-chondral, sert de couche d'ancrage à un vaste réseau de fibres de collagène s'étendant jusqu'à la surface en faisceaux denses reliés par de nombreuses fibrilles réticulées. C'est la couche radiale. Vers la surface articulaire, les fibres de collagène individuelles s'affinent et se regroupent en réseaux parallèles plus réguliers et compacts, avec moins de réticulations. La couche intermédiaire, dite de transition, contient des fibres de collagène organisées de manière plus aléatoire, la plupart orientées obliquement pour résister aux charges verticales, aux pressions et aux chocs. La couche la plus superficielle du cartilage articulaire, appelée couche tangentielle, est une fine couche de fibres de collagène serrées et orientées tangentiellement. Elle résiste aux forces de traction exercées par la compression et forme une barrière étanche au liquide interstitiel, empêchant sa perte lors de la compression. Les fibres de collagène les plus superficielles de cette couche sont disposées horizontalement, formant des feuilles horizontales denses sur la surface articulaire, bien que les fibrilles de la zone tangentielle superficielle ne soient pas nécessairement connectées à celles des couches plus profondes.

Comme indiqué précédemment, ce réseau cellulaire complexe de fibres abrite des molécules de protéoglycanes hydrophiles agrégées. Ces grosses molécules possèdent des fragments SQ et COO" chargés négativement à l'extrémité de leurs nombreuses ramifications, qui attirent fortement les ions de charges opposées (généralement Na ⁺ ), favorisant ainsi la pénétration osmotique de l'eau dans le cartilage. La pression au sein du réseau de collagène est énorme et le cartilage agit comme un coussin hydrodynamique extrêmement efficace. La compression de la surface articulaire provoque un déplacement horizontal de l'eau contenue dans le cartilage, car le réseau de fibres de collagène est comprimé. L'eau est redistribuée dans le cartilage de sorte que son volume global ne peut pas varier. Lorsque la compression après une charge articulaire est réduite ou supprimée, l'eau recule, attirée par la charge négative des protéoglycanes. C'est ce mécanisme qui maintient une teneur en eau élevée et donc une forte densité protonique du cartilage. La teneur en eau la plus élevée est observée près de la surface articulaire et diminue vers l'os sous-chondral. La concentration en protéoglycanes augmente dans les couches profondes du cartilage.

Actuellement, l'IRM est la principale technique d'imagerie du cartilage hyalin, réalisée principalement par écho de gradient (EG). L'IRM reflète la teneur en eau du cartilage. Cependant, la quantité de protons d'eau contenue dans le cartilage est importante. La teneur et la distribution des molécules de protéoglycanes hydrophiles ainsi que l'organisation anisotrope des fibrilles de collagène affectent non seulement la quantité totale d'eau, c'est-à-dire la densité protonique, dans le cartilage, mais aussi l'état des propriétés de relaxation, à savoir le T2, de cette eau, conférant au cartilage ses images IRM « zonales » ou stratifiées caractéristiques, que certains chercheurs considèrent comme correspondant aux couches histologiques du cartilage.

Sur les images à temps d'écho (TE) très court (moins de 5 ms), les images de cartilage à plus haute résolution montrent généralement une image à deux couches: la couche profonde est située plus près de l'os dans la zone de précalcification et a un signal faible, car la présence de calcium raccourcit considérablement le TR et ne produit pas d'image; la couche superficielle produit un signal MP d'intensité moyenne à élevée.

Sur les images TE intermédiaires (5-40 ms), le cartilage présente une apparence en trois couches: une couche superficielle à faible signal; une couche de transition à intensité intermédiaire; et une couche profonde à faible signal MP. En pondération T2, le signal n'inclut pas la couche intermédiaire et l'image cartilagineuse devient homogène et de faible intensité. En basse résolution spatiale, une couche supplémentaire apparaît parfois sur les images TE courtes en raison d'artefacts de coupe oblique et d'un contraste élevé à l'interface cartilage/liquide. Ceci peut être évité en augmentant la taille de la matrice.

De plus, certaines de ces zones (couches) peuvent ne pas être visibles dans certaines conditions. Par exemple, lorsque l'angle entre l'axe du cartilage et le champ magnétique principal change, l'apparence des couches cartilagineuses peut changer et le cartilage peut présenter une image homogène. Les auteurs expliquent ce phénomène par la propriété anisotrope des fibres de collagène et leur orientation différente au sein de chaque couche.

D'autres auteurs estiment que l'obtention d'une image multicouche du cartilage n'est pas fiable et constitue un artefact. Les avis des chercheurs divergent également quant à l'intensité des signaux issus des images tridimensionnelles du cartilage obtenues. Ces études sont très intéressantes et nécessitent bien sûr des études complémentaires.

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Modifications structurelles du cartilage dans l'arthrose

Aux premiers stades de l'arthrose, le réseau de collagène des couches superficielles du cartilage se dégrade, entraînant un effilochage de la surface et une perméabilité accrue à l'eau. La destruction d'une partie des protéoglycanes entraîne l'apparition de glycosaminoglycanes chargés négativement, qui attirent les cations et les molécules d'eau, tandis que les protéoglycanes restants perdent leur capacité à attirer et à retenir l'eau. De plus, la perte de protéoglycanes réduit leur effet inhibiteur sur le flux interstitiel de l'eau. En conséquence, le cartilage gonfle, le mécanisme de compression (rétention) du liquide est inopérant et sa résistance à la compression diminue. La majeure partie de la charge est transférée à la matrice dure déjà endommagée, ce qui rend le cartilage gonflé plus vulnérable aux dommages mécaniques. Par conséquent, le cartilage se régénère ou continue de se détériorer.

Outre les lésions des protéoglycanes, le réseau de collagène est partiellement détruit et ne se reconstitue plus, et des fissures et ulcères verticaux apparaissent dans le cartilage. Ces lésions peuvent s'étendre le long du cartilage jusqu'à l'os sous-chondral. Les produits de dégradation et le liquide synovial se propagent à la couche basale, ce qui entraîne l'apparition de petites zones d'ostéonécrose et de kystes sous-chondraux.

Parallèlement à ces processus, le cartilage subit une série de modifications réparatrices visant à restaurer la surface articulaire endommagée, notamment la formation de chondrophytes. Ces derniers finissent par s'ossifier enchondralement et deviennent des ostéophytes.

Un traumatisme mécanique aigu et une charge compressive peuvent entraîner le développement de fissures horizontales dans la couche calcifiée profonde du cartilage et son décollement de l'os sous-chondral. Ce dédoublement basal ou délaminage du cartilage peut favoriser la dégénérescence non seulement du cartilage normal sous surcharge mécanique, mais aussi en cas d'arthrose, en cas d'instabilité articulaire. Si le cartilage hyalin est complètement détruit et que la surface articulaire est exposée, deux processus sont possibles: la formation d'une sclérose dense à la surface osseuse, appelée éburnation; la lésion et la compression des travées, qui, sur les radiographies, ressemblent à une sclérose sous-chondrale. Par conséquent, le premier processus peut être considéré comme compensatoire, tandis que le second est clairement une phase de destruction articulaire.

L'augmentation de la teneur en eau du cartilage augmente sa densité protonique et élimine les effets de raccourcissement du temps T2 de la matrice protéoglycane-collagène, dont l'intensité du signal est élevée dans les zones de lésion matricielle sur les séquences IRM conventionnelles. Cette chondromalacie précoce, premier signe de lésion cartilagineuse, peut être visible avant même un léger amincissement du cartilage. Un léger épaississement ou gonflement du cartilage peut également être présent à ce stade. Les modifications structurelles et biomécaniques du cartilage articulaire sont progressives, avec perte de substance fondamentale. Ces processus peuvent être focaux ou diffus, se limitant à un amincissement et un effilochage superficiels, ou à une disparition complète du cartilage. Dans certains cas, un épaississement ou un gonflement focal du cartilage peut être observé sans lésion de la surface articulaire. Dans l'arthrose, une augmentation focale du signal du cartilage sur les images pondérées en T2 est souvent observée, confirmée par arthroscopie par la présence de modifications linéaires superficielles, transmurales et profondes. Ces dernières peuvent refléter des modifications dégénératives profondes, commençant principalement par un décollement du cartilage de la couche calcifiée ou de la ligne de marée. Les modifications précoces peuvent être limitées aux couches profondes du cartilage, auquel cas elles ne sont pas détectables à l'examen arthroscopique de la surface articulaire. Cependant, une faible densité focale des couches profondes du cartilage peut entraîner une atteinte des couches adjacentes, souvent accompagnée d'une prolifération de l'os sous-chondral sous forme d'ostéophyte central.

La littérature étrangère fournit des données sur la possibilité d'obtenir des informations quantitatives sur la composition du cartilage articulaire, par exemple sur la teneur en eau et le coefficient de diffusion de l'eau dans le cartilage. Ces données sont obtenues grâce à des programmes spécifiques du tomographe IRM ou par spectroscopie IRM. Ces deux paramètres augmentent lorsque la matrice protéoglycane-collagène est endommagée lors d'une lésion cartilagineuse. La concentration en protons mobiles (teneur en eau) du cartilage diminue de la surface articulaire vers l'os sous-chondral.

L'évaluation quantitative des modifications est également possible sur les images pondérées en T2. En regroupant les données d'images du même cartilage obtenues avec différents TE, les auteurs ont évalué les images pondérées en T2 (WI) du cartilage à l'aide d'une courbe exponentielle appropriée à partir des valeurs d'intensité du signal obtenues pour chaque pixel. Le T2 est évalué dans une zone spécifique du cartilage ou affiché sur une carte de l'ensemble du cartilage, l'intensité du signal de chaque pixel correspondant au T2 à cet endroit. Cependant, malgré les capacités relativement importantes et la relative simplicité de la méthode décrite ci-dessus, le rôle du T2 est sous-estimé, en partie en raison d'une augmentation des effets liés à la diffusion avec l'augmentation du TE. Le T2 est principalement sous-estimé dans le cartilage de chondromalacie, lorsque la diffusion de l'eau est accrue. Sauf utilisation de technologies spécifiques, l'augmentation potentielle du T2 mesurée avec ces technologies dans le cartilage de chondromalacie supprimera légèrement les effets liés à la diffusion.

L’IRM est donc une méthode très prometteuse pour détecter et surveiller les changements structurels précoces caractéristiques de la dégénérescence du cartilage articulaire.

Modifications morphologiques du cartilage dans l'arthrose

L'évaluation des modifications morphologiques du cartilage repose sur une haute résolution spatiale et un contraste élevé entre la surface articulaire et l'os sous-chondral. L'utilisation de séquences 3D GE pondérées en T1 avec suppression de la graisse permet d'obtenir un résultat optimal, reflétant avec précision les défauts locaux identifiés et vérifiés lors de l'arthroscopie et sur les prélèvements d'autopsie. L'imagerie du cartilage peut également être réalisée par transfert de magnétisation par soustraction d'image. Dans ce cas, le cartilage articulaire apparaît comme une bande distincte avec une intensité de signal élevée, contrastant clairement avec le liquide synovial adjacent de faible intensité, le tissu adipeux intra-articulaire et la moelle osseuse sous-chondrale. Cependant, cette méthode produit des images deux fois moins lentement que les images pondérées en T1 avec suppression de la graisse et est donc moins répandue. De plus, les défauts locaux, les irrégularités de surface et l'amincissement généralisé du cartilage articulaire peuvent être visualisés à l'aide de séquences IRM conventionnelles. Selon certains auteurs, les paramètres morphologiques (épaisseur, volume, géométrie et topographie de surface du cartilage) peuvent être calculés quantitativement à l'aide d'images IRM 3D. En additionnant les voxels qui composent l'image 3D reconstruite du cartilage, la valeur exacte de ces structures complexes peut être déterminée. De plus, la mesure du volume total du cartilage obtenu à partir de coupes individuelles est une méthode plus simple, car les variations de plan d'une coupe sont plus faibles, et sa résolution spatiale est plus fiable. Lors de l'étude d'articulations de genou amputées entières et de spécimens rotuliens obtenus lors d'une arthroplastie de ces articulations, le volume total du cartilage articulaire du fémur, du tibia et de la rotule a été déterminé, et une corrélation a été établie entre les volumes obtenus par IRM et les volumes correspondants obtenus en séparant le cartilage de l'os et en le mesurant histologiquement. Cette technologie peut donc être utile pour l'évaluation dynamique des variations du volume du cartilage chez les patients souffrant d'arthrose. L'obtention de coupes de cartilage articulaire précises et nécessaires, en particulier chez les patients souffrant d'arthrose, nécessite des compétences et une expérience suffisantes de la part du médecin effectuant l'examen, ainsi que la disponibilité d'un logiciel d'IRM approprié.

Les mesures du volume total contiennent peu d'informations sur les modifications généralisées et sont donc sensibles à la perte cartilagineuse locale. Théoriquement, la perte ou l'amincissement du cartilage dans une zone pourrait être compensé par une augmentation équivalente du volume cartilagineux ailleurs dans l'articulation. La mesure du volume cartilagineux total ne montrerait aucune anomalie; de tels changements ne seraient donc pas détectables par cette méthode. La subdivision du cartilage articulaire en petites régions distinctes par reconstruction 3D a permis d'estimer le volume cartilagineux dans des zones spécifiques, notamment sur les surfaces portantes. Cependant, la précision des mesures est réduite car très peu de subdivisions sont effectuées. En fin de compte, une résolution spatiale extrêmement élevée est nécessaire pour confirmer la précision des mesures. Si une résolution spatiale suffisante est obtenue, la perspective de cartographier l'épaisseur du cartilage in vivo devient possible. Les cartes d'épaisseur du cartilage peuvent reproduire les lésions locales lors de la progression de l'arthrose.