21.06.2024
Протонная магнитно-резонансная спектроскопия как альтернативный количественный метод оценки прочности костей
Исследование взаимосвязи между количественным содержанием жира и минеральной плотностью костной ткани, определенными с помощью локализированной протонной магнитно-резонансной спектроскопии (1Н-МРС) и количественной компьютерно-томографической денситометрии (ККТД) соответственно, в неповрежденных позвонках у детей после компрессионного перелома
Остеопороз и остеопения - обменные заболевания опорно-двигательного аппарата, характеризующиеся снижением минеральной плотности костной ткани (МПКТ). По распространенности остеопороз занимает четвертое место после онкологических заболеваний, сахарного диабета и заболеваний сердечно-сосудистой системы. Это заболевание увеличивает риск переломов [1]; чаще всего остеопоротические переломы возникают в запястье, позвонках и проксимальном отделе бедренной кости. По статистике, остеопороз регистрируют у каждой третьей женщины и каждого четвертого мужчины в возрасте 50 лет и старше [2]. Частота остеопении в периоды интенсивного роста детского организма достигает 40-55% [3]. Низкие значения МПКТ в детском возрасте существенно увеличивают вероятность раннего заболевания остеопорозом, так как пик формирования костной массы приходится на возраст 20-25 лет, а затем прочность костей постепенно снижается. Скорость этого процесса индивидуальна [4]. Таким образом, определение уровней МПКТ - одна из важнейших задач ранней диагностики остеопороза.
Существуют различные методы диагностики остеопороза. Наиболее распространенными и точными можно признать методы, основанные на рентгеновском излучении, - двухэнергетическую рентгеновскую абсорбциометрию [5] и количественную денситометрию на основе компьютерно-томографических изображений (ККТД) [6]. Несмотря на то что эти методы наиболее точны в оценке МПКТ, они оба имеют один недостаток - во время исследования пациент получает эффективную дозу рентгеновского излучения. Это существенно ограничивает использование данных методик в качестве скрининговых, особенно у детей и подростков.
Локализированная протонная магнитно-резонансная спектроскопия ('И-МРС) - неинвазивный и биологически безопасный метод исследований, с помощью которого можно проводить количественную оценку концентраций низкомолекулярных соединений, присутствующих в различных органах и тканях. Метод используют для изучения процессов метаболизма in vivo как в норме, так и при патологии. Современные методики 1Н-МРС позволяют регистрировать спектры в объеме (вокселе), который может быть позиционирован в различных органах и тканях: головном мозге, печени, простате, мышечной и костной тканях и др. Так, в спектроскопическом вокселе, расположенном в губчатом веществе костной ткани, присутствуют два основных сигнала: сигнал протонов воды (5H2O = 4,67 млн-1) и сигнал метиленовых (-СН2-) протонов жира (6Fat = 1,20 млн-1). Источником появления сигналов воды и жира в спектре служит красный и желтый костный мозг соответственно, так как красный костный мозг представлен преимущественно миелоидной тканью, а желтый - жировой тканью [7, 8]. Для оценки относительного содержания этих компонентов по данным 1Н-МРС могут применяться различные расчетные величины: отношение «жиры - вода» [9] или содержание жира (СЖ) [10]. Отношение «жиры - вода» рассчитывается как отношение интенсивности сигнала жира к интенсивности сигнала воды, СЖ - как отношение интенсивности сигнала жира к сумме интенсивностей сигналов жира и воды. Изменение данных параметров может выступать в роли неинвазивного маркера замещения красного костного мозга желтым.
Цели работы: 1) исследовать взаимосвязь между количественным СЖ и МПКТ, определенными с помощью 1Н-МРС и ККТД соответственно, в неповрежденных позвонках у детей после компрессионного перелома; 2) сравнить значения фракции жира и минеральной плотности со степенью тяжести компрессионного перелома позвоночника.
Материал и методы
Общий протокол исследования включал в себя:
- получение стандартных диагностических магнитных резонансных изображений позвоночника для оценки наличия травмы в поясничных позвонках (L3, L4) и локализации спектроскопического вокселя объема интереса 1Н-МРС;
- два Щ-МР-спектра, полученных из тел поясничных позвонков L3, L4;
- количественную компьютерную томографическую денситометрию поясничных позвонков L3, L4.
Магнитно-резонансная томография и магнитнорезонансная спектроскопия
Получение данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) и МРС проводилось с использованием магнитно-резонансного томографа Philips Achieva TX (Philips, Нидерланды) с напряженностью постоянного магнитного поля 3 Тл и 16-канальной приемной радиочастотной катушкой Torso Coil. 1Н магнитно-резонансные спектры регистрировали с помощью импульсной последовательности STEAM без предварительного подавления воды со следующими параметрами: время эхо = 12,8 мс, время повторения = 3000 мс, число усреднений - 32, время накопления - 2,5 мин. Воксель объема интереса размерами 20 х 15 х 10 мм локализировали в центральной части тел позвонков L3, L4 (рис. 1А).
Полученные магнитно-резонансные спектры обрабатывали в программе SpectraView, входящей в состав программного обеспечения МРТ. Резонансы жира и воды в спектре количественно обрабатывались аппроксимацией с помощью гауссовой функции. Типичный регистрируемый спектр показан на рис. 1Б.
По полученным интегральным интенсивностям пиков воды и жира рассчитывали параметр СЖ. Для расчета использовалась следующая формула:
где FF - содержание жира, Ifat - интенсивность сигнала жира, Iwater - интенсивность сигнала воды.
Количественная денситометрия на основе компьютерно-томографических изображений ККТД использовалась для определения минеральной плотности (мг/см3) поясничных позвонков L3 и L4 и проводилась на 16-срезовом компьютерном томографе Philips Brilliance 16. Поле обзора включало в себя только позвонки L3, L4 (рис. 2). Основные параметры регистрации изображений для ККТД: напряжение на трубке - 120 кВ, толщина среза - 3 мм, экспозиция в зависимости от массы пациента варьировалась в интервале 25-50 мАс. Для расчета МПКТ использовали встроенное программное обеспечение Extended Brilliance Workspace.
Статистический анализ
Статистический анализ проводили в программе GraphPad Prism 8 (GraphPad Software, США). Для проверки распределений на нормальность использовали критерий Шапиро - Уилка; распределения показателей СЖ (p = 0,38) и МПКТ (p = 0,42) не отличались от нормальных. Определение статистической значимости различий средних проводилось с помощью t-критерия Стьюдента. Для оценки корреляции между СЖ и МПКТ использовали коэффициент линейной корреляции Пирсона. Нулевые гипотезы отвергали при p < 0,05.
Результаты
Выявлена статистически значимая обратная линейная корреляция (r = -0,55, p = 0,0004) между значениями СЖ и МПКТ, рассчитанными в позвонках L3 и L4 (рис. 3).
По результатам МРТ пациенты были разделены на две группы по степени тяжести полученного компрессионного перелома. Пациенты с 1 или 2 поврежденными позвонками были отнесены в группу с легкой степенью травмы (ЛКП), пациенты более чем с двумя травмированными позвонками - в группу с тяжелой степенью травмы (ТКП). В первую группу попали 8 пациентов, во вторую - 12. В полученных группах распределения показателей (ТКП СЖ (p = 0,90) и ТКПМ ПКТ (р = 0,89), ЛКП СЖ (р = 0,22) и ЛКП МПКТ (р = 0,36)) не отличались от нормальных.
Межгрупповой анализ выявил статистически значимое (p = 0,0021) снижение МПКТ у пациентов группы с тяжелой степенью травмы по сравнению с группой с легкой степенью травмы (115,5 ± 21,6 мг/см3 и 85,1 ± 23,4 мг/см3, рис. 4A). Помимо этого, обнаружено значимое увеличение параметра FF (р = 0,0011) у пациентов группы с тяжелой степенью травмы по сравнению с группой с легкой травмой (0,30 ± 0,07 и 0,40 ± 0,10 соответственно, рис. 4Б).
Обсуждение
В данной работе впервые исследована взаимосвязь между параметрами СЖ и МПКТ, которые рассчитывались по данным 1Н-МРС и ККТД соответственно в здоровых позвонках детей. Основным результатом следует признать обнаруженную обратную корреляцию (r = -0,55, p = 0,0004) между СЖ и МПКТ, которая свидетельствует о том, что процессы снижения МПКТ и увеличения содержания жира в здоровых позвонках протекают одновременно.
Аналогичная достоверная корреляция между этими расчетными параметрами, измеренными в телах поясничных позвонков, была найдена для испытуемых среднего и пожилого возраста [11, 12]. В работе [12] исследовалась группа волонтеров, средний возраст которых составлял 49,1 ± 19,0 года. В работе [11] обратная зависимость между СЖ и МПКТ, усредненной по значениям для поясничных позвонков L1-L3, была обнаружена не только у здоровых женщин (средний возраст 57 ± 4 года), но и у пациенток с сахарным диабетом 2-го типа (средний возраст 59 ± 4 года). У пожилых мужчин [13] и женщин [14] (средний возраст 73 года) обнаружено достоверное повышение содержания жира в группах с остеопорозом и остеопенией по сравнению с пациентами с нормальной плотностью костей, а также достоверная корреляция между содержанием жира в телах позвонков и T-критерием (г = -0,320, р < 0,003 в [11], г = -0,356, р < 0,001 в [14]). Т-критерий отображает разницу в единицах стандартных отклонений между измеренной МПКТ и средним значением МПКТ для здоровых молодых людей. Всемирная организация здравоохранения приняла Т-критерий в качестве диагностического параметра для выявления наличия остеопении и остеопороза у женщин в постменопаузе и мужчин старше 50 лет. Таким образом, обнаруженная ранее среди взрослого населения корреляция свидетельствует о связи между содержанием жира и МПКТ у этой группы населения.
Полученные in vivo результаты в сумме с проведенными ранее гистологическими исследованиями [15, 16], в которых было показано возрастное замещение костной ткани желтым костным мозгом в позвонках, подтверждают, что снижение минеральной плотности и увеличение содержания жира в костном мозге - параллельно идущие процессы, характерные для пациентов разных возрастных групп. Предложены различные механизмы для объяснения отрицательной корреляции между СЖ и МПКТ. Предполагается, что жир костного мозга служит не только наполнителем полостей костной матрицы [17]. У адипоцитов и остеобластов имеется общий предшественник - мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки. В связи с этим один из механизмов - изменение в дифферен- цировке мезенхимальных стволовых клеток, которое способствует преобладанию адипогенеза над остеобластогенезом [18]. Второй механизм предполагает прямое воздействие адипоцитов на подавление остеобластогенеза [19].
Наличие обратной корреляции между СЖ и МПКТ позволяет рассматривать изменения содержания жира в костном мозге позвонка, измеряемые с помощью 1Н-МРС, для оценки плотности костной ткани. Значительным преимуществом метода следует признать отсутствие радиационной нагрузки на пациента, благодаря чему его можно использовать как скрининговый, а также проводить динамические исследования у детей.
Оценка прочности позвонков в детском возрасте - важная задача, так как в этот период происходит набор костной массы. Пиковое значение показателя МПКТ достигается в возрасте 20-30 лет, после чего начинается процесс его снижения [20]. Если в периоде взросления этот процесс будет нарушен, пиковое значение не будет максимально возможным, что во взрослом возрасте существенно увеличивает вероятность развития остеопороза. Кроме того, нарушение набора костной массы у детей становится причиной меньшей прочности костей, что, в свою очередь, может вести к более тяжелым травмам. Именно поэтому очень важно выявить такое нарушение как можно раньше. При ранней диагностике изменение образа жизни и питания будет способствовать достижению максимального пикового значения МПКТ.
Параллельно с процессом набора костной массы идет конверсия красного костного мозга в желтый [20]. Примерно к 25 годам формируется распределение красного/желтого костного мозга по взрослому типу, которое характеризуется наличием красного костного мозга в костях осевого скелета (череп, позвонки, ребра, грудина и тазовые кости) и проксимальных отделах бедренных и плечевых костей [20] и почти полным его отсутствием в остальных костях. Скорость конверсии красного костного мозга в желтый индивидуальна для различных костей. Так, к примеру, в позвонках самый интенсивный рост значений фракции жира наблюдается в возрасте от 0 до 8-10 лет [21]. Исходя из наблюдений российских ученых [3], дети от 10 лет подвержены максимальному риску снижения минеральной плотности, что определяет
наибольший интерес к этой группе в плане дальнейших исследований.
По нашим данным, тяжелая степень компрессионного перелома позвоночника соответствует более высоким значениям СЖ и низким значениям МПКТ, в то время как легкая степень травмы ассоциируется с более низкими значениями СЖ и высокими значениями МПКТ. Это также косвенно указывает на параллельность процессов увеличения содержания жира и снижения МПКТ. Аналогичная связь между МПКТ и степенью тяжести травмы позвонков обнаружена в исследовании у взрослых пациентов с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии [22]. В in vitro исследовании [10] позвонков пожилых людей (средний возраст 58 ± 12 лет) выявлена отрицательная корреляция между СЖ в костном мозге позвонка, измеренным с помощью 1Н-МРС, и биомеханической прочностью - параметром, характеризующим устойчивость позвонка к одноосным механическим нагрузкам сжатия и растяжения. Это доказывает наличие отрицательной связи между прочностью кости и содержанием жира в костном мозге. Кроме того, в исследовании [10] установлена положительная корреляция между МПКТ и биомеханической прочностью позвонка. Результаты работы [10] и настоящего исследования позволяют считать параметры СЖ и МПКТ важными неинвазивными биомаркерами для оценки прочности позвонков.
Настоящее исследование имеет несколько ограничений. Во-первых, это довольно небольшой объем выборки (20 пациентов). Необходимы дальнейшие исследования с большим размером выборки. Во-вторых, у всех пациентов, принимавших участие в исследовании, диагностировались компрессионные переломы позвонков, не попадающих в область интереса, что могло привести к набору меньшего количества испытуемых с нормальной плотностью костной ткани. Сильной стороной данного исследования можно считать то, что усреднение полученных параметров СЖ и МПКТ не применялось. Корреляционный анализ проводили по параметрам, полученным для всех позвонков всех пациентов.
Заключение
Впервые у детей обнаружена зависимость степени тяжести травмы позвоночника от параметра СЖ и МПКТ, свидетельствующая о том, что эти параметры могут быть значимыми для оценки риска получения травм различной степени тяжести. Выявленная у детей отрицательная корреляция между параметром СЖ и МПКТ согласуется с аналогичными результатами, полученными для взрослых. Это свидетельствует о параллельности процессов увеличения доли желтого костного мозга и уменьшения МПКТ не только у взрослых, но и у детей.
Таким образом, установленная нами обратная корреляция СЖ и МПКТ у детей дополняет существующие знания об ожирении костного мозга и связи этого процесса с изменением МПКТ, выявленные ранее для других возрастных групп. Кроме того, результаты данного исследования позволяют рассматривать 'H-МРС в качестве скрининговой методики мониторинга прогрессирования заболеваний костей (остеопении и остеопороза) без радиационной нагрузки.
Авторы:
Меньщиков Петр Евгеньевич - канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. отдела лучевых методов диагностики1; мл. науч. сотр.; специалист по поддержке научных проектов
Полякова Ульяна Алексеевна - врач- рентгенолог отдела лучевых методов диагностики
Манжурцев Андрей Валерьевич - канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. отдела лучевых методов диагностики1; мл. науч. сотр. лаборатории кинетики и механизмов ферментативных и каталитических реакций
Ублинский Максим Вадимович - канд. биол. наук, науч. сотр. отдела лучевых методов диагностики; науч. сотр.4
Ахадов Толибджон Абдуллаевич - д-р мед. наук, профессор, руководитель отдела лучевых методов диагностики
Куприянов Дмитрий Алексеевич - канд. физ.-мат. наук, старший специалист по поддержке научных проектов
Семенова Наталия Александровна - д-р биол. наук, гл. науч. сотр.1; науч. сотр.2; гл. науч. сотр.4
Литература / References
NIH Consensus Development Panel on Osteoporosis Prevention, Diagnosis, and Therapy. Osteoporosis prevention, diagnosis, and therapy. JAMA. 2001;285(6):785-795. doi: 10.1001/ jama.285.6.785.
Wang P, Abdin E, Shafie S, Chong SA, Vaingan- kar JA, Subramaniam M. Estimation of Prevalence of Osteoporosis Using OSTA and Its Correlation with Sociodemographic Factors, Disability and Comorbidities. Int J Environ Res Public Health. 2019;16(13):2338. doi: 10.3390/ ijerph16132338.
Мальцев СВ, Мансурова ГШ. Снижение минеральной плотности кости у детей и подростков: причины, частота развития, лечение. Вопросы современной педиатрии. 2015;14(5):573-578. doi: 10.15690/vsp. v14i5.1442. [Maltsev SV, Mansurova GS. Reduced bone mineral density in children and adolescents: causes, incidence and treatment. Current Pediatrics. 2015;14(5):573-578. Russian. doi: 10.15690/vsp.v14i5.1442.]
Струков ВИ, Сергеева-Кондраченко МЮ, Струкова-Джоунс ОВ, Галеева РТ, Радченко ЛГ, Гербель МН, Шурыгина ЕБ, Романовская ЛД, Еремина НВ, Вирясова НА. Актуальные проблемы остеопороза: монография. Пенза: Ростра; 2009. 342 с. [Strukov VI, Serge- eva-Kondrachenko MYu, Strukova-Jones OV, Galeeva RT, Radchenko LG, Gerbel' MN, Shurygina EB, Romanovskaya LD, Eremina NV, Viryasova NA. Aktual'nye problemy osteoporo- za: monografiya [Current Issues in Osteoporosis: Monograph]. Penza: Rostra; 2009. 342 p. Russian.]
Blake GM, Fogelman I. An update on dual-energy x-ray absorptiometry. Semin Nucl Med. 2010;40(1):62-73. doi: 10.1053/j.semnu- clmed.2009.08.001.
Adams JE. Quantitative computed tomography. Eur J Radiol. 2009;71(3):415-424. doi: 10.1016/j.ejrad.2009.04.074.
Tavassoli M, Crosby WH. Bone marrow histogenesis: a comparison of fatty and red marrow. Science. 1970;169(3942):291-293. doi: 10.1126/science.169.3942.291.
Gatter K, Brown D. Bone marrow diagnosis: An illustrated guide, 3rd edition. Chichester: Wi- ley-Blackwell; 2014. 232 p.
Shih TT, Chang CJ, Hsu CY, Wei SY, Su KC, Chung HW. Correlation of bone marrow lipid water content with bone mineral density on the lumbar spine. Spine (Phila Pa 1976). 2004;29(24):2844-2850. doi: 10.1097/01. brs.0000147803.01224.5b.
Karampinos DC, Ruschke S, Gordijenko O, Grande Garcia E, Kooijman H, Burgkart R, Rummeny EJ, Bauer JS, Baum T. Association of MRS-based vertebral bone marrow fat fraction with bone strength in a human in vitro model. J Osteoporos. 2015;2015:152349. doi: 10.1155/2015/152349.
Baum T, Yap SP, Karampinos DC, Nardo L, Kuo D, Burghardt AJ, Masharani UB, Schwartz AV, Li X, Link TM. Does vertebral bone marrow fat content correlate with abdominal adipose tissue, lumbar spine bone mineral density, and blood biomarkers in women with type 2 diabetes mellitus? J Magn Reson Imaging. 2012;35( 1): 117-124. doi: 10.1002/jmri.22757.
Lee SH, Yoo HJ, Yu SM, Hong SH, Choi JY, Chae HD. Fat quantification in the vertebral body: comparison of modified dixon technique with single-voxel magnetic resonance spectroscopy. Korean J Radiol. 2019;20(1): 126-133.
Griffith JF, Yeung DK, Antonio GE, Wong SY, Kwok TC, Woo J, Leung PC. Vertebral marrow fat content and diffusion and perfusion indexes in women with varying bone density: MR evaluation. Radiology. 2006;241(3):831-838
Meunier P, Aaron J, Edouard C, Vignon G. Osteoporosis and the replacement of cell populations of the marrow by adipose tissue. A quantitative study of 84 iliac bone biopsies. Clin Orthop Relat Res. 1971;80:147-154.
Gimble JM, Zvonic S, Floyd ZE, Kassem M, Nuttall ME. Playing with bone and fat. J Cell Biochem. 2006;98(2):251-266. doi: 10.1002/ jcb.20777.
Duque G. Bone and fat connection in aging bone. Curr Opin Rheumatol. 2008;20(4):429- 434. doi: 10.1097/BOR.0b013e3283025e9c.
Chan BY, Gill KG, Rebsamen SL, Nguyen JC. MR Imaging of Pediatric Bone Marrow. Radiographics. 2016;36(6):1911-1930. doi: 10.1148/ rg.2016160056.
Ruschke S, Pokorney A, Baum T, Eggers H, Miller JH, Hu HH, Karampinos DC. Measurement of vertebral bone marrow proton density fat fraction in children using quantitative wa ter-fat MRI. MAGMA. 2017;30(5):449-460. doi: 10.1007/s10334-017-0617-0.
Spector TD, McCloskey EV, Doyle DV, Kanis JA. Prevalence of vertebral fracture in women and the relationship with bone density and symptoms: the Chingford Study. J Bone Miner Res. 1993;8(7):817-822. doi: 10.1002/ jbmr.5650080707.
Теги: остеопороз
234567 Начало активности (дата): 21.06.2024 16:35:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: остеопороз, минеральная плотность, фракция жира, локализированная протонная магнитно-резонансная спектроскопия
12354567899
Похожие статьи
Оценка эффективности вариантов артродезирования голеностопного суставаДегенеративный сколиоз позвоночника у пациентов старшей возрастной группы: диагностика, классификация и хирургический подход
Результаты хирургического лечения внутрисуставных переломов дистального отдела бедренной кости с использованием ретроградной интрамедуллярной техники
Рентген на дому 8 495 22 555 6 8
Способ лечения пациентов с массивными разрывами вращательной манжеты плеча:клинический случай
