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

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>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.</p><p>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 T_1ρ (CWT_1ρ), adiabatic T_1ρ (AdT_1ρ), adiabatic T_2ρ (AdT_2ρ) and relaxation along a fictitious field (T_RAFF). The aim of this thesis was to investigate the potential of qMRI parameters (T₁, T₂, CWT_1ρ, AdT_1ρ, AdT_2ρ, T_RAFF) 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 AdT_1ρ and AdT_2ρ for the evaluation of structural changes in meniscus was studied in human OA.</p><p>Compared to other qMRI parameters, T₁, CWT_1ρ and AdT_1ρ 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, AdT_1ρ and AdT_2ρ detected meniscus tissue alterations associated with meniscal tear and full-thickness cartilage lesions in human OA. These findings indicate the potential of T₁, CWT_1ρ and AdT_1ρ mapping for the evaluation of early OA changes in articular cartilage, and clinical feasibility of AdT_1ρ and AdT_2ρ for the assessment of meniscus.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>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.</p><p>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 T_1ρ (CW-T_1ρ), adiabaattinen T_1ρ (AdT_1ρ), adiabaattinen T_2ρ (AdT_2ρ) ja fiktiivisen kentän relaksaatio (T_RAFF). Väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää kvantitatiivisten magneettikuvausparametrien (T₁, T₂, CWT_1ρ, AdT_1ρ, AdT_2ρ ja T_RAFF) potentiaalia kanin varhaisen nivelrikon ja ponin traumaperäisen nivelrikon tautimalleissa. Nivelruston biomekaanisia ominaisuuksia ja histologiaa käytettiin verrokkimenetelminä. Väitöskirjatyössä selvitettiin AdT _1ρ:n ja AdT_2ρ:n kliinistä soveltuvuutta nivelkierukan rakenteellisten ominaisuuksien arviointiin ihmisillä.</p><p>Muihin magneettikuvausparametreihin verrattuna T₁, CWT_1ρ sekä AdT_1ρ olivat herkimpiä degeneratiivisille muutoksille kanin ja ponin tautimalleissa. Nivelkierukassa AdT_1ρ ja AdT_2ρ havaitsivat kudosmuutoksia, jotka liittyivät nivelkierukan repeämiseen ja nivelrustovaurioihin ihmisen nivelrikossa. Väitöskirjatyön havainnot osoittavat, että T₁, CWT_1ρ sekä AdT_1ρ ovat potentiaalisia menetelmiä varhaisen nivelrikon aiheuttamien rustomuutosten havaitsemiseen sekä AdT_1ρ ja AdT_2ρ kliinisesti soveltuvia nivelkierukan arviointiin.</p></div>

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Original papers</p><p>Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.</p><ol type="I"><li><p>Kajabi, A. W., Casula, V., Ojanen, S., Finnilä, M. A., Herzog, W., Saarakkala, S., … Nieminen, M. T. (2020). Multiparametric MR imaging reveals early cartilage degeneration at 2 and 8 weeks after ACL transection in a rabbit model. Journal of Orthopaedic Research. <a href="https://doi.org/10.1002/jor.24644">https://doi.org/10.1002/jor.24644</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2020090969011">Self-archived version</a></p></li><li><p>Kajabi, A. W., Casula, V., Sarin, J. K., Ketola, J. H., Nykänen, O., te Moller, … Nissi, M. J. (2020). Evaluation of articular cartilage with quantitative MRI in an equine model of post‐traumatic osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Research. <a href="https://doi.org/10.1002/jor.24780">https://doi.org/10.1002/jor.24780</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe202102235729">Self-archived version</a></p></li><li><p>Kajabi, A. W., Casula, V., Nissi, M. J., Peuna, A., Podlipská, J., Lammentausta, E., … Nieminen, M. T. (2018). Assessment of meniscus with adiabatic T₁ᵨ and T₂ᵨ relaxation time in asymptomatic subjects and patients with mild osteoarthritis: a feasibility study. Osteoarthritis and Cartilage, 26(4), 580–587. <a href="https://doi.org/10.1016/j.joca.2017.12.006">https://doi.org/10.1016/j.joca.2017.12.006</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2018042518500">Self-archived version</a></p></li></ol></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Osajulkaisut</p><p>Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.</p><ol type="I"><li><p>Kajabi, A. W., Casula, V., Ojanen, S., Finnilä, M. A., Herzog, W., Saarakkala, S., … Nieminen, M. T. (2020). Multiparametric MR imaging reveals early cartilage degeneration at 2 and 8 weeks after ACL transection in a rabbit model. Journal of Orthopaedic Research. <a href="https://doi.org/10.1002/jor.24644">https://doi.org/10.1002/jor.24644</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2020090969011">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Kajabi, A. W., Casula, V., Sarin, J. K., Ketola, J. H., Nykänen, O., te Moller, … Nissi, M. J. (2020). Evaluation of articular cartilage with quantitative MRI in an equine model of post‐traumatic osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Research. <a href="https://doi.org/10.1002/jor.24780">https://doi.org/10.1002/jor.24780</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe202102235729">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Kajabi, A. W., Casula, V., Nissi, M. J., Peuna, A., Podlipská, J., Lammentausta, E., … Nieminen, M. T. (2018). Assessment of meniscus with adiabatic T₁ᵨ and T₂ᵨ relaxation time in asymptomatic subjects and patients with mild osteoarthritis: a feasibility study. Osteoarthritis and Cartilage, 26(4), 580–587. <a href="https://doi.org/10.1016/j.joca.2017.12.006">https://doi.org/10.1016/j.joca.2017.12.006</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2018042518500">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li></ol></div>