[ $Gd(DTPA)^{2-}$ ]-enhanced, and Quantitative MR Imaging in Articular Cartilage

관절연골의 $Gd(DTPA)^{2-}$-조영증강 및 정량적 자기공명영상에 대한 실험적 연구

Purpose : Early degeneration of articular cartilage is accompanied by a loss of glycosaminoglycan (GAG) and the consequent change of the integrity. The purpose of this study was to biochemically quantify the loss of GAG, and to evaluate the $Gd(DTPA)^{2-}$-enhanced, and T1, T2, rho relaxation map for detection of the early degeneration of cartilage. Materials and Methods : A cartilage-bone block in size of $8mm\;\times\;10mm$ was acquired from the patella in each of three pigs. Quantitative analysis of GAG of cartilage was performed at spectrophotometry by use of dimethylmethylene blue. Each of cartilage blocks was cultured in one of three different media: two different culture media (0.2 mg/ml trypsin solution, 1mM Gd $(DTPA)^{2-}$ mixed trypsin solution) and the control media (phosphate buffered saline (PBS)). The cartilage blocks were cultured for 5 hrs, during which MR images of the blocks were obtained at one hour interval (0 hr, 1 hr, 2 hr, 3 hr, 4 hr, 5 hr). And then, additional culture was done for 24 hrs and 48 hrs. Both T1-weighted image (TR/TE, 450/22 ms), and mixed-echo sequence (TR/TE, 760/21-168ms; 8 echoes) were obtained at all times using field of view 50 mm, slice thickness 2 mm, and matrix $256\times512$. The MRI data were analyzed with pixel-by-pixel comparisons. The cultured cartilage-bone blocks were microscopically observed using hematoxylin & eosin, toluidine blue, alcian blue, and trichrome stains. Results : At quantitation analysis, GAG concentration in the culture solutions was proportional to the culture durations. The T1-signal of the cartilage-bone block cultured in the $Gd(DTPA)^{2-}$ mixed solution was significantly higher ($42\%$ in average, p<0.05) than that of the cartilage-bone block cultured in the trypsin solution alone. The T1, T2, rho relaxation times of cultured tissue were not significantly correlated with culture duration (p>0.05). However the focal increase in T1 relaxation time at superficial and transitional layers of cartilage was seen in $Gd(DTPA)^{2-}$ mixed culture. Toluidine blue and alcian blue stains revealed multiple defects in whole thickness of the cartilage cultured in trypsin media. Conclusion : The quantitative analysis showed gradual loss of GAG proportional to the culture duration. Microimagings of cartilage with $Gd(DTPA)^{2-}$-enhancement, relaxation maps were available by pixel size of $97.9\times195\;{\mu}m$. Loss of GAG over time better demonstrated with $Gd(DTPA)^{2-}$-enhanced images than with T1, T2, rho relaxation maps. Therefore $Gd(DTPA)^{2-}$-enhanced T1-weighted image is superior for detection of early degeneration of cartilage.

목적 : Trypsin으로 관절연골의 변성을 인공적으로 유도한 뒤 관절연골의 구성성분인 glycosaminoglycan(GAG)의 소실을 생화학적으로 정량분석하고 $Gd(DTPA)^{2-}$-(gadolinium diethylene triamine pentaacetic acid)조영증강, 그리고 T1, T2, rho 이완시간등과 어떤 상관관계가 있는지를 조사함으로써 관절연골의 초기 퇴행성 변화에 대해서 자기공명영상(MRI)으로 관찰이 가능한 지를 알아보고자 하였다. 대상 및 방법 : 적출된 3개의 돼지 슬개골에서 실험에 사용될 관절연골조각을 폭 8 mm, 길이 10 mm 크기의 관절연골조각을 3개 만들었다. 분광광흡수계(spectrophotometry)에서 dimethylmethylene blue를 이용한 chondroitin sulfate standard의 흡수도를 측정하여 GAG을 정량분석 하였다. 관절연골을 배양할 용액은 0.2 mg/ml trypsin, 1 mM $Gd(DTPA)^{2-}$ 첨가된 trypsin, 그리고 대조군용 인산염완충식염수(phosphate buffered saline, PBS)의 3가지를 준비하였다. 배양시간은 1시간에서 5시간까지는 매시간마다 배양하였고 24시간과 48시간까지 배양하였다. MRI촬영은 1시간에서 5시간까지만 매시간마다 배양후 시행하였다. 1.5T 기기에서 MRI촬영은 T1강조영상(TR/TE, 450/22)과 혼합에코기법(mixed echo sequence) (TR/TE, 760/21-168, 8 echoes)등을 시행하였다. 모든 촬영에서 영상영역은 50 mm, 절편두께는 2 mm, 그리고 매트릭스는 $256\times512$ 였다. MRI촬영자료에서 관절연골부위를 픽셀단위로 비교분석 하였다. 배양이 끝난 관절연골은 hematoxylin & eosin, toluidine blue, alcian blue, trichrome 염색 등을 시행하여 관찰하였다. 결과 : Dimethylmethylene blue를 이용한 GAG의 정량분석결과 배양시간증가에 따라 GAG의 농도가 비례적으로 증가하였다. $Gd(DTPA)^{2-}$ 첨가된 trypsin배양에서 관절연골의 T1 강조 영상에서의 신호강도는 trypsin 배양에 비하여 평균 $42.0\%$ 증가하였고 4시간과 5시간배양에서는 trypsin에서만 배양한 관절연골에 비하여 신호강도가 더욱 뚜렷하게 증가되었다 (p<0.05). 관절연골의 T1, T2, rho 이완시간은 배양시간에 따라 유의성 있는 차이가 관찰되지 않았으나 $Gd(DTPA)^{2-}$ 첨가된 trypsin배양에서 T1이완시간의 증가가 관절연골의 표층부와 이행부에서 측정되었다. 조직검사결과 trypsin 배양의 관절연골에서 toluidine blue와 alcian blue염색에서 결손이 관찰되었다. 결론 : Trypsin 배양시간에 따라 관절연골의 GAG결손을 정량적으로 확인할 수 있었고 픽셀크기 $97.9\times195\;{\mu}m$인 MRI로 $Gd(DTPA)^{2-}$-조영증강 및 이완시간을 측정할 수 있었다. 배양시간에 따른 GAG결손은 T1, T2, rho 이완시간보다 $Gd(DTPA)^{2-}$-조영증강에서 유의한 차이를 관찰할 수 있었다. 그러므로 관절연골의 초기 퇴행성 변화를 진단하는 데는 T1강조영상에서 $Gd(DTPA)^{2-}$-조영증강정도를 비교하는 것이 가장 유용할 것으로 사료된다.