Оптическая спектроскопия в диагностике раннего остеоартрита (обзор литературы)

Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest

Funding: the study had no sponsorship

Остеоартрит (ОА) – это заболевание опорно-двигательного аппарата, приводящее к инвалидизации и значительному ухудшению качества жизни пациента.

В данном обзоре мы более подробно рассмотрим ранние стадии остеоартрита, которые характеризуются нарушением суставного гомеостаза с биомеханическими и биохимическими изменениями. Объективная диагностика раннего ОА проблематична из-за отсутствия постоянных клинических симптомов, характерных для поздних стадий заболевания, и классических рентгенологических признаков, таких как сужение суставной щели и остеофиты.

В настоящее время остается актуальным поиск новых, более объективных, методов интраоперационной диагностики. Ни один из применяемых в практике методов не позволяет производить объективную оценку биохимических свойств хряща в реальном времени и обнаруживать мелкие дефекты, незаметные глазу хирурга. Современные методы визуализации позволяют лишь делать выводы о морфологическом состоянии тканей. С такой необходимостью мы сталкиваемся при диагностике широкого спектра нозологий, в частности остеоартрита.

На сегодняшний день остается неясным, возможно ли достоверно диагностировать и идентифицировать ранний ОА и своевременно замедлить или предотвратить структурное заболевание у лиц с ранними симптомами.

Целью данного обзора является предоставление информации о существующих методах диагностики и определения раннего остеоартрита.

В работе проанализированны результаты исследований зарубежных авторов, внесенных в электронную библиографи- ческую базу Medline в период с 1977 по 2021 год, с применением поисковой системы PubMed.

ХРЯЩ

Суставной хрящ (СХ) представляет собой тонкий слой соединительной ткани с вязкоупругими характеристиками. Основными функциями хряща являются обеспечение скольжения суставных поверхностей и равномерное распределение нагрузок на подлежащую субхондральную кость [1,2]. Суставной хрящ состоит из внеклеточного матрикса (ВКМ), хондроцитов и интерстициальной жидкости. Около 20% внеклеточного матрикса приходится на сухое вещество, которое представлено коллагеном, протеогликанами (в значительной степени аггреканом) и гликопротеинами. До 80% влажного веса суставного хряща составляет вода [3]. Протеогликаны обычно представляют собой скопления, образованные высокими концентрациями отрицательно заряженных сульфатированных гликозаминогликанов (сГАГ).

Как показывают исследования, при начальных дегенеративных изменениях СХ содержание сГАГ меняется раньше, чем структура коллагена, что может стать маркером при диагностике [4,5].

Молекулярный состав и структура ткани определяют функции всего хряща: жесткость и эластичность зависит от типа коллагена, упругость при сжатии ткани определяется ее гидратацией. Изменение молекулярного состава хряща, как правило, свидетельствует о его деструкции и развитии патологии [4]. И может встречаться как у людей старшей возрастной группы, так и у лиц молодого возраста.

Изменение функциональных характеристик ткани является предиктором возникновения заболевания. Ранние стадии остеоартрита характеризуются потерей протеогликанов, дезорганизацией коллагена и повышением количества воды, что приводит к размягчению хряща, повышенной пролиферации и гипертрофии хондроцитов, и последующей гибели клеток [6]. При дальнейшем прогрессирования ОА разрушается организация хондронов и в суставном хряще формируются вертикальные трещины. На терминальных стадиях ОА хрящевой матрикс разрушается и обнажается субхондральная кость, что приводит к деформации [3,7]. Своевременное детектирование изменений, происходящих при ОА на молекулярном уровне, позволит предупредить дальнейшую деструкцию хряща.

СУБХОНДРАЛЬНАЯ КОСТЬ

Несмотря на то, что было опубликовано множество работ о различии в механических параметрах интактного и патологически измененного суставного хряща, о морфологии и механических свойствах субхондральной кости нам известно немногое. Субхондральная пластинка — это зона, которая отделяет суставной хрящ от костного мозга и обычно состоит из двух слоев: кальцифицированной области суставного хряща и слоя пластинчатой кости. Определения «субхондральная костная пластинка» или «субхондральная зона» используются для обозначения костной пластинки, которая лежит глубоко в кальцифицированной зоне суставного хряща. Линия, отделяющая кальцинированную зону от субхондральной костной пластинки, называется «цементной линией». Субхондральная костная пластинка различается по толщине в зависимости от конфигурации сустава. Формирующиеся в субхондральной костной пластинке костные трабекулы, называются поддерживающими. Таким образом, субхондральную зону кости образуют субартикулярное губчатое вещество и субхондральная костная пластинка [8].

Строение субхондральной кости

В зависимости от функции конкретных зон субхондральной кости варьирует её морфология, а именно контур линии «tidemark» и цементной линии, количество перфораций в субхондральной костной пластинке, ее толщина, плотность и биохимический состав. Такие различия в структуре и механических свойствах были показаны на примере зон, несущих и не несущих нагрузку [9].

Субхондральная костная пластинка состоит из двух минерализованных слоев, отделяющих суставной хрящ от костного мозга. В зоне соприкосновения пластины с хрящом имеется зона более плотного минерализованного хряща, которая определяется как линия tidemark. Эта линия является рентгенологически более плотной и окрашивается многими гистологическими красителями [10, 11]. Микроскопически линия tidemark является сложной трехмерной структурой и имеет отчетливый трехслойный рисунок. Благодаря этой полоске кальцифицированного хряща создаётся плавный переход между двумя морфологически разными зонами хряща. Суставной некальцинированный хрящ состоит преимущественно из коллагеновых волокон II типа, которые пересекают линию tidemark и переходят в волокна кальцинированного хряща. Эта линия изменяется при различных микротравмах и сдвигается в сторону некальцинированного хряща, что, вероятно, имеет значимые биомеханические функции. Кальцинированный хрящ находится на разном расстоянии от цементной линии к полости костного мозга, где происходит ремоделирование и заменяется пластинчатой костью, похожей на поддерживающие трабекулы. Эти трабекулы имеют преимущественно перпендикулярное направление к суставной поверхности и пересекаются под прямым углом при помощи более тонких трабекул [12].

На разрезе под прямым углом к суставной поверхности видно, что губчатая кость состоит из пластин, которые соединяются вместе, а между пластинами находятся многочисленные промежуточные пространства. В субхондральной области эти пространства напоминают соты, так как имеют примерно одинаковую длину и ширину. Такую картину можно увидеть лишь в местах на несколько миллиметров глубже суставной поверхности. По мере углубления в кость промежуточные пространства значительно увеличиваются, образуя субарти-кулярное губчатое вещество.

Гиалиновый суставной хрящ в основном состоит из коллагена II типа, который составляет более 50% сухой массы хряща, тогда как кальцинированный хрящ содержит в составе коллаген X типа, а замыкательная пластина кортикального слоя - коллаген I типа. Благодаря микроскопии вертикальных срезов мы можем увидеть, что субхондральная пластинка под костно-хрящевым соединением состоит из параллельно идущих коллагеновых фибрилл, которые продолжаются в пластинки костных трабекул [13]. Следует сказать, что коллагеновые волокна не всегда имеют непрерывный ход. Например, между кальцинированным хрящом и кортикальной замыкательной пластинкой нет коллагеновых волокон, из чего следует, что костно-хрящевое соединение является «слабым местом». Наоборот, линия “tidemark” перпендикулярно пересекается коллагеновыми фибриллами, что обеспечивает усиление контакта между кальцинированным и субхондральным хрящами [11].

Тот факт, что хрящевая ткань вплетается в нижележащую субхондральную кость, позволяет преобразовывать воздействующую силу во время сжатия и растяжения. Интактный хрящ выдерживает примерно 2,5–5-кратную пиковую деформацию при нагрузке. Субхондральная зона кости также способствует распределению нагрузок: нормальная субхондральная зона кости может ослабить около 30% нагрузок на суставы, и лишь 1–3% ослабляется хрящевой тканью [12].

Васкуляризация субхондральной костной пластинки

В субхондральной костной пластинке находится большое количество кровеносных сосудов и нервов. Субхондральная пластинка на всей своей глубине пронизана полыми пространствами, которые обеспечивают прямую связь между некальци-фицированным хрящом и полостью костномозгового канала. Данные пространства могут быть классифицированны исходя из их формы [14]. В тех местах, где субхондральная пластинка представлена тонкой полоской, эти пространства расширяются и образуют ампулы. В зонах с большей толщиной субхондральной пластинки мы можем увидеть, что пространства представляют собой каналы, образующие древовидную сеть. Иногда они включают более толстые субхондральные опорные трабекулы. В областях, где нагрузка является наибольшей, такие опорные трабекулы выражены в наибольшей степени [12].

Исходя из большего количества отверстий в зонах повышенной нагрузки, можно предположить, что хрящ и подлежащая кость имеют богатое кровоснабжение [15]. Через эти каналы кровеносные сосуды могут напрямую достигать вышележащего суставного хряща. Работы многих авторов показали, что плотность сосудов на 15–25% выше в нагружаемых областях [16]. Авторы также отметили, что васкуляризация и ремоделирование в субхондральной зоне кости изменяется не только в зависимости от нагрузки, но и от уровня механического стресса.

Там, где имеют место субхондральные каналы [17], питательные вещества могут достигать базальной зоны хряща (в частности, кальцифицированной зоны) так же легко, как происходит диффузия между поверхностью хряща и синовиальной жидкостью [10], но там, где они отсутствуют, хрящ полностью зависит от синовиальной жидкости, как от единственного источника питания [18].

Толщина и минеральная плотность субхондральной костной пластинки

Обычно толщина субхондральной пластинки неоднородна даже в пределах одного сустава и зависит от морфологии конкретно взятого сустава. Хрящ, покрывающий суставную поверхность выпуклой формы, более тонкий и однородный, чем в вогнутой части сустава, где центральная часть обычно представлена более толстой и неоднородной субхондральной пластинкой [14,19].

Более высокая минеральная плотность субхондральной пластинки закономерно характерна для более нагружаемых участков сустава. Таким образом, значения минеральной плотности в субхондральной пластинке сустава концентрически уменьшаются к периферии [9].

Соотношение толщины хряща: конгруэнтность сустава

Ни для кого не секрет, что толщина хряща в разных суставах неодинакова. В среднем толщина хряща в коленных, тазобе- дренных и голеностопных суставах составляет 2,2 (1,7–2,6); 1,6 (1,4–2,0) и 1,2 мм (1,0–1,6) соответственно. Более толстый слой хряща способствует лучшей амортизации, тем самым уменьшая нагрузку на единицу площади, и именно поэтому суставной хрящ оказывается более толстым в областях с низкой конгруэнтностью по сравнению с более тонким хрящом в областях с высокой конгруэнтностью. [12].

Размягчение и увеличение толщины хряща чаще происходит из-за увеличения его гидратации [20]. После восстановления целостности субхондральной костной пластинки костномозговой отёк исчезает, однако в некоторых случаях остаются локальные дефекты. Лишняя вода, содержавшаяся в хрящевой ткани, может быть постепенно вытеснена в субартикулярную кость. Таким образом, можно объяснить образование субхондральных костных кист [21].

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ «СУБХОНДРАЛЬНАЯ КОСТЬ-СУСТАВНОЙ ХРЯЩ»

Субхондральная кость (СК) и суставной хрящ образуют единую, взаимодействующую между собой, функциональную единицу. Изменения биохимического состава или морфологической структуры в каждой из них могут влиять друг на друга [22].

Исследования показали, что целостность СХ при остеоартрите тесно связана с состоянием субхондральной кости [23]. По данным различных авторов, дегенерации СХ предшествует изменение степени минерализации субхондральной пластинки, однако на ранней стадии остеоартрита патологические изменения в субхондральной пластинке отсутствуют [24, 25]. Несмотря на это, имеющиеся результаты не сопоставимы между собой из-за различия образцов, условий и методов проведения исследования.

Минерализация субхондральной кости играет немаловажную роль в патогенезе ОА. По всей видимости, имеется зависимость между содержанием сГАГ в суставном хряще и микроструктурой субхондральной пластинки и трабекулярной кости при прогрессировании ОА. Основным индикатором, отражающим изменения содержания сГАГ в хряще, можно использовать минерально-матриксное соотношение субхондральной кости. Рамановская спектроскопия – инвазивный метод, который позволяет измерять это соотношение; для неинвазивного измерения необходимо учитывать результаты таких методов инструментальной диагностики, как рентгенография и/или МРТ, и сравнивать их с результатами рамановской спектроскопии [10].

ОСТЕОАРТРИТ

Ключевыми клиническими задачами в области ортопедии являются своевременная диагностика, профилактика и лечение патологий суставов. Остеоартрит (ОА) – это заболевание опорно- двигательного аппарата, приводящее к дегенерации хряща в синовиальных суставах (чаще в коленных, тазобедренных, суставах пальцев рук). Остеоартрит является одной из самых частых причин инвалидности среди пожилого населения, от которой страдают 250 миллионов человек во всем мире [3]. Только в Соединенных Штатах Америки ОА ежегодно поражает 1 миллион пациентов, оказывая значительную экономическую нагрузку на здравоохранение [1]. Во всём мире 9,6% мужчин и 18% женщин старше 60 лет имеют симптомы ОА, причем около 80% из них предъявляют жалобы на ограничение подвижности повреждённых суставов и выраженный болевой синдром.

Научные исследования показывают, что ОА – это заболевание, которое поражает все ткани сустава, включая связки, синовиальную оболочку, хрящ и субхондральную кость [26]. Зачастую, конкретную причину развития ОА определить не удаётся. Исключением является посттравматический остеоартрит (ПТОА), который возникает в результате травмы. Полученное травматическое повреждение сустава, ассоциированное с нарушением его биомеханики, значительно увеличивает риск возникновения ПТОА. В этих случаях важна ранняя диагностика, поскольку успешное вмешательство на ранних стадиях заболевания может значительно отсрочить прогрессирование заболевания [27].

РАННИЙ ОСТЕОАРТРИТ

На ранних стадиях заболевания изменение структуры и свойств хряща происходит на молекулярном уровне и характеризуется дезорганизацией и разрушением коллагеновых волокон в поверхностном и среднем слоях, потерей протеогликанов и гибелью хондроцитов. Такие изменения не вызывают видимых повреждений, которые способны выявить современные клинические методы визуализации, для их детектирования необходима разработка новых диагностических решений. Другой важной диагностической проблемой является необходимость анализа механических свойств хряща. Несмотря на то, что макроскопические повреждения хряща возможно определить с помощью современных клинических методов визуализации, охарактеризовать изменения хряща возможно лишь при помощи артроскопии. Простота и удобство такой оценки безусловно является преимуществом, но нужно иметь в виду, что артроскопия характеризуется высокой субъективностью, связанной с оценкой только поверхностных характеристик. При артроскопии зондирование поверхности хряща проводится артроскопическим крючком, который позволяет обнаружить размягчение хряща лишь вокруг его локальных дефектов. Таким образом, значительная часть поверхностных трещин и поражений может остаться незамеченной хирургом во время процедуры. В то же время анализ механических свойств хряща, определяющих его состояние, имеет критическое значение при диагностике, выборе лечения и принятии решения о хирургическом вмешательстве [28].

Выявление факторов риска раннего ОА имеет огромное значение для начала адекватного и своевременного консервативного лечения, и предотвращения прогрессирования заболевания до уровней, при которых реконструктивная хирургия становится единственным выходом [29].

Повреждения связок коленного сустава могут вызвать его нестабильность и, как следствие, привести к развитию ранних дегенеративных изменений. Однако даже после успешной реконструкции передней крестообразной связки (ПКС) сохраняется повышенный риск развития ОА. Уже через 1 год после реконструкции ПКС ранние признаки пателлофеморального и тибиофеморального ОА могут наблюдаться на МРТ у некоторых пациентов; выявлена прямая корреляция с менискэктомиями и избыточной массой тела [30]. Повреждения менисков, если их лечить с помощью частичной менискэктомии, снижают амортизационную функцию сустава, обнажают прилегающий суставной хрящ плато большеберцовой кости и мыщелка бедренной кости и увеличивают сжимающие и сдвигающие нагрузки на хрящ[31]. Осевое смещение нижней конечности приводит к увеличению нагрузки на медиальный (варусное смещение) или латеральный (вальгусное смещение) отделы сустава. Аналогично, любая дополнительная нагрузка на сустав (из-за избыточной массы тела или повышенной физической активности) представляет собой повышенный риск развития раннего ОА. Индекс массы тела (ИМТ) >30 определяет в три раза больший риск развития ОА по сравнению с нормальным весом, как при повышенной нагрузке на суставы, так и при метаболических изменениях с более высокими провоспали-тельными факторами. И наоборот, потеря веса снижает риск развития ОА коленного сустава и улучшает его функцию [29]. Кроме того, умеренные физические нагрузки являются фактором профилактики [32].

Существуют общепринятые критерии ранней диагностики ОА, такие как боль в коленном суставе, рентгенологиечские изменения степени 0, I или II по классификации Келлгре-на-Лоуренса и по крайней мере, один из двух следующих структурных критериев – артроскопические признаки поражения хряща; результаты МРТ, демонстрирующие дегенерацию суставного хряща и/или мениска, и/или субхондральные повреждения костного мозга. Ранее предполагалось, что для диагностики раннего ОА боль должна присутствовать продолжительностью более 10 дней как минимум в двух эпизодах за последний год [33]. Пациенты с ранним ОА в основном описывают непостоянную диффузную боль в суставах, сопровождающуюся небольшим отеком после чрезмерной нагрузки (например, занятий спортом), легкой крепитацией и/или болью при нагрузке. Боль облегчается отдыхом или такими видами деятельности, как езда на велосипеде с низким сопротивлением [34]. Боль при подъеме по лестнице часто является одним из ранних симптомов. Положение на коленях или приседание связано с повышенным ощущением боли во время или после спортивных упражнений [35].

Также можно предположить дополнительную нагрузку на субхондральную кость, приводящую к соответствующей боли при нагрузке, но до сих пор не было опубликовано никаких исследований [31].

ГИСТОПАТОЛОГИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАННЕГО ОСТЕОАРТРИТА

Ранние проявления ОА включают разрушение внеклеточного матрикса хондроцитов, связанное с патологической активацией поверхностных рецепторов клеток. Синтез белков поверхностной зоны (например, лубрицина) изменяется, что приводит к повышению силы трения суставных поверхностей [36] [29]. Снижение содержания сГАГ в хряще является предиктором возникновения раннего остеоартрита [25]. Для изучения патогенеза и ранней его диагностики следует уделять больше внимания оценке минерализации субхондральной кости в дополнение к ее микроструктуре [37].

Содержание протеогликанов на поверхности также снижается, а поверхностные части коллагеновой сети типа 2 разрушаются и вскоре обнажаются. Поверхностные хондроциты изменяют свою архитектонику и образуют кластеры. Несмотря на то, что потеря протеогликанов может быть обратимой, изменения в структуре коллагеновой сети являются необратимыми, поскольку поврежденная коллагеновая сеть не способна к восстанолению. Небольшие фрагменты коллагена высвобождаются, активируя провоспалительные цепочки внутри хряща и вызывая воспаление синовиальной оболочки. Такое хроническое воспаление часто присутствует в течение длительного времени, что еще больше способствует раннему повреждению хряща. Также повышается катаболическая активность [38], что приводит к биохимическим изменениям в составе внеклеточного матрикса (ВКМ), вызывая изменение его способности аккумулировать воду при снижении механической прочности, приводя к более выраженным деформациям хряща под воздействием нагрузки [39]. Поверхностная структура постепенно утрачивается, появляются трещины и хрящ истончается [29].

ДИАГНОСТИКА ОСТЕОАРТРИТА

Для определения степени повреждения хряща или стадии заболевания, существует большое количество классификаций и шкал, применяемых в оценке патологии хряща. В 1957 году Келлгреном и Лоуренсом была предложена классификация рентгенологического определения ОА. В 1961 году была предложена оценка макроскопического состояния хряща, которая предусмотривает 4 степени поражения суставного хряща [40].

Широкое применение в клинической практике получила классификация дефектов хряща, также основанная на артроскопической оценке его состояния, предложенная Международным обществом восстановления хряща (ICRS) в 2000 году [41]. Она предусматривает 5 степеней повреждения. В 1987 году Yulish

B.S. и соавторы разработали классификацию, основанную на данных магнитно-резонансной томографии, и выделили 4 степени поражения [42]. В 2004 г. была разработана классификация оценки восстановления хрящевой ткани, также основанная на результатах магнитно-резонансной томографии (МРТ) [43].

УЗИ является менее пригодным для оценки состояния хряща, так как чувствительность УЗИ в выявлении деградации хряща составила около 10% [44], как и рентгенография, которая позволяет выявить свободные костно-хрящевые фрагменты и сужение суставной щели, что является лишь косвенным признаком ОА и требует ряда дополнительных исследований для уточнения причин [45].

В диагностике патологии суставного хряща повсеместно используется магнитно-резонансная томография (МРТ). Стандартное МР-исследование суставного хряща коленного сустава включает в себя Т2 и PD быстрые спин-эхо (FSE) последовательности с использованием программ жироподавления. Методика Т2-картирования показывает изменения архитектоники коллагена, его биомеханическую целостность и содержание воды в суставном хряще [46]. Нужно понимать, что оценка состояния хряща в значительной степени будет зависеть от интерпретации изображения, и использование такого протокола оказывается недостаточным для оценки начальных изменений хрящевого матрикса, особенно на ранних этапах, связанных с биохимической трансформацией хряща [46]. Кроме того, существует ряд ограничений метода МРТ, среди которых низкое пространственное разрешение, высокая стоимость, продолжительность обследования и ограниченная доступность [48].

Возможности клинической диагностики ОА на сегодняшний день не ограничены ультразвуковым исследованием (УЗИ), рентгенографией и магнитно-резонансной томографией (МРТ) [49].

Золотым стандартом диагностики интраартикулярной патологии коленного сустава остается диагностическая артроскопия [50]. Однако, артроскопия основана на субъективной визуальной и тактильной оценке, в то время как начальные проявления деградации суставного хряща включают в себя изменение структуры и концентрации его ключевых компонентов – протеогликанов, межклеточной жидкости, коллагена. Раннее выявление изменений на молекулярном уровне является одним из основных критериев своевременной диагностики раннего остеоартрита.

Ни один из перечисленных методов не позволяет производить объективную оценку биохимических свойств хряща, а также не позволяет обнаружить мелкие дефекты, незаметные глазу хирурга. Ограничения клинических методов диагностики, используемых на данный момент для оценки состояния суставных хрящей, ускоряют разработку новых методов и подходов малоинвазивной оценки состояния суставного хряща.

Стоит отметить, что в настоящее время существуют трудности с своевременной терапией ОА вследствие того, что используемые в клинической практике методы диагностики не позволяют обнаружить ранние проявления ОА [51].

Надежными и объективными являются методы, способные оценивать параметры тканей на молекулярном уровне, особенно когда речь идёт о раннем ОА.

Актуальными и востребованными подходами для решения таких задач являются методы лазерной и оптической спектроскопии, позволяющие производить анализ биохимических параметров тканей в реальном времени. Среди таких методов обращают на себя внимание оптическая когерентная томография (ОКТ) [28], спектроскопия диффузного отражения и фотоакустическая спектроскопия [52,53].

Оптическая когерентная томография (ОКТ) — это метод визуализации, основанный на измерении отражения и обратного рассеяния ближнего инфракрасного света от тканей, на сегодняшний день широко используемый в сердечно-сосудистой хирургии и офтальмологии. Преимуществом этого метода является способность визуализировать поперечное сечение трехмерных объектов с разрешением, сравнимым с разрешением микроскопии с низким увеличением [54]. Экспериментально было показано, что ОКТ коррелирует с Т2-картированием МРТ и с прогрессирующей дегенерацией хряща. Также было обнаружено, что ОКТ улучшает качество артроскопии за счет визуализации с высоким разрешением как подповерхностных, так и поверхностных аномалий, предоставляя хирургу данные в реальном времени. В клинико-диагностическом исследовании Chu et al. сравнили ОКТ и T2- картирование МРТ мощностью 3 Tесла с артроскопией в качестве клинического стандарта у 30 человек, перенесших артроскопию по поводу дегенеративных разрывов мениска. [28,55].

СПЕКТРОСКОПИЯ

Инфракрасная (ИК) спектроскопия является одним из наиболее эффективных спектроскопических методов диагностики интраартикулярных повреждений. Среди основных методов оптической спектроскопии самыми точными методами регистрации спектров биологических тканей являются диффузное отражение (ДО) и фотоакустическая спектроскопия (ФАС). Как многие другие биологические ткани, суставной хрящ содержит связи C-H, O-H, N-H и S-H, которые отвечают за поглощение или рассеяние света в ткани в инфракрасном спектральном диапазоне [56]. Таким образом, данные оптические методы позволяют получить информацию о патологических изменениях поврежденных тканей при ОА на молекулярном уровне.

Ближняя инфракрасная спектроскопия

Ближняя инфракрасная (БИК) спектроскопия — это метод колебательной спектроскопии в спектральном диапазоне 800–2500 нм [57], который дает сложные пики поглощения, являющиеся результатом обертонов основных пиков поглощения в инфракрасном спектральном диапазоне (2500–20000 нм) [58]. Поглощение в БИК спектральном диапазоне происходит из-за обертонов и комбинаций валентных и деформационных колебаний связей O-H, C-H, N-H и S-H [59], которые являются основными молекулярными связями в живых тканях человека. Пики в БИК-спектроскопии имеют тенденцию быть широкими и перекрываться; таким образом, этот метод неспецифичен и основан на хемометрике и многомерном анализе для извлечения скрытой/латентной информации из спектров тканей.

Благодаря способности БИК-спектроскопии оценивать ключевые химические, физические и функциональные свойства биологических материалов, метод был принят для оценки изменений функциональных, биохимических и структурных свойств суставного хряща [60].

Фотоакустическая спектроскопия

Фотоакустическая спектроскопия (ФАС) имеет большую глубину проникновения и может поддерживать высокое разрешение во всем поле зрения [61]. ФА-сигнал, генерируемый менее поврежденной хрящевой тканью, имеет более высокое отношение сигнал/шум и выглядит как гладкая и непрерывная поверхность. Представленный метод смог количественно идентифицировать различные стадии ОА в соответствии с гистологическими оценками. Ограничением является то, что ФА-спектральные данные здорового человеческого хряща не были получены из-за практической недоступности таких образцов, таким образом метод не был стандартизован и не может применяться в клинической практике.

На ФА-изображениях субхондральная кость видна в определенном спектральном диапазоне, что также позволяет отслеживать изменения ее состава. Следовательно, будущее исследование ФАС-визуализации субхондральной кости может быть полезным и улучшить понимание патогенеза ОА. Более того, поскольку ФА-визуализация очень чувствительна к эндогенному контрасту, такому как гемоглобин, липиды и коллаген [62], она может потенциально использоваться для визуализации кровоснабжения, фиброзного капсульного слоя, трансплантатов мениска и крестообразной связки сустава. Cпектральные ФА изменения связаны с различной степенью повреждения хряща, что было подтверждено гистологически [63].

Обнаружение потенциального расслоения хряща

Деламинация хряща определяется как лоскут или дефект хряща с резкими краями и имеет большое клиническое значение. Образцы хряща с расслоением представляют собой уникальную спектральную ФА картину, которую можно использовать для различия дегенерации от расслоения хряща – интенсивность ФА сигналов в очаге расслоения обычно намного ниже. Точная предоперационная идентификация расслоившегося хряща имеет важное значение и влияет на дальнейший план лечения [63].

Характеристика целостности суставного хряща: количественная оценка травматических и дегенеративных повреждений

В дополнение к определению микро- и макроскопических свойств суставного хряща с помощью БИК-спектроскопии, был также предложен и применен метод количественной оценки повреждения хряща, как потенциальное средство оценки в режиме реального времени в ходе интраартикулярных оперативных вмешательств. В настоящее время повреждения хряща оцениваются артроскопически в соответствии с системой оценки ICRS [64], которая основана на относительной глубине повреждения. Однако было показано, что этот метод плохо воспроизводим [50] из-за субъективности оперирующего врача. Таким образом, БИК-спектроскопия была предложена в качестве потенциального метода объективной оценки дефекта хряща [52].

Водно-амидное соотношение

Водно-амидное соотношение представляет собой отношение величины пиков поглощения полосы амид-вода (первые обертоны комбинации OH и CH) к амидной полосе (второй обертон CH) и количественно определяет содержание воды в хрящах. Параметр основан на понимании того, что дегенерация приводит к увеличению содержания воды в хрящах. Самый низкий показатель соотношения определяется в нормальном хряще, самый высокий – в случае выраженного ОА. Этот параметр был использован Spahn et al. для различения дефектов хряща 1 и 2 степени в суставах человека [50, 52,57].

Спектроскопия диффузного отражения

Для применения в условиях операционной активно развивается метод спектроскопии диффузного отражения (СДО). Для реализации метода СДО обычно используют источник белого света, затем диффузно-отраженный свет регистрируется спектрометром, что позволяет производить анализ оптического поглощения и рассеивающих свойств образца, в том числе в ближней инфракрасной (ИК) области. В биологических тканях наиболее заметны линии поглощения гемоглобина, меланина и воды – в зависимости от интересующего спектрального диапазона, они могут быть характерны для определенных типов тканей [65]. Например, определяя коэффициент поглощения тканей, был определен объем крови и уровень оксигенации внутри кровеносных сосудов ex vivo [66]. С другой стороны, параметры рассеяния ткани могут быть связаны с микроструктурой образца [67]. Хорошо известно, что спектральный наклон коэффициента рассеяния коррелирует со средним размером основных рассеивателей [67], и было показано, что распределение размеров рассеивателей, а также толщина суставного хряща коленного сустава человека [68] может быть также определена с помощью метода СДО. С использованием данного метода была проведена диагностика содержания жира и нервных клеток, а также обнаружена дисплазия in vivo [69].

Предварительные данные, полученные с использованием данного метода, также показали различие между хрящом и костью [65]. Более того, были реализованы первые разработки применения методов машинного обучения для анализа спектров СДО с целью автоматического определения типа ткани при операции [70]. Сигнал отраженного света галогенной лампы от образцов хряща, субхондральной кости, мениска и губчатого вещества кости детектировался с использованием оптоволоконного спектрометра с минимальным разрешением 2,0 нм и Si CCD камеры. В результате проделанной работы было показано, что данный метод позволяет добиться точности классификации более 99%. Чувствительность метода СДО к различным типам ткани составляет: хрящ 99,7%, субхондральная кость 99,2% и губчатое вещество 100%. Более широкий диапазон длин волн с разрешением по длине волны более 8 нм позволяет добиться максимальной точности классификации. Для достижения точности классификации более 50% требовалось соотношение сигнал/шум более 10:1. Диапазон длин волн 800-900 нм позволяет добиться наибольшей точности дифференцировки.

Современные хирургические технологии в ортопедии полагаются на субъективную оценку хирургов, которые визуально дифференцируют ткани. Технология СДО относительно проста, рентабельна и обеспечивает бесконтактный подход к дифференциации тканей. Были предприняты попытки диагностики измерения молекулярной структуры эксплантов суставного хряща и субхондральной кости человека с использованием установки, позволяющей одновременное детектирование с использованием метода СДО и рамановской спектроскопии [74]. Ее использование в качестве диагностического инструмента уже показано при исследовании ткани мочевого пузыря, где спектры упругого рассеяния были получены с использованием фиброоптического зонда, встроенного в урологический цистоскоп, а также типов ткани мозга, где определение оптических свойств в ближнем инфракрасном диапазоне производилось путем измерения пространственно разрешенного диффузного отражения [71], ткани груди, где использовалась спектроскопия упругого рассеяния, опосредованная фиброоптическими зондами, ткани шейки матки, ткани толстой кишки и пищевода, а также ткани яичников, поджелудочной железы и кожи [69,72,73].

Тем не менее, на данный момент существует нехватка работ, посвященных применению техники СДО для исследования состояния ткани хряща при ОА in vivo . С помощью данного метода можно не только осуществлять навигацию и дифференцирование ткани, что значительно дополнит разрабатываемую в данной работе уникальную научную установку, но также получить ряд важных параметров патологического состояния хряща, таких как измерение концентрации воды на разной глубине в образце, позволяющую определить глубину поражения, которую не исследовали до настоящего времени.

Содержание воды является важным диагностическим параметром, и данный метод уже был успешно применен для оценки увлажненности кожи [75] и был также успешно использован для определения раковой ткани в случае онкологии груди [76]. В то же время при воспалительных процессах в хрящевой ткани, обычно наблюдается увеличение содержания воды в среднем от 60–85% до более 90%. Вследствие чего особый интерес представляет сравнение содержания воды в хряще с его вязкоупругими свойствами и анализ выявления нарушения гомеостаза ткани по данным характеристикам. При анализе спектров субхондральной кости был сделан вывод об увеличении минерализованных компонентов в суставах, пораженных ОА.

Извлечение и анализ эффективной спектральной информации может помочь отличить суставы, пораженные ОА, от здоровых, тем самым повышая вероятность ранней диагностики ОА.

Так в работе с использованием метода спектроскопии диффузного рассеяния (ДРС) было реализовано количественное описание и характеризация, а также детектирование биомо-лекулярных изменений тканей. Была разработана уникальная научная установка, являющаяся мобильной и позволяющая по набору маркеров производить экспресс диагностику состояния ткани хряща ex vivo [77]. Конструкция специально разработанного приемо-передающего зонда, предполагающая совмещение с индентором, позволила реализовать одновременное картирование и разработку классификаторов взаимосвязи индикаторов молекулярных характеристик и механических свойств эксплантов. В дальнейшем планируется применение данной установки в условиях операционной.

ВЫВОДЫ

Во время артроскопических операций важную роль играют методы оценки состояния хряща. Существующие в настоящее время технологии опираются на субъективные способы детектирования патологических изменений только хрящевой ткани, тогда как огромное значение имеет оценка молекулярной структуры и комплекса «суставной хрящ-субхондральная кость» в целом.

Разработка и оптимизация метода интраоперационной оптической спектроскопии значительно повысит точность диагностической артроскопии, благодаря совмещению оптического и оптоакустического подходов.

Проанализировав существующие научные работы по применению оптической спектроскопии, все еще остается ряд нерешённых вопросов, на которые следует ответить прежде, чем этот метод сможет стать рутинным как для клинической, так и для лабораторной диагностики поражений суставного хряща.

Дальнейшее изучение ОКТ и связанных с ней новейших технологий оценки суставного хряща поможет в ранней диагностике ОА, необходимой для применения стратегий лечения на ранних стадиях заболевания, позволяющих отсрочить или предупредить начало остеоартрита.

Проведенные исследования демонстрируют потенциал визуализации СДО как многообещающего инструмента для объективного и точного обнаружения повреждения хряща. В скором времени, спектроскопия диффузного отражения может стать новым альтернативным, экономически эффективным методом визуализации, который может помочь в ранней диагностике остеоартрита, мониторинге прогрессирования повреждения хряща и в выборе персонифицированной тактики лечения.

Изменения биохимического состава и морфологические нарушения в суставном хряще и субхондральной кости при прогрессировании ОА нуждаются в дальнейшем систематическом изучении.