Abstract English

Our hypothesis is that the non-invasive assessment of biochemical composition of the meniscus and high-resolution vTE imaging, in addition to conventional morphology of the knee meniscus by magnetic resonance imaging, will help to clarify the function of the normal meniscus and improve the early diagnosis of meniscus degeneration and tears. Based on our preliminary data, we hypothesize that glycosaminoglycan-specific (GAG-specific) MRI methods will bring valuable information on GAG content and distribution in menisci and similarly, the T2* will bring the information about collagen content and orientation. Furthermore, we hypothesize that MRI parameters, such as sodium signal, gagCEST effect and T2*, might correlate with biochemical parameters of menisci, and thus, are able to non-invasively diagnose the status of degenerated and/or torn menisci and moreover to link it with the structural changes in the meniscal tissue. To achieve the goals outlined above, a coordinated multi-disciplinary approach will be used, structured into three phases: Phase 1: In vitro testing of multiple menisci from cadaver knees through the application of multi-parametric MR protocols on a unique micro-imaging system at 7T, and comparison with immunohistological analysis. Phase 2: In vivo application of the validated techniques and protocol optimization on volunteers at both 3T and 7T. Phase 3: Application of the advanced MR techniques for menisci evaluation on patients with different grades of meniscus degeneration at both 3T and 7T. The further development, refinement, and validation of biochemical MRI techniques will provide non-invasive procedures for assessing and monitoring patients with meniscal degeneration, who are at risk for a tear. Non-invasive monitoring methods are also becoming particularly important for clinical trials of new meniscus surgery/treatment techniques. The establishment of quantitative MR markers for the condition of the meniscus will allow monitoring of treatment or post-surgical status, with the possibility of altering the treatment strategies accordingly. Another implication from the results of this project will be the prospective clarification of the fact that patients with meniscal degeneration are predisposed to tears and should be protected. Therefore, this project will have a significant impact on the field of meniscus treatment and surgery by producing a validated tool for use in ongoing clinical trials. The main researchers responsible for the project will be 1. Mag. Vladimir Juras PhD. (PI, physicist with nine years of experience in MSK MRI), Prof. Siegfried Trattnig (radiologist with twenty years of experience in MSK MRI) and Univ. Lektor Dr. med. univ. Sonja Maria Walzer (orthopedic biologist with eleven years of experience).

Abstract German

Die Hauptaufgaben des Meniskus liegen in der Verteilung des Drucks und der Dämpfung. Der Meniskus besteht aus einer dichten extrazellulären Matrix, die hauptsächlich aus Wasser und kollagenen Fasern besteht, in der die Zellen verteilt liegen. Glykosaminoglykane (GAGs), nicht-kollagene Proteine und Glykoproteine tragen zum Trockengewicht bei. Bis heute wurde die Bildgebung mittels Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet um Läsionen der Menisci aufzuzeigen. Die neuesten Entwicklungen im Bereich der Kollagen- und GAG-sensitiven MRT Techniken ermöglichen einen nicht invasiven Einblick in verschiedene Bindegewebe, so auch in den Meniskus. Die Bildgebung des Meniskus ist eine Herausforderung für ein MRT, da das Signal des Meniskus bei Echozeiten (TE) in Standard Sequenzen teilweise oder ganz zerfallen ist. Es ist bekannt dass in degenerativen Menisci ein makromolekularer Umbau stattfindet. Das Zusammenspiel zwischen Kollagenfasern (Orientierung und Gehalt) und Wassermolekülen ist entscheidend für die Generierung eines MR Signals. Der hohe Anteil der Anisotropie der kollagenen Matrix des Meniskus bedingt die Aufteilung des T2* Zerfalls in verschiedene Komponenten. Die kürzlich entwickelten modernen MRT Techniken ermöglichen die Aufnahme eines MR Signals mit den kürzesten T2* Komponenten. Dies öffnet ein Spektrum an Möglichkeiten um T2* als einen Marker für den Zustand der Kollagenfasern zu benutzen. Bis vor kurzem wurde der Meniskus hauptsächlich durch eine qualitative MR Standardbildgebung untersucht, aber neuere quantitative MR Techniken haben in der Forschung für Aufsehen gesorgt. Dazu gehören mono-exponentiell berechnetes T2*, T1 rho und longitudinales T1 mit der Verwendung von Kontrastmitteln. Das Ziel dieses Projektes ist es zusätzliche quantitative MR Techniken zu etablieren, die auf Glykosaminoglykane fokussiert sind, die bisher nicht im Meniskus untersucht wurden. Sodium imaging und gagCEST werden als potentielle Marker für die Meniskusdegeneration herangezogen, da beides GAG-spezifische Techniken sind. Außerdem wird T2* verwendet, da es sensitiv für kleine Veränderungen des kollagenen Netzwerkes ist. Alle Techniken werden mittels Immunhistologie und Polarisationsmikroskopie validiert. Nachdem diese Techniken in in vitro Untersuchungen validiert worden sind, wird sowohl eine Gruppe von Patienten mit Meniskusdegeneration und Meniskusrissen, als auch eine gleichaltrige Gruppe von gesunden Probanden untersucht werden. Die Techniken die in diesem Projekt entwickelt werden, erlauben Orthopäden und Unfallchirurgen in Zukunft einen Zugang zu fortgeschrittenen, nicht-invasiven Methoden für die Diagnosestellung, präoperative Planung, operativen Managements und postoperative Nachuntersuchungen von Meniskusrissen.