Zależne od wysiłku zmiany w perfuzji okostnej kości udowej

Wstęp 

Funkcje naczyń mikrokrążenia i ich zdolności adaptacyjne odgrywają kluczową rolę w metabolizmie mię­śniowo-szkieletowym⁷. W kontekście ostrych i zależnych od nadmiernej eksploatacji urazów i chorób, uszko­dzona tkanka jest często dotknięta nieprawidłowym ukrwieniem, co skutkuje (przejściowym) niedokrwie­niem, martwicą, krwawieniem, obrzękiem lub powstałym przez to krwiakiem¹⁵. Ocenia się, że zabu­rzenia perfuzji mikronaczyniowej są głównymi czynnikami wpływającymi na różne procesy patofizjologiczne. Coraz więcej dowodów wskazuje, że mikrokrążenie może być głów­nym mechanizmem powodującym opóźnione gojenie się złamań z rów­noczesnym tworzeniem pseudartrozy lub osteonekrozą^6,13.Głównie z tego powodu opisano łożysko kapilarne jako drogę dostarczania i wymiany gazów, substancji odżywczych czy cytokin²¹. Odpowiednie ukrwienie kości jest podstawą zaopatrzenia jej w substraty i tlen potrzebne do budowy i utrzymania prawidłowej struktury kości¹⁴. 

W ostatnich latach zaczęto stoso­wać ultrasonografię ze wzmocnie­niem kontrastowym (CEUS), nowo opracowaną technologię obrazowa­nia perfuzji, w celu wykazania dobrej korelacji pomiędzy stopniem una­czynienia i perfuzji tkanki w bada­niach histologicznych¹¹. Wykazano, że CEUS jest ważnym narzędziem pomiarowym do oceny mikronaczy­niowego przepływu krwi w różnych tkankach, takich jak mięśnie^3,4,5,6,12. Podczas gdy tradycyjne ultradźwię­kowe techniki (tj. Doppler spek­tralny lub USG Doppler mocy) są przeznaczone do większych naczyń o szybkim przepływie i minimalnej średnicy około 1 mm, CEUS pozwala na ocenę łożyska naczyniowego i jego mikrokrążenia¹¹. Stopień intensywności kontrastu ultradźwię­kowego w każdym segmencie tkanki jest wprost proporcjonalny do krą­żenia mikropęcherzyków w aktyw­nych naczyniach krwionośnych^16. 

Do tej pory zastosowania CEUS w obrębie kości i tkanek okołoko­stnych nie zostały wystarczająco zweryfikowane, a sama procedura nie została jeszcze wystandaryzo­wana pod tym kątem. Celem niniej­szej pracy było zbadanie perfuzji okostnej kości udowej u zdrowych uczestników przed i po ćwiczeniach aerobowych z wykorzystaniem wystandaryzowanej ultrasonografii wzmocnionej kontrastem (CEUS) oraz ocena skuteczności i wiarygod­ności CEUS. Postawiliśmy hipotezę, że CEUS może wykazać związany z wysiłkiem zwiększony przepływ krwi w okolicy okostnej, zapewnia­jąc wysoką wiarygodność badania. Wyniki tego badania mogą mieć duże znaczenie kliniczne dla tych, którzy chcą zrozumieć histopa­tologię, reakcje zapalne lub pro­cesy regeneracyjne metabolizmu kostnego oraz dalszą optymalizację schematów CEUS. 

Materiały i metody 

Przeprowadzono randomizowane badanie kontrolne w celu oceny śródmięśniowego przepływu krwi u zdrowych sportowców. CEUS wykorzystano do oceny perfuzji mikronaczyniowej okostnej kości udowej (FP) i mięśnia obszernego pośredniego (VI), przy czym ten ostatni służył jako punkt odniesie­nia. Wartości perfuzji w warunkach spoczynkowych (stan wyjściowy, T0) porównano z wartościami mierzo­nymi po 20-minutowym wysiłku rowerowym (jazda na rowerze ergonomicznym, T1). Wiarygodność obliczono na podstawie wiarygod­ności wewnątrz-i międzyosobniczej. 

Grupa badana 

Zdrowi sportowcy ćwiczący rekre­acyjnie w dyscyplinach wytrzyma­łościowych w wieku od 20 do 30 lat zostali zrekrutowani z placówek sportowych i medycznych. W sumie do badania włączono 17 sportow­ców. Zaburzenia mięśniowo-szkie­letowe, przebyte urazy uda, ostry ból lub choroby układu krążenia i krwawienia, przeciwwskazania do stosowania heksafluorku siarki oraz ciąża lub okres laktacji były uważane za kryteria wykluczenia. 

Ilościowa ocena CEUS i gromadzenie danych 

Dawka 4,8 ml środka kontrasto­wego SonoVue (Bracco Imaging S.p. A, Mediolan, Włochy) została wstrzyknięta jako bolus do naczynia żylnego. Sonda curved array (4 C1 probe, Siemens Healthine­ers, Erlangen, Niemcy) została użyta w badaniu wstępnym środka kontrastowego (Cadence Contrast Pulse Sequencing). Zastosowano następujące ustawienie: częstotli­wość 1,5 MHz, indeksy mechaniczne około 0,04-0,05 i głębokość intruzji 55 mm. Zwiększanie kontrastu rejestrowano cyfrowo w postaci 90-sekundowego zapisu wideo, rozpoczynając od podania środka kontrastowego9. Ilościowe dane dotyczące perfuzji były obliczane trzykrotnie przez dwóch operatorów przy użyciu komercyjnego oprogra­mowania VueBox 7 (Bracco Imaging S.p. A, Mediolan, Włochy). 
Regiony zainteresowania (ROI) zostały wyznaczone ręcznie, aby zapobiec zakłócaniu sygnałów przez duże naczynia lub powięzi. Wybranymi parametrami perfuzji były maksymalne wzmocnienie (PE), które reprezentuje maksymalną intensywność sygnału, oraz wash-in rate (WiR), który pokazuje maksy­malny napływ kontrastu. Dodatkowo były mierzone, obszar pod krzywą wash-in (WiAUC), całka intensyw­ności sygnału w stosunku do czasu, oraz wskaźnik perfuzji wash-in (WiPI), który jest WiAUC podzielo­nym przez RT (czas narastania). 

Interwencja dotycząca ćwiczeń 

W celu określenia zmian w perfuzji okostnej kości udowej zależnych od obciążenia, wszyscy sportowcy wyko­nywali standardowy program ćwiczeń na rowerze ergonometrycznym w warunkach aerobowych. Obcią­żenie obejmowało 20-minutową przerwę w jeździe na rowerze przy 70% maksymalnej mocy wyjścio­wej, zmierzonej tydzień wcześniej za pomocą przyrostowego testu wysiłkowego. Ocenie CEUS uczest­nicy byli poddawani natychmiast po jeździe na rowerze. Około 30-45 s po zakończeniu ćwiczeń wykonywano iniekcję środka kontrastowego. 

Wyniki 

Pomiary CEUS: FP vs. VI (przed/po wysiłku) 
Statystycznie stwierdzono istotne zwiększone wartości wyznaczo­nych dla wszystkich parametrów perfuzji od wartości wyjściowej do jazdy na rowerze. Perfuzja FP zwiększona po wysiłku (PE: 210,9%, WiAUC : 138,9%, WiP: 217,1% i WiR: 282,7%). Porównywalny wzorzec zaobserwowano w VI (PE: 163,3%, WiAUC: 190,4%, WiP: 175,6%, oraz WiR: 225,5%). Wartości wyzna­czone dla VI były istotnie wyższe niż w przypadku okostnej zarówno na poziomie wyjściowym, jak i po zakończeniu cyklu. Wyjątek stanowił parametr WiAUC. 

Wiarygodność wewnętrzna 
Nie było istotnych różnic pomię­dzy pomiarami w T0 . Dodatkowa dwukierunkowa ANOVA wykazała istotne podobieństwo wszystkich zarejestrowanych danych. Względne błędy pomiaru (CV) dotyczące wia­rygodności wewnętrznej wynosiły od 3,2% do 6,1% wśród wszystkich trzech punktów czasowych pomiaru. 

Wiarygodność międzyosobowa 
CV wiarygodności międzyosobo­wej z udziałem dwóch opiekunów/ obserwatorów wahało się od 3,3% do 7.0%. Dodatkowa dwukierun­kowa ANOVA nie wykazała istotnych różnic pomiędzy obserwacjami obu opiekunów/obserwatorów. 

Dyskusja 

Jest to pierwsze badanie, w którym zastosowano obrazowanie CEUS do ilościowego określenia perfu­zji tkanek w okostnej człowieka w porównaniu z tkanką mięśniową w warunkach spoczynkowych i po wysiłku fizycznym. Badanie pole­gało na przeprowadzeniu wstępnych pomiarów z wykorzystaniem obra­zowania CEUS w celu ilościowego określenia perfuzji tkanek w przedniej części uda w okostnej kości udowej człowieka i mięśniu vastus inter­medius. Wyniki badań wykazały, że mikronaczyniowy przepływ krwi w okostnej przedniej kości udowej, charakteryzowany przez PE, WiAUC, WiP i WiR, był wyraźnie zwiększony bezpośrednio po ćwiczeniach kolar­skich w porównaniu z warunkami spoczynkowymi (p< 0,05). Ponadto badanie wykazało, że CEUS jest rzetelną metodą do oceny perfuzji okostnej. Wykazano, że zwięk­szony przepływ krwi pełni istotną rolę w metabolizmie wysiłkowym i gojeniu się tkanek oraz umożliwia dostarczanie tlenu, metabolitów lub składników odżywczych2,9. Ponadto zwiększona perfuzja może popra­wić zanikanie obrzęku czy odczu­wanego bólu. Związek pomiędzy wysiłkiem fizycznym a przepływem krwi w obrębie tkanki kostnej został szeroko zbadany. Wykazano, że jest on zwiększony nawet 100-krotnie w stosunku do stanu spoczynku w wyniku intensywnej aktywno­ści mięśni16. Wyniki z tego badania potwierdzają to odkrycie.

W naszym badaniu oceniano zarówno wzrost ciśnienia w mięśniach, jak i perfuzję okostnej. Wyraźnie wpływały na nie ćwiczenia (jazda na rowerze). Okostna pełni kluczowe funkcje w zaopatry­waniu kości w składniki odżywcze oraz w stymulowaniu metabolizmu kostnego19. Szczególnie w przypad­kach opóźnionego gojenia się kości lub złamań patologicznych ukrwienie okostnej jest zwykle zaburzone21. Potrzebne są odpowiednie narzędzia diagnostyczne, które pozwolą zbadać perfuzję okostnej in vivo i określić procesy prowadzące do poprawy ukrwienia. Chociaż dokładne przy­czyny perfuzji okostnej nie zostały zdefiniowane jako cel niniejszego badania, oceniane zmiany mogą być tłumaczone konsekwencją globalnej hiperperfuzji kończyny dolnej lub odpowiedzi zapalnej po miejscowym obciążeniu lub mikrourazie kości poprzez mediatory lub substan­cje wazoaktywne. Inna przyczyna zwiększania przepływu krwi może być oparta na zmianach w interakcji przywspółczulnej i współczulnej, a następnie ogólnej aktywności serca¹⁰. Jednak dokładne mechani­zmy odpowiedzialne za zwiększony przepływ krwi w kości udowej ota­czającej okostną pozostają niejasne. Niemniej jednak, wyniki wydają się być istotne klinicznie i zachęcają do stosowania jazdy na rowerze, jeśli poprawa przepływu krwi jest pożą­dana lub konieczna (np. podczas rehabilitacji po urazie lub z powodu opóźnionego gojenia się złamań). 

Ponadto, praca ta udowodniła skuteczność wykorzystania CEUS do oceny krążenia krwi. Pomimo szerokiego zastosowania i rosnącej popularności CEUS w warunkach klinicznych i badaniach naukowych, dane dotyczące fizjologicznej reakcji krążenia na ćwiczenia są nieliczne. Korzyści kliniczne były dalej anali­zowane w oparciu o wiarygodność. Jednakże nadal brakuje danych klinicznych, które powinny być zbadane w przyszłości pod kątem ich konkretnej wykonalności. Nasze wyniki wskazały, że oprogramowanie do oceny perfuzji jest niezależne od osób obserwujących; zauważono nawet powtarzalność międzyoso­bową. CEUS zostało przeprowadzone w ocenie dynamicznej perfuzji krwi poprzez sygnały z wypełnionego gazem mikropęcherzykowego środka kontrastowego i zostało z powodzeniem zastosowane do oceny różnych patologii i zmian podczas rozmaitych interwencji. W kontekście procesów gojenia i regeneracji obserwowano wzrost wewnątrzmięśniowego przepływu krwi¹³, podczas gdy upośledzenie perfuzji stwierdzono w chorobie tęt­nic obwodowych¹, cukrzycy²⁰, urazach spowodowanych zmiażdżeniami²³, czy urazach tkanek strukturalnych⁸. Podczas zabiegu CEUS generowany jest zapis o wysokiej rozdzielczości, w którym bezpośrednio widoczna jest perfuzja badanej tkanki w czasie rzeczywistym. Środek kontrastowy składa się z mikropęcherzyków, które tworzą unikalną sygnaturę rozpraszającą w polu akustycznym i posiadają właściwości reologiczne mikronaczyń porównywalne do erytrocytów. W rezultacie CEUS umożliwia wizualizację mikrokrążenia mięśniowego²².

Wykazano, że CEUS dostarcza unikalnych informacji na temat objętości mikronaczyniowej. Jednakże ultrasonograficzna ocena struktur kostnych jest lekko zawę­żona przez ograniczenia techniczne. Przenikanie i odbicie fal ultradźwię­kowych jest silnie skorelowane z właściwościami lepkosprężystymi tkanki docelowej¹⁷. Ze względu na stały obszar oddziaływania kory, ocena perfuzji wewnątrz kości nie jest możliwa. W związku z tym za pomocą tej metody można ocenić wyłącznie perfuzję okostnej. Zdajemy sobie sprawę, że perfuzja okostnej jest bezpośrednio skorelowana z ukrwie­niem kości18, ale to nie pozwala na bezpośredni pomiar przepływu krwi w obrębie jamy rdzenia kręgowego.

Ograniczenia

Istnieją ograniczenia naszego badania, na które należy zwrócić uwagę. Obecne badanie obej­mowało zdrowych uczestników, a nie objawowych pacjentów. W związku z tym, wyniki nie mogą być wykorzystane w odniesieniu do warunków urazu, chorób kości lub wyników zdrowotnych. Nasze dane przedstawiają krótkotrwały wpływ umiarkowanego wysiłku fizycznego (20-minutowa przerwa w jeździe na rowerze przy 70% Wmax) na perfuzję tkanek mikrokrążenia. Zgadzamy się, że nasze dane mogą nie być porównywalne z danymi ocenianymi za pomocą różnych technik, jako całość.

Wnioski

Nasze wyniki wskazują, że mikrokrą­żenie w obrębie okostnej kości udowej i vastus intermedius wzrasta istotnie po umiarkowanym wysiłku fizycznym kończyn dolnych (20 min jazdy na rowerze ergometrycznym, 70% Wmax). Nasze dane wspierają wdrożenie kolarstwa ergometrycz­nego, jeśli wymagane jest wzmoc­nione krążenie tkankowe. Wyniki tego badania pokazują, że wykonanie CEUS okostnej kości udowej jest pomocną metodą diagnostyczną, która zapewnia wysoką wiarygodność wewnątrz-i międzyosobową. Opi­sane tu postępowanie może być dalej stosowane do badania zmian patolo­gicznych lub monitorowania procesu gojenia (złamania pod wpływem zmiażdżenia, gojenie się złamań i choroba zwana osteonekrozą).

Żródło: Sports Orthop. Traumatol. 38, 58–65 (2022)
Adaptacja: Klaudia Gregorczyk
Na podstawie licencji CC BY
(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/