Leitthema: Bildgebung bei Diabetes Radiologe 2015 · 55:329–336 DOI 10.1007/s00117-014-2723-6 Online publiziert: 11. April 2015 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015
J. Patsch 1 · P. Pietschmann2 · C. Schueller-Weidekamm3 1 Abteilung für Allgemeine Radiologie und Kinderradiologie,
Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin, Medizinische Universität Wien 2 Institut für Pathophysiologie und Allergieforschung, Zentrum für Pathophysiologie,
Infektiologie und Immunologie , Medizinische Universität Wien 3 Abteilung für Neuroradiologie und Muskuloskelettale Radiologie,
Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin, Medizinische Universität Wien
Bildgebung der diabetischen Osteopathie Hintergrund Diabetes mellitus ist eine chronische endokrinologische Erkrankung mit signifikanter Dysregulation des Glukosestoffwechsels. Unterschieden werden Diabetes mellitus Typ 1 und Typ 2: Diabetes mellitus Typ 1 entsteht auf Basis einer Autoimmunerkrankung mit Zerstörung der insulinproduzierenden Betazellen des Pankreas und wird typischerweise im kindlichen oder jugendlichen Alter primär manifest. Eine Substitutionstherapie mit Insulin muss daher von Anfang an erfolgen. Bei Patienten mit Diabetes mellitus Typ 2 entwickelt sich die Erkrankung multifaktoriell über eine Kombination aus genetischer Prädisposition, Altersassoziation und Lebensstilfaktoren im Sinne des metabolischen Syndroms. Insulinresistenz stellt den zentralen Pathomechanismus des Diabetes mellitus Typ 2 dar, erst mit längerer Erkrankungsdauer kommt es zu einem Sekundärversagen der endogenen Insulinproduktion. Je nach Phase der Erkrankung wird der Diabetes mellitus Typ 2 daher unterschiedlich mittels Lebensstilmodifikation, nichtmedikamentösen Maßnahmen, oralen Antidiabetika in Mono-, Mehrfach- oder in Kombinationstherapie mit Insulin behandelt. Komplikationen und Spätschäden des Diabetes mellitus treten v. a. bei langfristig insuffizienter Kontrolle des Glukosemetabolismus auf und beinhalten die diabetische Retinopathie, Nephropathie, Vaskulopathie mit Makro- und Mikroangiopathie, Neuropathie und Osteo(arthro)-pathie (. Abb. 1). Diabetiker neigen zu Wunden und Weichteilinfektionen, die – insbesondere beim Vorliegen von Fisteln – schwere Osteomyelitiden nach sich ziehen können.
Neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass der diabetische Knochen einer systemischen Stoffwechselstörung unterliegt, die mit einem gesteigerten Risiko für Insuffizienzfrakturen einhergeht [1, 2]. Diabetiker weisen nicht nur eine gestörte Wundheilung, sondern auch eine verzögerte und gestörte Frakturheilung auf und stellen daher nicht nur aus diagnostischer und internistischer Sicht, sondern auch für den operativ tätigen Arzt eine klinische Herausforderung dar.
Osteopenie und Osteoporose bei Diabetes mellitus Typ 1 Zusammenhänge zwischen Diabetes mellitus Typ 1 und einer verminderten Knochendichte wurden in zahlreichen Studien beschrieben und in Metaanalysen bestätigt [3, 4]. Beim Typ-1-Diabetes mellitus geht die reduzierte Knochendichte mit einem erhöhten Frakturrisiko einher. Dies gilt – mit zunehmendem Alter – insbesondere für Schenkelhalsfrakturen. Ursachen der Osteopenie und Osteoporose bei Diabetes mellitus Typ 1 sind ein absoluter Mangel am knochenanabolen Hormon Insulin, eine geringe Knochenneubildung und eine gesteigerte Ausscheidung von Kalzium und Phosphat im Harn. Diabetische Spätkomplikationen stellen Risikofaktoren für eine niedrige Knochendichte dar.
Komplexe Osteopathie mit erhöhtem Frakturrisiko bei Diabetes mellitus Typ 2 Übergewicht, Diabetes mellitus Typ 2 und Osteoporose sind Erkrankungen mit enormer sozioökonomischer Relevanz. Lan-
ge Zeit wurde davon ausgegangen, dass Übergewicht und Hyperinsulinämie vor Osteoporose und Knochenbrüchen schützen würden. Erst in den letzten Jahren wurde bekannt, dass Typ-2-Diabetiker ganz gegenteilig zur langjährigen Meinung überproportional häufig Knochenbrüche durch inadäquate Traumata erleiden [5, 6, 7]. Interessanterweise ist die Knochenmineraldichte (engl. „bone mineral density“, BMD) bei Typ-2-Diabetikern häufig nur gering vermindert, normal oder sogar gegenüber dem Referenzwert erhöht [3].
Pathophysiologie des Knochenstoffwechsel bei Diabetes mellitus Typ 2 Der Knochenumsatz ist sowohl serologisch als auch auf zellulärer-histologischer Ebene (z. B. in Knochenbiopsien) bestimmbar. Im Gegensatz zur postmenopausalen Osteoporose, die üblicherweise durch einen gesteigerten Knochenumsatz charakterisiert ist, präsentiert sich der diabetische Knochen meist träge [4, 8, 9]: Träger Knochenumsatz bedeutet verminderte Aktivität von knochenaufbauenden und von knochenabbauenden Zellen (Osteoblasten und Osteoklasten). Zusätzlich dürfte den in der mineralisierten Matrix eingebetteten Osteozyten eine entscheidende Rolle in der diabetischen Osteopathie zukommen: Osteozyten sind die zahlenmäßig größte Population an Knochenzellen, sind neuronenartig vernetzt und agieren als Mechanosensoren und Signalgeber, um den Knochen an die jeweiligen biomechanische Gegebenheiten anzupassen. Osteozyten sezernieren in diesem Zusammenhang SkleDer Radiologe 4 · 2015
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Zusammenfassung · Abstract rostin, ein Protein, das den Knochenaufbau moduliert. Mehrere wissenschaftliche Arbeiten konnten bereits zeigen, dass Typ-2-Diabetiker, insbesondere jene mit prävalenten Insuffizienzfrakturen, erhöhte Serumspiegel von Sklerostin aufweisen [10]. Im Zuge dessen dürften relativer Hypoparathyreoidismus und Vitamin-DMangel eine wichtige ergänzende Rolle in der Pathophysiologie der diabetischen Osteopathie spielen. Die Koexistenz einer selbst geringen Niereninsuffzienz wirkt sich ebenfalls auf die Knochenqualität und Frakturanfälligkeit des Diabetikers aus [11]. Die Akkumulation von „advanced glycation end products“ (AGE) in der Knochenmatrix dürfte ebenfalls eine ungünstige Rolle auf den diabetischen Knochen haben und die Frakturanfälligkeit steigern [12]. Bestimmte orale Antidiabetika aus der Gruppe der Glitazone dürften ebenfalls ungünstige skelettale Effekte mit sich bringen und sollten daher nur unter genauer Beachtung der ossären Basissituation und Knochendichtedynamik verabreicht werden [13, 14]. Andere Forscher betrachten den Knochen sogar als zentrales Organ in der Kontrolle der Glukosehomöostase und betonen, dass Osteokalzin, ein osteoblastäres Knochenmatrixprotein, ein erhebliches Potenzial als „endogene Insulinsensitizersubstanz“ aufweist [15]. Obwohl die diabetische Frakturneigung nicht allein durch die gehäufte Sturzhäufigkeit bei Diabetikern zu erklären ist, kommt der diabetischen Sarkopenie eine wichtige funktionelle und präventivmedizinische Rolle zu. Die periphere Muskulatur ist bei Diabetikern oft makroskopisch und daher für den Radiologen sichtbar fettig atroph verändert: Dieser Umstand sollte entsprechenden Eingang in die Routinebefundung finden (. Abb. 2; [16]).
Typische Frakturformen bei Diabetes mellitus Osteoporotische Insuffizienzfrakturen manifestieren sich klassischerweise je nach Patientenalter am distalen Radius, der Wirbelsäule und dem proximalen Femur. Weiter werden die subkapitale Humerus- und die Insuffizienzfraktur des Os sacrum zu den osteoporotischen Frakturen gezählt. Diabetiker sind einem erhöhten Risiko für
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Radiologe 2015 · 55:329–336 DOI 10.1007/s00117-014-2723-6 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015 J. Patsch · P. Pietschmann · C. Schueller-Weidekamm
Bildgebung der diabetischen Osteopathie Zusammenfassung Klinisches Problem. Die diabetische Osteopathie ist mehr als eine einfache Osteoporose des Diabetikers: Neben relativ hoher Knochendichte, aber dennoch paradox erhöhter Frakturanfälligkeit, ist die Erkrankung durch niedrigen Knochenumsatz, Osteozytendysfunktion, relativen Hypoparathyreoidismus und Akkumulation von „advanced glycation end products“ in der Knochenmatrix gekennzeichnet. Unter den klassischen Insuffizienzfrakturen finden sich gehäuft periphere Frakturen der unteren Extremität (z. B. Metatarsalia). Die korrekte, interdisziplinäre Bewertung des individuellen Frakturrisikos des einzelnen Patienten stellt eine klinische Herausforderung dar. Radiologische Standardverfahren. Zur Ermittlung der Knochendichte stehen 2 Stateof-the-art-Verfahren zur Verfügung: „dual energy X-ray absorptiometry“ (DXA) und quantitative Computertomographie (QCT). Für die Diagnostik von Insuffizienzfrakturen stehen Projektionsradiographie, Multidetektorcomputertomographie (MDCT) und Magnetresonanztomographie (MRT) zur Verfügung.
Methodische Innovationen und Leistungsfähigkeit. Neue Verfahren wie die hochauflösende periphere quantitative Computertomographie (HR-pQCT) bieten die Möglichkeit, die Mikroarchitektur des peripheren Skeletts ohne Biopsie zu untersuchen. Mit der MR-Spektroskopie können zusätzliche Informationen über die Zusammensetzung des diabetischen Knochenmarks gewonnen werden: Beide Techniken helfen bei der Differenzierung von Diabetikern mit und ohne prävalente Frakturen und stellen daher eine Verbesserung gegenüber den derzeit gültigen Standardverfahren dar, befinden sich allerdings noch im Versuchsstadium. Empfehlung für die Praxis. DXA und QCT sind valide Verfahren zur Bestimmung der Knochendichte und Abschätzung des Frakturrisikos bei Patienten mit Diabetes mellitus im klinischen Gesamtkontext. Projektionsradiographie, CT und MRT eignen sich zur Frakturdiagnostik. Schlüsselwörter Diabetes mellitus · Diabetische Osteopathie · HR-pQCT · Spektroskopie · Kortikale Porosität
Imaging of diabetic osteopathy Abstract Clinical issue. Diabetic bone diseases are more than just osteoporosis in patients with diabetes mellitus (DM): a relatively high bone mineral density is paired with a paradoxically high risk of fragility fractures. Diabetics exhibit low bone turnover, osteocyte dysfunction, relative hypoparathyroidism and an accumulation of advanced glycation end products in the bone matrix. Besides typical insufficiency fractures, diabetics show a high risk for peripheral fractures of the lower extremities (e.g. metatarsal fractures). The correct interdisciplinary assessment of fracture risks in patients with DM is therefore a clinical challenge. Standard radiological methods. There are two state of the art imaging methods for the quantification of fracture risks: dual energy X-ray absorptiometry (DXA) and quantitative computed tomography (QCT). Radiography, multidetector computed tomography (MDCT) and magnetic resonance imaging (MRI) are suitable for the detection of insufficiency fractures. Methodical innovations and performance. Novel research imaging techniques,
such as high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) provide non-invasive insights into bone microarchitecture of the peripheral skeleton. Using MR spectroscopy, bone marrow composition can be studied. Both methods have been shown to be capable of discriminating between type 2 diabetic patients with and without prevalent fragility fractures and thus bear the potential of improving the current standard of care. Currently both methods remain limited to clinical research applications. Practical recommendations. DXA and HRpQCT are valid tools for the quantification of bone mineral density and assessment of fracture risk in patients with DM, especially if interpreted in the context of clinical risk factors. Radiography, CT and MRI are suitable for the detection of insufficiency fractures. Keywords Diabetes mellitus · Diabetic bone disease · High resolution peripheral quantitative computed tomography · MR spectroscopy · Cortical porosity
Leitthema: Bildgebung bei Diabetes
Abb. 1 8 Komplikationen und Spätschäden des Diabetes mellitus. Neben der diabetischen Vaskulopathie (a, CT-Angiographie, koronale Rekonstruktion, Patientin mit multiplen peripheren Gefäßstents und ausgedehnten chronischen Verschlüssen/In-Stent-Re-Stenosen) zählen auch Retinopathie, Nephropathie, Neuropathie und Osteo(arthro)-pathie (b, c, d) zu den diabetischen Spätschäden, die es zu vermeiden gilt. b MRT, 3 T, koronale T1-Sequenz, erosiv-degenerative Gelenkzerstörung und Fragmentierung bei diabetischer Charcot-Arthropathie. c MRT, 3 T, sagittale T1-Sequenz, charakteristisches typisches Absinken des Fußgewölbes mit Druckbelastung des Os cuboideum, einer klassischen Prädilektionsstelle für osteomyelitische Komplikationen im Falle einer Weichteilinfektion/Fistel
Abb. 2 8 Fettige Atrophie der Extremitätenmuskulatur bei Diabetikern (a). Im Vergleich zu Nichtdiabetikern (b) ist häufig eine charakteristische Art der Sarkopenie zu erkennen. Dies sollte nebenbefundlich Eingang in die radiologische Bewertung finden (z. B. bei CT-Angiographie-Untersuchungen)
klassische osteoporotische Frakturen ausgesetzt, zusätzlich treten aber auch Frakturen des Unterschenkels und der Metatarsalia besonders gehäuft auf [5]. In den letzten Jahren wurden sogenannte „atypische Femurfrakturen“ im Zusammenhang mit der Einnahme antiresorptiver Medikamente beobachtet (. Abb. 3). Die American Society for Bone and Mineral Research (ASBMR) widmete diesem beunruhigendem Thema daher eine eigens ins Leben gerufene Task Force: In Zusammenhang mit Diabetes ist zu betonen, dass zwar die meisten Fälle der insgesamt seltenen Fälle atypischer Femurfrakturen tatsächlich im Zusammenhang mit einer Bisphospho-
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nattherapie stattfanden, allerdings Diabetes mellitus auch als zusätzlicher Risikofaktor gehandelt wird [17].
Interpretation der Knochendichtemessung bei Diabetes mellitus Typ 2 Die klassischen Methoden zur klinischen Bestimmung der Knochendichte (Dual Energy X-Ray Absorptiometry, DXA; quantitative Computertomographie, QCT) haben auch bei Diabetikern ihre Gültigkeit. Aufgrund epidemiologischer Daten wurde allerdings angeregt, Knochendichtewerte von Diabetikern strenger zu inter-
pretieren als jene von Patienten ohne Diabetes mellitus. Manche Autoren schlagen die Etablierung diabetischer Korrekturfaktoren für den T-Score vor, um dem realen Frakturrisiko und somit dem Therapiebedarf von Diabetikern adäquat Rechnung zu tragen [18].
Nichtinvasive Bestimmung der Knochenmikroarchitektur Obwohl die Bestimmung der Knochenmineraldichte mittels DXA und QCT etablierte Standardverfahren zur Bestimmung des Frakturrisikos, Abschätzung eines möglichen Therapiebedarfs und zum Mo-
Abb. 3 9 Typische Insuffizienzfrakturen betreffen auch Diabetiker. a Proximale Femurfraktur, b distale Radiusfraktur, c Wirbelkörperfraktur. d Diabetes mellitus dürfte neben einer Bisphosphonattherapie ein weiterer Risikofaktor für „atypische Femurfrakturen“ (d, e, f) sein. Bei Diabetikern treten zusätzlich Frakturen der unteren Extremität signifikant häufiger auf als bei Nichtdiabetikern
Abb. 4 9 Beispiele für typische Morphologien verschiedener metabolischer Knochenerkrankungen in der hochauflösenden peripheren quantitativen CT (HR-pQCT) des ultradistalen Radius. a Gesunde 30-jährige Frau, b postmenopausale Osteoporose mit deutlicher endokortikaler Porosität, c prämenopausale Osteoporose mit Trabekelverlust, jedoch noch relativ dichtem Kortex, d Hyperparathyreoidismus bei langjähriger Niereninsuffizienz mit subperiostalen Resorptionen und Trabekelverlust, e, f sekundäre Osteoporose bei „chronic obstructive pulmonary disease“ (COPD) im Endstadium und konsekutiver Lungentransplantation
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Leitthema: Bildgebung bei Diabetes
Abb. 5 8 Ausgeprägte kortikale Porosität als charakteristische Skelettmorphologie bei Diabetes mellitus Typ 2 mit Frakturen. a HR-pQCT Scan (distale Tibia) einer postmenopausalen Diabetikerin ohne prävalente Insuffizienzfrakturen. Kompakter, aporöser Kortex, normales trabekuläres Bild. b Deutliche kortikale Porosität im HR-pQCT-Scan der distalen Tibia einer postmenopausalen Diabetikerin mit stattgehabter Insuffizienzfraktur. (Mit freundl. Genehmigung durch Prof. Thomas M. Link, University of California, San Francisco). HR-pQCT hochauflösende periphere quantitative CT
nitoring des Therapieerfolgs darstellen, haben diese Verfahren ihre Limitierungen: Knochendichtewerte können bei Vorliegen vaskulärer Kalzifikationen und degenerativer Skelettveränderungen zu einer falschnegativen Einschätzung des Frakturrisikos führen und müssen daher immer in einem klinischen Kontext (z. B. Insuffizienzfrakturen, Familienanamnese, Alter, Geschlecht, Body Mass Index, Grunderkrankungen etc.) interpretiert werden. Die Bestimmung der Knochenmineraldichte trägt auch nicht allen Komponenten der Knochenfestigkeit Rechnung. Im Speziellen erlauben DXA und QCT keine direkten Rückschlüsse auf die Knochenmikroarchitektur, welche eine BMD-unabhängige Komponente für die Biomechanik des Knochens darstellt. Weitere BMD-unabhängige Komponenten sind Knochenumsatz, Matrixeigenschaften und Akkumulation mikroskopischer Substanzschäden (engl. „microcracks“). Bis vor einigen Jahren war eine Knochenbiopsie die einzige Möglichkeit, patientenspezifische Informationen über die Knochenmikroarchitektur zu gewinnen. Seit einigen Jahren existieren nichtinvasive bildgebende Verfahren zur Bestimmung der Knochenmikroarchitektur: Mittels hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographie (HRpQCT) und hochauflösender MRT (HRMRT) sind osteologische Biopsiestudien zunehmend aus der Mode gekommen. Obwohl diese Techniken keine Informationen über Matrixeigenschaften, Umsatz und Zellularität des untersuchten Kno-
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chenabschnitts liefern, können morphometrische Charakteristika des Kortex und des trabekulären Kompartments präzise erfasst werden: Die Parameter sind aus der klassischen Histomorphometrie abgeleitet und beinhalten sowohl Knochenvolumina als auch Trabekelanzahl, -dicke, -dichte, -heterogenität und kortikale Eigenschaften (z. B.: kortikale Porosität). Neben der volumetrischen Gesamtknochendichte des gemessenen Abschnitts, liefert das HR-pQCT auch kompartmentspezifische Dichtewerte. (d. h. kortikale vs. trabekuläre Dichte). Die Effektivdosis eines HR-pQCT-Scans beträgt
J. Patsch 1 · P. Pietschmann2 · C. Schueller-Weidekamm3 1 Abteilung für Allgemeine Radiologie und Kinderradiologie,
Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin, Medizinische Universität Wien 2 Institut für Pathophysiologie und Allergieforschung, Zentrum für Pathophysiologie,
Infektiologie und Immunologie , Medizinische Universität Wien 3 Abteilung für Neuroradiologie und Muskuloskelettale Radiologie,
Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin, Medizinische Universität Wien
Bildgebung der diabetischen Osteopathie Hintergrund Diabetes mellitus ist eine chronische endokrinologische Erkrankung mit signifikanter Dysregulation des Glukosestoffwechsels. Unterschieden werden Diabetes mellitus Typ 1 und Typ 2: Diabetes mellitus Typ 1 entsteht auf Basis einer Autoimmunerkrankung mit Zerstörung der insulinproduzierenden Betazellen des Pankreas und wird typischerweise im kindlichen oder jugendlichen Alter primär manifest. Eine Substitutionstherapie mit Insulin muss daher von Anfang an erfolgen. Bei Patienten mit Diabetes mellitus Typ 2 entwickelt sich die Erkrankung multifaktoriell über eine Kombination aus genetischer Prädisposition, Altersassoziation und Lebensstilfaktoren im Sinne des metabolischen Syndroms. Insulinresistenz stellt den zentralen Pathomechanismus des Diabetes mellitus Typ 2 dar, erst mit längerer Erkrankungsdauer kommt es zu einem Sekundärversagen der endogenen Insulinproduktion. Je nach Phase der Erkrankung wird der Diabetes mellitus Typ 2 daher unterschiedlich mittels Lebensstilmodifikation, nichtmedikamentösen Maßnahmen, oralen Antidiabetika in Mono-, Mehrfach- oder in Kombinationstherapie mit Insulin behandelt. Komplikationen und Spätschäden des Diabetes mellitus treten v. a. bei langfristig insuffizienter Kontrolle des Glukosemetabolismus auf und beinhalten die diabetische Retinopathie, Nephropathie, Vaskulopathie mit Makro- und Mikroangiopathie, Neuropathie und Osteo(arthro)-pathie (. Abb. 1). Diabetiker neigen zu Wunden und Weichteilinfektionen, die – insbesondere beim Vorliegen von Fisteln – schwere Osteomyelitiden nach sich ziehen können.
Neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass der diabetische Knochen einer systemischen Stoffwechselstörung unterliegt, die mit einem gesteigerten Risiko für Insuffizienzfrakturen einhergeht [1, 2]. Diabetiker weisen nicht nur eine gestörte Wundheilung, sondern auch eine verzögerte und gestörte Frakturheilung auf und stellen daher nicht nur aus diagnostischer und internistischer Sicht, sondern auch für den operativ tätigen Arzt eine klinische Herausforderung dar.
Osteopenie und Osteoporose bei Diabetes mellitus Typ 1 Zusammenhänge zwischen Diabetes mellitus Typ 1 und einer verminderten Knochendichte wurden in zahlreichen Studien beschrieben und in Metaanalysen bestätigt [3, 4]. Beim Typ-1-Diabetes mellitus geht die reduzierte Knochendichte mit einem erhöhten Frakturrisiko einher. Dies gilt – mit zunehmendem Alter – insbesondere für Schenkelhalsfrakturen. Ursachen der Osteopenie und Osteoporose bei Diabetes mellitus Typ 1 sind ein absoluter Mangel am knochenanabolen Hormon Insulin, eine geringe Knochenneubildung und eine gesteigerte Ausscheidung von Kalzium und Phosphat im Harn. Diabetische Spätkomplikationen stellen Risikofaktoren für eine niedrige Knochendichte dar.
Komplexe Osteopathie mit erhöhtem Frakturrisiko bei Diabetes mellitus Typ 2 Übergewicht, Diabetes mellitus Typ 2 und Osteoporose sind Erkrankungen mit enormer sozioökonomischer Relevanz. Lan-
ge Zeit wurde davon ausgegangen, dass Übergewicht und Hyperinsulinämie vor Osteoporose und Knochenbrüchen schützen würden. Erst in den letzten Jahren wurde bekannt, dass Typ-2-Diabetiker ganz gegenteilig zur langjährigen Meinung überproportional häufig Knochenbrüche durch inadäquate Traumata erleiden [5, 6, 7]. Interessanterweise ist die Knochenmineraldichte (engl. „bone mineral density“, BMD) bei Typ-2-Diabetikern häufig nur gering vermindert, normal oder sogar gegenüber dem Referenzwert erhöht [3].
Pathophysiologie des Knochenstoffwechsel bei Diabetes mellitus Typ 2 Der Knochenumsatz ist sowohl serologisch als auch auf zellulärer-histologischer Ebene (z. B. in Knochenbiopsien) bestimmbar. Im Gegensatz zur postmenopausalen Osteoporose, die üblicherweise durch einen gesteigerten Knochenumsatz charakterisiert ist, präsentiert sich der diabetische Knochen meist träge [4, 8, 9]: Träger Knochenumsatz bedeutet verminderte Aktivität von knochenaufbauenden und von knochenabbauenden Zellen (Osteoblasten und Osteoklasten). Zusätzlich dürfte den in der mineralisierten Matrix eingebetteten Osteozyten eine entscheidende Rolle in der diabetischen Osteopathie zukommen: Osteozyten sind die zahlenmäßig größte Population an Knochenzellen, sind neuronenartig vernetzt und agieren als Mechanosensoren und Signalgeber, um den Knochen an die jeweiligen biomechanische Gegebenheiten anzupassen. Osteozyten sezernieren in diesem Zusammenhang SkleDer Radiologe 4 · 2015
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Zusammenfassung · Abstract rostin, ein Protein, das den Knochenaufbau moduliert. Mehrere wissenschaftliche Arbeiten konnten bereits zeigen, dass Typ-2-Diabetiker, insbesondere jene mit prävalenten Insuffizienzfrakturen, erhöhte Serumspiegel von Sklerostin aufweisen [10]. Im Zuge dessen dürften relativer Hypoparathyreoidismus und Vitamin-DMangel eine wichtige ergänzende Rolle in der Pathophysiologie der diabetischen Osteopathie spielen. Die Koexistenz einer selbst geringen Niereninsuffzienz wirkt sich ebenfalls auf die Knochenqualität und Frakturanfälligkeit des Diabetikers aus [11]. Die Akkumulation von „advanced glycation end products“ (AGE) in der Knochenmatrix dürfte ebenfalls eine ungünstige Rolle auf den diabetischen Knochen haben und die Frakturanfälligkeit steigern [12]. Bestimmte orale Antidiabetika aus der Gruppe der Glitazone dürften ebenfalls ungünstige skelettale Effekte mit sich bringen und sollten daher nur unter genauer Beachtung der ossären Basissituation und Knochendichtedynamik verabreicht werden [13, 14]. Andere Forscher betrachten den Knochen sogar als zentrales Organ in der Kontrolle der Glukosehomöostase und betonen, dass Osteokalzin, ein osteoblastäres Knochenmatrixprotein, ein erhebliches Potenzial als „endogene Insulinsensitizersubstanz“ aufweist [15]. Obwohl die diabetische Frakturneigung nicht allein durch die gehäufte Sturzhäufigkeit bei Diabetikern zu erklären ist, kommt der diabetischen Sarkopenie eine wichtige funktionelle und präventivmedizinische Rolle zu. Die periphere Muskulatur ist bei Diabetikern oft makroskopisch und daher für den Radiologen sichtbar fettig atroph verändert: Dieser Umstand sollte entsprechenden Eingang in die Routinebefundung finden (. Abb. 2; [16]).
Typische Frakturformen bei Diabetes mellitus Osteoporotische Insuffizienzfrakturen manifestieren sich klassischerweise je nach Patientenalter am distalen Radius, der Wirbelsäule und dem proximalen Femur. Weiter werden die subkapitale Humerus- und die Insuffizienzfraktur des Os sacrum zu den osteoporotischen Frakturen gezählt. Diabetiker sind einem erhöhten Risiko für
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Radiologe 2015 · 55:329–336 DOI 10.1007/s00117-014-2723-6 © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015 J. Patsch · P. Pietschmann · C. Schueller-Weidekamm
Bildgebung der diabetischen Osteopathie Zusammenfassung Klinisches Problem. Die diabetische Osteopathie ist mehr als eine einfache Osteoporose des Diabetikers: Neben relativ hoher Knochendichte, aber dennoch paradox erhöhter Frakturanfälligkeit, ist die Erkrankung durch niedrigen Knochenumsatz, Osteozytendysfunktion, relativen Hypoparathyreoidismus und Akkumulation von „advanced glycation end products“ in der Knochenmatrix gekennzeichnet. Unter den klassischen Insuffizienzfrakturen finden sich gehäuft periphere Frakturen der unteren Extremität (z. B. Metatarsalia). Die korrekte, interdisziplinäre Bewertung des individuellen Frakturrisikos des einzelnen Patienten stellt eine klinische Herausforderung dar. Radiologische Standardverfahren. Zur Ermittlung der Knochendichte stehen 2 Stateof-the-art-Verfahren zur Verfügung: „dual energy X-ray absorptiometry“ (DXA) und quantitative Computertomographie (QCT). Für die Diagnostik von Insuffizienzfrakturen stehen Projektionsradiographie, Multidetektorcomputertomographie (MDCT) und Magnetresonanztomographie (MRT) zur Verfügung.
Methodische Innovationen und Leistungsfähigkeit. Neue Verfahren wie die hochauflösende periphere quantitative Computertomographie (HR-pQCT) bieten die Möglichkeit, die Mikroarchitektur des peripheren Skeletts ohne Biopsie zu untersuchen. Mit der MR-Spektroskopie können zusätzliche Informationen über die Zusammensetzung des diabetischen Knochenmarks gewonnen werden: Beide Techniken helfen bei der Differenzierung von Diabetikern mit und ohne prävalente Frakturen und stellen daher eine Verbesserung gegenüber den derzeit gültigen Standardverfahren dar, befinden sich allerdings noch im Versuchsstadium. Empfehlung für die Praxis. DXA und QCT sind valide Verfahren zur Bestimmung der Knochendichte und Abschätzung des Frakturrisikos bei Patienten mit Diabetes mellitus im klinischen Gesamtkontext. Projektionsradiographie, CT und MRT eignen sich zur Frakturdiagnostik. Schlüsselwörter Diabetes mellitus · Diabetische Osteopathie · HR-pQCT · Spektroskopie · Kortikale Porosität
Imaging of diabetic osteopathy Abstract Clinical issue. Diabetic bone diseases are more than just osteoporosis in patients with diabetes mellitus (DM): a relatively high bone mineral density is paired with a paradoxically high risk of fragility fractures. Diabetics exhibit low bone turnover, osteocyte dysfunction, relative hypoparathyroidism and an accumulation of advanced glycation end products in the bone matrix. Besides typical insufficiency fractures, diabetics show a high risk for peripheral fractures of the lower extremities (e.g. metatarsal fractures). The correct interdisciplinary assessment of fracture risks in patients with DM is therefore a clinical challenge. Standard radiological methods. There are two state of the art imaging methods for the quantification of fracture risks: dual energy X-ray absorptiometry (DXA) and quantitative computed tomography (QCT). Radiography, multidetector computed tomography (MDCT) and magnetic resonance imaging (MRI) are suitable for the detection of insufficiency fractures. Methodical innovations and performance. Novel research imaging techniques,
such as high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) provide non-invasive insights into bone microarchitecture of the peripheral skeleton. Using MR spectroscopy, bone marrow composition can be studied. Both methods have been shown to be capable of discriminating between type 2 diabetic patients with and without prevalent fragility fractures and thus bear the potential of improving the current standard of care. Currently both methods remain limited to clinical research applications. Practical recommendations. DXA and HRpQCT are valid tools for the quantification of bone mineral density and assessment of fracture risk in patients with DM, especially if interpreted in the context of clinical risk factors. Radiography, CT and MRI are suitable for the detection of insufficiency fractures. Keywords Diabetes mellitus · Diabetic bone disease · High resolution peripheral quantitative computed tomography · MR spectroscopy · Cortical porosity
Leitthema: Bildgebung bei Diabetes
Abb. 1 8 Komplikationen und Spätschäden des Diabetes mellitus. Neben der diabetischen Vaskulopathie (a, CT-Angiographie, koronale Rekonstruktion, Patientin mit multiplen peripheren Gefäßstents und ausgedehnten chronischen Verschlüssen/In-Stent-Re-Stenosen) zählen auch Retinopathie, Nephropathie, Neuropathie und Osteo(arthro)-pathie (b, c, d) zu den diabetischen Spätschäden, die es zu vermeiden gilt. b MRT, 3 T, koronale T1-Sequenz, erosiv-degenerative Gelenkzerstörung und Fragmentierung bei diabetischer Charcot-Arthropathie. c MRT, 3 T, sagittale T1-Sequenz, charakteristisches typisches Absinken des Fußgewölbes mit Druckbelastung des Os cuboideum, einer klassischen Prädilektionsstelle für osteomyelitische Komplikationen im Falle einer Weichteilinfektion/Fistel
Abb. 2 8 Fettige Atrophie der Extremitätenmuskulatur bei Diabetikern (a). Im Vergleich zu Nichtdiabetikern (b) ist häufig eine charakteristische Art der Sarkopenie zu erkennen. Dies sollte nebenbefundlich Eingang in die radiologische Bewertung finden (z. B. bei CT-Angiographie-Untersuchungen)
klassische osteoporotische Frakturen ausgesetzt, zusätzlich treten aber auch Frakturen des Unterschenkels und der Metatarsalia besonders gehäuft auf [5]. In den letzten Jahren wurden sogenannte „atypische Femurfrakturen“ im Zusammenhang mit der Einnahme antiresorptiver Medikamente beobachtet (. Abb. 3). Die American Society for Bone and Mineral Research (ASBMR) widmete diesem beunruhigendem Thema daher eine eigens ins Leben gerufene Task Force: In Zusammenhang mit Diabetes ist zu betonen, dass zwar die meisten Fälle der insgesamt seltenen Fälle atypischer Femurfrakturen tatsächlich im Zusammenhang mit einer Bisphospho-
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nattherapie stattfanden, allerdings Diabetes mellitus auch als zusätzlicher Risikofaktor gehandelt wird [17].
Interpretation der Knochendichtemessung bei Diabetes mellitus Typ 2 Die klassischen Methoden zur klinischen Bestimmung der Knochendichte (Dual Energy X-Ray Absorptiometry, DXA; quantitative Computertomographie, QCT) haben auch bei Diabetikern ihre Gültigkeit. Aufgrund epidemiologischer Daten wurde allerdings angeregt, Knochendichtewerte von Diabetikern strenger zu inter-
pretieren als jene von Patienten ohne Diabetes mellitus. Manche Autoren schlagen die Etablierung diabetischer Korrekturfaktoren für den T-Score vor, um dem realen Frakturrisiko und somit dem Therapiebedarf von Diabetikern adäquat Rechnung zu tragen [18].
Nichtinvasive Bestimmung der Knochenmikroarchitektur Obwohl die Bestimmung der Knochenmineraldichte mittels DXA und QCT etablierte Standardverfahren zur Bestimmung des Frakturrisikos, Abschätzung eines möglichen Therapiebedarfs und zum Mo-
Abb. 3 9 Typische Insuffizienzfrakturen betreffen auch Diabetiker. a Proximale Femurfraktur, b distale Radiusfraktur, c Wirbelkörperfraktur. d Diabetes mellitus dürfte neben einer Bisphosphonattherapie ein weiterer Risikofaktor für „atypische Femurfrakturen“ (d, e, f) sein. Bei Diabetikern treten zusätzlich Frakturen der unteren Extremität signifikant häufiger auf als bei Nichtdiabetikern
Abb. 4 9 Beispiele für typische Morphologien verschiedener metabolischer Knochenerkrankungen in der hochauflösenden peripheren quantitativen CT (HR-pQCT) des ultradistalen Radius. a Gesunde 30-jährige Frau, b postmenopausale Osteoporose mit deutlicher endokortikaler Porosität, c prämenopausale Osteoporose mit Trabekelverlust, jedoch noch relativ dichtem Kortex, d Hyperparathyreoidismus bei langjähriger Niereninsuffizienz mit subperiostalen Resorptionen und Trabekelverlust, e, f sekundäre Osteoporose bei „chronic obstructive pulmonary disease“ (COPD) im Endstadium und konsekutiver Lungentransplantation
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Leitthema: Bildgebung bei Diabetes
Abb. 5 8 Ausgeprägte kortikale Porosität als charakteristische Skelettmorphologie bei Diabetes mellitus Typ 2 mit Frakturen. a HR-pQCT Scan (distale Tibia) einer postmenopausalen Diabetikerin ohne prävalente Insuffizienzfrakturen. Kompakter, aporöser Kortex, normales trabekuläres Bild. b Deutliche kortikale Porosität im HR-pQCT-Scan der distalen Tibia einer postmenopausalen Diabetikerin mit stattgehabter Insuffizienzfraktur. (Mit freundl. Genehmigung durch Prof. Thomas M. Link, University of California, San Francisco). HR-pQCT hochauflösende periphere quantitative CT
nitoring des Therapieerfolgs darstellen, haben diese Verfahren ihre Limitierungen: Knochendichtewerte können bei Vorliegen vaskulärer Kalzifikationen und degenerativer Skelettveränderungen zu einer falschnegativen Einschätzung des Frakturrisikos führen und müssen daher immer in einem klinischen Kontext (z. B. Insuffizienzfrakturen, Familienanamnese, Alter, Geschlecht, Body Mass Index, Grunderkrankungen etc.) interpretiert werden. Die Bestimmung der Knochenmineraldichte trägt auch nicht allen Komponenten der Knochenfestigkeit Rechnung. Im Speziellen erlauben DXA und QCT keine direkten Rückschlüsse auf die Knochenmikroarchitektur, welche eine BMD-unabhängige Komponente für die Biomechanik des Knochens darstellt. Weitere BMD-unabhängige Komponenten sind Knochenumsatz, Matrixeigenschaften und Akkumulation mikroskopischer Substanzschäden (engl. „microcracks“). Bis vor einigen Jahren war eine Knochenbiopsie die einzige Möglichkeit, patientenspezifische Informationen über die Knochenmikroarchitektur zu gewinnen. Seit einigen Jahren existieren nichtinvasive bildgebende Verfahren zur Bestimmung der Knochenmikroarchitektur: Mittels hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographie (HRpQCT) und hochauflösender MRT (HRMRT) sind osteologische Biopsiestudien zunehmend aus der Mode gekommen. Obwohl diese Techniken keine Informationen über Matrixeigenschaften, Umsatz und Zellularität des untersuchten Kno-
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Der Radiologe 4 · 2015
chenabschnitts liefern, können morphometrische Charakteristika des Kortex und des trabekulären Kompartments präzise erfasst werden: Die Parameter sind aus der klassischen Histomorphometrie abgeleitet und beinhalten sowohl Knochenvolumina als auch Trabekelanzahl, -dicke, -dichte, -heterogenität und kortikale Eigenschaften (z. B.: kortikale Porosität). Neben der volumetrischen Gesamtknochendichte des gemessenen Abschnitts, liefert das HR-pQCT auch kompartmentspezifische Dichtewerte. (d. h. kortikale vs. trabekuläre Dichte). Die Effektivdosis eines HR-pQCT-Scans beträgt
