Eksperimentalno modeliranje osteoartritisa pri živalih

KRN Pritzker (1994) je eksperimentalni živalski model katere koli bolezni opredelil kot »homogeno skupino živali, ki kažejo podedovan, naravno pridobljen ali eksperimentalno induciran biološki proces, ki je predmet znanstvene raziskave in je v enem ali več pogledih podoben bolezni pri človeku«. Živalski modeli osteoartritisa so uporabni za preučevanje razvoja strukturnih sprememb v sklepnih tkivih, za ugotavljanje, kako različni dejavniki tveganja sprožijo ali spodbujajo te spremembe, in za oceno terapevtskih ukrepov. Pomembno si je zapomniti, da osteoartritis ni bolezen le enega tkiva, sklepnega hrustanca, temveč vseh tkiv prizadetega sklepa, vključno s subhondralno kostjo, sinovialno membrano, meniskusi, ligamenti, periartikularnimi mišicami in aferentnimi živci s konci zunaj in znotraj sklepne kapsule. Študije farmakoloških učinkovin na živalskih modelih se osredotočajo predvsem na njihove učinke na sklepni hrustanec. V eksperimentalnih modelih je nemogoče oceniti glavni simptom osteoartroze pri ljudeh – bolečine v sklepih. Hkrati se pri modeliranju osteoartroze pri živalih ne upoštevajo številni pomembni dejavniki, ki prispevajo k razvoju in napredovanju osteoartroze (na primer navpični položaj človeškega telesa, šibkost periartikularnih mišic itd.).

Seveda je najbolj ilustrativen model bolezni tisti, ki ima največjo podobnost s spremembami pri človeškem osteoartritisu. Živalski modeli osteoartritisa so najbolj zanimivi z vidika preučevanja učinkovitosti zdravil za osteoartritis, ki spreminjajo bolezen (DMOAD). Čeprav številna zdravila v tej skupini preprečujejo razvoj ali upočasnjujejo napredovanje eksperimentalno povzročenega ali spontanega osteoartritisa pri živalih, so bila vsa neučinkovita pri preučevanju njihovih učinkov pri ljudeh.

Živalski modeli osteoartritisa

Mehanizem modeliranja	Živalske vrste	Indukcijski faktor/sredstvo	Vir
Spontani osteoartritis	Morski prašički	Starost/prekomerna telesna teža	Bendele AM et al., 1989
	Miši STR/ORT, STR/INS	Genetska predispozicija	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. in drugi, 1989 Dunham J. in drugi, 1990
	Črne miši C57	Genetska predispozicija	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Miši	Mutacija kolagena II	GarofaloS. et al., 1991
	Miši	Mutacija kolagena IX	NakataK. et al., 1993
	Psi	Displazija kolkov	SmaleG. et al., 1995
	Primati	Genetska predispozicija	Alexander CJ, 1994 Carlson CS in drugi, 1994 Chateauvert JM in drugi, 1990
Kemično povzročena osteoartritis	Piščanci	Jodoacetatna premija*	Kalbhen DA, 1987
	Zajci	Papain premium	Marcelon G. et al., 1976 Coulais Y. et al., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Morski prašički	Papain premium	Tanaka H. et al., 1992
	Psi	Kimopapain v primerjavi s	Leipold HR et al., 1989
	Miši	Papain premium	Van der Kraan PM et al., 1989
	Miši	Premium kolagenaza	Van der Kraan PM et al., 1989
	Miši	TFR-R v primerjavi s	Van den Berg, WB, 1995
	Zajci	Hipertonična raztopina NaCl	Vasilev V. et al. 1992
Fizično (kirurško) povzročena osteoartritis	Psi	Prerez sprednje križne vezi (enostranski)	Marshall JL et al., 1971 Brandt KD, 1994
	Psi	Prerez sprednje križne vezi (obojestranski)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Zajci	Prerez sprednje križne vezi	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Ovce	Meniscektomija	Ghosh P. et al., 1993
	Zajci	Meniscektomija	FamA.G. in drugi, 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Morski prašički	Meniscektomija	Bendele AM, 1987
	Morski prašički	Miektomija	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. in drugi, 1987 Dedrick DK in drugi, 1991
	Zajci	Kontuzija pogačice	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Zajci	Imobilizacija	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	Psi	Imobilizacija	Howell DS in sod., 1992 Ratcliffe A. in sod., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Psi	Denervacija, ki ji sledi prerez sprednje križne vezi	VilenskyJA et al., 1994

* intraartikularni - znotrajsklepni.

Fizično in kemično inducirani modeli osteoartroze so trenutno zelo priljubljeni, vendar odražajo procese, opažene pri sekundarni osteoartrozi pri ljudeh, in ne idiopatske osteoartroze. Alternativa jim so modeli spontane osteoartroze pri dvonožnih primatih in štirinožcih.

Nekateri avtorji so precej skeptični glede modeliranja osteoartroze pri živalih na splošno. Tako je po mnenju MEJ Billinghama (1998) uporaba modelov za odkrivanje zdravil, ki spreminjajo osteoartrozo, "...draga igra na srečo".

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ]

Modeli spontane osteoartroze

Skoraj vse inbredne mišje linije razvijejo osteoartrozo različne stopnje in lokalizacije. Najvišjo incidenco osteoartroze in najhujši potek bolezni opazimo pri miših sevov STR/ORT in STR/INS. Med mišmi STR/ORT je bolezen pogostejša in je hujša pri samcih kot pri samicah. Primarna poškodba sklepnega hrustanca se razvije v medialnem delu tibialne plošče. Domnevali so, da pojavu sprememb v hrustancu predhodi premik pogačice, vendar so RG Evans et al. (1994) in C. Collins et al. (1994) ugotovili, da se pri vseh miših tega seva poškodba hrustanca razvije do 11 mesecev, vendar ne pri vseh kaže premik pogačice. Isti avtorji so ugotovili, da spremembam v sklepnem hrustancu pri miših STR/ORT pogosto predhodi hondrocitno-osteoblastna metaplazija tetivnih in ligamentnih celic okoli prizadetih kolenskih sklepov, kar kaže, da so te spremembe primarne v patogenezi osteoartritisa v tem modelu. Možno je, da začetna kalcifikacija vezi in kit spremeni mehansko obremenitev intraartikularnih struktur in da nadaljnje spremembe v sklepnem hrustancu odražajo poskus ohranjanja normalne obremenitve sklepov. Za razliko od modelov morskih prašičkov in makakov, pri katerih degeneraciji hrustanca predhodijo spremembe v subhondralni kosti, se subhondralna skleroza pri miših STR/ORT in STR/INS pojavi pozneje.

Prednost tega modela osteoartroze je majhnost živali, kar zahteva minimalno porabo testiranega farmakološkega sredstva. Vendar pa je velikost tudi pomanjkljivost, saj je biokemijska in patohistološka analiza hrustanca pri miših otežena.

Študije A. M. Bendeleja, J. E. Hulmana (1988), A. M. Bendela in sodelavcev (1989) ter S. C. R. Meacocka in sodelavcev (1990), posvečene preučevanju naravnega poteka spontane osteoartroze pri morskih prašičkih, so spodbudile zanimanje za ta model bolezni. Pri vseh samcih morskih prašičkov pasme Dunkin Hurtley se od 13. meseca starosti naprej razvije degeneracija sklepnega hrustanca. Podobne spremembe pri samicah se pojavijo nekoliko kasneje in so blažje. Pri starosti 1 leta opazimo popolno izgubo sklepnega hrustanca v predelu medialnega kondila stegnenice in golenice. Povečanje telesne teže morskih prašičkov pasme Dunkin Hurtley poslabša potek bolezni, zmanjšanje telesne teže na 900 g ali manj pa izboljša potek osteoartroze. Pri starosti 8 tednov se pri tem modelu že zaznajo spremembe v subhondralni kosti, tj. slednje predhodijo poškodbi hrustanca. Spremembe v križnih vezih kolenskih sklepov lahko pospešijo preoblikovanje kosti.

Pri makakih rezus in cynomolgus se razvije spontana osteoartroza. Zelo pomembna prednost primatov pred drugimi živalmi, ki se uporabljajo za ustvarjanje eksperimentalnega modela osteoartroze, je njihova dvonožnost. Bolezen se razvije pri posameznikih srednjih/starejših let. Zgodnje histološke ugotovitve vključujejo odebelitev subhondralne kosti, ki ji sledi cefranje sklepnega hrustanca v predelu medialne plošče golenice. Kasneje je v proces vključena tudi lateralna plošča. Omeniti velja, da se degeneracija sklepnega hrustanca začne razvijati šele, ko debelina subhondralne kosti doseže 400 μm. Razširjenost in resnost osteoartroze pri makakih se s starostjo povečujeta, vendar na te kazalnike ne vplivata spol in telesna teža. Do danes modeli osteoartroze pri primatih še niso bili uporabljeni za preučevanje učinkovitosti DMOAD.

Modeli fizično (kirurško) povzročene osteoartroze

Modeli osteoartritisa, ki temeljijo na kirurško povzročeni ohlapnosti kolena, ki spremeni mehansko obremenitev kolenskega sklepa, se najpogosteje uporabljajo pri psih in kuncih. Najpogosteje uporabljen model je model s prerezom križnih vezi pri psih. Kirurški modeli osteoartritisa pri kuncih vključujejo prerez križnih vezi z ali brez izrezovanja medialnih in kolateralnih vezi, popolno ali delno meniscektomijo in kirurško pretrganje meniskusov. Opisani so bili kirurški modeli osteoartritisa pri morskih prašičkih, ki vključujejo prerez križnih in kolateralnih vezi ter delno meniscektomijo. Delna meniscektomija pri morskih prašičkih povzroči nastanek osteofitov v 2 tednih in prekomerno degeneracijo sklepnega hrustanca v 6 tednih.

Do nedavnega je bil pasji model osteoartritisa po prerezu sprednje križne vezi obravnavan s skepticizmom zaradi odsotnosti razjed hrustanca in izrazitega napredovanja bolezni, ki so ga opazili pri človeškem osteoartritisu. JL Marshall in S. - E. Olsson (1971) sta ugotovila, da so bile spremembe v tkivih pasjih kolenskih sklepov 2 leti po operaciji praktično enake tistim, ki so bile zabeležene takoj po operaciji. Avtorja sta predlagala, da mehanski dejavniki (npr. fibroza sklepne kapsule in nastanek osteofitov) stabilizirajo po operaciji razrahljan kolenski sklep in preprečujejo nadaljnje napredovanje uničenja sklepnega hrustanca. Predlagano je bilo tudi, da se ta model obravnava kot model poškodbe in popravila hrustanca, ne pa kot model osteoartritisa. Vendar pa so rezultati študij, ki so jih izvedli KD Brandt in sodelavci (1991), ki so dlje časa preučevali dinamiko sprememb v tkivih kolenskih sklepov, destabiliziranih zaradi prereza sprednjih križnih vezi, ovrgli predpostavke prejšnjih avtorjev.

SA McDevitt in sodelavci (1973, 1977) so ugotovili, da se že v prvih dneh po prerezu križnih vezi poveča sinteza proteoglikanov s strani hondrocitov sklepnega hrustanca. V 64 tednih po kirurški indukciji nestabilnosti kolenskega sklepa je bila debelina sklepnega hrustanca višja od normalne, čeprav so biokemične, presnovne in histološke spremembe v njem ustrezale tistim pri osteoartrozi. To odebelitev hrustanca je bila povezana s povečano sintezo proteoglikanov in njihovo visoko koncentracijo v sklepnem hrustancu. Z magnetno resonanco (MRI) sta ME Adams in KD Brandt (1991) pokazala, da se po prerezu križnih vezi hipertrofija hrustanca ohrani 36 mesecev, nato pa pride do progresivne izgube hrustanca, tako da je po 45 mesecih večina sklepnih površin brez hrustanca. Morfološki pregled hrustanca 54 mesecev po operaciji je potrdil ugotovitve MRI. Tako sta ME Adams in KD Brandt (1991) dokazala, da lahko kirurško povzročeno nestabilnost kolenskih sklepov pri psih štejemo za model osteoartritisa.

Pojav hipertrofične reparacije sklepnega hrustanca dobro ponazarja zgoraj opisani model osteoartroze pri psih. Vendar pa je znano, da ta pojav ni značilen le zanj. Hipertrofijo sklepnega hrustanca, ki je bila reparativne narave, je pri bolnikih z osteoartrozo prvič opisal EGL Bywaters (1937), kasneje pa LC Johnson. Najdemo jo tudi v drugih modelih osteoartroze - pri kuncih po delni meniscektomiji (Vignon E. et al., 1983), pri rezus makakih pa se hipertrofija hrustanca razvije spontano.

Sodobni opisi patogeneze se osredotočajo predvsem na progresivno "izgubo" hrustanca, vendar avtorji pogosto spregledajo njegovo odebelitev in povečano sintezo proteoglikanov, kar ustreza homeostatski fazi stabilizirane osteoartroze. V tej fazi reparacija hrustanca nadomesti njegovo izgubo in lahko sklep dolgo časa ohranja v funkcionalnem stanju. Toda reparativno tkivo se pogosto ne more spopasti z mehansko obremenitvijo, ki mu je naložena, na enak način kot zdrav sklepni hrustanec, kar vodi v nezmožnost hondrocitov, da bi ohranili normalno sestavo matriksa, in zmanjšanje sinteze proteoglikanov. Razvije se končna faza osteoartroze.

Študija Charcotove artropatije je privedla do razvoja metode za nevrogeno pospeševanje modeliranja kirurško povzročene osteoartroze. Za Charcotovo artropatijo so značilni hudo uničenje sklepov, sklepni "miši", sklepni izliv, nestabilnost vezi in nastanek novega kostnega in hrustančnega tkiva znotraj sklepa. Splošni koncept patogeneze Charcotove (nevrogene) artropatije je prekinitev senzoričnih signalov iz proprioceptorjev in nociceptorjev okončin v centralni živčni sistem (CŽS). Za pospešitev napredovanja osteoartroze, ki jo povzroči prerez sprednjih križnih vezi pri psih, se pred operacijo izvede ganglionektomija ali ekscizija živca, ki oživčuje sklep, kar povzroči pojav erozij hrustanca že v prvem tednu po operaciji. Zanimivo je, da je bil novi diacerein DMOAD učinkovit pri uporabi v počasi progresivnem (nevrološko intaktnem) modelu osteoartritisa, vendar je bil neučinkovit pri nevrogeno pospešenem eksperimentalnem osteoartritisu.

Skratka, treba je opozoriti, da je nemogoče v celoti oceniti identiteto eksperimentalnega modela osteoartroze in osteoartroze pri ljudeh, saj etiologija in natančni mehanizmi patogeneze bolezni še niso pojasnjeni. Kot je bilo že omenjeno, je glavni namen uporabe eksperimentalnih modelov osteoartroze pri živalih njihova uporaba za oceno učinkovitosti novih zdravil, predvsem skupine "modifikatorjev bolezni". Verjetnost, koliko se bodo rezultati zdravljenja pri živali ujemali z rezultati uporabe eksperimentalnega farmakološkega sredstva pri ljudeh, prav tako ni mogoče določiti. N. S. Doherty in sodelavci (1998) so poudarili pomembne razlike med vrstami živali, ki se uporabljajo za modeliranje osteoartroze, glede na različen razvoj patologije, različne mediatorje, receptorje, encime, kar vodi do objektivne ekstrapolacije terapevtske aktivnosti novih zdravil, ki se uporabljajo pri živalih, na ljudi. Primer je visoka učinkovitost nesteroidnih protivnetnih zdravil (NSAID) pri modeliranju vnetnega artritisa pri glodavcih. To je privedlo do ponovne ocene učinkovitosti nesteroidnih protivnetnih zdravil (NSAID) pri ljudeh, pri katerih prostaglandini nimajo temeljne vloge pri patogenezi bolezni kot pri glodavcih, klinična učinkovitost NSAID pa je omejena na zdravljenje simptomov in ne na spreminjanje bolezni.

Hkrati lahko podcenjevanje novih farmakoloških učinkovin pri preučevanju njihove učinkovitosti na živalskih modelih privede do izgube potencialno učinkovitih terapevtskih učinkovin pri ljudeh. Na primer, zlate soli, penicilamin, klorokin in sulfasalazin, ki imajo določen učinek pri zdravljenju revmatoidnega artritisa, so absolutno neučinkovite pri živalih, ki se uporabljajo za presejanje protirevmatičnih zdravil.

Razlika v odzivu med živalskim modelom osteoartroze in bolnikom z osteoartrozo na zdravljenje z DMOAD je v veliki meri odvisna od kolagenaze, encima, za katerega velja, da je aktivno vključen v patogenezo osteoartroze. Inhibitorje intersticijske kolagenaze (kolagenaza-1 ali matrična metaloproteinaza (MMP)-1) pogosto najdemo pri glodavcih z modelno osteoartrozo, vendar homolog človeške kolagenaze-1 pri glodavcih ni bil najden in morda ne obstaja. Zato specifični inhibitorji človeške kolagenaze-1 ne bodo pokazali terapevtske učinkovitosti pri glodavcih z eksperimentalno osteoartrozo. Večina inhibitorjev MMP, ustvarjenih do danes, je neselektivnih in zato zavirajo kolagenazo-3 (MMP-13), ki sodeluje pri patogenezi eksperimentalne osteoartroze pri glodavcih. Poleg tega, kot so pokazale študije NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994), se človeška kolagenaza-3 izraža v sklepnem hrustancu bolnikov z osteoartritisom in lahko igra vlogo pri patogenezi bolezni.

Lahko se domneva, da imajo ti mediatorji, receptorji ali encimi podobno vlogo pri patogenezi modelirane osteoartroze pri določeni živali in pri ljudeh. Primer je kemotaktična sposobnost levkotriena B4, ki velja za enako pri ljudeh, miših in kuncih, vendar se aktivnost antagonistov te biološko aktivne snovi med živalskimi vrstami razlikuje 1000-krat. Da bi se izognili takšnim netočnostim v poskusih, je treba ustvariti metode, ki omogočajo preučevanje farmakodinamike in vivo. Na primer, mogoče je preučevati učinek katere koli snovi na aktivnost eksogenih encimov ali mediatorjev pri ljudeh. To tehniko so uporabili V Ganu in sod. (1994) za oceno aktivnosti zaviralcev MMP z določanjem sposobnosti zdravil, da zavirajo sproščanje proteoglikanov iz sklepnega hrustanca po injiciranju človeškega stromelezina v kolenski sklep kunca.

Čeprav lahko rezultati, pridobljeni v eksperimentalnem modelu osteoartroze, vodijo do napačne ocene potencialnih DMOAD, imajo živalski modeli osteoartroze pomembno vlogo v temeljnih raziskavah. Končno odločitev o učinkovitosti farmakoloških učinkovin pri zdravljenju človeških bolezni je mogoče sprejeti šele po izvedbi kliničnih preskušanj faze III na ljudeh.