Eksperymentalne modelowanie choroby zwyrodnieniowej stawów u zwierząt

KRN Pritzker (1994) zdefiniował eksperymentalny model zwierzęcy dowolnej choroby jako „jednorodną grupę zwierząt, które wykazują odziedziczony, naturalnie nabyty lub eksperymentalnie wywołany proces biologiczny, podlegający badaniom naukowym, który jest podobny pod jednym lub wieloma względami do choroby u człowieka”. Modele zwierzęce choroby zwyrodnieniowej stawów są przydatne do badania ewolucji zmian strukturalnych w tkankach stawów, do określania, w jaki sposób różne czynniki ryzyka inicjują lub promują te zmiany, oraz do oceny środków terapeutycznych. Ważne jest, aby pamiętać, że choroba zwyrodnieniowa stawów nie jest chorobą tylko jednej tkanki, chrząstki stawowej, ale wszystkich tkanek dotkniętego stawu, w tym kości podchrzęstnej, błony maziowej, łąkotek, więzadeł, mięśni okołostawowych i nerwów aferentnych z zakończeniami zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz torebki stawowej. Badania środków farmakologicznych w modelach zwierzęcych koncentrują się przede wszystkim na ich wpływie na chrząstkę stawową. Niemożliwa jest ocena głównego objawu choroby zwyrodnieniowej stawów u ludzi - bólu stawów - w modelach eksperymentalnych. Jednocześnie przy modelowaniu choroby zwyrodnieniowej stawów u zwierząt nie bierze się pod uwagę szeregu ważnych czynników wpływających na rozwój i postęp choroby zwyrodnieniowej stawów (np. pionowej pozycji ciała człowieka, osłabienia mięśni okołostawowych itp.).

Oczywiście najbardziej ilustratywnym modelem choroby jest ten, który ma największe podobieństwo do zmian w ludzkiej chorobie zwyrodnieniowej stawów. Modele zwierzęce choroby zwyrodnieniowej stawów są najbardziej interesujące pod względem badania skuteczności leków modyfikujących chorobę OA (DMOAD). Chociaż szereg leków z tej grupy zapobiega rozwojowi lub spowalnia postęp eksperymentalnie wywołanej lub spontanicznej choroby zwyrodnieniowej stawów u zwierząt, wszystkie z nich były nieskuteczne podczas badania ich wpływu na ludzi.

Modele zwierzęce choroby zwyrodnieniowej stawów

Mechanizm modelowania	Gatunki zwierząt	Czynnik/środek indukujący	Źródło
Spontaniczna choroba zwyrodnieniowa stawów	Świnki morskie	Wiek/nadwaga	Bendele AM i in., 1989
	Myszki STR/ORT, STR/INS	Predyspozycje genetyczne	Das-Gupta EP i in., 1993 Dunham J. i in., 1989 Dunham J. i in., 1990
	Czarne myszy C57	Predyspozycje genetyczne	OkabeT., 1989 StabescyR. i in., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM i in., 1990
	Myszki	Mutacja kolagenu II	GarofaloS. i in., 1991
	Myszki	Mutacja kolagenu IX	NakataK. i in., 1993
	Psy	Dysplazja stawu biodrowego	SmaleG. i in., 1995
	Naczelne ssaki	Predyspozycje genetyczne	Alexander CJ, 1994 Carlson CS i in., 1994 Chateauvert JM i in., 1990
Choroba zwyrodnieniowa stawów wywołana chemicznie	Kurczaki	Premia za jodooctan*	Kalbhen DA, 1987
	Króliki	Papaina premium	Marcelon G. i in., 1976 Coulais Y. i in., 1983 Coulais Y. i in., 1984
	Świnki morskie	Papaina premium	Tanaka H. i in., 1992
	Psy	Chymopapaina kontra	Leipold HR i in., 1989
	Myszki	Papaina premium	Van der Kraan PM i in., 1989
	Myszki	Kolagenaza premium	Van der Kraan PM i in., 1989
	Myszki	TFR-R w/s	Van den Berg WB. 1995
	Króliki	Roztwór hipertoniczny NaCl	VasilevV. i in.. 1992
Choroba zwyrodnieniowa stawów wywołana fizycznie (chirurgicznie)	Psy	Przecięcie więzadła krzyżowego przedniego (jednostronne)	Marshall JL i in., 1971 Brandt KD, 1994
	Psy	Przecięcie więzadła krzyżowego przedniego (obustronne)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Króliki	Przecięcie więzadła krzyżowego przedniego	Christensen SB, 1983 VignonE. i in., 1991
	Owce	Meniscektomia	Ghosh P. i in., 1993
	Króliki	Meniscektomia	FamA.G. i in., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Świnki morskie	Meniscektomia	Bendele AM, 1987
	Świnki morskie	Miętustomia	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. i in., 1987 Dedrick DK i in., 1991
	Króliki	Stłuczenie rzepki	Oegema TRJ i in., 1993 Mazieres B. i in., 1990
	Króliki	Unieruchomienie	Langenskiold A. i in., 1979 Videman T., 1982
	Psy	Unieruchomienie	Howell DS i in., 1992 Ratcliffe A. i in., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Psy	Odnerwienie z następowym przecięciem więzadła krzyżowego przedniego	VilenskyJA i in., 1994

* dostawowe - dostawowe.

Modele osteoartrozy wywołane fizycznie i chemicznie są obecnie bardzo popularne, ale odzwierciedlają procesy obserwowane w osteoartrozie wtórnej u ludzi, a nie idiopatycznej osteoartrozie. Alternatywą dla nich są modele spontanicznej osteoartrozy u dwunożnych naczelnych i czworonogów.

Niektórzy autorzy są dość sceptyczni co do modelowania osteoartrozy u zwierząt w ogóle. Zatem, według MEJ Billinghama (1998), wykorzystanie modeli do odkrywania leków modyfikujących osteoartrozę jest „...kosztownym hazardem”.

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

Modele spontanicznej choroby zwyrodnieniowej stawów

Prawie wszystkie wsobne szczepy myszy rozwijają osteoartrozę o różnym nasileniu i lokalizacji. Najwyższą częstość występowania osteoartrozy i najcięższy przebieg choroby obserwuje się u myszy szczepów STR/ORT i STR/INS. U myszy STR/ORT choroba jest częstsza i ma cięższy przebieg u samców niż u samic. Pierwotne uszkodzenie chrząstki stawowej rozwija się w przyśrodkowej części płytki piszczelowej. Przyjęto, że pojawienie się zmian w chrząstce jest poprzedzone przemieszczeniem rzepki, jednak RG Evans i in. (1994), C. Collins i in. (1994) stwierdzili, że u wszystkich myszy tego szczepu uszkodzenie chrząstki rozwija się w ciągu 11 miesięcy, ale nie u wszystkich z nich wystąpiło przemieszczenie rzepki. Ci sami autorzy odkryli, że zmiany w chrząstce stawowej u myszy STR/ORT są często poprzedzone metaplazją chondrocytarno-osteoblastyczną komórek ścięgien i więzadeł wokół dotkniętych stawów kolanowych, co wskazuje, że zmiany te są pierwotne w patogenezie choroby zwyrodnieniowej stawów w tym modelu. Możliwe jest, że początkowe zwapnienie więzadeł i ścięgien zmienia obciążenie mechaniczne struktur wewnątrzstawowych, a późniejsze zmiany w chrząstce stawowej odzwierciedlają próbę utrzymania normalnego obciążenia stawu. W przeciwieństwie do modeli świnki morskiej i makaka, w których zwyrodnienie chrząstki jest poprzedzone zmianami w kości podchrzęstnej, stwardnienie podchrzęstne pojawia się później u myszy STR/ORT i STR/INS.

Zaletą tego modelu osteoartrozy jest niewielki rozmiar zwierząt, co wymaga minimalnego spożycia badanego środka farmakologicznego. Jednak rozmiar jest również wadą, ponieważ analiza biochemiczna i patomorfologiczna chrząstki u myszy jest trudna.

Badania AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel i in. (1989) oraz SCR Meacock i in. (1990) poświęcone badaniu naturalnego przebiegu spontanicznej osteoartrozy u świnek morskich wzbudziły zainteresowanie tym modelem choroby. Począwszy od wieku 13 miesięcy u wszystkich samców świnek morskich rasy Dunkin Hurtley rozwija się zwyrodnienie chrząstki stawowej. Podobne zmiany u samic pojawiają się nieco później i są łagodniejsze. W wieku 1 roku obserwuje się całkowitą utratę chrząstki stawowej w okolicy kłykcia przyśrodkowego kości udowej i płytki piszczelowej. Zwiększenie masy ciała świnek morskich rasy Dunkin Hurtley pogarsza przebieg choroby, a zmniejszenie masy ciała do 900 g lub mniej poprawia przebieg osteoartrozy. W wieku 8 tygodni w tym modelu wykrywane są już zmiany w kości podchrzęstnej, tj. te ostatnie poprzedzają uszkodzenie chrząstki. Zmiany w więzadłach krzyżowych stawów kolanowych mogą przyspieszyć przebudowę kości.

Spontaniczna osteoartroza rozwija się u makaków rezus i makaków jawajskich. Bardzo ważną zaletą naczelnych nad innymi zwierzętami użytymi do stworzenia eksperymentalnego modelu osteoartrozy jest ich dwunożność. Choroba rozwija się u osobników w średnim/starszym wieku. Wczesne wyniki histologiczne obejmują pogrubienie kości podchrzęstnej, a następnie strzępienie się chrząstki stawowej w okolicy płytki przyśrodkowej kości piszczelowej. Później w proces ten zaangażowana jest również płytka boczna. Co ciekawe, zwyrodnienie chrząstki stawowej zaczyna się rozwijać dopiero po osiągnięciu przez grubość kości podchrzęstnej 400 μm. Częstość występowania i nasilenie osteoartrozy u makaków wzrasta wraz z wiekiem, ale wskaźniki te nie są zależne od płci i masy ciała. Do tej pory modele osteoartrozy u naczelnych nie były wykorzystywane do badania skuteczności DMOAD.

Modele choroby zwyrodnieniowej stawów wywołanej fizycznie (chirurgicznie)

Modele choroby zwyrodnieniowej stawów oparte na chirurgicznie wywołanej wiotkości kolana, która zmienia obciążenie mechaniczne stawu kolanowego, są najczęściej stosowane u psów i królików. Najczęściej stosowanym modelem jest model z przecięciem więzadła krzyżowego u psów. Chirurgiczne modele choroby zwyrodnieniowej stawów u królików obejmują przecięcie więzadeł krzyżowych z wycięciem lub bez więzadeł przyśrodkowych i pobocznych, całkowitą lub częściową meniscektomię i chirurgiczne rozerwanie łąkotek. Opisano chirurgiczne modele choroby zwyrodnieniowej stawów u świnek morskich, które obejmują przecięcie więzadeł krzyżowych i pobocznych oraz częściową meniscektomię. Częściowa meniscektomia u świnek morskich powoduje powstawanie osteofitów w ciągu 2 tygodni i nadmierną degenerację chrząstki stawowej w ciągu 6 tygodni.

Do niedawna psi model choroby zwyrodnieniowej stawów po przecięciu więzadła krzyżowego przedniego był traktowany sceptycznie ze względu na brak owrzodzenia chrząstki i znaczny postęp choroby obserwowany w ludzkiej chorobie zwyrodnieniowej stawów. JL Marshall i S. - E. Olsson (1971) odkryli, że zmiany w tkankach stawów kolanowych psów 2 lata po operacji były praktycznie identyczne jak te odnotowane bezpośrednio po operacji. Autorzy zasugerowali, że czynniki mechaniczne (np. zwłóknienie torebki stawowej i tworzenie się osteofitów) stabilizują pooperacyjnie poluzowany staw kolanowy i zapobiegają dalszemu postępowi niszczenia chrząstki stawowej. Zasugerowano również, aby ten model traktować jako model uszkodzenia i naprawy chrząstki, a nie model choroby zwyrodnieniowej stawów. Jednak wyniki badań przeprowadzonych przez KD Brandta i in. (1991), którzy badali dynamikę zmian w tkankach stawów kolanowych zdestabilizowanych przez skrzyżowanie więzadeł krzyżowych przednich przez dłuższy okres, obaliły założenia poprzednich autorów.

SA McDevitt i in. (1973, 1977) stwierdzili, że już w pierwszych dniach po przecięciu więzadła krzyżowego synteza proteoglikanów przez chondrocyty chrząstki stawowej wzrasta. W ciągu 64 tygodni po chirurgicznym wywołaniu niestabilności stawu kolanowego grubość chrząstki stawowej była wyższa niż normalnie, chociaż zmiany biochemiczne, metaboliczne i histologiczne w niej odpowiadały tym w chorobie zwyrodnieniowej stawów. To pogrubienie chrząstki wiązało się ze zwiększoną syntezą proteoglikanów i ich wysokim stężeniem w chrząstce stawowej. Wykorzystując obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), ME Adams i KD Brandt (1991) wykazali, że po przecięciu więzadeł krzyżowych przerost chrząstki utrzymuje się przez 36 miesięcy, po czym następuje postępująca utrata chrząstki, tak że po 45 miesiącach większość powierzchni stawowych jest pozbawiona chrząstki. Badanie morfologiczne chrząstki 54 miesiące po operacji potwierdziło wyniki MRI. W ten sposób ME Adams i KD Brandt (1991) wykazali, że niestabilność stawów kolanowych wywołana operacyjnie u psów może być uważana za model choroby zwyrodnieniowej stawów.

Zjawisko hipertroficznej naprawy chrząstki stawowej dobrze ilustruje opisany powyżej model osteoartrozy u psów. Wiadomo jednak, że zjawisko to nie jest dla niego unikalne. Hipertrofia chrząstki stawowej, która miała charakter naprawczy, została po raz pierwszy opisana u pacjentów z osteoartrozą przez EGL Bywatersa (1937), a później przez LC Johnsona. Występuje również w innych modelach osteoartrozy - u królików po częściowej meniscektomii (Vignon E. i in., 1983), u makaków rezus hipertrofia chrząstki rozwija się spontanicznie.

Współczesne opisy patogenezy skupiają się głównie na postępującej „utracie” chrząstki, ale autorzy często pomijają jej pogrubienie i zwiększoną syntezę proteoglikanów, co odpowiada fazie homeostatycznej ustabilizowanej osteoartrozy. W tej fazie naprawa chrząstki kompensuje jej utratę i może utrzymać staw w stanie funkcjonalnym przez długi czas. Jednak tkanka naprawcza często nie radzi sobie z obciążeniem mechanicznym nałożonym na nią w taki sam sposób, jak zdrowa chrząstka stawowa, co prowadzi do niezdolności chondrocytów do utrzymania prawidłowego składu macierzy i spadku syntezy proteoglikanów. Rozwija się końcowy etap osteoartrozy.

Badania nad artropatią Charcota doprowadziły do opracowania metody neurogennego przyspieszenia modelowania wywołanej chirurgicznie osteoartrozy. Artropatia Charcota charakteryzuje się poważnym zniszczeniem stawów, „myszkami” stawowymi, wysiękiem stawowym, niestabilnością więzadeł i tworzeniem nowej tkanki kostnej i chrzęstnej w obrębie stawu. Ogólna koncepcja patogenezy artropatii Charcota (neurogennej) to przerwanie sygnałów czuciowych z proprioceptorów kończyn i nocyceptorów do ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Aby przyspieszyć postęp osteoartrozy wywołanej przecięciem więzadeł krzyżowych przednich u psów, przed operacją wykonuje się ganglionektomię lub wycięcie nerwu unerwiającego staw, co prowadzi do pojawienia się ubytków chrząstki już w pierwszym tygodniu po operacji. Co ciekawe, nowa diacereina DMOAD okazała się skuteczna w przypadku stosowania w powoli postępującym (neurologicznie nienaruszonym) modelu choroby zwyrodnieniowej stawów, natomiast okazała się nieskuteczna w eksperymentalnej chorobie zwyrodnieniowej stawów przyspieszonej neurogennie.

Podsumowując, należy zauważyć, że nie jest możliwe pełne oszacowanie tożsamości eksperymentalnego modelu osteoartrozy i osteoartrozy u ludzi, ponieważ etiologia i dokładne mechanizmy patogenezy choroby nie zostały jeszcze wyjaśnione. Jak wspomniano wcześniej, głównym celem stosowania eksperymentalnych modeli osteoartrozy u zwierząt jest wykorzystanie ich do oceny skuteczności nowych leków, głównie z grupy „modyfikujących chorobę”. Nie można również określić prawdopodobieństwa, w jakim stopniu wyniki leczenia u zwierzęcia będą pokrywać się z wynikami stosowania eksperymentalnego środka farmakologicznego u ludzi. NS Doherty i in. (1998) podkreślili istotne różnice między gatunkami zwierząt użytymi do modelowania osteoartrozy pod względem odmiennego rozwoju patologii, różnych mediatorów, receptorów, enzymów, co prowadzi do obiektywnej ekstrapolacji aktywności terapeutycznej nowych leków stosowanych u zwierząt na ludzi. Przykładem jest wysoka skuteczność NLPZ w modelowaniu zapalenia stawów u gryzoni. Doprowadziło to do ponownej oceny skuteczności NLPZ u ludzi, u których prostaglandyny nie odgrywają tak zasadniczej roli w patogenezie chorób, jak u gryzoni, a skuteczność kliniczna NLPZ ogranicza się do leczenia objawowego, a nie modyfikacji choroby.

Jednocześnie niedocenianie nowych środków farmakologicznych podczas badania ich skuteczności w modelach zwierzęcych może prowadzić do utraty potencjalnie skutecznych środków terapeutycznych u ludzi. Na przykład sole złota, penicylamina, chlorochina i sulfasalazyna, które mają pewien wpływ w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów, są absolutnie nieskuteczne u zwierząt wykorzystywanych do badań przesiewowych leków przeciwreumatycznych.

Różnica w odpowiedzi między zwierzęcym modelem osteoartrozy a pacjentem z osteoartrozą na leczenie DMOAD w dużej mierze zależy od kolagenazy, enzymu, który uważa się za aktywnie zaangażowany w patogenezę osteoartrozy. Inhibitory śródmiąższowej kolagenazy (kolagenaza-1 lub metaloproteinaza macierzy (MMP)-1) często występują u gryzoni z modelem OA, ale homologu ludzkiej kolagenazy-1 nie znaleziono u gryzoni i może on nie istnieć. Zatem specyficzne inhibitory ludzkiej kolagenazy-1 nie wykażą skuteczności terapeutycznej u gryzoni z eksperymentalną osteoartrozą. Większość inhibitorów MMP stworzonych do tej pory jest nieselektywna i dlatego hamuje kolagenazę-3 (MMP-13), która bierze udział w patogenezie eksperymentalnej osteoartrozy u gryzoni. Ponadto, jak wykazały badania NRA Beeley i in. (1994), JMP Freije i in. (1994) wykazano, że ludzka kolagenaza-3 jest obecna w chrząstce stawowej pacjentów cierpiących na chorobę zwyrodnieniową stawów i może odgrywać rolę w patogenezie tej choroby.

Można założyć, że te mediatory, receptory lub enzymy odgrywają podobną rolę w patogenezie modelowanej osteoartrozy u konkretnego zwierzęcia i u ludzi. Przykładem jest chemotaktyczna pojemność leukotrienu B4, która jest uważana za taką samą u ludzi, myszy i królików, ale aktywność antagonistów tej biologicznie czynnej substancji różni się 1000 razy między gatunkami zwierząt. Aby uniknąć takich niedokładności w eksperymentach, konieczne jest stworzenie metod umożliwiających badanie farmakodynamiki in vivo. Na przykład możliwe jest badanie wpływu dowolnych substancji na aktywność enzymów lub mediatorów egzogennych u ludzi. Tę technikę zastosowali V Ganu i in. (1994) do oceny aktywności inhibitorów MMP poprzez określenie zdolności leków do hamowania uwalniania proteoglikanów z chrząstki stawowej po wstrzyknięciu ludzkiej stromelezyny do stawu kolanowego królika.

Chociaż wyniki uzyskane w eksperymentalnym modelu osteoartrozy mogą prowadzić do nieprawidłowej oceny potencjalnych DMOAD, zwierzęce modele osteoartrozy odgrywają ważną rolę w badaniach podstawowych. Ostateczna decyzja o skuteczności środków farmakologicznych w leczeniu chorób u ludzi może zostać podjęta dopiero po przeprowadzeniu badań klinicznych fazy III u ludzi.