Eksperimentell modellering av artrose hos dyr

KRN Pritzker (1994) definerte en eksperimentell dyremodell av enhver sykdom som «en homogen gruppe dyr som viser en arvelig, naturlig ervervet eller eksperimentelt indusert biologisk prosess, underlagt vitenskapelig undersøkelse, som på ett eller flere måter ligner sykdommen hos mennesker.» Dyremodeller av slitasjegikt er nyttige for å studere utviklingen av strukturelle endringer i leddvev, for å bestemme hvordan ulike risikofaktorer initierer eller fremmer disse endringene, og for å evaluere terapeutiske tiltak. Det er viktig å huske at slitasjegikt ikke er en sykdom i bare ett vev, leddbrusken, men i alt vev i det berørte leddet, inkludert subkondralbenet, synovialmembranen, meniskene, leddbåndene, periartikulære muskler og afferente nerver med ender både utenfor og inne i leddkapselen. Studier av farmakologiske midler i dyremodeller fokuserer primært på deres effekter på leddbrusk. Det er umulig å evaluere hovedsymptomet på slitasjegikt hos mennesker - leddsmerter - i eksperimentelle modeller. Samtidig, når man modellerer slitasjegikt hos dyr, tas det ikke hensyn til en rekke viktige faktorer som bidrar til utvikling og progresjon av slitasjegikt (for eksempel menneskekroppens vertikale stilling, svakhet i periartikulære muskler, etc.).

Den mest illustrative modellen av sykdommen er selvsagt den som har størst likhet med endringene i menneskelig artrose. Dyremodeller av artrose er av størst interesse når det gjelder å studere effektiviteten til sykdomsmodifiserende artrose-legemidler (DMOAD). Selv om en rekke legemidler i denne gruppen forhindrer utviklingen eller bremser progresjonen av eksperimentelt indusert eller spontan artrose hos dyr, var alle ineffektive når man studerte effektene deres hos mennesker.

Dyremodeller av slitasjegikt

Modelleringsmekanisme	Dyrearter	Induserende faktor/agens	Kilde
Spontan slitasjegikt	Marsvin	Alder/overvekt	Bendele AM et al., 1989
	Mus STR/ORT, STR/INS	Genetisk predisposisjon	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. et al., 1989 Dunham J. et al., 1990
	Svarte mus C57	Genetisk predisposisjon	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Mus	Kollagen II-mutasjon	Garofalo S. et al., 1991
	Mus	Kollagen IX-mutasjon	Nakata K. et al., 1993
	Hunder	Hoftedysplasi	SmaleG. et al., 1995
	Primater	Genetisk predisposisjon	Alexander CJ, 1994 Carlson CS et al., 1994 Chateauvert JM et al., 1990
Kjemisk indusert slitasjegikt	Kyllinger	Jodacetat premium*	Kalbhen DA, 1987
	Kaniner	Papain-premie	Marcelon G. et al., 1976 Coulais Y. et al., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Marsvin	Papain-premie	Tanaka H. et al., 1992
	Hunder	Chymopapain vs.	Leipold HR et al., 1989
	Mus	Papain-premie	Van der Kraan PM et al., 1989
	Mus	Kollagenase-premie	Van der Kraan PM et al., 1989
	Mus	TFR-R mot s	Van den Berg WB. 1995
	Kaniner	Hypertonisk NaCl-løsning	Vasilev V. et al.. 1992
Fysisk (kirurgisk) indusert slitasjegikt	Hunder	Transeksjon av fremre korsbånd (ensidig)	Marshall JL et al., 1971 Brandt KD, 1994
	Hunder	Fremre korsbåndstranseksjon (bilateral)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Kaniner	Transeksjon av fremre korsbånd	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Sau	Meniskektomi	Ghosh P. et al., 1993
	Kaniner	Meniskektomi	FamA.G. et al., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Marsvin	Meniskektomi	Bendele AM, 1987
	Marsvin	Myektomi	Arsever C.L, Bole G.G., 1986 Layton M.W. et al., 1987 Dedrick DK et al., 1991
	Kaniner	Patellakontusjon	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Kaniner	Immobilisering	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	Hunder	Immobilisering	Howell DS et al., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Hunder	Denervering etterfulgt av transeksjon av det fremre korsbåndet	VilenskyJA et al., 1994

* intraartikulær - intraartikulær.

Fysisk og kjemisk induserte modeller av slitasjegikt er for tiden svært populære, men de gjenspeiler prosesser observert ved sekundær slitasjegikt hos mennesker snarere enn idiopatisk slitasjegikt. Et alternativ til dem er modeller av spontan slitasjegikt hos tobeinte primater og firbente dyr.

Noen forfattere er ganske skeptiske til modellering av slitasjegikt hos dyr generelt. I følge MEJ Billingham (1998) er derfor bruk av modeller for å oppdage slitasjegiktmodifiserende legemidler «...et dyrt sjansespill».

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

Modeller av spontan artrose

Nesten alle innavlede musestammer utvikler slitasjegikt av varierende alvorlighetsgrad og lokalisering. Den høyeste forekomsten av slitasjegikt og det mest alvorlige sykdomsforløpet observeres hos mus av STR/ORT- og STR/INS-stammene. Blant STR/ORT-mus er sykdommen vanligere, og den er mer alvorlig hos hanner enn hos hunner. Primær skade på leddbrusken utvikler seg i den mediale delen av tibialplaten. Det ble antatt at endringer i brusken innledes av forskyvning av patella, men RG Evans et al. (1994), C. Collins et al. (1994) fant at hos alle mus av denne stammen utvikles bruskskade innen 11 måneder, men ikke alle viste forskyvning av patella. De samme forfatterne fant at endringer i leddbrusk hos STR/ORT-mus ofte innledes av kondrocytt-osteoblastmetaplasi av sene- og ligamentceller rundt de berørte kneleddene, noe som indikerer at disse endringene er primære i patogenesen til slitasjegikt i denne modellen. Det er mulig at den innledende forkalkningen av leddbånd og sener endrer den mekaniske belastningen på intraartikulære strukturer, og at påfølgende endringer i leddbrusk gjenspeiler et forsøk på å opprettholde normal leddbelastning. I motsetning til marsvin- og makakmodeller, der bruskdegenerasjon innledes av endringer i det subkondrale beinet, oppstår subkondral sklerose senere hos STR/ORT- og STR/INS-mus.

Fordelen med denne slitasjegiktmodellen er dyrenes lille størrelse, som krever minimalt forbruk av det testede farmakologiske midlet. Størrelsen er imidlertid også en ulempe, siden biokjemisk og patohistologisk analyse av brusk hos mus er vanskelig.

Studiene til AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) og SCR Meacock et al. (1990) som har viet seg til studiet av det naturlige forløpet av spontan artrose hos marsvin, har stimulert interessen for denne sykdomsmodellen. Fra 13 måneders alder utvikler alle hannmarsvin av typen Dunkin Hurtley degenerasjon av leddbrusken. Lignende endringer hos hunner oppstår noe senere og er mildere. Ved 1 års alder observeres fullstendig tap av leddbrusk i regionen rundt femurkondylen og tibialplaten. En økning i kroppsvekten hos Dunkin Hurtley-marsvin forverrer sykdomsforløpet, og en reduksjon i kroppsvekt til 900 g eller mindre forbedrer forløpet av artrose. Ved 8 ukers alder oppdages endringer i subkondralen i denne modellen allerede, dvs. at sistnevnte går forut for bruskskade. Endringer i korsbåndene i kneleddene kan akselerere beinremodellering.

Spontan slitasjegikt utvikler seg hos rhesus- og cynomolgusmakaker. En svært viktig fordel primater har fremfor andre dyr som brukes til å lage en eksperimentell modell av slitasjegikt, er deres tobenthet. Sykdommen utvikler seg hos middelaldrende/eldre individer. Tidlige histologiske funn inkluderer fortykkelse av det subkondrale beinet etterfulgt av frynsing av leddbrusken i regionen av den mediale platen av tibia. Senere er også den laterale platen involvert i prosessen. Det er verdt å merke seg at leddbruskdegenerasjon begynner å utvikle seg først etter at den subkondrale beintykkelsen når 400 μm. Forekomsten og alvorlighetsgraden av slitasjegikt hos makaker øker med alderen, men disse indikatorene påvirkes ikke av kjønn og kroppsvekt. Til dags dato har ikke primatmodeller av slitasjegikt blitt brukt til å studere effektiviteten til DMOAD-er.

Modeller av fysisk (kirurgisk) indusert slitasjegikt

Artrosemodeller basert på kirurgisk indusert knelaksitet som endrer mekanisk belastning på kneleddet, brukes oftest hos hunder og kaniner. Den mest brukte modellen er den med korsbåndstranseksjon hos hunder. Kirurgiske modeller av artrose hos kaniner involverer transeksjon av korsbåndene med eller uten fjerning av mediale og kollaterale ligamenter, total eller delvis meniskektomi og kirurgisk avrivning av meniskene. Kirurgiske modeller av artrose hos marsvin er beskrevet som involverer transeksjon av korsbåndene og kollaterale ligamenter og delvis meniskektomi. Delvis meniskektomi hos marsvin resulterer i osteofyttdannelse innen 2 uker og overdreven degenerasjon av leddbrusk innen 6 uker.

Inntil nylig ble hundemodellen for slitasjegikt etter transeksjon av fremre korsbånd sett på med skepsis på grunn av fraværet av brusksår og markert sykdomsprogresjon observert ved menneskelig slitasjegikt. JL Marshall og S. - E. Olsson (1971) fant at endringer i vevet i kneleddene hos hunder 2 år etter operasjonen var praktisk talt identiske med de som ble registrert umiddelbart etter operasjonen. Forfatterne antydet at mekaniske faktorer (f.eks. fibrose i leddkapselen og osteofyttdannelse) stabiliserer det postoperativt løse kneleddet og forhindrer ytterligere progresjon av ødeleggelse av leddbrusk. Det ble også foreslått at denne modellen bør betraktes som en modell for bruskskade og -reparasjon, snarere enn en modell for slitasjegikt. Resultatene av studier utført av KD Brandt et al. (1991), som studerte dynamikken i endringer i vevet i kneleddene destabilisert av skjæringspunktet mellom de fremre korsbåndene over en lengre periode, tilbakeviste imidlertid antagelsene til tidligere forfattere.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) fant at syntesen av proteoglykaner av kondrocytter i leddbrusk øker allerede i løpet av de første dagene etter korsbåndstranseksjon. I løpet av 64 uker etter kirurgisk induksjon av kneleddsinstabilitet var tykkelsen på leddbrusken høyere enn normalt, selv om biokjemiske, metabolske og histologiske endringer i den samsvarte med de ved slitasjegikt. Denne fortykkelsen av brusk var assosiert med økt syntese av proteoglykaner og deres høye konsentrasjon i leddbrusk. Ved hjelp av magnetisk resonansavbildning (MR) viste ME Adams og KD Brandt (1991) at etter transeksjon av korsbånd opprettholdes bruskhypertrofien i 36 måneder, deretter oppstår progressivt tap av brusk, slik at etter 45 måneder er de fleste leddflatene blottet for brusk. Morfologisk undersøkelse av brusken 54 måneder etter operasjonen bekreftet MR-funnene. ME Adams og KD Brandt (1991) viste dermed at kirurgisk indusert ustabilitet i kveleleddene hos hunder kan betraktes som en modell for artrose.

Fenomenet hypertrofisk reparasjon av leddbrusk illustreres godt av den ovenfor beskrevne modellen for slitasjegikt hos hunder. Det er imidlertid kjent at dette fenomenet ikke er unikt for hunden. Hypertrofi av leddbrusk, som var av reparativ natur, ble først beskrevet hos pasienter med slitasjegikt av EGL Bywaters (1937), og senere av LC Johnson. Det finnes også i andre modeller av slitasjegikt – hos kaniner etter delvis meniskektomi (Vignon E. et al., 1983), hos rhesusaper utvikles bruskhypertrofi spontant.

Moderne beskrivelser av patogenese fokuserer hovedsakelig på det progressive "tapet" av brusk, men forfattere overser ofte fortykkelsen og økt syntese av proteoglykaner, som tilsvarer den homeostatiske fasen av stabilisert artrose. I løpet av denne fasen kompenserer bruskreparasjonen for tapet og kan opprettholde leddet i en funksjonell tilstand over lengre tid. Men reparerende vev kan ofte ikke takle den mekaniske belastningen som påføres det på samme måte som sunn leddbrusk, noe som fører til at kondrocytter ikke klarer å opprettholde den normale sammensetningen av matriksen og en reduksjon i proteoglykansyntesen. Den siste fasen av artrose utvikler seg.

Studien av Charcot-artropati har ført til utviklingen av en metode for nevrogen akselerasjon av kirurgisk indusert artrosemodellering. Charcot-artropati er karakterisert ved alvorlig leddødeleggelse, ledd"mus", leddeffusjon, ligamentustabilitet og dannelse av nytt bein og bruskvev i leddet. Det generelle konseptet med patogenesen til Charcot (nevrogen) artropati er avbrudd av sensoriske signaler fra lemmets proprioseptorer og nociseptorer til sentralnervesystemet (CNS). For å akselerere utviklingen av artrose indusert ved transeksjon av fremre korsbånd hos hunder, utføres ganglionektomi eller eksisjon av nerven som innerverer leddet før kirurgi, noe som fører til forekomst av bruskerosjoner allerede den første uken etter operasjonen. Interessant nok var det nye DMOAD-diacereinet effektivt når det ble brukt i en sakte progressiv (nevrologisk intakt) modell av artrose, men var ineffektivt i nevrogen akselerert eksperimentell artrose.

Avslutningsvis bør det bemerkes at det er umulig å fullt ut vurdere identiteten til den eksperimentelle modellen for slitasjegikt og slitasjegikt hos mennesker, siden etiologien og de nøyaktige mekanismene for patogenesen av sykdommen ennå ikke er avklart. Som nevnt tidligere, er hovedformålet med å bruke eksperimentelle modeller for slitasjegikt hos dyr å bruke dem til å vurdere effektiviteten til nye legemidler, hovedsakelig av den "sykdomsmodifiserende" gruppen. Sannsynligheten for hvor mye resultatene av behandling hos et dyr vil samsvare med resultatene av bruk av et eksperimentelt farmakologisk middel hos mennesker er også umulig å bestemme. NS Doherty et al. (1998) understreket de betydelige forskjellene mellom dyreartene som brukes til å modellere slitasjegikt når det gjelder ulik utvikling av patologi, ulike mediatorer, reseptorer, enzymer, noe som fører til en objektiv ekstrapolering av den terapeutiske aktiviteten til nye legemidler som brukes hos dyr til mennesker. Et eksempel er den høye effektiviteten til NSAIDs i modellering av inflammatorisk artritt hos gnagere. Dette har ført til en revurdering av effekten av NSAIDs hos mennesker, der prostaglandiner ikke spiller den grunnleggende rollen i sykdomspatogenesen som de gjør hos gnagere, og den kliniske effekten av NSAIDs er begrenset til symptombehandling snarere enn sykdomsmodifikasjon.

Samtidig kan undervurdering av nye farmakologiske midler når man studerer deres effektivitet i dyremodeller føre til tap av potensielt effektive terapeutiske midler hos mennesker. For eksempel er gullsalter, penicillamin, klorokin og sulfasalazin, som har en viss effekt i behandlingen av revmatoid artritt, absolutt ineffektive hos dyr som brukes til screening av antirevmatiske legemidler.

Forskjellen i respons mellom en dyremodell av artrose og en pasient med artrose på DMOAD-behandling avhenger i stor grad av kollagenase, et enzym som antas å være aktivt involvert i patogenesen av artrose. Hemmere av interstitiell kollagenase (kollagenase-1 eller matriksmetalloproteinase (MMP)-1) finnes ofte hos gnagere med modell OA, men en homolog av human kollagenase-1 er ikke funnet hos gnagere og eksisterer kanskje ikke. Dermed vil spesifikke hemmere av human kollagenase-1 ikke vise terapeutisk effekt hos gnagere med eksperimentell artrose. De fleste MMP-hemmere som er laget til dags dato er ikke-selektive og hemmer derfor kollagenase-3 (MMP-13), som er involvert i patogenesen av eksperimentell artrose hos gnagere. Dessuten, som studier av NRA Beeley et al. (1994) og JMP Freije et al. (1994) har vist, uttrykkes human kollagenase-3 i leddbrusken hos pasienter med artrose og kan spille en rolle i patogenesen av sykdommen.

Det kan antas at disse mediatorene, reseptorene eller enzymene spiller en lignende rolle i patogenesen av modellert slitasjegikt hos et bestemt dyr og hos mennesker. Et eksempel er den kjemotaktiske kapasiteten til leukotrien B4, som anses som den samme hos mennesker, mus og kaniner, men aktiviteten til antagonister av dette biologisk aktive stoffet varierer 1000 ganger mellom dyrearter. For å unngå slike unøyaktigheter i eksperimenter er det nødvendig å lage metoder som tillater studier av farmakodynamikk in vivo. For eksempel er det mulig å studere effekten av ethvert stoff på aktiviteten til eksogene enzymer eller mediatorer hos mennesker. Denne teknikken ble brukt av V Ganu et al. (1994) for å vurdere aktiviteten til MMP-hemmere ved å bestemme legemidlers evne til å hemme frigjøringen av proteoglykaner fra leddbrusk etter injeksjon av humant stromelesin i kneleddet til en kanin.

Selv om resultatene fra den eksperimentelle modellen for slitasjegikt kan føre til en feilaktig vurdering av potensielle DMOAD-er, spiller dyremodeller av slitasjegikt en viktig rolle i grunnforskning. En endelig avgjørelse om effektiviteten av farmakologiske midler i behandlingen av menneskelige sykdommer kan først tas etter å ha gjennomført kliniske fase III-studier på mennesker.