Експериментално моделиране на остеоартрит при животни

К.Р.Н. Прицкер (1994) определя експериментален животински модел на всяко заболяване като „хомогенна група животни, които проявяват наследствен, естествено придобит или експериментално индуциран биологичен процес, обект на научно изследване, който е подобен в едно или повече отношения на заболяването при човека“. Животинските модели на остеоартрит са полезни за изучаване на еволюцията на структурните промени в ставните тъкани, за определяне как различните рискови фактори инициират или насърчават тези промени и за оценка на терапевтичните мерки. Важно е да се помни, че остеоартритът не е заболяване само на една тъкан - ставния хрущял, а на всички тъкани на засегнатата става, включително субхондралната кост, синовиалната мембрана, менискусите, връзките, периартикуларните мускули и аферентните нерви с окончания както извън, така и вътре в ставната капсула. Изследванията на фармакологични агенти при животински модели се фокусират предимно върху тяхното въздействие върху ставния хрущял. Невъзможно е да се оцени основният симптом на остеоартроза при хората - болката в ставите - в експериментални модели. В същото време, при моделиране на остеоартроза при животни, не се вземат предвид редица важни фактори, допринасящи за развитието и прогресията на остеоартрозата (например вертикалното положение на човешкото тяло, слабостта на периартикуларните мускули и др.).

Разбира се, най-илюстративният модел на заболяването е този, който има най-голямо сходство с промените в човешкия остеоартрит. Животинските модели на остеоартрит представляват най-голям интерес от гледна точка на изучаване на ефективността на лекарствата за остеоартрит, модифициращи заболяването (DMOAD). Въпреки че редица лекарства от тази група предотвратяват развитието или забавят прогресията на експериментално индуциран или спонтанен остеоартрит при животни, всички те се оказаха неефективни при изучаване на ефектите им при хора.

Животински модели на остеоартрит

Механизъм за моделиране	Животински видове	Индуциращ фактор/агент	Източник
Спонтанна остеоартрит	Морски свинчета	Възраст/наднормено тегло	Бенделе АМ и др., 1989 г.
	Мишки STR/ORT, STR/INS	Генетична предразположеност	Дас-Гупта ЕП и др., 1993 г. Дънам Дж. и др., 1989 Дънам Дж. и др., 1990
	Черни мишки C57	Генетична предразположеност	OkabeT., 1989 StabescyR. и др., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM и др., 1990 г.
	Мишки	Мутация на колаген II	ГарофалоС. и др., 1991 г.
	Мишки	Мутация на колаген IX	НакатаК. и др., 1993 г.
	Кучета	Дисплазия на тазобедрената става	Смейл Г. и др., 1995 г.
	Примати	Генетична предразположеност	Александър К. Дж., 1994, Карлсън К. С. и др., 1994, Шатоверт Дж. М. и др., 1990
Химически индуцирана остеоартрит	Пилета	Премия за йодоацетат*	Калбхен ДА, 1987
	Зайци	Папаин премиум	Marcelon G. и др., 1976 Coulais Y. и др., 1983 Coulais Y. и др., 1984
	Морски свинчета	Папаин премиум	Танака Х. и др., 1992 г.
	Кучета	Химопапаин срещу	Лейполд ХР и др., 1989 г.
	Мишки	Папаин премиум	Ван дер Краан ПМ и др., 1989 г.
	Мишки	Премиум колагеназа	Ван дер Краан ПМ и др., 1989 г.
	Мишки	TFR-R срещу	Ван ден Берг, У.Б., 1995 г.
	Зайци	Хипертоничен разтвор на NaCl	ВасилевВ. и др. 1992 г.
Физически (хирургично) индуцирана остеоартрит	Кучета	Трансекция на предна кръстна връзка (едностранна)	Маршал Дж. Л. и др., 1971 г. Брандт К. Д., 1994 г.
	Кучета	Трансекция на предна кръстна връзка (двустранна)	Маршал К. В. Чан, 1996 г.
	Зайци	Прерязване на предната кръстна връзка	Christensen SB, 1983 VignonE. и др., 1991
	Овце	Менисектомия	Гош П. и др., 1993 г.
	Зайци	Менисектомия	FamA.G. и др., 1995 Московиц Р.В., Голдбърг В.М., 1987
	Морски свинчета	Менисектомия	Бенделе АМ, 1987
	Морски свинчета	Миектомия	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. и др., 1987 Dedrick DK и др., 1991
	Зайци	Контузия на пателата	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Зайци	Обездвижване	Лангенскиолд А. и др., 1979 Видеман Т., 1982
	Кучета	Обездвижване	Хауел Д.С. и др., 1992 г. Ратклиф А. и др., 1994 г. Палмоски М., Бранд К.Д., 1981 г.
	Кучета	Денервация, последвана от трансекция на предната кръстна връзка	Виленски JA и др., 1994

* вътреставно - вътреставно.

Физически и химически индуцираните модели на остеоартроза са много популярни в момента, но те отразяват процесите, наблюдавани при вторична остеоартроза при хора, а не при идиопатична остеоартроза. Алтернатива на тях са моделите на спонтанна остеоартроза при двуноги примати и четириноги.

Някои автори са доста скептични относно моделирането на остеоартроза при животни като цяло. Така, според MEJ Billingham (1998), използването на модели за откриване на лекарства, модифициращи остеоартрозата, е „...скъп хазарт“.

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

Модели на спонтанна остеоартрит

Почти всички инбредни миши линии развиват остеоартроза с различна тежест и локализация. Най-висока честота на остеоартроза и най-тежко протичане на заболяването се наблюдават при мишки от щамовете STR/ORT и STR/INS. Сред мишки STR/ORT заболяването е по-често срещано и е по-тежко при мъжките, отколкото при женските. Първичното увреждане на ставния хрущял се развива в медиалната част на тибиалната пластина. Предполагаше се, че появата на промени в хрущяла се предшества от изместване на пателата, но RG Evans et al. (1994), C. Collins et al. (1994) установяват, че при всички мишки от този щам увреждането на хрущяла се развива до 11 месеца, но не всички от тях показват изместване на пателата. Същите автори установяват, че промените в ставния хрущял при мишки STR/ORT често се предшестват от хондроцитно-остеобластна метаплазия на сухожилни и лигаментни клетки около засегнатите коленни стави, което показва, че тези промени са първични в патогенезата на остеоартрита в този модел. Възможно е първоначалната калцификация на връзките и сухожилията да промени механичното напрежение върху вътреставните структури и последващите промени в ставния хрущял да отразяват опит за поддържане на нормално натоварване на ставите. За разлика от моделите с морски свинчета и макаци, при които дегенерацията на хрущяла се предшества от промени в субхондралната кост, субхондралната склероза се появява по-късно при мишки STR/ORT и STR/INS.

Предимството на този модел на остеоартроза е малкият размер на животните, което изисква минимална консумация на тествания фармакологичен агент. Размерът обаче е и недостатък, тъй като биохимичният и патохистологичният анализ на хрущяла при мишки е труден.

Проучванията на AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) и SCR Meacock et al. (1990), посветени на изучаването на естествения ход на спонтанната остеоартроза при морски свинчета, стимулираха интереса към този модел на заболяването. Започвайки от 13-месечна възраст, всички мъжки морски свинчета от породата Dunkin Hurtley развиват дегенерация на ставния хрущял. Подобни промени при женските се появяват малко по-късно и са по-леки. На възраст от 1 година се наблюдава пълна загуба на ставния хрущял в областта на медиалния кондил на бедрената кост и тибиалната пластина. Увеличаването на телесното тегло при морските свинчета от породата Dunkin Hurtley влошава протичането на заболяването, а намаляването на телесното тегло до 900 g или по-малко подобрява протичането на остеоартрозата. На възраст от 8 седмици при този модел вече се откриват промени в субхондралната кост, т.е. последните предшестват увреждането на хрущяла. Промените в кръстните връзки на коленните стави могат да ускорят костното ремоделиране.

Спонтанна остеоартроза се развива при резус и циномолгус макаци. Много важно предимство на приматите пред други животни, използвани за създаване на експериментален модел на остеоартроза, е техният двуногост. Заболяването се развива при индивиди на средна/по-възрастна възраст. Ранните хистологични находки включват удебеляване на субхондралната кост, последвано от разнищване на ставния хрущял в областта на медиалната пластина на пищяла. По-късно в процеса се включва и латералната пластина. Важно е да се отбележи, че дегенерацията на ставния хрущял започва да се развива едва след като дебелината на субхондралната кост достигне 400 μm. Разпространението и тежестта на остеоартрозата при макаците се увеличават с възрастта, но тези показатели не се влияят от пола и телесното тегло. Досега модели на остеоартроза при примати не са използвани за изследване на ефективността на DMOADs.

Модели на физически (хирургично) индуцирана остеоартрит

Модели на остеоартрит, базирани на хирургично индуцирана отпуснатост на коляното, която променя механичното натоварване върху колянната става, се използват най-често при кучета и зайци. Най-широко използваният модел е този с трансекция на кръстните връзки при кучета. Хирургичните модели на остеоартрит при зайци включват трансекция на кръстните връзки със или без ексцизия на медиалните и колатералните връзки, пълна или частична менисектомия и хирургично разкъсване на менискусите. Описани са хирургични модели на остеоартрит при морски свинчета, които включват трансекция на кръстните и колатералните връзки и частична менисектомия. Частичната менисектомия при морски свинчета води до образуване на остеофити в рамките на 2 седмици и прекомерна дегенерация на ставния хрущял в рамките на 6 седмици.

Доскоро кучешкият модел на остеоартрит след трансекция на предната кръстна връзка беше гледан със скептицизъм поради липсата на хрущялна улцерация и изразена прогресия на заболяването, наблюдавана при човешка остеоартрит. JL Marshall и S. - E. Olsson (1971) установяват, че промените в тъканите на колянните стави на кучетата 2 години след операцията са практически идентични с тези, регистрирани непосредствено след операцията. Авторите предполагат, че механичните фактори (напр. фиброза на ставната капсула и образуване на остеофити) стабилизират постоперативно разхлабената колянна става и предотвратяват по-нататъшното развитие на разрушаването на ставния хрущял. Беше предложено също така този модел да се разглежда като модел на увреждане и възстановяване на хрущяла, а не като модел на остеоартрит. Резултатите от проучвания, проведени от KD Brandt et al. (1991), които са изследвали динамиката на промените в тъканите на колянните стави, дестабилизирани от пресичането на предните кръстни връзки за по-дълъг период, обаче опровергават предположенията на предишни автори.

С. А. Макдевит и др. (1973, 1977) установяват, че още през първите дни след трансекция на кръстните връзки синтезът на протеогликани от хондроцитите на ставния хрущял се увеличава. В продължение на 64 седмици след хирургично предизвикване на нестабилност на колянната става дебелината на ставния хрущял е по-висока от нормалната, въпреки че биохимичните, метаболитните и хистологичните промени в него съответстват на тези при остеоартроза. Това удебеляване на хрущяла е свързано с повишен синтез на протеогликани и високата им концентрация в ставния хрущял. Използвайки магнитно-резонансна томография (ЯМР), М. Е. Адамс и К. Д. Бранд (1991) показват, че след трансекция на кръстните връзки хипертрофията на хрущяла се запазва в продължение на 36 месеца, след което настъпва прогресивна загуба на хрущял, така че след 45 месеца повечето ставни повърхности са лишени от хрущял. Морфологичното изследване на хрущяла 54 месеца след операцията потвърждава ЯМР резултатите. Така, М. Е. Адамс и К. Д. Бранд (1991) демонстрираха, че хирургично индуцираната нестабилност на коленните стави при кучета може да се счита за модел на остеоартрит.

Феноменът хипертрофична репарация на ставния хрущял е добре илюстриран от описания по-горе модел на остеоартроза при кучета. Известно е обаче, че това явление не е уникално само за него. Хипертрофията на ставния хрущял, която е била с репаративен характер, е описана за първи път при пациенти с остеоартроза от EGL Bywaters (1937), а по-късно и от LC Johnson. Тя се среща и при други модели на остеоартроза - при зайци след частична менисектомия (Vignon E. et al., 1983), при резус макаците, хрущялната хипертрофия се развива спонтанно.

Съвременните описания на патогенезата се фокусират главно върху прогресивната „загуба“ на хрущял, но авторите често пренебрегват неговото удебеляване и повишения синтез на протеогликани, което съответства на хомеостатичната фаза на стабилизирана остеоартроза. По време на тази фаза репарацията на хрущяла компенсира загубата му и може да поддържа ставата във функционално състояние за дълго време. Но репаративната тъкан често не може да се справи с механичното натоварване, наложено върху нея, по същия начин, както здравия ставен хрущял, което води до неспособност на хондроцитите да поддържат нормалния състав на матрицата и намаляване на синтеза на протеогликани. Развива се крайният стадий на остеоартроза.

Изследването на артропатията на Шарко доведе до разработването на метод за неврогенно ускорение на моделирането на хирургично индуцирана остеоартроза. Артропатията на Шарко се характеризира с тежко разрушаване на ставите, ставни "мишки", ставен излив, нестабилност на връзките и образуване на нова костна и хрущялна тъкан в ставата. Общата концепция за патогенезата на артропатията на Шарко (неврогенна) е прекъсването на сензорните сигнали от проприорецепторите и ноцицепторите на крайниците към централната нервна система (ЦНС). За да се ускори прогресията на остеоартрозата, индуцирана от трансекция на предните кръстни връзки при кучета, преди операцията се извършва ганглиоектомия или ексцизия на нерва, инервиращ ставата, което води до появата на хрущялни ерозии още през първата седмица след операцията. Интересното е, че новият DMOAD диацереин е ефективен, когато се използва в бавно прогресиращ (неврологично интактен) модел на остеоартрит, но е неефективен при неврогенно ускорена експериментална остеоартрит.

В заключение, следва да се отбележи, че е невъзможно да се оцени напълно идентичността на експерименталния модел на остеоартроза и остеоартрозата при хора, тъй като етиологията и точните механизми на патогенезата на заболяването все още не са изяснени. Както беше посочено по-рано, основната цел на използването на експериментални модели на остеоартроза при животни е да се оцени ефективността на нови лекарства, главно от групата „модифициращи заболяването“. Вероятността доколко резултатите от лечението при животно ще съвпадат с резултатите от използването на експериментален фармакологичен агент при хора също е невъзможно да се определи. Н. С. Дохърти и др. (1998) подчертават значителните разлики между видовете животни, използвани за моделиране на остеоартроза, по отношение на различното развитие на патологията, различните медиатори, рецептори, ензими, което води до обективна екстраполация на терапевтичната активност на новите лекарства, използвани при животни, към хората. Пример за това е високата ефективност на НСПВС при моделиране на възпалителен артрит при гризачи. Това доведе до преоценка на ефикасността на НСПВС при хора, при които простагландините не играят фундаменталната роля в патогенезата на заболяването, каквато играят при гризачите, а клиничната ефикасност на НСПВС е ограничена до лечение на симптомите, а не до модифициране на заболяването.

В същото време, подценяването на новите фармакологични средства при изучаване на тяхната ефективност върху животински модели може да доведе до загуба на потенциално ефективни терапевтични средства при хора. Например, златните соли, пенициламинът, хлорохинът и сулфасалазинът, които имат известен ефект при лечението на ревматоиден артрит, са абсолютно неефективни при животни, използвани за скрининг на антиревматични лекарства.

Разликата в отговора между животински модел на остеоартроза и пациент с остеоартроза към лечение с DMOAD до голяма степен зависи от колагеназата, ензим, за който се смята, че участва активно в патогенезата на остеоартрозата. Инхибиторите на интерстициалната колагеназа (колагеназа-1 или матриксна металопротеиназа (MMP)-1) често се откриват при гризачи с моделна остеоартроза, но хомолог на човешката колагеназа-1 не е открит при гризачи и може да не съществува. По този начин, специфични инхибитори на човешката колагеназа-1 няма да покажат терапевтична ефикасност при гризачи с експериментална остеоартроза. Повечето MMP инхибитори, създадени до момента, са неселективни и следователно инхибират колагеназа-3 (MMP-13), която участва в патогенезата на експерименталната остеоартроза при гризачи. Освен това, както показват проучвания на NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994), човешката колагеназа-3 се експресира в ставния хрущял на пациенти с остеоартрит и може да играе роля в патогенезата на заболяването.

Може да се предположи, че тези медиатори, рецептори или ензими играят подобна роля в патогенезата на моделирана остеоартроза при конкретно животно и при хора. Пример за това е хемотаксичният капацитет на левкотриен B4, който се счита за един и същ при хора, мишки и зайци, но активността на антагонистите на това биологично активно вещество се различава 1000 пъти между животинските видове. За да се избегнат подобни неточности в експериментите, е необходимо да се създадат методи, които позволяват изучаване на фармакодинамиката in vivo. Например, възможно е да се изследва ефектът на всякакви вещества върху активността на екзогенни ензими или медиатори при хора. Тази техника е използвана от V Ganu et al. (1994) за оценка на активността на MMP инхибиторите чрез определяне на способността на лекарствата да инхибират освобождаването на протеогликани от ставния хрущял след инжектиране на човешки стромелезин в колянната става на заек.

Въпреки че резултатите, получени в експерименталния модел на остеоартроза, могат да доведат до неправилна оценка на потенциалните DMOAD, животинските модели на остеоартроза играят важна роля във фундаменталните изследвания. Окончателно решение относно ефективността на фармакологичните средства при лечението на човешки заболявания може да бъде взето едва след провеждане на клинични изпитвания фаза III върху хора.