Експериментално моделирање остеоартритиса код животиња

КРН Прицкер (1994) је дефинисао експериментални животињски модел било које болести као „хомогену групу животиња које показују наслеђени, природно стечени или експериментално индуковани биолошки процес, предмет научног истраживања, који је сличан у једном или више аспеката болести код човека“. Животињски модели остеоартритиса су корисни за проучавање еволуције структурних промена у зглобним ткивима, за утврђивање како различити фактори ризика покрећу или подстичу ове промене и за процену терапијских мера. Важно је запамтити да остеоартритис није болест само једног ткива, зглобне хрскавице, већ свих ткива захваћеног зглоба, укључујући субхондралну кост, синовијалну мембрану, менискусе, лигаменте, периартикуларне мишиће и аферентне живце са завршецима и споља и унутар зглобне капсуле. Студије фармаколошких агенаса на животињским моделима првенствено се фокусирају на њихове ефекте на зглобну хрскавицу. Немогуће је проценити главни симптом остеоартрозе код људи - бол у зглобовима - у експерименталним моделима. Истовремено, приликом моделирања остеоартрозе код животиња, не узима се у обзир низ важних фактора који доприносе развоју и прогресији остеоартрозе (на пример, вертикални положај људског тела, слабост периартикуларних мишића итд.).

Наравно, најилустративнији модел болести је онај који има највећу сличност са променама код људског остеоартритиса. Животињски модели остеоартритиса су од највећег интереса у смислу проучавања ефикасности лекова за остеоартритис који модификују ток болести (DMOAD). Иако бројни лекови у овој групи спречавају развој или успоравају прогресију експериментално индукованог или спонтаног остеоартритиса код животиња, сви они су били неефикасни приликом проучавања њихових ефеката код људи.

Животињски модели остеоартритиса

Механизам моделирања	Животињске врсте	Фактор/агенс који индукује	Извор
Спонтани остеоартритис	Заморчићи	Старост/прекомерна тежина	Бенделе АМ и др., 1989
	Мишеви STR/ORT, STR/INS	Генетска предиспозиција	Дас-Гупта ЕП и др., 1993 Данам Џ. и др., 1989 Данам Џ. и др., 1990
	Црни мишеви C57	Генетска предиспозиција	Окабе Т., 1989 СтабесциР. етал., 1993. Такахама А.. 1990. ван дер Краан ПМ етал., 1990.
	Мишеви	Мутација колагена II	ГарофалоС. и др., 1991
	Мишеви	Мутација колагена IX	НакатаК. и др., 1993
	Пси	Дисплазија кука	Смејл Г. и др., 1995
	Примати	Генетска предиспозиција	Александар Ц.Ј., 1994. Карлсон Ц.С. и др., 1994. Шатоверт Џ.М. и др., 1990.
Хемијски изазвана остеоартритис	Пилићи	Премија јодоацетата*	Калбен ДА, 1987
	Зечеви	Папаин премиум	Марцелон Г. ет ал., 1976 Цоулаис И. ет ал., 1983 Цоулаис И. ет ал., 1984
	Заморчићи	Папаин премиум	Танака Х. и др., 1992
	Пси	Химопапаин vs	Леиполд ХР и др., 1989
	Мишеви	Папаин премиум	Ван дер Кран ПМ и др., 1989
	Мишеви	Премијум колагеназе	Ван дер Кран ПМ и др., 1989
	Мишеви	TFR-R vs.	Ван ден Берг ВБ. 1995
	Зечеви	Хипертонични раствор NaCI	ВасилевВ. и др. 1992.
Физички (хируршки) изазвана остеоартритис	Пси	Трансекција предњег укрштеног лигамента (једнострана)	Маршал Џ. Л. и др., 1971. и Брандт К. Д., 1994.
	Пси	Трансекција предњег укрштеног лигамента (билатерална)	Маршал К. В. Чан, 1996.
	Зечеви	Пресекција предњег укрштеног лигамента	Цхристенсен СБ, 1983 ВигнонЕ. ет ал., 1991
	Овце	Менисектомија	Гош П. и др., 1993
	Зечеви	Менисектомија	FamA.G. et al., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Заморчићи	Менисектомија	Бенделе АМ, 1987
	Заморчићи	Миектомија	Арсевер К.Л., Боле Г.Г., 1986 Лејтон М.В. и др., 1987 Дедрик Д.К. и др., 1991
	Зечеви	Контузија пателе	Оегема ТРЈ, ет ал., 1993 Мазиерес Б. ет ал., 1990
	Зечеви	Имобилизација	Лангенскиолд А. и др., 1979. Видеман Т., 1982.
	Пси	Имобилизација	Хауел Д.С. и др., 1992. Ратклиф А. и др., 1994. Палмоски М., Брандт К.Д., 1981.
	Пси	Денервација праћена трансекцијом предњег укрштеног лигамента	ВиленскиЈА и др., 1994

* интраартикуларни - интраартикуларни.

Физички и хемијски индуковани модели остеоартрозе су тренутно веома популарни, али они одражавају процесе примећене код секундарне остеоартрозе код људи, а не код идиопатске остеоартрозе. Алтернатива њима су модели спонтане остеоартрозе код двоножних примата и четвороножних животиња.

Неки аутори су прилично скептични у погледу моделирања остеоартрозе код животиња уопште. Стога, према речима MJ Billingham-а (1998), коришћење модела за откривање лекова који модификују остеоартрозу је „...скупа коцка“.

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

Модели спонтаног остеоартритиса

Скоро сви инбред сојеви мишева развијају остеоартрозу различитог степена тежине и локализације. Највећа учесталост остеоартрозе и најтежи ток болести примећени су код мишева сојева STR/ORT и STR/INS. Међу мишевима STR/ORT, болест је чешћа и тежа је код мужјака него код женки. Примарно оштећење зглобне хрскавице развија се у медијалном делу тибијалне плоче. Претпостављало се да појави промена на хрскавици претходи померање пателе, међутим, Р. Г. Еванс и др. (1994), К. Колинс и др. (1994) су открили да се код свих мишева овог соја оштећење хрскавице развија до 11 месеци, али нису сви показали померање пателе. Исти аутори су открили да променама у зглобној хрскавици код мишева STR/ORT често претходи хондроцитно-остеобластична метаплазија ћелија тетива и лигамената око захваћених зглобова колена, што указује да су ове промене примарне у патогенези остеоартритиса у овом моделу. Могуће је да почетна калцификација лигамената и тетива мења механичко напрезање на интраартикуларне структуре и да накнадне промене у зглобној хрскавици одражавају покушај одржавања нормалног оптерећења зглоба. За разлику од модела заморчића и макакија, код којих дегенерацији хрскавице претходе промене у субхондралној кости, субхондрална склероза се појављује касније код мишева STR/ORT и STR/INS.

Предност овог модела остеоартрозе је мала величина животиња, што захтева минималну потрошњу тестираног фармаколошког средства. Међутим, величина је и мана, јер је биохемијска и патохистолошка анализа хрскавице код мишева отежана.

Студије А. М. Бендела, Ј. Е. Хулмана (1988), А. М. Бендела и др. (1989) и С. Ц. Р. Микока и др. (1990) посвећене проучавању природног тока спонтане остеоартрозе код заморчића подстакле су интересовање за овај модел болести. Почевши од 13 месеци старости, сви мужјаци заморчића расе Данкин Хартли развијају дегенерацију зглобне хрскавице. Сличне промене код женки се јављају нешто касније и блаже су. У узрасту од 1 године, потпуни губитак зглобне хрскавице се примећује у пределу медијалног кондила фемура и тибијалне плоче. Повећање телесне тежине заморчића расе Данкин Хартли погоршава ток болести, а смањење телесне тежине на 900 г или мање побољшава ток остеоартрозе. У узрасту од 8 недеља, промене у субхондралној кости су већ детектоване у овом моделу, односно ове друге претходе оштећењу хрскавице. Промене у укрштеним лигаментима колених зглобова могу убрзати ремоделирање костију.

Спонтана остеоартроза се развија код резус и циномолгус макака. Веома важна предност примата у односу на друге животиње које се користе за стварање експерименталног модела остеоартрозе је њихов двоножни ход. Болест се развија код особа средње/старије животне доби. Рани хистолошки налази укључују задебљање субхондралне кости након чега следи трошење зглобне хрскавице у пределу медијалне плоче тибије. Касније је у процес укључена и латерална плоча. Приметно је да дегенерација зглобне хрскавице почиње да се развија тек након што дебљина субхондралне кости достигне 400 μм. Преваленција и тежина остеоартрозе код макака повећавају се са годинама, али на ове индикаторе не утичу пол и телесна тежина. До данас, модели остеоартрозе код примата нису коришћени за проучавање ефикасности ДМОАД-а.

Модели физички (хируршки) изазваног остеоартритиса

Модели остеоартритиса засновани на хируршки изазваној лабавости колена која мења механичко оптерећење зглоба колена најчешће се користе код паса и зечева. Најшире коришћени модел је онај са трансекцијом укрштених лигамената код паса. Хируршки модели остеоартритиса код зечева укључују трансекцију укрштених лигамената са или без ексцизије медијалних и колатералних лигамената, тоталну или делимичну менисектомију и хируршко кидање менискуса. Описани су хируршки модели остеоартритиса код замораца који укључују трансекцију укрштених и колатералних лигамената и делимичну менисектомију. Делимична менисектомија код замораца резултира стварањем остеофита у року од 2 недеље и прекомерном дегенерацијом зглобне хрскавице у року од 6 недеља.

Донедавно је модел остеоартритиса код паса након трансекције предњег укрштеног лигамента посматран са скептицизмом због одсуства улцерације хрскавице и изражене прогресије болести примећене код људског остеоартритиса. ЈЛ Маршал и С. - Е. Олсон (1971) су открили да су промене у ткивима колених зглобова паса 2 године након операције биле практично идентичне онима забележеним непосредно након операције. Аутори сугеришу да механички фактори (нпр. фиброза зглобне капсуле и формирање остеофита) стабилизују постоперативно опуштени коленски зглоб и спречавају даље напредовање уништавања зглобне хрскавице. Такође је предложено да се овај модел сматра моделом оштећења и поправке хрскавице, а не моделом остеоартритиса. Међутим, резултати студија које су спровели К.Д. Брандт и др. (1991), који су проучавали динамику промена у ткивима колених зглобова дестабилизованих пресеком предњих укрштених лигамената током дужег периода, оповргли су претпоставке претходних аутора.

С.А. Макдевит и др. (1973, 1977) су открили да се већ током првих дана након трансекције укрштених лигамената повећава синтеза протеогликана од стране хондроцитa зглобне хрскавице. Током 64 недеље након хируршке индукције нестабилности коленског зглоба, дебљина зглобне хрскавице је била већа од нормалне, иако су биохемијске, метаболичке и хистолошке промене у њој одговарале онима код остеоартрозе. Ово задебљање хрскавице је повезано са повећаном синтезом протеогликана и њиховом високом концентрацијом у зглобној хрскавици. Користећи магнетну резонанцу (МРИ), М.Е. Адамс и К.Д. Брандт (1991) су показали да се након трансекције укрштених лигамената хипертрофија хрскавице одржава 36 месеци, затим долази до прогресивног губитка хрскавице, тако да је након 45 месеци већина зглобних површина без хрскавице. Морфолошки преглед хрскавице 54 месеца након операције потврдио је налазе МРИ. Тако су М. Е. Адамс и К. Д. Брандт (1991) показали да се хируршки изазвана нестабилност колених зглобова код паса може сматрати моделом остеоартритиса.

Феномен хипертрофичне репарације зглобне хрскавице добро је илустрован горе описаним моделом остеоартрозе код паса. Међутим, познато је да овај феномен није јединствен само за њега. Хипертрофију зглобне хрскавице, која је била репаративне природе, први пут је код пацијената са остеоартрозом описао Е.Г.Л. Бајвотерс (1937), а касније Л.Ц. Џонсон. Она се налази и у другим моделима остеоартрозе - код зечева након парцијалне менисектомије (Вињон Е. и др., 1983), код резус макакија, хипертрофија хрскавице се развија спонтано.

Савремени описи патогенезе углавном се фокусирају на прогресивни „губитак“ хрскавице, али аутори често превиђају њено задебљање и повећану синтезу протеогликана, што одговара хомеостатској фази стабилизоване остеоартрозе. Током ове фазе, репарација хрскавице надокнађује њен губитак и може дуго одржавати зглоб у функционалном стању. Али репаративно ткиво често не може да се носи са механичким оптерећењем које му се намеће на исти начин као здрава зглобна хрскавица, што доводи до немогућности хондроцита да одрже нормалан састав матрикса и смањења синтезе протеогликана. Развија се завршна фаза остеоартрозе.

Проучавање Шаркоове артропатије довело је до развоја методе за неурогено убрзање моделирања хируршки индуковане остеоартрозе. Шаркоова артропатија се карактерише тешким разарањем зглобова, зглобним „мишевима“, изливом у зглобу, нестабилношћу лигамената и формирањем новог коштаног и хрскавичног ткива унутар зглоба. Општи концепт патогенезе Шаркоове (неурогене) артропатије је прекид сензорних сигнала од проприоцептора и ноцицептора удова до централног нервног система (ЦНС). Да би се убрзала прогресија остеоартрозе изазване трансекцијом предњих укрштених лигамената код паса, ганглиоектомија или ексцизија нерва који инервира зглоб се врши пре операције, што доводи до појаве ерозије хрскавице већ у првој недељи након операције. Занимљиво је да је нови ДМОАД диацереин био ефикасан када се користио у споро прогресивном (неуролошки интактном) моделу остеоартритиса, али је био неефикасан у неурогено убрзаном експерименталном остеоартритису.

Закључно, треба напоменути да је немогуће у потпуности проценити идентитет експерименталног модела остеоартрозе и остеоартрозе код људи, јер етиологија и прецизни механизми патогенезе болести још увек нису разјашњени. Као што је раније речено, главна сврха коришћења експерименталних модела остеоартрозе код животиња јесте њихова употреба за процену ефикасности нових лекова, углавном групе „који модификују болест“. Вероватноћа колико ће се резултати лечења код животиње поклапати са резултатима коришћења експерименталног фармаколошког средства код људи такође је немогуће утврдити. Н. С. Доерти и др. (1998) су нагласили значајне разлике између врста животиња које се користе за моделирање остеоартрозе у смислу различитог развоја патологије, различитих медијатора, рецептора, ензима, што доводи до објективне екстраполације терапијске активности нових лекова који се користе код животиња на људе. Пример је висока ефикасност НСАИЛ у моделирању инфламаторног артритиса код глодара. Ово је довело до поновне евалуације ефикасности НСАИЛ код људи, код којих простагландини не играју фундаменталну улогу у патогенези болести коју играју код глодара, а клиничка ефикасност НСАИЛ је ограничена на лечење симптома, а не на модификацију болести.

Истовремено, потцењивање нових фармаколошких средстава приликом проучавања њихове ефикасности на животињским моделима може довести до губитка потенцијално ефикасних терапијских средстава код људи. На пример, соли злата, пенициламин, хлорокин и сулфасалазин, који имају одређени ефекат у лечењу реуматоидног артритиса, апсолутно су неефикасни код животиња које се користе за скрининг антиреуматских лекова.

Разлика у одговору између животињског модела остеоартрозе и пацијента са остеоартрозом на лечење ДМОАД-ом у великој мери зависи од колагеназе, ензима за који се верује да је активно укључен у патогенезу остеоартрозе. Инхибитори интерстицијалне колагеназе (колагеназа-1 или матриксна металопротеиназа (ММП)-1) се често налазе код глодара са моделом остеоартрозе, али хомолог људске колагеназе-1 није пронађен код глодара и можда не постоји. Стога, специфични инхибитори људске колагеназе-1 неће показати терапеутску ефикасност код глодара са експерименталном остеоартрозом. Већина ММП инхибитора креираних до данас су неселективни и стога инхибирају колагеназу-3 (ММП-13), која је укључена у патогенезу експерименталне остеоартрозе код глодара. Штавише, како су показале студије НРА Билија и др. (1994), ЈМП Фреијеа и др. (1994), људска колагеназа-3 се експресује у зглобној хрскавици пацијената са остеоартритисом и може играти улогу у патогенези болести.

Може се претпоставити да ови медијатори, рецептори или ензими играју сличну улогу у патогенези моделиране остеоартрозе код одређене животиње и код људи. Пример је хемотактички капацитет леукотриена Б4, који се сматра истим код људи, мишева и зечева, али се активност антагониста ове биолошки активне супстанце разликује 1000 пута између животињских врста. Да би се избегле такве нетачности у експериментима, неопходно је створити методе које омогућавају проучавање фармакодинамике in vivo. На пример, могуће је проучавати ефекат било које супстанце на активност егзогених ензима или медијатора код људи. Ову технику су користили В. Гану и др. (1994) за процену активности инхибитора ММП одређивањем способности лекова да инхибирају ослобађање протеогликана из зглобне хрскавице након ињекције људског стромелезина у коленски зглоб зеца.

Иако резултати добијени у експерименталном моделу остеоартрозе могу довести до погрешне процене потенцијалних ДМОАД-а, животињски модели остеоартрозе играју важну улогу у основним истраживањима. Коначна одлука о ефикасности фармаколошких средстава у лечењу људских болести може се донети тек након спровођења клиничких испитивања фазе III на људима.