Experimentálne modelovanie osteoartrózy u zvierat

KRN Pritzker (1994) definoval experimentálny zvierací model akéhokoľvek ochorenia ako „homogénnu skupinu zvierat, ktoré vykazujú dedičný, prirodzene získaný alebo experimentálne indukovaný biologický proces, ktorý je predmetom vedeckého skúmania a ktorý je v jednom alebo viacerých ohľadoch podobný ochoreniu u človeka.“ Zvieracie modely osteoartrózy sú užitočné na štúdium vývoja štrukturálnych zmien v kĺbových tkanivách, na určenie, ako rôzne rizikové faktory tieto zmeny iniciujú alebo podporujú, a na vyhodnotenie terapeutických opatrení. Je dôležité si uvedomiť, že osteoartróza nie je ochorením len jedného tkaniva, kĺbovej chrupavky, ale všetkých tkanív postihnutého kĺbu vrátane subchondrálnej kosti, synoviálnej membrány, meniskov, väzov, periartikulárnych svalov a aferentných nervov s koncami mimo aj vo vnútri kĺbového puzdra. Štúdie farmakologických látok na zvieracích modeloch sa zameriavajú predovšetkým na ich účinky na kĺbovú chrupavku. Nie je možné vyhodnotiť hlavný príznak osteoartrózy u ľudí – bolesť kĺbov – v experimentálnych modeloch. Zároveň sa pri modelovaní osteoartrózy u zvierat nezohľadňuje množstvo dôležitých faktorov prispievajúcich k rozvoju a progresii osteoartrózy (napríklad vertikálna poloha ľudského tela, slabosť periartikulárnych svalov atď.).

Samozrejme, najilustratívnejším modelom ochorenia je ten, ktorý má najväčšiu podobnosť so zmenami pri ľudskej osteoartritíde. Zvieracie modely osteoartritídy sú najzaujímavejšie z hľadiska štúdia účinnosti liekov modifikujúcich ochorenie osteoartritídy (DMOAD). Hoci množstvo liekov v tejto skupine zabraňuje rozvoju alebo spomaľuje progresiu experimentálne indukovanej alebo spontánnej osteoartritídy u zvierat, všetky boli neúčinné pri štúdiu ich účinkov u ľudí.

Zvieracie modely osteoartrózy

Modelovací mechanizmus	Druhy zvierat	Indukujúci faktor/činidlo	Zdroj
Spontánna osteoartróza	Morčatá	Vek/nadváha	Bendele AM a kol., 1989
	Myši STR/ORT, STR/INS	Genetická predispozícia	Das-Gupta EP a kol., 1993 Dunham J. a ďalší, 1989 Dunham J. a ďalší, 1990
	Čierne myši C57	Genetická predispozícia	OkabeT., 1989 StabescyR. a kol., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM a kol., 1990
	Myši	Mutácia kolagénu II	GarofaloS. a kol., 1991
	Myši	Mutácia kolagénu IX	NakataK. a kol., 1993
	Psy	Dysplázia bedrového kĺbu	SmaleG. a kol., 1995
	Primáty	Genetická predispozícia	Alexander CJ, 1994 Carlson CS a kol., 1994 Chateauvert JM a kol., 1990
Chemicky indukovaná osteoartritída	Kurčatá	Prémia za jódoacetát*	Kalbhen DA, 1987
	Králiky	Papaín prémiový	Marcelon G. a kol., 1976 Coulais Y. a kol., 1983 Coulais Y. a kol., 1984
	Morčatá	Papaín prémiový	Tanaka H. a kol., 1992
	Psy	Chymopapaín vs.	Leipold HR a kol., 1989
	Myši	Papaín prémiový	Van der Kraan PM a kol., 1989
	Myši	Prémiová kolagenáza	Van der Kraan PM a kol., 1989
	Myši	TFR-R vs.	Van den Berg, WB, 1995
	Králiky	Hypertonický roztok NaCl	Vasilev V. a kol. 1992
Fyzikálne (chirurgicky) vyvolaná osteoartritída	Psy	Transekcia predného skríženého väzu (jednostranná)	Marshall JL a kol., 1971 Brandt KD, 1994
	Psy	Transekcia predného skríženého väzu (obojstranná)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Králiky	Transekcia predného skríženého väzu	Christensen SB, 1983 VignonE. a kol., 1991
	Ovce	Meniscektomia	Ghosh P. a kol., 1993
	Králiky	Meniscektomia	FamA.G. a ďalší, 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Morčatá	Meniscektomia	Bendele AM, 1987
	Morčatá	Myektómia	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. a ďalší, 1987 Dedrick DK a ďalší, 1991
	Králiky	Pomliaždenie pately	Oegema TRJ a kol., 1993 Mazieres B. a kol., 1990
	Králiky	Imobilizácia	Langenskiold A. a kol., 1979 Videman T., 1982
	Psy	Imobilizácia	Howell DS a kol., 1992 Ratcliffe A. a kol., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Psy	Denervácia s následnou transekciou predného skríženého väzu	Vilenský JA a kol., 1994

* intraartikulárny - vnútrokĺbový.

Fyzikálne a chemicky indukované modely osteoartrózy sú v súčasnosti veľmi populárne, ale odrážajú skôr procesy pozorované pri sekundárnej osteoartróze u ľudí než pri idiopatickej osteoartróze. Alternatívou k nim sú modely spontánnej osteoartrózy u dvojnožcov a štvornožcov.

Niektorí autori sú vo všeobecnosti dosť skeptickí k modelovaniu osteoartrózy u zvierat. Podľa MEJ Billinghama (1998) je teda použitie modelov na objavovanie liekov modifikujúcich osteoartrózu „...drahým riskantným krokom“.

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

Modely spontánnej osteoartrózy

Takmer všetky inbredné myšie kmene vyvíjajú osteoartrózu rôznej závažnosti a lokalizácie. Najvyšší výskyt osteoartrózy a najzávažnejší priebeh ochorenia sa pozorujú u myší kmeňov STR/ORT a STR/INS. U myší STR/ORT je ochorenie častejšie a u samcov je závažnejšie ako u samíc. Primárne poškodenie kĺbovej chrupavky sa vyvíja v mediálnej časti tibiálnej platničky. Predpokladalo sa, že vzniku zmien v chrupavke predchádza posunutie pately, avšak RG Evans a kol. (1994), C. Collins a kol. (1994) zistili, že u všetkých myší tohto kmeňa sa poškodenie chrupavky vyvíja do 11 mesiacov, ale nie všetky vykazovali posunutie pately. Tí istí autori zistili, že zmenám v kĺbovej chrupavke u myší STR/ORT často predchádza chondrocytovo-osteoblastická metaplázia buniek šľachy a väzov okolo postihnutých kolenných kĺbov, čo naznačuje, že tieto zmeny sú primárne v patogenéze osteoartrózy v tomto modeli. Je možné, že počiatočná kalcifikácia väzov a šliach mení mechanické namáhanie intraartikulárnych štruktúr a že následné zmeny v kĺbovej chrupavke odrážajú snahu o udržanie normálneho zaťaženia kĺbu. Na rozdiel od modelov morčiat a makakov, v ktorých degenerácii chrupavky predchádzajú zmeny v subchondrálnej kosti, sa subchondrálna skleróza u myší STR/ORT a STR/INS objavuje neskôr.

Výhodou tohto modelu osteoartrózy je malá veľkosť zvierat, čo vyžaduje minimálnu spotrebu testovaného farmakologického činidla. Veľkosť je však aj nevýhodou, pretože biochemická a patohistologická analýza chrupavky u myší je náročná.

Štúdie A. M. Bendeleho, J. E. Hulmana (1988), A. M. Bendela a kol. (1989) a S. C. R. Meacocka a kol. (1990) venované štúdiu prirodzeného priebehu spontánnej osteoartrózy u morčiat podnietili záujem o tento model ochorenia. Od veku 13 mesiacov sa u všetkých samcov morčiat Dunkin Hurtley vyvíja degenerácia kĺbovej chrupavky. Podobné zmeny u samíc sa objavujú o niečo neskôr a sú miernejšie. Vo veku 1 roka sa pozoruje úplná strata kĺbovej chrupavky v oblasti mediálneho kondylu stehennej kosti a tibiálnej platničky. Zvýšenie telesnej hmotnosti morčiat Dunkin Hurtley zhoršuje priebeh ochorenia a zníženie telesnej hmotnosti na 900 g alebo menej priebeh osteoartrózy zlepšuje. Vo veku 8 týždňov sa v tomto modeli už zisťujú zmeny v subchondrálnej kosti, t. j. tieto predchádzajú poškodeniu chrupavky. Zmeny v skrížených väzoch kolenných kĺbov môžu urýchliť prestavbu kostí.

U makakov rhesus a cynomolgus sa vyvíja spontánna osteoartróza. Veľmi dôležitou výhodou primátov oproti iným zvieratám použitým na vytvorenie experimentálneho modelu osteoartrózy je ich bipedalizmus. Ochorenie sa vyvíja u jedincov stredného/staršieho veku. Medzi skoré histologické nálezy patrí zhrubnutie subchondrálnej kosti, po ktorom nasleduje strapcovanie kĺbovej chrupavky v oblasti mediálnej platničky holennej kosti. Neskôr sa do procesu zapája aj laterálna platnička. Je pozoruhodné, že degenerácia kĺbovej chrupavky sa začína vyvíjať až po tom, čo hrúbka subchondrálnej kosti dosiahne 400 μm. Prevalencia a závažnosť osteoartrózy u makakov sa zvyšuje s vekom, ale tieto ukazovatele nie sú ovplyvnené pohlavím a telesnou hmotnosťou. Doteraz sa modely osteoartrózy u primátov nepoužívali na štúdium účinnosti DMOAD.

Modely fyzicky (chirurgicky) indukovanej osteoartrózy

Modely osteoartrózy založené na chirurgicky vyvolanej laxite kolena, ktorá mení mechanické namáhanie kolenného kĺbu, sa najčastejšie používajú u psov a králikov. Najpoužívanejším modelom je model s transekciou skrížených väzov u psov. Chirurgické modely osteoartrózy u králikov zahŕňajú transekciu skrížených väzov s excíziou alebo bez excízie mediálnych a kolaterálnych väzov, úplnú alebo čiastočnú meniscektomiu a chirurgické natrhnutie meniskov. Boli opísané chirurgické modely osteoartrózy u morčiat, ktoré zahŕňajú transekciu skrížených a kolaterálnych väzov a čiastočnú meniscektomiu. Čiastočná meniscektomia u morčiat vedie k tvorbe osteofytov do 2 týždňov a k nadmernej degenerácii kĺbovej chrupavky do 6 týždňov.

Až donedávna bol psí model osteoartrózy po transekcii predného skríženého väzu vnímaný so skepticizmom kvôli absencii ulcerácie chrupavky a výraznej progresie ochorenia pozorovanej pri ľudskej osteoartritíde. JL Marshall a S. - E. Olsson (1971) zistili, že zmeny v tkanivách kolenných kĺbov psov 2 roky po operácii boli prakticky identické so zmenami zaznamenanými bezprostredne po operácii. Autori naznačili, že mechanické faktory (napr. fibróza kĺbového puzdra a tvorba osteofytov) stabilizujú pooperačne uvoľnený kolenný kĺb a zabraňujú ďalšiemu postupu deštrukcie kĺbovej chrupavky. Bolo tiež navrhnuté, aby sa tento model považoval skôr za model poškodenia a opravy chrupavky než za model osteoartrózy. Výsledky štúdií KD Brandta a kol. (1991), ktorí skúmali dynamiku zmien v tkanivách kolenných kĺbov destabilizovaných intersekciou predných skrížených väzov počas dlhšieho obdobia, však vyvrátili predpoklady predchádzajúcich autorov.

SA McDevitt a kol. (1973, 1977) zistili, že už počas prvých dní po transekcii skrížených väzov sa zvyšuje syntéza proteoglykánov chondrocytmi kĺbovej chrupavky. Počas 64 týždňov po chirurgickej indukcii nestability kolenného kĺbu bola hrúbka kĺbovej chrupavky vyššia ako normálne, hoci biochemické, metabolické a histologické zmeny v nej zodpovedali zmenám pri osteoartróze. Toto zhrubnutie chrupavky bolo spojené so zvýšenou syntézou proteoglykánov a ich vysokou koncentráciou v kĺbovej chrupavke. Pomocou magnetickej rezonancie (MRI) ME Adams a KD Brandt (1991) ukázali, že po transekcii skrížených väzov sa hypertrofia chrupavky udržiava 36 mesiacov, potom dochádza k progresívnej strate chrupavky, takže po 45 mesiacoch je väčšina kĺbových povrchov bez chrupavky. Morfologické vyšetrenie chrupavky 54 mesiacov po operácii potvrdilo nálezy MRI. ME Adams a KD Brandt (1991) teda preukázali, že chirurgicky vyvolanú instabilitu kolenných kĺbov u psov možno považovať za model osteoartrózy.

Fenomén hypertrofickej reparácie kĺbovej chrupavky je dobre ilustrovaný vyššie opísaným modelom osteoartrózy u psov. Je však známe, že tento jav nie je len pre ňu jedinečný. Hypertrofiu kĺbovej chrupavky, ktorá mala reparatívny charakter, prvýkrát opísal u pacientov s osteoartrózou EGL Bywaters (1937) a neskôr LC Johnson. Nachádza sa aj v iných modeloch osteoartrózy - u králikov po parciálnej meniskektómii (Vignon E. a kol., 1983), u makakov rézus sa hypertrofia chrupavky vyvíja spontánne.

Moderné popisy patogenézy sa zameriavajú najmä na progresívnu „stratu“ chrupavky, autori však často prehliadajú jej zhrubnutie a zvýšenú syntézu proteoglykánov, čo zodpovedá homeostatickej fáze stabilizovanej osteoartrózy. Počas tejto fázy reparácia chrupavky kompenzuje jej stratu a dokáže kĺb dlhodobo udržiavať vo funkčnom stave. Reparačné tkanivo sa však často nedokáže vyrovnať s mechanickou záťažou, ktorá je naň kladená, rovnako ako zdravá kĺbová chrupavka, čo vedie k neschopnosti chondrocytov udržiavať normálne zloženie matrice a k zníženiu syntézy proteoglykánov. Rozvíja sa konečné štádium osteoartrózy.

Štúdium Charcotovej artropatie viedlo k vývoju metódy neurogénnej akcelerácie modelovania chirurgicky indukovanej osteoartrózy. Charcotova artropatia sa vyznačuje ťažkou deštrukciou kĺbov, kĺbovými „myšami“, kĺbovým výpotkom, nestabilitou väzov a tvorbou nového kostného a chrupavkového tkaniva v kĺbe. Všeobecný koncept patogenézy Charcotovej (neurogénnej) artropatie spočíva v prerušení senzorických signálov z proprioceptorov a nociceptorov končatín do centrálneho nervového systému (CNS). Na urýchlenie progresie osteoartrózy indukovanej transekciou predných skrížených väzov u psov sa pred operáciou vykonáva ganglionektómia alebo excízia nervu inervujúceho kĺb, čo vedie k vzniku erózií chrupavky už v prvom týždni po operácii. Je zaujímavé, že nový diacereín DMOAD bol účinný pri použití v pomaly progresívnom (neurologicky intaktnom) modeli osteoartrózy, ale bol neúčinný pri neurogénne akcelerovanej experimentálnej osteoartritíde.

Na záver treba poznamenať, že nie je možné úplne posúdiť identitu experimentálneho modelu osteoartrózy a osteoartrózy u ľudí, pretože etiológia a presné mechanizmy patogenézy ochorenia ešte neboli objasnené. Ako už bolo uvedené, hlavným účelom použitia experimentálnych modelov osteoartrózy u zvierat je ich použitie na posúdenie účinnosti nových liekov, najmä skupiny „modifikujúcich ochorenie“. Pravdepodobnosť, do akej miery sa výsledky liečby u zvieraťa budú zhodovať s výsledkami použitia experimentálneho farmakologického činidla u ľudí, tiež nie je možné určiť. N. S. Doherty a kol. (1998) zdôraznili významné rozdiely medzi druhmi zvierat používanými na modelovanie osteoartrózy, pokiaľ ide o odlišný vývoj patológie, rôzne mediátory, receptory, enzýmy, čo vedie k objektívnej extrapolácii terapeutickej aktivity nových liekov používaných u zvierat na ľudí. Príkladom je vysoká účinnosť NSAID pri modelovaní zápalovej artritídy u hlodavcov. To viedlo k prehodnoteniu účinnosti NSAID u ľudí, u ktorých prostaglandíny nehrajú takú zásadnú úlohu v patogenéze ochorení ako u hlodavcov a klinická účinnosť NSAID je obmedzená skôr na liečbu symptómov než na modifikáciu ochorenia.

Zároveň podceňovanie nových farmakologických látok pri štúdiu ich účinnosti na zvieracích modeloch môže viesť k strate potenciálne účinných terapeutických látok u ľudí. Napríklad soli zlata, penicilamín, chlorochín a sulfasalazín, ktoré majú určitý účinok pri liečbe reumatoidnej artritídy, sú absolútne neúčinné u zvierat používaných na skríning antireumatík.

Rozdiel v reakcii medzi zvieracím modelom osteoartrózy a pacientom s osteoartrózou na liečbu DMOAD do značnej miery závisí od kolagenázy, enzýmu, o ktorom sa predpokladá, že sa aktívne podieľa na patogenéze osteoartrózy. Inhibítory intersticiálnej kolagenázy (kolagenáza-1 alebo matrixová metaloproteináza (MMP)-1) sa často nachádzajú u hlodavcov s modelovou osteoartrózou, ale homológ ľudskej kolagenázy-1 sa u hlodavcov nenašiel a nemusí existovať. Špecifické inhibítory ľudskej kolagenázy-1 teda nepreukážu terapeutickú účinnosť u hlodavcov s experimentálnou osteoartrózou. Väčšina doteraz vytvorených inhibítorov MMP je neselektívnych, a preto inhibujú kolagenázu-3 (MMP-13), ktorá sa podieľa na patogenéze experimentálnej osteoartrózy u hlodavcov. Navyše, ako ukázali štúdie NRA Beeley a kol. (1994), JMP Freije a kol. (1994), ľudská kolagenáza-3 sa exprimuje v kĺbovej chrupavke pacientov s osteoartrózou a môže zohrávať úlohu v patogenéze ochorenia.

Dá sa predpokladať, že tieto mediátory, receptory alebo enzýmy hrajú podobnú úlohu v patogenéze modelovanej osteoartrózy u konkrétneho zvieraťa a u ľudí. Príkladom je chemotaktická kapacita leukotriénu B4, ktorá sa považuje za rovnakú u ľudí, myší a králikov, ale aktivita antagonistov tejto biologicky aktívnej látky sa medzi živočíšnymi druhmi líši 1000-krát. Aby sa predišlo takýmto nepresnostiam v experimentoch, je potrebné vytvoriť metódy, ktoré umožňujú študovať farmakodynamiku in vivo. Napríklad je možné študovať vplyv akýchkoľvek látok na aktivitu exogénnych enzýmov alebo mediátorov u ľudí. Túto techniku použili V. Ganu a kol. (1994) na posúdenie aktivity inhibítorov MMP stanovením schopnosti liekov inhibovať uvoľňovanie proteoglykánov z kĺbovej chrupavky po injekcii ľudského stromelezínu do kolenného kĺbu králika.

Hoci výsledky získané v experimentálnom modeli osteoartrózy môžu viesť k nesprávnemu posúdeniu potenciálnych DMOAD, zvieracie modely osteoartrózy zohrávajú dôležitú úlohu v základnom výskume. Konečné rozhodnutie o účinnosti farmakologických látok pri liečbe ľudských ochorení je možné urobiť až po vykonaní klinických štúdií fázy III na ľuďoch.