Experimentell modellering av osteoartrit hos djur

KRN Pritzker (1994) definierade en experimentell djurmodell av vilken sjukdom som helst som "en homogen grupp djur som uppvisar en ärftlig, naturligt förvärvad eller experimentellt inducerad biologisk process, föremål för vetenskaplig undersökning, som i ett eller flera avseenden liknar sjukdomen hos människan." Djurmodeller av artros är användbara för att studera utvecklingen av strukturella förändringar i ledvävnader, för att bestämma hur olika riskfaktorer initierar eller främjar dessa förändringar och för att utvärdera terapeutiska åtgärder. Det är viktigt att komma ihåg att artros inte är en sjukdom i bara en vävnad, ledbrosket, utan i alla vävnader i den drabbade leden, inklusive subkondralbenet, synovialmembranet, meniskerna, ligamenten, periartikulära muskler och afferenta nerver med ändar både utanför och inuti ledkapseln. Studier av farmakologiska medel i djurmodeller fokuserar främst på deras effekter på ledbrosk. Det är omöjligt att utvärdera det huvudsakliga symptomet på artros hos människor - ledvärk - i experimentella modeller. Samtidigt, vid modellering av artros hos djur, beaktas inte ett antal viktiga faktorer som bidrar till utveckling och progression av artros (till exempel människokroppens vertikala position, svaghet i periartikulära muskler, etc.).

Naturligtvis är den mest illustrativa modellen av sjukdomen den som har störst likhet med förändringarna i mänsklig artros. Djurmodeller av artros är av störst intresse när det gäller att studera effektiviteten hos sjukdomsmodifierande artrosläkemedel (DMOAD). Även om ett antal läkemedel i denna grupp förhindrar utvecklingen eller bromsar progressionen av experimentellt inducerad eller spontan artros hos djur, var alla ineffektiva när man studerade deras effekter hos människor.

Djurmodeller av artros

Modelleringsmekanism	Djurarter	Inducerande faktor/agens	Källa
Spontan artros	Marsvin	Ålder/övervikt	Bendele AM m.fl., 1989
	Möss STR/ORT, STR/INS	Genetisk predisposition	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. m.fl., 1989 Dunham J. m.fl., 1990
	Svarta möss C57	Genetisk predisposition	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Möss	Kollagen II-mutation	Garofalo S. et al., 1991
	Möss	Kollagen IX-mutation	Nakata K. et al., 1993
	Hundkapplöpning	Höftdysplasi	SmaleG. et al., 1995
	Primater	Genetisk predisposition	Alexander CJ, 1994 Carlson CS m.fl., 1994 Chateauvert JM m.fl., 1990
Kemiskt inducerad artros	Kycklingar	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. m.fl., 1992
	Hundkapplöpning	Kymopapain vs.	Leipold HR m.fl., 1989
	Möss	Papain-premie	Van der Kraan PM m.fl., 1989
	Möss	Kollagenaspremie	Van der Kraan PM m.fl., 1989
	Möss	TFR-R v/s	Van den Berg WB. 1995
	Kaniner	Hypertonisk NaCl-lösning	Vasilev V. et al.. 1992
Fysiskt (kirurgiskt) inducerad artros	Hundkapplöpning	Främre korsbandstransektion (ensidig)	Marshall JL m.fl., 1971 Brandt KD, 1994
	Hundkapplöpning	Främre korsbandstransektion (bilateral)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Kaniner	Främre korsbandstransektion	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Får	Meniskektomi	Ghosh P. m.fl., 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	Knäskålskontusion	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Kaniner	Immobilisering	Langenskiold A. m.fl., 1979 Videman T., 1982
	Hundkapplöpning	Immobilisering	Howell DS et al., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Hundkapplöpning	Denervering följt av transektion av främre korsbandet	VilenskyJA et al., 1994

* intraartikulär - intraartikulär.

Fysiskt och kemiskt inducerade modeller av artros är för närvarande mycket populära, men de återspeglar processer som observeras vid sekundär artros hos människor snarare än idiopatisk artros. Ett alternativ till dem är modeller av spontan artros hos tvåbenta primater och fyrfotingar.

Vissa författare är ganska skeptiska till att modellera artros hos djur i allmänhet. Enligt MEJ Billingham (1998) är användningen av modeller för upptäckten av artrosmodifierande läkemedel därför "...en dyr chansning".

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

Modeller av spontan artros

Nästan alla inavlade musstammar utvecklar artros av varierande svårighetsgrad och lokalisering. Den högsta incidensen av artros och det allvarligaste sjukdomsförloppet observeras hos möss av STR/ORT- och STR/INS-stammarna. Bland STR/ORT-möss är sjukdomen vanligare och allvarligare hos hanar än hos honor. Primär skada på ledbrosket utvecklas i den mediala delen av tibialplattan. Man antog att förändringar i brosket föregås av förskjutning av knäskålen, men RG Evans et al. (1994), C. Collins et al. (1994) fann att hos alla möss av denna stam utvecklas broskskador vid 11 månaders ålder, men inte alla uppvisade förskjutning av knäskålen. Samma författare fann att förändringar i ledbrosket hos STR/ORT-möss ofta föregås av kondrocyt-osteoblastmetaplasi av sen- och ligamentceller runt de drabbade knälederna, vilket indikerar att dessa förändringar är primära i patogenesen av artros i denna modell. Det är möjligt att den initiala förkalkningen av ligament och senor förändrar den mekaniska belastningen på intraartikulära strukturer och att efterföljande förändringar i ledbrosket återspeglar ett försök att upprätthålla normal ledbelastning. Till skillnad från marsvins- och makakmodeller, där broskdegeneration föregås av förändringar i det subkondrala benet, uppträder subkondral skleros senare hos STR/ORT- och STR/INS-möss.

Fördelen med denna modell för artros är djurens lilla storlek, vilket kräver minimal konsumtion av det testade farmakologiska medlet. Storleken är dock också en nackdel, eftersom biokemisk och patohistologisk analys av brosk hos möss är svår.

Studierna av AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) och SCR Meacock et al. (1990) som ägnat sig åt att studera det naturliga förloppet av spontan artros hos marsvin har väckt intresset för denna modell av sjukdomen. Från och med 13 månaders ålder utvecklar alla hanmarsvin av typen Dunkin Hurtley degeneration av ledbrosket. Liknande förändringar hos honor uppträder något senare och är mildare. Vid 1 års ålder observeras fullständig förlust av ledbrosk i regionen kring lårbenets mediala kondyl och skenbensplattan. En ökning av kroppsvikten hos Dunkin Hurtley-marsvin förvärrar sjukdomsförloppet, och en minskning av kroppsvikten till 900 g eller mindre förbättrar artrosförloppet. Vid 8 veckors ålder upptäcks redan förändringar i det subkondrala benet i denna modell, dvs. det senare föregår broskskador. Förändringar i knäledernas korsband kan påskynda benremodellering.

Spontan artros utvecklas hos rhesus- och cynomolgusmakaker. En mycket viktig fördel hos primater jämfört med andra djur som använts för att skapa en experimentell modell av artros är deras tvåbenthet. Sjukdomen utvecklas hos medelålders/äldre individer. Tidiga histologiska fynd inkluderar förtjockning av det subkondrala benet följt av nötning av ledbrosket i regionen av skenbenets mediala platta. Senare är även den laterala plattan involverad i processen. Det är värt att notera att ledbroskdegeneration börjar utvecklas först efter att den subkondrala bentjockleken når 400 μm. Förekomsten och svårighetsgraden av artros hos makaker ökar med åldern, men dessa indikatorer påverkas inte av kön och kroppsvikt. Hittills har primatmodeller av artros inte använts för att studera effektiviteten av DMOAD:er.

Modeller av fysiskt (kirurgiskt) inducerad artros

Artrosmodeller baserade på kirurgiskt inducerad knälaxitet som förändrar mekanisk belastning på knäleden används oftast hos hundar och kaniner. Den mest använda modellen är den med korsbandstransektion hos hundar. Kirurgiska modeller av artros hos kaniner innefattar transektion av korsbanden med eller utan excision av mediala och kollaterala ligament, total eller partiell meniskektomi och kirurgisk rivning av meniskerna. Kirurgiska modeller av artros hos marsvin har beskrivits som innefattar transektion av korsbands- och kollaterala ligament och partiell meniskektomi. Partiell meniskektomi hos marsvin resulterar i osteofytbildning inom 2 veckor och överdriven degeneration av ledbrosk inom 6 veckor.

Fram tills nyligen betraktades hundmodellen för artros efter främre korsbandsoperation med skepsis på grund av avsaknaden av brosksår och markant sjukdomsprogression som observerats vid mänsklig artros. JL Marshall och S. - E. Olsson (1971) fann att förändringar i vävnaderna i hundars knäleder 2 år efter operationen var praktiskt taget identiska med de som registrerades omedelbart efter operationen. Författarna föreslog att mekaniska faktorer (t.ex. fibros i ledkapseln och osteofytbildning) stabiliserar den postoperativt lossnade knäleden och förhindrar ytterligare progression av ledbroskförstörelse. Det föreslogs också att denna modell skulle betraktas som en modell för broskskada och reparation, snarare än en modell för artros. Resultaten av studier utförda av KD Brandt et al. (1991), som studerade dynamiken i förändringar i vävnaderna i knälederna som destabiliserats av skärningspunkten mellan de främre korsbanden under en längre period, motbevisade dock tidigare författares antaganden.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) fann att syntesen av proteoglykaner av kondrocyter i ledbrosket ökar redan under de första dagarna efter korsbandsoperationen. Under 64 veckor efter kirurgisk induktion av knäledsinstabilitet var ledbroskets tjocklek högre än normalt, även om biokemiska, metaboliska och histologiska förändringar i den motsvarade de vid artros. Denna förtjockning av brosk var associerad med ökad syntes av proteoglykaner och deras höga koncentration i ledbrosk. Med hjälp av magnetisk resonanstomografi (MRT) visade ME Adams och KD Brandt (1991) att efter korsbandsoperationen bibehålls broskets hypertrofi i 36 månader, varefter progressiv förlust av brosk sker, så att efter 45 månader saknar de flesta ledytorna brosk. Morfologisk undersökning av brosket 54 månader efter operationen bekräftade MRT-fynden. Således visade ME Adams och KD Brandt (1991) att kirurgiskt inducerad instabilitet i knälederna hos hundar kan betraktas som en modell för artros.

Fenomenet hypertrofisk reparation av ledbrosk illustreras väl av den ovan beskrivna modellen för artros hos hundar. Det är dock känt att detta fenomen inte är unikt för hundar. Hypertrofi av ledbrosk, som var av reparativ natur, beskrevs först hos patienter med artros av EGL Bywaters (1937), och senare av LC Johnson. Det finns även i andra modeller av artros - hos kaniner efter partiell meniskektomi (Vignon E. et al., 1983), hos rhesusmakaker utvecklas broskhypertrofi spontant.

Moderna beskrivningar av patogenes fokuserar huvudsakligen på den progressiva "förlusten" av brosk, men författare förbiser ofta dess förtjockning och ökade syntes av proteoglykaner, vilket motsvarar den homeostatiska fasen av stabiliserad artros. Under denna fas kompenserar broskreparationen för dess förlust och kan bibehålla leden i ett funktionellt tillstånd under lång tid. Men reparativ vävnad kan ofta inte klara den mekaniska belastningen som den utsätts för på samma sätt som friskt ledbrosk, vilket leder till att kondrocyterna inte kan bibehålla matrisens normala sammansättning och en minskning av proteoglykansyntesen. Det sista stadiet av artros utvecklas.

Studien av Charcots artropati har lett till utvecklingen av en metod för neurogen acceleration av kirurgiskt inducerad artrosmodellering. Charcots artropati kännetecknas av allvarlig ledförstörelse, led"möss", ledauggjutningar, ligamentinstabilitet och bildandet av nytt ben- och broskvävnad i leden. Det allmänna konceptet för patogenesen för Charcots (neurogena) artropati är avbrottet av sensoriska signaler från extremitetens proprioceptorer och nociceptorer till centrala nervsystemet (CNS). För att påskynda utvecklingen av artros inducerad genom transektion av de främre korsbanden hos hundar utförs ganglionektomi eller excision av nerven som innerverar leden före operation, vilket leder till uppkomsten av broskerosioner redan under den första veckan efter operationen. Intressant nog var det nya DMOAD-diacereinet effektivt när det användes i en långsamt progressiv (neurologiskt intakt) modell av artros, men var ineffektivt vid neurogent accelererad experimentell artros.

Sammanfattningsvis bör det noteras att det är omöjligt att helt bedöma identiteten hos den experimentella modellen för artros och artros hos människor, eftersom etiologin och de exakta mekanismerna för sjukdomens patogenes ännu inte har klarlagts. Som tidigare nämnts är huvudsyftet med att använda experimentella modeller för artros hos djur att använda dem för att bedöma effektiviteten hos nya läkemedel, främst inom gruppen "sjukdomsmodifierande". Sannolikheten för hur mycket resultaten av behandling hos ett djur kommer att överensstämma med resultaten av att använda ett experimentellt farmakologiskt medel hos människor är också omöjlig att fastställa. NS Doherty et al. (1998) betonade de signifikanta skillnaderna mellan de djurarter som används för att modellera artros vad gäller olika utveckling av patologi, olika mediatorer, receptorer, enzymer, vilket leder till en objektiv extrapolering av den terapeutiska aktiviteten hos nya läkemedel som används hos djur till människor. Ett exempel är den höga effektiviteten hos NSAID vid modellering av inflammatorisk artrit hos gnagare. Detta har lett till en omvärdering av effekten av NSAID-preparat hos människor, hos vilka prostaglandiner inte spelar den grundläggande roll i sjukdomspatogenesen som de gör hos gnagare, och den kliniska effekten av NSAID-preparat är begränsad till symtombehandling snarare än sjukdomsmodifiering.

Samtidigt kan underskattning av nya farmakologiska medel vid studier av deras effektivitet i djurmodeller leda till förlust av potentiellt effektiva terapeutiska medel hos människor. Till exempel är guldsalter, penicillamin, klorokin och sulfasalazin, som har viss effekt vid behandling av reumatoid artrit, absolut ineffektiva hos djur som används för screening av antireumatiska läkemedel.

Skillnaden i respons mellan en djurmodell av artros och en patient med artros på DMOAD-behandling beror till stor del på kollagenas, ett enzym som tros vara aktivt involverat i patogenesen av artros. Hämmare av interstitiellt kollagenas (kollagenas-1 eller matrixmetalloproteinas (MMP)-1) finns ofta hos gnagare med modell-OA, men en homolog av humant kollagenas-1 har inte hittats hos gnagare och kanske inte existerar. Således kommer specifika hämmare av humant kollagenas-1 inte att visa terapeutisk effekt hos gnagare med experimentell artros. De flesta MMP-hämmare som hittills skapats är icke-selektiva och hämmar därför kollagenas-3 (MMP-13), vilket är involverat i patogenesen av experimentell artros hos gnagare. Dessutom, som studier av NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994) har visat, uttrycks humant kollagenas-3 i ledbrosket hos patienter med artros och kan spela en roll i sjukdomens patogenes.

Det kan antas att dessa mediatorer, receptorer eller enzymer spelar en liknande roll i patogenesen av modellerad artros hos ett visst djur och hos människor. Ett exempel är den kemotaktiska kapaciteten hos leukotrien B4, som anses vara densamma hos människor, möss och kaniner, men aktiviteten hos antagonister av denna biologiskt aktiva substans skiljer sig 1000 gånger mellan djurarter. För att undvika sådana felaktigheter i experiment är det nödvändigt att skapa metoder som möjliggör studier av farmakodynamik in vivo. Det är till exempel möjligt att studera effekten av alla substanser på aktiviteten hos exogena enzymer eller mediatorer hos människor. Denna teknik användes av V Ganu et al. (1994) för att bedöma aktiviteten hos MMP-hämmare genom att bestämma läkemedels förmåga att hämma frisättningen av proteoglykaner från ledbrosk efter injektion av humant stromelesin i knäleden hos en kanin.

Även om resultaten från den experimentella modellen för artros kan leda till en felaktig bedömning av potentiella DMOAD:er, spelar djurmodeller av artros en viktig roll i grundforskningen. Ett slutgiltigt beslut om farmakologiska medels effektivitet vid behandling av mänskliga sjukdomar kan endast fattas efter att kliniska fas III-studier på människor har genomförts.