Osteoartrīta eksperimentālā modelēšana dzīvniekiem

KRN Pritzkers (1994) definēja jebkuras slimības eksperimentālu dzīvnieku modeli kā "homogēnu dzīvnieku grupu, kam piemīt iedzimts, dabiski iegūts vai eksperimentāli izraisīts bioloģisks process, kas ir pakļauts zinātniskai izpētei un kas vienā vai vairākos aspektos ir līdzīgs cilvēka slimībai." Osteoartrīta dzīvnieku modeļi ir noderīgi, lai pētītu locītavu audu strukturālo izmaiņu evolūciju, noteiktu, kā dažādi riska faktori ierosina vai veicina šīs izmaiņas, un lai novērtētu terapeitiskos pasākumus. Ir svarīgi atcerēties, ka osteoartrīts nav tikai viena audu, locītavu skrimšļa, slimība, bet gan visu skartās locītavas audu slimība, tostarp subhondrālā kaula, sinoviālās membrānas, menisku, saišu, periartikulāro muskuļu un aferentu nervu slimība ar galiem gan ārpus, gan iekšpusē locītavas kapsulā. Farmakoloģisko līdzekļu pētījumi dzīvnieku modeļos galvenokārt koncentrējas uz to ietekmi uz locītavu skrimšļiem. Eksperimentālos modeļos nav iespējams novērtēt galveno osteoartrīta simptomu cilvēkiem - locītavu sāpes. Vienlaikus, modelējot osteoartrītu dzīvniekiem, netiek ņemti vērā vairāki svarīgi faktori, kas veicina osteoartrīta attīstību un progresēšanu (piemēram, cilvēka ķermeņa vertikālais stāvoklis, periartikulāro muskuļu vājums utt.).

Protams, visillustratīvākais slimības modelis ir tas, kam ir vislielākā līdzība ar izmaiņām cilvēka osteoartrītā. Osteoartrīta dzīvnieku modeļi rada vislielāko interesi slimību modificējošu osteoartrīta zāļu (DMOAD) efektivitātes izpētes ziņā. Lai gan vairākas šīs grupas zāles novērš eksperimentāli izraisīta vai spontāna osteoartrīta attīstību vai palēnina tā progresēšanu dzīvniekiem, visas no tām bija neefektīvas, pētot to ietekmi uz cilvēkiem.

Osteoartrīta dzīvnieku modeļi

Modelēšanas mehānisms	Dzīvnieku sugas	Izraisošais faktors/līdzeklis	Avots
Spontāna osteoartrīts	Jūrascūciņas	Vecums/liekais svars	Bendele AM et al., 1989
	Peles STR/ORT, STR/INS	Ģenētiska predispozīcija	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. et al., 1989 Dunham J. et al., 1990
	Melnās peles C57	Ģenētiska predispozīcija	OkabeT., 1989 StabescyR. etal., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM etal., 1990
	Peles	Kolagēna II mutācija	GarofaloS. et al., 1991
	Peles	Kolagēna IX mutācija	NakataK. et al., 1993
	Suņi	Gūžas displāzija	SmaleG. et al., 1995
	Primāti	Ģenētiska predispozīcija	Aleksandrs K. S., 1994. g. Karlsons K. S. u. c., 1994. g. Šatovērts Dž. M. u. c., 1990. g.
Ķīmiski izraisīts osteoartrīts	Vistas	Jodoacetāta piemaksa*	Kalbhen DA, 1987
	Truši	Papaīna piemaksa	Marcelon G. etal., 1976 Coulais Y. etal., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Jūrascūciņas	Papaīna piemaksa	Tanaka H. et al., 1992
	Suņi	Himopapaīns pret sv	Leipolds HR et al., 1989
	Peles	Papaīna piemaksa	Van der Kraan PM et al., 1989
	Peles	Kolagenāzes piemaksa	Van der Kraan PM et al., 1989
	Peles	TFR-R pret s	Van den Berg WB. 1995
	Truši	Hipertonisks NaCl šķīdums	Vasiļevs V. u.c. 1992
Fiziski (ķirurģiski) izraisīts osteoartrīts	Suņi	Priekšējās krusteniskās saites transekcija (vienpusēja)	Māršals Dž. L. u. c., 1971. g.; Brends K. D., 1994. g.
	Suņi	Priekšējās krusteniskās saites transekcija (divpusēja)	Māršals KW Čans AD, 1996
	Truši	Priekšējās krusteniskās saites transekcija	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Aitas	Meniskektomija	Ghosh P. et al., 1993
	Truši	Meniskektomija	FamA.G. et al., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Jūrascūciņas	Meniskektomija	Bendele AM, 1987
	Jūrascūciņas	Miektomija	ArseverC.L., BoleG.G., 1986. gads; LaytonM.W. et al., 1987. gads; Dedrick DK et al., 1991. gads.
	Truši	Patellas sasitums	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Truši	Imobilizācija	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	Suņi	Imobilizācija	Howell DS et al., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Suņi	Denervācija, kam seko priekšējās krusteniskās saites pārgriešana	VilenskyJA et al., 1994

* intraartikulāri - intraartikulāri.

Fizikāli un ķīmiski inducēti osteoartrīta modeļi pašlaik ir ļoti populāri, taču tie atspoguļo procesus, kas novēroti sekundāras osteoartrīta gadījumā cilvēkiem, nevis idiopātisku osteoartrītu. Alternatīva tiem ir spontānas osteoartrīta modeļi divkājainiem primātiem un četrkājainiem.

Daži autori kopumā ir diezgan skeptiski noskaņoti par osteoartrīta modelēšanu dzīvniekiem. Tādējādi, saskaņā ar MEJ Billingham (1998), modeļu izmantošana osteoartrītu modificējošu zāļu atklāšanai ir "...dārga azartspēle".

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

Spontānas osteoartrīta modeļi

Gandrīz visām inbredēto peļu celmiem attīstās dažādas smaguma pakāpes un lokalizācijas osteoartroze. Visaugstākā osteoartrozes sastopamība un vissmagākā slimības gaita novērota STR/ORT un STR/INS celmu pelēm. STR/ORT peļu vidū slimība ir biežāk sastopama, un tā ir smagāka tēviņiem nekā mātītēm. Primārie locītavu skrimšļa bojājumi attīstās stilba kaula plāksnes mediālajā daļā. Tika pieņemts, ka pirms izmaiņu parādīšanās skrimšļos notiek ceļa skrimšļa dislokācija, tomēr RG Evans et al. (1994), C. Collins et al. (1994) atklāja, ka visām šīs celma pelēm skrimšļa bojājumi attīstās līdz 11 mēnešu vecumam, bet ne visām bija novērojama ceļa skriemeļu dislokācija. Tie paši autori atklāja, ka pirms locītavu skrimšļa izmaiņām STR/ORT pelēm bieži notiek hondrocītu-osteoblastiska cīpslu un saišu šūnu metaplāzija ap skartajām ceļa locītavām, kas norāda, ka šīs izmaiņas ir primāras osteoartrīta patoģenēzē šajā modelī. Iespējams, ka sākotnējā saišu un cīpslu kalcifikācija maina mehānisko slodzi uz intraartikulārajām struktūrām un ka sekojošās izmaiņas locītavu skrimšļos atspoguļo mēģinājumu uzturēt normālu locītavu slodzi. Atšķirībā no jūrascūciņu un makaku modeļiem, kuros skrimšļa deģenerācijai seko izmaiņas subhondrālajā kaulā, subhondrālā skleroze STR/ORT un STR/INS pelēm parādās vēlāk.

Šī osteoartrīta modeļa priekšrocība ir dzīvnieku mazais izmērs, kas prasa minimālu testējamā farmakoloģiskā līdzekļa patēriņu. Tomēr izmērs ir arī trūkums, jo peļu skrimšļu bioķīmiskā un patohistoloģiskā analīze ir sarežģīta.

AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) un SCR Meacock et al. (1990) pētījumi, kas veltīti spontānas osteoartrīta dabiskās gaitas izpētei jūrascūciņām, ir rosinājuši interesi par šo slimības modeli. Sākot ar 13 mēnešu vecumu, visām Dunkin Hurtley jūrascūciņu tēviņiem attīstās locītavu skrimšļa deģenerācija. Līdzīgas izmaiņas mātītēm parādās nedaudz vēlāk un ir vieglākas. 1 gada vecumā tiek novērots pilnīgs locītavu skrimšļa zudums augšstilba kaula mediālā kondila un stilba kaula plāksnes rajonā. Dunkin Hurtley jūrascūciņu ķermeņa masas palielināšanās pasliktina slimības gaitu, un ķermeņa masas samazināšanās līdz 900 g vai mazāk uzlabo osteoartrīta gaitu. 8 nedēļu vecumā šajā modelī jau tiek konstatētas izmaiņas subhondrālajā kaulā, t.i., pēdējās notiek pirms skrimšļa bojājuma. Izmaiņas ceļa locītavu krusteniskajās saitēs var paātrināt kaulu remodelāciju.

Rēzus un cynomolgus makakiem attīstās spontāna osteoartroze. Ļoti svarīga primātu priekšrocība salīdzinājumā ar citiem dzīvniekiem, ko izmanto, lai izveidotu eksperimentālu osteoartrozes modeli, ir to divkājainība. Slimība attīstās pusmūža/vecākiem indivīdiem. Agrīnās histoloģiskās atradnes ietver subhondrālā kaula sabiezēšanu, kam seko locītavu skrimšļa nodilums stilba kaula mediālās plāksnes rajonā. Vēlāk procesā tiek iesaistīta arī laterālā plāksne. Jāatzīmē, ka locītavu skrimšļa deģenerācija sāk attīstīties tikai pēc tam, kad subhondrālā kaula biezums sasniedz 400 μm. Osteoartrozes izplatība un smaguma pakāpe makakiem palielinās līdz ar vecumu, taču šos rādītājus neietekmē dzimums un ķermeņa masa. Līdz šim primātu osteoartrozes modeļi nav izmantoti, lai pētītu DMOAD efektivitāti.

Fiziski (ķirurģiski) izraisīta osteoartrīta modeļi

Osteoartrīta modeļi, kuru pamatā ir ķirurģiski izraisīta ceļa locītavas vaļīgums, kas maina mehānisko slodzi uz ceļa locītavu, visbiežāk tiek izmantoti suņiem un trušiem. Visplašāk izmantotais modelis ir modelis ar krustenisko saišu pāršķelšanu suņiem. Osteoartrīta ķirurģiskie modeļi trušiem ietver krustenisko saišu pāršķelšanu ar vai bez mediālo un kolaterālo saišu ekscīzijas, pilnīgu vai daļēju meniskektomiju un meniska ķirurģisku plīsumu. Ir aprakstīti osteoartrīta ķirurģiskie modeļi jūrascūciņām, kas ietver krustenisko un kolaterālo saišu pāršķelšanu un daļēju meniskektomiju. Daļēja meniskektomija jūrascūciņām izraisa osteofītu veidošanos 2 nedēļu laikā un pārmērīgu locītavu skrimšļa deģenerāciju 6 nedēļu laikā.

Līdz nesenam laikam suņu osteoartrīta modelis pēc priekšējās krusteniskās saites pāršķelšanas tika uztverts skeptiski, jo netika novērota skrimšļa čūla un tika novērota izteikta slimības progresēšana, kas novērota cilvēkiem. Dž. L. Māršals un S. E. Olsons (1971) atklāja, ka izmaiņas suņu ceļa locītavu audos 2 gadus pēc operācijas bija praktiski identiskas tām, kas tika reģistrētas tūlīt pēc operācijas. Autori ieteica, ka mehāniskie faktori (piemēram, locītavas kapsulas fibroze un osteofītu veidošanās) stabilizē pēcoperācijas laikā atslābināto ceļa locītavu un novērš locītavu skrimšļa destrukcijas tālāku progresēšanu. Tika arī ieteikts, ka šis modelis būtu jāuzskata par skrimšļa bojājumu un atjaunošanās modeli, nevis par osteoartrīta modeli. Tomēr K. D. Branta u. c. (1991) veikto pētījumu rezultāti, kuros tika pētīta izmaiņu dinamika ceļa locītavu audos, ko ilgākā laika periodā destabilizē priekšējās krusteniskās saites krustošanās, atspēkoja iepriekšējo autoru pieņēmumus.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) atklāja, ka jau pirmajās dienās pēc krustenisko saišu pārgriešanas locītavu skrimšļa hondrocītos palielinās proteoglikānu sintēze. 64 nedēļu laikā pēc ceļa locītavas nestabilitātes ķirurģiskas indukcijas locītavu skrimšļa biezums bija lielāks nekā parasti, lai gan bioķīmiskās, vielmaiņas un histoloģiskās izmaiņas tajā atbilda izmaiņām osteoartrīta gadījumā. Šī skrimšļa sabiezēšana bija saistīta ar palielinātu proteoglikānu sintēzi un to augsto koncentrāciju locītavu skrimšļos. Izmantojot magnētiskās rezonanses attēlveidošanu (MRI), ME Adams un KD Brandt (1991) parādīja, ka pēc krustenisko saišu pārgriešanas skrimšļa hipertrofija saglabājas 36 mēnešus, pēc tam notiek progresējoša skrimšļa zudums, tāpēc pēc 45 mēnešiem lielākā daļa locītavu virsmu ir bez skrimšļa. Skrimšļa morfoloģiskā izmeklēšana 54 mēnešus pēc operācijas apstiprināja MRI atradumus. Tādējādi ME Adams un KD Brandt (1991) pierādīja, ka ķirurģiski izraisīta stīva locītavu nestabilitāte suņiem var tikt uzskatīta par osteoartrīta modeli.

Locītavu skrimšļa hipertrofiskās reparācijas fenomenu labi ilustrē iepriekš aprakstītais osteoartrīta modelis suņiem. Tomēr ir zināms, ka šī parādība nav raksturīga tikai tam. Locītavu skrimšļa hipertrofiju, kurai bija reparatīvs raksturs, pacientiem ar osteoartrītu pirmo reizi aprakstīja EGL Bywaters (1937), bet vēlāk LC Johnson. Tā ir sastopama arī citos osteoartrīta modeļos - trušiem pēc daļējas meniskektomijas (Vignon E. et al., 1983), rēzus makakiem skrimšļa hipertrofija attīstās spontāni.

Mūsdienu patoģenēzes apraksti galvenokārt koncentrējas uz skrimšļa progresējošu "zudumu", taču autori bieži vien ignorē tā sabiezēšanu un proteoglikānu sintēzes palielināšanos, kas atbilst stabilizētas osteoartrīta homeostāzes fāzei. Šajā fāzē skrimšļa reparācija kompensē tā zudumu un ilgstoši var uzturēt locītavu funkcionālā stāvoklī. Taču reparatīvie audi bieži vien nespēj tikt galā ar tiem radīto mehānisko slodzi tāpat kā veseli locītavu skrimšļi, kas noved pie hondrocītu nespējas uzturēt normālu matricas sastāvu un proteoglikānu sintēzes samazināšanās. Attīstās osteoartrīta pēdējā stadija.

Šarko artropātijas pētījumi ir noveduši pie metodes izstrādes ķirurģiski izraisītas osteoartrīta modelēšanai neirogēnai paātrināšanai. Šarko artropātiju raksturo smaga locītavu destrukcija, locītavu "peles", locītavas izsvīdums, saišu nestabilitāte un jaunu kaulu un skrimšļu audu veidošanās locītavā. Šarko (neirogēnās) artropātijas patogenēzes vispārējais jēdziens ir sensoro signālu pārtraukšana no ekstremitāšu proprioceptoriem un nociceptoriem uz centrālo nervu sistēmu (CNS). Lai paātrinātu osteoartrīta progresēšanu, ko izraisa priekšējo krustenisko saišu pārgriešana suņiem, pirms operācijas tiek veikta ganglionektomija jeb locītavu inervējošā nerva ekscīzija, kas noved pie skrimšļa eroziju parādīšanās jau pirmajā nedēļā pēc operācijas. Interesanti, ka jaunais DMOAD diacereīns bija efektīvs, lietojot to lēni progresējošā (neiroloģiski neskartā) osteoartrīta modelī, bet nebija efektīvs neirogēni paātrinātā eksperimentālā osteoartrīta gadījumā.

Noslēgumā jāatzīmē, ka nav iespējams pilnībā novērtēt osteoartrīta un osteoartrīta eksperimentālā modeļa identitāti cilvēkiem, jo slimības etioloģija un precīzi patogenēzes mehānismi vēl nav noskaidroti. Kā jau minēts iepriekš, osteoartrīta eksperimentālo modeļu izmantošanas galvenais mērķis dzīvniekiem ir izmantot tos, lai novērtētu jaunu zāļu, galvenokārt "slimību modificējošo" grupas, efektivitāti. Nav iespējams noteikt arī to, cik lielā mērā ārstēšanas rezultāti dzīvniekam sakritīs ar eksperimentāla farmakoloģiska līdzekļa lietošanas rezultātiem cilvēkiem. N. S. Doherty et al. (1998) uzsvēra būtiskās atšķirības starp dzīvnieku sugām, kas izmantotas osteoartrīta modelēšanai, attiecībā uz atšķirīgu patoloģijas attīstību, dažādiem mediatoriem, receptoriem, enzīmiem, kas noved pie objektīvas jaunu zāļu, ko lieto dzīvniekiem, terapeitiskās aktivitātes ekstrapolācijas uz cilvēkiem. Piemērs ir NPL augstā efektivitāte iekaisuma artrīta modelēšanā grauzējiem. Tas ir novedis pie NPL efektivitātes atkārtotas izvērtēšanas cilvēkiem, kuriem prostaglandīniem nav tādas fundamentālas lomas slimības patogenezē kā grauzējiem, un NPL klīniskā efektivitāte aprobežojas ar simptomu ārstēšanu, nevis slimības modifikāciju.

Vienlaikus jaunu farmakoloģisko līdzekļu nenovērtēšana, pētot to efektivitāti dzīvnieku modeļos, var novest pie potenciāli efektīvu terapeitisko līdzekļu zuduma cilvēkiem. Piemēram, zelta sāļi, penicilamīns, hlorokvīns un sulfasalazīns, kuriem ir zināma ietekme reimatoīdā artrīta ārstēšanā, ir absolūti neefektīvi dzīvniekiem, kurus izmanto pretreimatisko zāļu skrīningam.

Atšķirība starp osteoartrīta dzīvnieku modeli un pacientu ar osteoartrītu atbildes reakcijā uz DMOAD ārstēšanu lielā mērā ir atkarīga no kolagenāzes, enzīma, kas, domājams, ir aktīvi iesaistīts osteoartrīta patoģenēzē. Intersticiālās kolagenāzes inhibitori (kolagenāze-1 vai matricas metaloproteināze (MMP)-1) bieži ir atrodami grauzējiem ar osteoartrīta modeli, bet cilvēka kolagenāzes-1 homologs grauzējiem nav atrasts un, iespējams, neeksistē. Tādējādi specifiski cilvēka kolagenāzes-1 inhibitori neuzrādīs terapeitisku efektivitāti grauzējiem ar eksperimentālu osteoartrītu. Lielākā daļa līdz šim izveidoto MMP inhibitoru ir neselektīvi un tāpēc inhibē kolagenāzi-3 (MMP-13), kas ir iesaistīta eksperimentālas osteoartrīta patoģenēzē grauzējiem. Turklāt, kā liecina NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994) pētījumi, cilvēka kolagenāze-3 tiek ekspresēta osteoartrīta pacientu locītavu skrimšļos un var būt nozīmīga slimības patoģenēzē.

Var pieņemt, ka šiem mediatoriem, receptoriem vai enzīmiem ir līdzīga loma modelētas osteoartrīta patoģenēzē konkrētam dzīvniekam un cilvēkiem. Piemērs ir leikotriēna B4 hemotaktiskā kapacitāte, kas tiek uzskatīta par vienādu cilvēkiem, pelēm un trušiem, bet šīs bioloģiski aktīvās vielas antagonistu aktivitāte starp dzīvnieku sugām atšķiras 1000 reižu. Lai izvairītos no šādām neprecizitātēm eksperimentos, ir jāizveido metodes, kas ļauj pētīt farmakodinamiku in vivo. Piemēram, ir iespējams pētīt jebkuru vielu ietekmi uz eksogēnu enzīmu vai mediatoru aktivitāti cilvēkiem. Šo metodi izmantoja V. Ganu et al. (1994), lai novērtētu MMP inhibitoru aktivitāti, nosakot zāļu spēju kavēt proteoglikānu izdalīšanos no locītavu skrimšļiem pēc cilvēka stromelesīna injekcijas truša ceļa locītavā.

Lai gan osteoartrīta eksperimentālajā modelī iegūtie rezultāti var novest pie nepareiza potenciālo DMOAD novērtējuma, osteoartrīta dzīvnieku modeļiem ir svarīga loma fundamentālajos pētījumos. Galīgo lēmumu par farmakoloģisko līdzekļu efektivitāti cilvēku slimību ārstēšanā var pieņemt tikai pēc III fāzes klīnisko pētījumu veikšanas ar cilvēkiem.