Eksperimentinis osteoartrito modeliavimas su gyvūnais

KRN Pritzker (1994) apibrėžė eksperimentinį bet kurios ligos gyvūnų modelį kaip „homogenišką gyvūnų grupę, kuriai būdingas paveldimas, natūraliai įgytas arba eksperimentiškai sukeltas biologinis procesas, tiriamas moksliniu būdu ir vienu ar keliais aspektais panašus į žmogaus ligą“. Osteoartrito gyvūnų modeliai yra naudingi tiriant sąnarių audinių struktūrinių pokyčių evoliuciją, nustatant, kaip įvairūs rizikos veiksniai inicijuoja arba skatina šiuos pokyčius, ir vertinant terapines priemones. Svarbu prisiminti, kad osteoartritas yra ne tik vieno audinio – sąnarinės kremzlės – liga, bet ir visų pažeisto sąnario audinių, įskaitant subchondrinį kaulą, sinovinę membraną, meniskus, raiščius, periartikulinius raumenis ir aferentinius nervus, kurių galūnės yra tiek sąnario kapsulės išorėje, tiek viduje, liga. Farmakologinių agentų tyrimai gyvūnų modeliuose daugiausia dėmesio skiria jų poveikiui sąnarinei kremzlei. Eksperimentiniuose modeliuose neįmanoma įvertinti pagrindinio osteoartrozės simptomo žmonėms – sąnarių skausmo. Tuo pačiu metu, modeliuojant osteoartritą gyvūnams, neatsižvelgiama į daugelį svarbių veiksnių, prisidedančių prie osteoartrozės vystymosi ir progresavimo (pavyzdžiui, žmogaus kūno vertikali padėtis, periartikulinių raumenų silpnumas ir kt.).

Žinoma, labiausiai iliustruojantis ligos modelis yra tas, kuris labiausiai panašus į žmogaus osteoartrito pokyčius. Gyvūnų osteoartrito modeliai yra labiausiai įdomūs tiriant ligą modifikuojančių osteoartrito vaistų (DMOAD) veiksmingumą. Nors nemažai šios grupės vaistų neleidžia vystytis arba sulėtina eksperimentiškai sukelto ar savaiminio osteoartrito progresavimą gyvūnams, visi jie buvo neveiksmingi tiriant jų poveikį žmonėms.

Osteoartrito gyvūnų modeliai

Modeliavimo mechanizmas	Gyvūnų rūšys	Sukeliantis veiksnys / agentas	Šaltinis
Spontaninis osteoartritas	Jūrų kiaulytės	Amžius / antsvoris	Bendele AM ir kt., 1989
	Pelės STR/ORT, STR/INS	Genetinis polinkis	Das-Gupta EP ir kt., 1993 Dunham J. ir kt., 1989 Dunham J. ir kt., 1990
	Juodosios pelės C57	Genetinis polinkis	OkabeT., 1989 StabescyR. ir kt., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM ir kt., 1990 m.
	Pelės	Kolageno II mutacija	GarofaloS. ir kt., 1991
	Pelės	Kolageno IX mutacija	NakataK. ir kt., 1993
	Šunys	Klubo displazija	SmaleG. ir kt., 1995
	Primatai	Genetinis polinkis	Alexander CJ, 1994 Carlson CS ir kt., 1994 Chateauvert JM ir kt., 1990
Chemiškai sukeltas osteoartritas	Vištos	Jodoacetato priemoka*	Kalbhen DA, 1987 m.
	Triušiai	Papaino priemoka	Marcelon G. ir kt., 1976 Coulais Y. ir kt., 1983 Coulais Y. ir kt., 1984
	Jūrų kiaulytės	Papaino priemoka	Tanaka H. ir kt., 1992
	Šunys	Chymopapainas prieš s	Leipold HR ir kt., 1989
	Pelės	Papaino priemoka	Van der Kraan PM ir kt., 1989
	Pelės	Kolagenazės priemoka	Van der Kraan PM ir kt., 1989
	Pelės	TFR-R prieš s	Van den Berg WB. 1995
	Triušiai	Hipertoninis NaCl tirpalas	Vasilev V. ir kt. 1992
Fiziškai (chirurginiu būdu) sukeltas osteoartritas	Šunys	Priekinio kryžminio raiščio perpjovimas (vienpusis)	Marshall JL ir kt., 1971 Brandt KD, 1994
	Šunys	Priekinio kryžminio raiščio perpjovimas (dvipusis)	Marshall KW Chan AD, 1996 m.
	Triušiai	Priekinio kryžminio raiščio perpjovimas	Christensen SB, 1983 VignonE. ir kt., 1991 m
	Avys	Meniskektomija	Ghosh P. ir kt., 1993
	Triušiai	Meniskektomija	FamA.G. ir kt., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Jūrų kiaulytės	Meniskektomija	Bendele AM, 1987 m.
	Jūrų kiaulytės	Miektomija	ArseverC.L., BoleG.G., 1986; LaytonM.W. ir kt., 1987; Dedrick DK ir kt., 1991
	Triušiai	Girnelės sumušimas	Oegema TRJ ir kt., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Triušiai	Imobilizacija	Langenskiold A. ir kt., 1979 Videman T., 1982
	Šunys	Imobilizacija	Howell DS ir kt., 1992; Ratcliffe A. ir kt., 1994; Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Šunys	Denervacija, po kurios atliekama priekinio kryžminio raiščio perpjovimas	VilenskyJA ir kt., 1994

* intraartikulinis – intraartikulinis.

Fiziškai ir chemiškai sukelti osteoartrozės modeliai šiuo metu yra labai populiarūs, tačiau jie atspindi procesus, stebimus antrinės osteoartrozės metu žmonėms, o ne idiopatinę osteoartritą. Alternatyva jiems yra savaiminės osteoartrozės modeliai dvikojams primatams ir keturkojams.

Kai kurie autoriai gana skeptiškai vertina osteoartrito modeliavimą gyvūnams apskritai. Taigi, pasak MEJ Billingham (1998), modelių naudojimas osteoartritą modifikuojančių vaistų atradimui yra „...brangus rizikavimas“.

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

Spontaninio osteoartrito modeliai

Beveik visoms įbredusioms pelių padermėms išsivysto įvairaus sunkumo ir lokalizacijos osteoartrozė. Didžiausias osteoartrozės dažnis ir sunkiausia ligos eiga stebima STR/ORT ir STR/INS padermių pelėms. Tarp STR/ORT pelių liga yra dažnesnė ir sunkesnė patinams nei patelėms. Pirminis sąnarinės kremzlės pažeidimas išsivysto vidurinėje blauzdikaulio plokštelės dalyje. Buvo manoma, kad prieš kremzlės pokyčių atsiradimą pasireiškia girnelės išnirimas, tačiau RG Evans ir kt. (1994), C. Collins ir kt. (1994) nustatė, kad visoms šios padermės pelėms kremzlės pažeidimas išsivysto iki 11 mėnesių, tačiau ne visoms iš jų pasireiškė girnelės išnirimas. Tie patys autoriai nustatė, kad STR/ORT pelių sąnarinės kremzlės pokyčius dažnai lydi chondrocitų-osteoblastinė sausgyslių ir raiščių ląstelių metaplazija aplink pažeistus kelio sąnarius, o tai rodo, kad šie pokyčiai yra pirminiai osteoartrito patogenezėje šiame modelyje. Gali būti, kad pradinis raiščių ir sausgyslių kalcifikavimas pakeičia mechaninį įtempį sąnarinėms struktūroms ir kad vėlesni sąnarinės kremzlės pokyčiai atspindi bandymą palaikyti normalų sąnario apkrovimą. Skirtingai nuo jūrų kiaulyčių ir makakų modelių, kuriuose prieš kremzlės degeneraciją įvyksta subchondrinio kaulo pokyčiai, subchondrinė sklerozė STR/ORT ir STR/INS pelėms pasireiškia vėliau.

Šio osteoartrozės modelio privalumas yra mažas gyvūnų dydis, kuriam reikia minimalaus tiriamojo farmakologinio agento suvartojimo. Tačiau dydis yra ir trūkumas, nes pelių kremzlių biocheminė ir patohistologinė analizė yra sudėtinga.

AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel ir kt. (1989) ir SCR Meacock ir kt. (1990) tyrimai, skirti natūraliai savaiminei osteoartrito eigai jūrų kiaulytėms tirti, paskatino susidomėjimą šiuo ligos modeliu. Nuo 13 mėnesių amžiaus visoms Dunkin Hurtley jūrų kiaulytėms patinams pasireiškia sąnarinės kremzlės degeneracija. Panašūs pokyčiai patelėms atsiranda šiek tiek vėliau ir yra lengvesni. Sulaukus 1 metų amžiaus, stebimas visiškas sąnarinės kremzlės praradimas šlaunikaulio medialinio krumplio ir blauzdikaulio plokštelės srityje. Dunkin Hurtley jūrų kiaulyčių kūno svorio padidėjimas pablogina ligos eigą, o kūno svorio sumažėjimas iki 900 g ar mažiau pagerina osteoartrozės eigą. 8 savaičių amžiuje šiame modelyje jau nustatomi subchondrinio kaulo pokyčiai, t. y. pastarieji yra prieš kremzlės pažeidimą. Kelio sąnarių kryžminių raiščių pokyčiai gali paspartinti kaulų remodeliaciją.

Rezus ir cynomolgus makakoms išsivysto savaiminė osteoartrozė. Labai svarbus primatų pranašumas, palyginti su kitais gyvūnais, naudojamais kuriant eksperimentinį osteoartrozės modelį, yra jų dvikojis ėjimas. Liga vystosi vidutinio/vyresnio amžiaus asmenims. Ankstyvieji histologiniai radiniai apima subchondrinio kaulo sustorėjimą, po kurio seka sąnarinės kremzlės irimas blauzdikaulio medialinės plokštelės srityje. Vėliau procese dalyvauja ir šoninė plokštelė. Pažymėtina, kad sąnarinės kremzlės degeneracija pradeda vystytis tik tada, kai subchondrinio kaulo storis pasiekia 400 μm. Osteoartrozės paplitimas ir sunkumas makakoms didėja su amžiumi, tačiau šiems rodikliams lytis ir kūno svoris įtakos neturi. Iki šiol primatų osteoartrozės modeliai nebuvo naudojami DMOAD veiksmingumui tirti.

Fiziškai (chirurginiu būdu) sukelto osteoartrito modeliai

Šunims ir triušiams dažniausiai naudojami osteoartrito modeliai, pagrįsti chirurginiu būdu sukeltu kelio sąnario laisvumu, kuris pakeičia mechaninį kelio sąnario įtempimą. Plačiausiai naudojamas modelis yra su kryžminių raiščių perpjovimu šunims. Chirurginiai triušių osteoartrito modeliai apima kryžminių raiščių perpjovimą su medialinių ir šoninių raiščių pašalinimu arba be jo, visišką arba dalinę meniskektomiją ir chirurginį menisko plyšimą. Aprašyti chirurginiai jūrų kiaulyčių osteoartrito modeliai, apimantys kryžminių ir šoninių raiščių perpjovimą ir dalinę meniskektomiją. Dalinė meniskektomija jūrų kiaulytėms sukelia osteofitų susidarymą per 2 savaites ir per didelę sąnarinės kremzlės degeneraciją per 6 savaites.

Iki šiol šunų osteoartrito modelis po priekinio kryžminio raiščio perpjovimo buvo vertinamas skeptiškai dėl kremzlės išopėjimo nebuvimo ir ryškios ligos progresavimo, pastebėto žmogaus osteoartrito atveju. J. L. Marshallas ir S.-E. Olssonas (1971) nustatė, kad šunų kelio sąnarių audinių pokyčiai praėjus 2 metams po operacijos buvo praktiškai identiški tiems, kurie buvo užfiksuoti iškart po operacijos. Autoriai teigė, kad mechaniniai veiksniai (pvz., sąnario kapsulės fibrozė ir osteofitų susidarymas) stabilizuoja pooperaciniu būdu atsipalaidavusį kelio sąnarį ir užkerta kelią tolesniam sąnarinės kremzlės irimo progresavimui. Taip pat buvo siūloma šį modelį laikyti kremzlės pažeidimo ir atstatymo, o ne osteoartrito modeliu. Tačiau K. D. Brandt ir kt. (1991) atliktų tyrimų, kuriuose ilgesnį laiką buvo tirta priekinių kryžminių raiščių susikirtimo destabilizuotų kelio sąnarių audinių pokyčių dinamika, rezultatai paneigė ankstesnių autorių prielaidas.

SA McDevitt ir kt. (1973, 1977) nustatė, kad jau per pirmąsias dienas po kryžminių raiščių perpjovimo padidėja sąnarinės kremzlės chondrocitų proteoglikanų sintezė. Per 64 savaites po chirurginio kelio sąnario nestabilumo sukėlimo sąnarinės kremzlės storis buvo didesnis nei įprastai, nors biocheminiai, metaboliniai ir histologiniai pokyčiai joje atitiko pokyčius, atsiradusius sergant osteoartritu. Šis kremzlės sustorėjimas buvo susijęs su padidėjusia proteoglikanų sinteze ir didele jų koncentracija sąnarinėje kremzlėje. Naudodami magnetinio rezonanso tomografiją (MRT), ME Adams ir KD Brandt (1991) parodė, kad po kryžminių raiščių perpjovimo kremzlės hipertrofija išlieka 36 mėnesius, po to vyksta laipsniškas kremzlės nykimas, todėl po 45 mėnesių dauguma sąnarinių paviršių lieka be kremzlės. Morfologinis kremzlės tyrimas praėjus 54 mėnesiams po operacijos patvirtino MRT išvadas. Taigi, ME Adams ir KD Brandt (1991) parodė, kad chirurginiu būdu sukeltas kelio sąnarių nestabilumas šunims gali būti laikomas osteoartrito modeliu.

Sąnarinės kremzlės hipertrofinės reparacijos reiškinį gerai iliustruoja aukščiau aprašytas šunų osteoartrozės modelis. Tačiau žinoma, kad šis reiškinys būdingas ne tik jam. Sąnarinės kremzlės hipertrofiją, kuri buvo reparacinio pobūdžio, pirmą kartą pacientams, sergantiems osteoartroze, aprašė EGL Bywaters (1937 m.), o vėliau – LC Johnson. Ji aptinkama ir kituose osteoartrozės modeliuose – triušiams po dalinės meniskektomijos (Vignon E. ir kt., 1983 m.), rezus makakoms kremzlės hipertrofija išsivysto savaime.

Šiuolaikiniai patogenezės aprašymai daugiausia dėmesio skiria progresuojančiam kremzlės „nykimui“, tačiau autoriai dažnai nepastebi jos sustorėjimo ir padidėjusios proteoglikanų sintezės, kuri atitinka stabilizuotos osteoartrozės homeostatinę fazę. Šios fazės metu kremzlės reparacija kompensuoja jos praradimą ir gali ilgą laiką palaikyti sąnarį funkcinėje būsenoje. Tačiau reparacinis audinys dažnai negali susidoroti su jam tenkančiu mechaniniu krūviu taip pat, kaip sveika sąnario kremzlė, todėl chondrocitai negali išlaikyti normalios matricos sudėties ir sumažėja proteoglikanų sintezė. Išsivysto paskutinė osteoartrozės stadija.

Charcot artropatijos tyrimai paskatino sukurti chirurginiu būdu sukeltos osteoartrito modeliavimo neurogeninio pagreitinimo metodą. Charcot artropatijai būdingas sunkus sąnario pažeidimas, sąnario „pelės“, sąnario išsiliejimas, raiščių nestabilumas ir naujo kaulinio bei kremzlinio audinio susidarymas sąnaryje. Bendra Charcot (neurogeninės) artropatijos patogenezės koncepcija yra sensorinių signalų, siunčiamų iš galūnės proprioreceptorių ir nociceptorių į centrinę nervų sistemą (CNS), nutrūkimas. Siekiant pagreitinti osteoartrozės, kurią sukelia priekinių kryžminių raiščių perpjovimas šunims, progresavimą, prieš operaciją atliekama ganglionektomija arba sąnarį inervuojančio nervo iškirpimas, dėl kurio jau pirmąją savaitę po operacijos atsiranda kremzlės erozijos. Įdomu tai, kad naujasis DMOAD diacereinas buvo veiksmingas, kai buvo naudojamas lėtai progresuojančiame (neurologiškai nepažeistame) osteoartrito modelyje, tačiau buvo neveiksmingas neurogeniškai pagreitintame eksperimentiniame osteoartrite.

Apibendrinant reikėtų pažymėti, kad neįmanoma iki galo įvertinti eksperimentinio osteoartrito ir osteoartrito modelio tapatumo žmonėms, nes dar nėra išaiškinta ligos etiologija ir tikslūs patogenezės mechanizmai. Kaip minėta anksčiau, pagrindinis eksperimentinių osteoartrito modelių, skirtų gyvūnams, naudojimo tikslas yra įvertinti naujų vaistų, daugiausia „ligą modifikuojančių“ grupės, veiksmingumą. Taip pat neįmanoma nustatyti, kiek gydymo gyvūnui rezultatai sutaps su eksperimentinio farmakologinio agento naudojimo žmonėms rezultatais. N. S. Doherty ir kt. (1998) pabrėžė reikšmingus skirtumus tarp gyvūnų rūšių, naudojamų osteoartritui modeliuoti, atsižvelgiant į skirtingą patologijos vystymąsi, įvairius mediatorius, receptorius, fermentus, o tai leidžia objektyviai ekstrapoliuoti naujų vaistų, naudojamų gyvūnams, terapinį aktyvumą žmonėms. Pavyzdys yra didelis NVNU veiksmingumas modeliuojant uždegiminį artritą graužikams. Dėl to buvo iš naujo įvertintas NVNU veiksmingumas žmonėms, kuriems prostaglandinai neatlieka tokio pagrindinio vaidmens ligos patogenezėje kaip graužikams, o NVNU klinikinis veiksmingumas apsiriboja simptomų gydymu, o ne ligos modifikavimu.

Tuo pačiu metu, naujų farmakologinių agentų veiksmingumo gyvūnų modeliuose tyrimas gali lemti potencialiai veiksmingų terapinių agentų žmonėms praradimą. Pavyzdžiui, aukso druskos, penicilaminas, chlorokvinas ir sulfasalazinas, kurie turi tam tikrą poveikį reumatoidinio artrito gydymui, yra absoliučiai neveiksmingi gyvūnams, naudojamiems antireumatiniams vaistams tirti.

Skirtingas atsakas į gydymą DMOAD tarp gyvūnų osteoartrito modelio ir paciento, sergančio osteoartritu, labai priklauso nuo kolagenazės – fermento, kuris, kaip manoma, aktyviai dalyvauja osteoartrito patogenezėje. Intersticinės kolagenazės inhibitoriai (kolagenazė-1 arba matricos metaloproteinazė (MMP)-1) dažnai randami graužikams, sergantiems osteoartrito modeliu, tačiau žmogaus kolagenazės-1 homologo graužikams nerasta ir gali ir neegzistuoti. Taigi, specifiniai žmogaus kolagenazės-1 inhibitoriai neturės terapinio veiksmingumo graužikams, sergantiems eksperimentine osteoartritu. Dauguma iki šiol sukurtų MMP inhibitorių yra neselektyvūs, todėl slopina kolagenazę-3 (MMP-13), kuri dalyvauja eksperimentinės osteoartrozės patogenezėje graužikams. Be to, kaip parodė NRA Beeley ir kt. (1994), JMP Freije ir kt. (1994) tyrimai, žmogaus kolagenazė-3 yra ekspresuojama pacientų, sergančių osteoartritu, sąnarinėje kremzlėje ir gali atlikti svarbų vaidmenį ligos patogenezėje.

Galima daryti prielaidą, kad šie mediatoriai, receptoriai ar fermentai vaidina panašų vaidmenį modeliuojamos osteoartrozės patogenezėje konkrečiam gyvūnui ir žmonėms. Pavyzdys yra leukotrieno B4 chemotaksinis pajėgumas, kuris laikomas vienodu žmonėms, pelėms ir triušiams, tačiau šios biologiškai aktyvios medžiagos antagonistų aktyvumas tarp gyvūnų rūšių skiriasi 1000 kartų. Siekiant išvengti tokių netikslumų eksperimentuose, būtina sukurti metodus, leidžiančius tirti farmakodinamiką in vivo. Pavyzdžiui, galima tirti bet kokių medžiagų poveikį egzogeninių fermentų ar mediatorių aktyvumui žmonėms. Šią techniką V. Ganu ir kt. (1994) naudojo MMP inhibitorių aktyvumui įvertinti, nustatydami vaistų gebėjimą slopinti proteoglikanų išsiskyrimą iš sąnarinės kremzlės po žmogaus stromelezino injekcijos į triušio kelio sąnarį.

Nors eksperimentinio osteoartrozės modelio rezultatai gali lemti neteisingą galimų DMOAD vertinimą, gyvūnų osteoartrozės modeliai atlieka svarbų vaidmenį fundamentiniuose tyrimuose. Galutinį sprendimą dėl farmakologinių preparatų veiksmingumo gydant žmonių ligas galima priimti tik atlikus III fazės klinikinius tyrimus su žmonėmis.