Експериментальне моделювання остеоартрозу у тварин

К.Р.Н. Pritzker (1994) визначив експериментальну модель будь-якої хвороби у тварин як «гомогенну групу тварин, у яких є успадкований, природно придбаний або експериментально індукований біологічний процес, що піддається науковому дослідженню, який по одному або декільком параметрам схожий з хворобою у людини». Моделі остеоартрозу у тварин зручні для дослідження еволюції структурних змін в суглобових тканинах для з'ясування того, як різні фактори ризику їх ініціюють або сприяють появі цих змін, а також для опеньки застосовуваних терапевтичних заходів. Необхідно пам'ятати, що остеоартроз - це захворювання не однієї тканини - суглобового хряща, а всіх тканин ураженого суглоба, включаючи субхондральну кістка, синовіальну оболонку, меніски, зв'язки, периартикулярні м'язи і аферентні нерви, закінчення яких лежать як зовні, так і всередині суглобової капсули. Проведені дослідження фармакологічних агентів на моделях у тварин фокусуються головним чином на їх вплив на суглобовий хрящ. На експериментальних моделях неможливо оцінити головний симптом остеоартрозу у людей - біль в суглобах. У той же час при моделюванні остеоартрозу у тварин не враховують ряд важливих факторів, що сприяють розвитку і прогресуванню остеоартрозу (наприклад, вертикальне положення тіла людини, слабкість періартикулярних м'язів і ін.).

Зрозуміло, найбільш наочною моделлю хвороби є та, яка має найбільшу схожість зі змінами при остеоартрозі у людини. Найбільший інтерес моделі остеоартрозу у тварин представляють в плані дослідження ефективності препаратів, «модифікуючих хвороба» (DMOAD - disease modifying OA drugs). Незважаючи на те, що ряд препаратів цієї групи запобігають розвитку або уповільнюють прогресування експериментально-індукованого або спонтанного остеоартрозу у тварин, при вивченні їх дії у людини все вони виявилися неефективними.

Моделі остеоартроз у тварин

Механізм моделі-вання	Вид тварин	Індукуючий фактор / агент	Джерело
Спонтанний остеоартроз	Морські свинки	Вік / надлишкова маса тіла	Bendele AM et al., 1989
	Миші STR / ORT, STR / INS	Генетична схильність	Gupta EP et al., 1993 Dunham J. Et al., 1989 Dunham J. Et al., 1990
	Чорні миші С57	Генетична схильність	OkabeT., 1989 StabescyR. Et al., 1993 Takahama A. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Миші	Мутація колагену II	Гарофалос etal., 1991
	Миші	Мутація колагену IX	Накатак etal, 1993
	Собаки	Дисплазія кульшового суглоба	SmaleG etal., 1995
	Примати	Генетична схильність	Alexander CJ, 1994 Carlson CS et al., 1994 ChateauvertJ.M. Etal., 1990
Хімічно індуці-ний остеоартроз	Курчата	Іодоацетат в / с *	Калбен Д.А., 1987
	Кролики	Папаин в / с	MarcelonG. Et al., 1976 CoulaisY. Et al., 1983 CoulaisY. Et al., 1984
	Морські свинки	Папаин в / с	TanakaH etal., 1992
	Собаки	Хімопапаіном в / с	Leipold HR et al., 1989
	Миші	Папаин в / с	Ван дер Кран П.М. Та ін., 1989
	Миші	Коллагеназа в / с	Ван дер Кран П.М. Та ін., 1989
	Миші	ТФР-Р в / с	Ван ден Берг Б.Б. 1995 р
	Кролики	Гіпертонічний розчин NaCI	Васильєв В. Etal .. 1992
Фізичний (хірургічний) індукційний роувінг остеоартроз	Собаки	Перетин передньої хрестоподібної зв'язки (унилатеральной)	Маршалл Дж.Л. Та ін., 1971 Брандт К.Д., 1994
	Собаки	Перетин передньої хрестоподібної зв'язки (білатерально)	Маршалл К.В. Чан А.Д., 1996
	Кролики	Перетин передньої хрестоподібної зв'язки	Крістенсен С.Б., 1983 р. VignonE. Etal., 1991
	Вівці	Менісектомія	Ghosh P. Et al., 1993
	Кролики	Менісектомія	FamA.G. Etal., 1995 Moswowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Морські свинки	Менісектомія	Бенделе А.М., 1987
	Морські свинки	Міоектомія	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. Etal., 1987 Dedrick DK et al., 1991
	Кролики	Контузія колінної чашечки	OegemaT.RJ, et al., 1993 MazieresB. Etal., 1990
	Кролики	Іммобілізація	Langenskiold A. Et al., 1979, Videman, 1982, 1982
	Собаки	Іммобілізація	Howell DS et al., 1992 Ratcliffe A. Et al., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Собаки	Денервації з подальшим перетином передньої хрестоподібної зв'язки	VilenskyJA et al., 1994

* В / с - внутрисуставно.

Фізично і хімічно індуковані моделі остеоартрозу дуже популярні в даний час, проте вони швидше відображають процеси, які спостерігаються при вторинному остеоартрозі у людини, ніж при ідіопатичному. Альтернативою їм є моделі спонтанного остеоартрозу у двоногих приматів і чотириногих тварин.

Деякі автори досить скептично ставляться до моделювання остеоартрозу у тварин взагалі. Так, на думку MEJ Billingham (1998), використання моделей для відкриття модифікуючих остеоартроз препаратів є «... Дорогу авантюру».

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]

Моделі спонтанного остеоартрозу

Практично у всіх інбрідних ліній мишей розвивається остеоартроз різного ступеня тяжкості і локалізації. Найбільш високу захворюваність на остеоартроз і найбільш важкий перебіг хвороби спостерігають у мишей ліній STR / ORT і STR / INS. Серед мишей лінії STR / ORT захворювання більш поширене, воно більш важкий перебіг у самців, ніж у самок. Первинне пошкодження суглобового хряща розвивається в медіальній частині пластинки великогомілкової кістки. Передбачалося, що появі змін в хрящі передує змішання надколінка, однак RG Evans і співавтори (1994), С. Collins і співавтори (1994) виявили, що у всіх мишей цієї лінії пошкодження хряща розвивається до 11 міс, проте не у всіх виявлено зсув надколінка . Ці ж автори виявили, що змін в суглобовому хрящі у мишей ліній STR / ORT часто передує хондроцітарно-остеобластная метаплазия клітин сухожиль і зв'язок навколо уражених колінних суглобів, що вказує на первинність цих змін в патогенезі остеоартрозу в даній моделі. Можливо, що первинна кальцифікація зв'язок і сухожиль змінює механічний тиск на внутрішньосуглобові структури і подальші зміни в суглобовому хрящі відображають спробу підтримати нормальну навантаження на суглоб. На відміну від моделей з використанням морських свинок і макак, у яких дегенерації хряща передують зміни в субхондральної кістки, у мишей ліній STR / ORT і STR / INS субхондральний склероз з'являється пізніше.

Перевагою даної моделі остеоартрозу є невеликий розмір тварин, що вимагає мінімальної витрати випробуваного фармакологічного агента. Однак розмір також є і недоліком, оскільки у мишей утруднений біохімічний, патогістологічний аналіз хряща.

Дослідження А.М. Bendele, JE Hulman (1988), А.М. Bendel і співавторів (1989), а також SCR Meacock і співавторів (1990), присвячені вивченню природного перебігу спонтанного остеоартрозу у морських свинок, активізували інтерес до цієї моделі хвороби. Починаючи з віку 13 міс у всіх самців морських свинок лінії Dunkin Hurtley з'являється дегенерація суглобового хряща. Аналогічні зміни у самок з'являються дещо пізніше і носять більш м'який характер. У віці 1 рік спостерігають повну втрату суглобового хряща в області медіального виростка стегнової кістки та платівки великогомілкової кістки. Збільшення маси тіла морських свіноклініі Dunkin Hurtley ускладнює перебіг хвороби, а зменшення маси тіла до 900 г і менше покращує перебіг остеоартрозу. У віці 8 тижнів в цій моделі вже виявляють зміни субхондральної кістки, тобто останні передують ураження хряща. Зміни хрестоподібних зв'язок колінних суглобів можуть прискорювати ремоделирование кісткової тканини.

Спонтанний остеоартроз розвивається у макак rhesus і cynomolgus. Дуже важливою перевагою приматів перед іншими тваринами, що використовуються для створення експериментальної моделі остеоартрозу, є двоногого. Захворювання розвивається у особин середнього / похилого віку. Ранніми гістологічними знахідками є потовщення субхондральної кістки з подальшим разволокнение суглобового хряща в області медіальної пластинки болилеберцовой кістки. Надалі в процес втягується і латеральна пластинка. Примітно, що дегенерація суглобового хряща починає розвиватися тільки після того, як товщина субхондральної кістки досягне 400 мкм. Зростання поширеності і ступеня тяжкості остеоартрозу у макак відбувається з віком, однак на ці показники не впливають стать і маса тіла. До теперішнього часу моделі остеоартрозу у приматів не використали для вивчення ефективності DMOADs.

Моделі фізично (хірургічно) індукованого остеоартрозу

Моделі остеоартрозу, засновані на хірургічно індукованої розпущеності колінних суглобів, що змінює механічний тиск на них, найбільш часто використовують у собак і кроликів. Найбільш широко застосовують модель з перетином хрестоподібних зв'язок у собак. При створенні хірургічних моделей остеоартрозу у кроликів використовують операції з перетинання хрестоподібних зв'язок з видаленням медіальних і колатеральних зв'язок або без такого, тотальну або парциальную меніскектомія, хірургічний розрив менісків. У морських свинок описані хірургічні моделі остеоартрозу, створені шляхом перетину хрестоподібних і колатеральних зв'язок, часткової меніскектоміі. Часткова меніскектомія у морських свинок веде до утворення остеофитов протягом 2 тижнів і надлишкової дегенерації суглобового хряща протягом 6 тижнів.

До недавнього часу до моделі остеоартрозу у собак, розвиненому після перетину передніх хрестоподібних зв'язок, ставилися скептично в зв'язку з відсутністю ульцерации хряща і помітного прогресування хвороби, які спостерігаються при остеоартрозі у людини. JL Marshall і S. - Е. Olsson (1971) виявили, що зміни в тканинах колінних суглобів у собак через 2 роки після операції практично не відрізнялися від зареєстрованих відразу після неї. Автори припустили, що механічні фактори (наприклад, фіброз суглобової капсули і утворення остеофітів) стабілізують розбовтаний після операції колінний суглоб і перешкоджають подальшому прогресуванню руйнування суглобного хряща. Також було запропоновано вважати дану модель моделлю пошкодження і репарації хряща, а не моделлю остеоартрозу. Однак результати досліджень, проведених KD Brandt і співавторами (1991), які триваліше вивчали динаміку змін в тканинах колінних суглобів, дестабілізувати перетином передніх хрестоподібних зв'язок, спростували припущення попередніх авторів.

С.А. McDevitt і співавтори (1973, 1977) виявили, що вже протягом перших днів після перетину хрестоподібних зв'язок збільшується синтез протеогліканів хондроцитами суглобового хряща. Протягом 64 тижнів після хірургічного індукції нестабільності колінного суглоба товщина суглобового хряща була вищою за норму, хоча біохімічні, метаболічні та гістологічні зміни в ньому відповідали таким при остеоартрозі. Це потовщення хряща асоціювалося з підвищеним синтезом протеогліканів і їх високою концентрацією в суглобовому хрящі. Використовуючи магнітно-резонансну томографію (MPT), ME Adams і KD Brandt (1991) показали, що після перетину хрестоподібних зв'язок гіпертрофія хряща підтримується протягом 36 міс, надалі виникає прогресуюча втрата хряща, так що вже через 45 міс велика частина суглобових поверхонь позбавлена хряща. Морфологічне дослідження хряща через 54 міс після операції підтвердило результати МРТ. Таким чином, М.Є. Adams і KD Brandt (1991) довели, що хірургічно индуцированную нестабільність колінних суглобів у собак можна вважати моделлю ОА.

Феномен гіпертрофічною репарації суглобового хряща добре ілюструє вищеописана модель остеоартрозу у собак. Однак відомо, що даний феномен властивий не тільки їй. Гіпертрофія суглобового хряща, яка носила репаративний характер, вперше була описана у хворих на остеоартроз EGL Bywaters (1937), а згодом LC Johnson. Її також виявляють і в інших моделях остеоартрозу - у кроликів після часткової меніскектоміі (Vignon E. Et al., 1983), у макак rhesus гіпертрофія хряща розвивається спонтанно.

Сучасне опис патогенезу акцентується головним чином на прогресуючої «втрати» хряща, проте часто автори не беруть до уваги його потовщення і посилення синтезу протеогліканів, що відповідає гомеостатической фазі стабілізованого остеоартрозу. Протягом цієї фази репарація хряща компенсує його втрату і може підтримувати суглоб у функціональному стані тривалий час. Але репаративная тканину часто не може справлятися з покладеним на неї механічним навантаженням так, як це робить здоровий суглобовий хрящ, що призводить до нездатності хондроцитов підтримувати нормальний склад матриксу та зниження синтезу протеогліканів. Розвивається кінцева стадія остеоартрозу.

Вивчення артропатии Шарко призвело до появи методу нейрогенного прискорення моделювання хірургічно індукованого остеоартрозу. Артропатія Шарко характеризується важкою деструкцією суглобів, суглобовими «мишами», випотом в суглоб, нестабільністю зв'язок, утворенням нової кісткової і хрящової тканини в межах суглоба. Загальна концепція патогенезу артропатии Шарко (нейрогенної) полягає в перериванні чутливих сигналів від пропріорецепторов і ноцицепторів кінцівок в центральну нервову систему (ЦНС). Для прискорення прогресування остеоартрозу, індукованого перетином передніх хрестоподібних зв'язок у собак, перед операцією виконують ганглійектомію або висічення иннервирующего суглоб нерва, що призводить до появи ерозій хряща вже в перший тиждень після операції. Цікаво, що новий DMOAD діацереїн виявився ефективним при використанні на повільно прогресуючої (нейрологічної интактной) моделі остеоартрозу, однак при нейрогенних прискореному експериментальному остеоартрозі препарат виявився неефективним.

На закінчення необхідно відзначити, що неможливо повністю оцінити ідентичність експериментальної моделі остеоартрозу і остеоартрозу у людини, оскільки етіологія і точні механізми патогенезу захворювання до теперішнього часу не з'ясовані. Як зазначалося раніше, основним завданням використання експериментальних моделей остеоартрозу у тварин є їх використання для оцінки ефективності нових препаратів, головним чином групи «модифікуючих хворобу». Імовірність того, наскільки результати лікування тварини співпадуть з результатами застосування експериментального фармакологічного агента у людини, також неможливо визначити. NS Doherty і співавтори (1998) акцентували увагу на значні відмінності між видами тварин, що використовуються для моделювання остеоартрозу, в плані різного розвитку патології, різних медіаторів, рецепторів, ферментів, що призводить до необ'єктивної екстраполяції терапевтичної активності нових препаратів, які використовуються у тварин, на людину . Прикладом може бути висока ефективність НПЗП при моделюванні запального артриту у гризунів. Це призвело до переоцінки ефективності НПЗП у людини, у якого простагландини не грають тієї фундаментальної ролі в патогенезі захворювання, яку вони відіграють у гризунів, а клінічна ефективність НПЗП швидше обмежена лікуванням симптомів, ніж модифікацією хвороби.

У той же час недооцінка нових фармакологічних агентів при вивченні їх ефективності на моделях у тварин може привести до втрати потенційно ефективних у людини терапевтичних агентів. Наприклад, солі золота, пеніциламін, хлорохін і сульфазалазін, що володіють певним ефектом при терапії ревматоїдного артриту, абсолютно не ефективні у тварин, яких використовують для скринінгу антиревматичних препаратів.

Відмінність відповіді тваринного з модельованих на остеоартроз і хворого на остеоартроз на лікування DMOAD багато в чому залежить від колагенази - ферменту, який, як вважають, бере активну участь в патогенезі остеоартрозу. У гризунів з модельованих ОА часто виявляють інгібітори інтерстиціальної колагенази (колагенази-1 або матричної металлопротеінази (ММП) -1), проте гомолог колагенази-1 людини у гризунів не знайдений, можливо, його не існує. Таким чином, специфічні інгібітори колагенази-1 людини не проявлять терапевтичну ефективність у гризунів з експериментальним остеоартрозом. Більшість інгібіторів ММП, створених до теперішнього часу, неселективні і тому пригнічують коллагеназу-3 (ММП-13), що бере участь в патогенезі експериментального остеоартрозу у гризунів. Більш того, як показали дослідження NRA Beeley і співавторів (1994), JMP Freije і співавторів (1994), коллагеназа-3 людини експресується в суглобовому хрящі хворих на остеоартроз і, можливо, грає роль в патогенезі захворювання.

Можна припустити, що дані медіатори, рецептори або ферменти відіграють аналогічну роль в патогенезі модельованого остеоартрозу у певної тварини і у людини. Прикладом може служити хемотаксичних здатність лейкотриена В4, яка у людини, миші і кролика вважається однаковою, однак активність антагоністів цього біологічно активної речовини між видами тварин різниться в 1000 разів. Для того щоб уникнути подібних неточностей в експериментах, необхідно створити методи, що дозволяють досліджувати фармакодинамику in vivo. Наприклад, можна вивчати вплив будь-яких речовин на активність екзогенних ферментів або медіаторів людини. Ця методика була застосована V Ganu і співавторами (1994) для оцінки активності інгібіторів ММП шляхом визначення здатності препаратів пригнічувати вивільнення протеогліканів з суглобового хряща після ін'єкції стромелезіна людини в колінний суглоб кролика.

Незважаючи на те що результати, отримані в експерименті на моделювати остеоартрозі, можуть привести до неправильної оцінки потенційних DMOAD, моделі остеоартрозу у тварин грають важливу роль в базисних дослідженнях. Остаточне ж рішення про ефективність фармакологічних агентів в терапії хвороб людини можна зробити тільки після проведення III фази клінічних випробувань у людини.