Experimentální modelování osteoartrózy u zvířat

KRN Pritzker (1994) definoval experimentální zvířecí model jakékoli nemoci jako „homogenní skupinu zvířat, která vykazují zděděný, přirozeně získaný nebo experimentálně indukovaný biologický proces, podléhající vědeckému zkoumání, který je v jednom nebo více ohledech podobný onemocnění u člověka.“ Zvířecí modely osteoartrózy jsou užitečné pro studium vývoje strukturálních změn v kloubních tkáních, pro určení, jak různé rizikové faktory tyto změny iniciují nebo podporují, a pro vyhodnocení terapeutických opatření. Je důležité si uvědomit, že osteoartróza není onemocněním pouze jedné tkáně, kloubní chrupavky, ale všech tkání postiženého kloubu, včetně subchondrální kosti, synoviální membrány, menisků, vazů, periartikulárních svalů a aferentních nervů s zakončeními vně i uvnitř kloubního pouzdra. Studie farmakologických látek na zvířecích modelech se zaměřují především na jejich účinky na kloubní chrupavku. V experimentálních modelech není možné vyhodnotit hlavní příznak osteoartrózy u lidí – bolest kloubů. Zároveň se při modelování osteoartrózy u zvířat nebere v úvahu řada důležitých faktorů přispívajících k rozvoji a progresi osteoartrózy (například vertikální poloha lidského těla, slabost periartikulárních svalů atd.).

Nejnázornějším modelem onemocnění je samozřejmě ten, který má největší podobnost se změnami v lidské osteoartróze. Zvířecí modely osteoartrózy jsou nejzajímavější z hlediska studia účinnosti léků modifikujících onemocnění osteoartrózy (DMOAD). Ačkoli řada léků v této skupině zabraňuje rozvoji nebo zpomaluje progresi experimentálně indukované nebo spontánní osteoartrózy u zvířat, všechny byly neúčinné při studiu jejich účinků u lidí.

Zvířecí modely osteoartrózy

Modelovací mechanismus	Druhy zvířat	Indukční faktor/činidlo	Zdroj
Spontánní osteoartróza	Morčata	Věk/nadváha	Bendele AM a kol., 1989
	Myši STR/ORT, STR/INS	Genetická predispozice	Das-Gupta EP a kol., 1993 Dunham J. a další, 1989 Dunham J. a další, 1990
	Černé myši C57	Genetická predispozice	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Myši	Mutace kolagenu II	GarofaloS. a kol., 1991
	Myši	Mutace kolagenu IX	NakataK. a kol., 1993
	Psi	Dysplazie kyčelního kloubu	SmaleG. a kol., 1995
	Primáti	Genetická predispozice	Alexander CJ, 1994 Carlson CS a kol., 1994 Chateauvert JM a kol., 1990
Chemicky indukovaná osteoartróza	Kuřata	Prémie za jodoacetát*	Kalbhen DA, 1987
	Králíci	Papain prémiový	Marcelon G. a kol., 1976 Coulais Y. a kol., 1983 Coulais Y. a kol., 1984
	Morčata	Papain prémiový	Tanaka H. a kol., 1992
	Psi	Chymopapain vs.	Leipold HR a kol., 1989
	Myši	Papain 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
	Králíci	Hypertonický roztok NaCl	Vasilev V. a kol., 1992
Fyzikálně (chirurgicky) indukovaná osteoartróza	Psi	Transekce předního zkříženého vazu (jednostranná)	Marshall JL a kol., 1971 Brandt KD, 1994
	Psi	Transekce předního zkříženého vazu (oboustranná)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Králíci	Transekce předního zkříženého vazu	Christensen SB, 1983 VignonE. a kol., 1991
	Ovce	Meniscektomie	Ghosh P. a kol., 1993
	Králíci	Meniscektomie	FamA.G. a další, 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Morčata	Meniscektomie	Bendele AM, 1987
	Morčata	Myektomie	ArseverC.L., BoleG.G., 1986 LaytonM.W. a další, 1987 Dedrick DK a další, 1991
	Králíci	Zhmoždění pately	Oegema TRJ a kol., 1993 Mazieres B. a kol., 1990
	Králíci	Imobilizace	Langenskiold A. a kol., 1979 Videman T., 1982
	Psi	Imobilizace	Howell DS a kol., 1992 Ratcliffe A. a kol., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Psi	Denervace s následnou transekcí předního zkříženého vazu	Vilenský JA a kol., 1994

* intraartikulární - intraartikulární.

Fyzikálně a chemicky indukované modely osteoartrózy jsou v současnosti velmi populární, ale odrážejí spíše procesy pozorované u sekundární osteoartózy u lidí než u idiopatické osteoartózy. Alternativou k nim jsou modely spontánní osteoartrózy u bipedálních primátů a čtyřnožců.

Někteří autoři jsou obecně poměrně skeptičtí k modelování osteoartrózy u zvířat. Podle MEJ Billinghama (1998) je tedy použití modelů pro objevování léků modifikujících osteoartrózu „...drahým hazardem“.

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

Modely spontánní osteoartrózy

Téměř všechny inbrední myší kmeny vyvíjejí osteoartrózu různé závažnosti a lokalizace. Nejvyšší výskyt osteoartrózy a nejzávažnější průběh onemocnění jsou pozorovány u myší kmenů STR/ORT a STR/INS. U myší STR/ORT je onemocnění častější a u samců je závažnější než u samic. Primární poškození kloubní chrupavky se vyvíjí v mediální části tibiální ploténky. Předpokládalo se, že vzniku změn v chrupavce předchází dislokace pately, nicméně RG Evans a kol. (1994), C. Collins a kol. (1994) zjistili, že u všech myší tohoto kmene se poškození chrupavky vyvíjí do 11 měsíců, ale ne u všech došlo k dislokaci pately. Titíž autoři zjistili, že změnám v kloubní chrupavce u myší STR/ORT často předchází chondrocyto-osteoblastická metaplazie šlachových a vazivových buněk kolem postižených kolenních kloubů, což naznačuje, že tyto změny jsou primární v patogenezi osteoartrózy v tomto modelu. Je možné, že počáteční kalcifikace vazů a šlach mění mechanické namáhání intraartikulárních struktur a že následné změny v kloubní chrupavce odrážejí snahu o udržení normálního zatížení kloubu. Na rozdíl od modelů morčat a makaků, u kterých degeneraci chrupavky předcházejí změny v subchondrální kosti, se subchondrální skleróza u myší STR/ORT a STR/INS objevuje později.

Výhodou tohoto modelu osteoartrózy je malá velikost zvířat, která vyžaduje minimální spotřebu testovaného farmakologického činidla. Velikost je však zároveň nevýhodou, protože biochemická a patohistologická analýza chrupavky u myší je obtížná.

Studie A. M. Bendeleho, J. E. Hulmana (1988), A. M. Bendela a kol. (1989) a S. C. R. Meacocka a kol. (1990) věnované studiu přirozeného průběhu spontánní osteoartrózy u morčat podnítily zájem o tento model onemocnění. Počínaje 13. měsícem věku se u všech samců morčat plemene Dunkin Hurtley rozvíjí degenerace kloubní chrupavky. Podobné změny u samic se objevují o něco později a jsou mírnější. Ve věku 1 roku je pozorována úplná ztráta kloubní chrupavky v oblasti mediálního kondylu stehenní kosti a tibiální ploténky. Zvýšení tělesné hmotnosti morčat plemene Dunkin Hurtley průběh onemocnění zhoršuje a snížení tělesné hmotnosti na 900 g nebo méně průběh osteoartrózy zlepšuje. Ve věku 8 týdnů jsou v tomto modelu již detekovány změny v subchondrální kosti, tj. ty předcházejí poškození chrupavky. Změny v zkřížených vazech kolenních kloubů mohou urychlit remodelaci kostí.

U makaků rhesus a cynomolgus se rozvíjí spontánní osteoartróza. Velmi důležitou výhodou primátů oproti jiným zvířatům použitým k vytvoření experimentálního modelu osteoartrózy je jejich bipedalismus. Onemocnění se rozvíjí u jedinců středního/staršího věku. Mezi časné histologické nálezy patří ztluštění subchondrální kosti následované třepením kloubní chrupavky v oblasti mediální ploténky tibie. Později se do procesu zapojuje i laterální ploténka. Je pozoruhodné, že degenerace kloubní chrupavky se začíná rozvíjet až poté, co tloušťka subchondrální kosti dosáhne 400 μm. Prevalence a závažnost osteoartrózy u makaků se zvyšuje s věkem, ale tyto ukazatele nejsou ovlivněny pohlavím a tělesnou hmotností. Dosud nebyly modely osteoartrózy u primátů použity ke studiu účinnosti DMOAD.

Modely fyzikálně (chirurgicky) indukované osteoartrózy

Modely osteoartrózy založené na chirurgicky vyvolané laxitě kolene, která mění mechanické namáhání kolenního kloubu, se nejčastěji používají u psů a králíků. Nejpoužívanějším modelem je model s transekcí zkříženého vazu u psů. Chirurgické modely osteoartrózy u králíků zahrnují transekci zkřížených vazů s excizí mediálních a kolaterálních vazů nebo bez ní, totální nebo částečnou meniscektomii a chirurgické natržení menisků. Byly popsány chirurgické modely osteoartrózy u morčat, které zahrnují transekci zkřížených a kolaterálních vazů a částečnou meniscektomii. Částečná meniscektomie u morčat vede k tvorbě osteofytů během 2 týdnů a k nadměrné degeneraci kloubní chrupavky během 6 týdnů.

Až donedávna byl psí model osteoartrózy po transekci předního zkříženého vazu vnímán skepticky kvůli absenci ulcerace chrupavky a výrazné progrese onemocnění pozorované u lidské osteoartrózy. JL Marshall a S. - E. Olsson (1971) zjistili, že změny v tkáních kolenních kloubů psů 2 roky po operaci byly prakticky identické se změnami zaznamenanými bezprostředně po operaci. Autoři se domnívali, že mechanické faktory (např. fibróza kloubního pouzdra a tvorba osteofytů) stabilizují pooperačně uvolněný kolenní kloub a zabraňují další progresi destrukce kloubní chrupavky. Bylo také navrženo, aby byl tento model považován spíše za model poškození a opravy chrupavky než za model osteoartrózy. Výsledky studií provedených KD Brandtem a kol. (1991), kteří studovali dynamiku změn v tkáních kolenních kloubů destabilizovaných interekcí předních zkřížených vazů po delší dobu, však vyvrátily předpoklady předchozích autorů.

SA McDevitt a kol. (1973, 1977) zjistili, že již během prvních dnů po transekci zkříženého vazu se zvyšuje syntéza proteoglykanů chondrocyty kloubní chrupavky. Během 64 týdnů po chirurgickém vyvolání nestability kolenního kloubu byla tloušťka kloubní chrupavky vyšší než obvykle, ačkoli biochemické, metabolické a histologické změny v ní odpovídaly změnám při osteoartróze. Toto ztluštění chrupavky bylo spojeno se zvýšenou syntézou proteoglykanů a jejich vysokou koncentrací v kloubní chrupavce. Pomocí magnetické rezonance (MRI) ME Adams a KD Brandt (1991) ukázali, že po transekci zkřížených vazů se hypertrofie chrupavky udržuje po dobu 36 měsíců, poté dochází k progresivní ztrátě chrupavky, takže po 45 měsících je většina kloubních ploch bez chrupavky. Morfologické vyšetření chrupavky 54 měsíců po operaci potvrdilo nálezy z MRI. ME Adams a KD Brandt (1991) tak prokázali, že chirurgicky vyvolanou instabilitu kolenních kloubů u psů lze považovat za model osteoartrózy.

Fenomén hypertrofické reparace kloubní chrupavky je dobře ilustrován výše popsaným modelem osteoartrózy u psů. Je však známo, že tento jev není pro ni jedinečný. Hypertrofii kloubní chrupavky, která měla reparativní charakter, poprvé popsal u pacientů s osteoartrózou EGL Bywaters (1937) a později LC Johnson. Vyskytuje se i v jiných modelech osteoartrózy - u králíků po parciální meniscektomii (Vignon E. et al., 1983), u makaků rhesus se hypertrofie chrupavky vyvíjí spontánně.

Moderní popisy patogeneze se zaměřují především na progresivní „ztrátu“ chrupavky, ale autoři často přehlížejí její ztluštění a zvýšenou syntézu proteoglykanů, což odpovídá homeostatické fázi stabilizované osteoartrózy. Během této fáze reparace chrupavky kompenzuje její ztrátu a dokáže kloub dlouhodobě udržovat ve funkčním stavu. Reparativní tkáň se však často nedokáže vyrovnat s mechanickou zátěží, která je na ni kladena, stejně jako zdravá kloubní chrupavka, což vede k neschopnosti chondrocytů udržovat normální složení matrix a ke snížení syntézy proteoglykanů. Rozvíjí se konečné stádium osteoartrózy.

Studium Charcotovy artropatie vedlo k vývoji metody pro neurogenní akceleraci modelování chirurgicky indukované osteoartrózy. Charcotova artropatie je charakterizována těžkou destrukcí kloubů, kloubními "myšmi", kloubním výpotkem, nestabilitou vazů a tvorbou nové kostní a chrupavčité tkáně uvnitř kloubu. Obecný koncept patogeneze Charcotovy (neurogenní) artropatie spočívá v přerušení senzorických signálů z proprioceptorů a nociceptorů končetin do centrálního nervového systému (CNS). Pro urychlení progrese osteoartrózy indukované transekcí předních zkřížených vazů u psů se před operací provádí ganglionektomie neboli excize nervu inervujícího kloub, což vede k výskytu erozí chrupavky již v prvním týdnu po operaci. Je zajímavé, že nový diacerein DMOAD byl účinný při použití v pomalu progresivním (neurologicky intaktním) modelu osteoartrózy, ale byl neúčinný u neurogenně akcelerované experimentální osteoartrózy.

Závěrem je třeba poznamenat, že není možné plně posoudit identitu experimentálního modelu osteoartrózy a osteoartrózy u lidí, protože etiologie a přesné mechanismy patogeneze onemocnění dosud nebyly objasněny. Jak již bylo uvedeno, hlavním účelem použití experimentálních modelů osteoartrózy u zvířat je jejich využití k posouzení účinnosti nových léků, zejména skupiny „modifikujících onemocnění“. Pravděpodobnost, do jaké míry se výsledky léčby u zvířete budou shodovat s výsledky použití experimentálního farmakologického činidla u lidí, je také nemožné určit. N. S. Doherty a kol. (1998) zdůraznili významné rozdíly mezi druhy zvířat použitými k modelování osteoartrózy, pokud jde o odlišný vývoj patologie, různé mediátory, receptory, enzymy, což vede k objektivní extrapolaci terapeutické aktivity nových léků používaných u zvířat na člověka. Příkladem je vysoká účinnost NSAID při modelování zánětlivé artritidy u hlodavců. To vedlo k přehodnocení účinnosti NSAID u lidí, u kterých prostaglandiny nehrají v patogenezi onemocnění takovou zásadní roli jako u hlodavců a klinická účinnost NSAID je omezena spíše na léčbu symptomů než na modifikaci onemocnění.

Zároveň podceňování nových farmakologických látek při studiu jejich účinnosti na zvířecích modelech může vést ke ztrátě potenciálně účinných terapeutických látek u lidí. Například soli zlata, penicilamin, chlorochin a sulfasalazin, které mají určitý účinek při léčbě revmatoidní artritidy, jsou u zvířat používaných ke screeningu antirevmatických léků absolutně neúčinné.

Rozdíl v reakci na léčbu DMOAD mezi zvířecím modelem osteoartrózy a pacientem s osteoartrózou do značné míry závisí na kolagenáze, enzymu, o kterém se předpokládá, že se aktivně podílí na patogenezi osteoartrózy. Inhibitory intersticiální kolagenázy (kolagenáza-1 nebo matrixová metaloproteináza (MMP)-1) se často nacházejí u hlodavců s modelovou osteoartrózou, ale homolog lidské kolagenázy-1 nebyl u hlodavců nalezen a nemusí existovat. Specifické inhibitory lidské kolagenázy-1 tedy nebudou u hlodavců s experimentální osteoartrózou vykazovat terapeutickou účinnost. Většina dosud vytvořených inhibitorů MMP je neselektivní, a proto inhibuje kolagenázu-3 (MMP-13), která se podílí na patogenezi experimentální osteoartrózy u hlodavců. Navíc, jak ukázaly studie NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994), lidská kolagenáza-3 je exprimována v kloubní chrupavce pacientů s osteoartrózou a může hrát roli v patogenezi onemocnění.

Lze předpokládat, že tyto mediátory, receptory nebo enzymy hrají podobnou roli v patogenezi modelované osteoartrózy u konkrétního zvířete a u lidí. Příkladem je chemotaktická kapacita leukotrienu B4, která je považována za stejnou u lidí, myší a králíků, ale aktivita antagonistů této biologicky aktivní látky se mezi druhy zvířat liší až 1000krát. Aby se předešlo takovým nepřesnostem v experimentech, je nutné vytvořit metody, které umožňují studium farmakodynamiky in vivo. Například je možné studovat vliv jakýchkoli látek na aktivitu exogenních enzymů nebo mediátorů u lidí. Tuto techniku použili V. Ganu a kol. (1994) k posouzení aktivity inhibitorů MMP stanovením schopnosti léčiv inhibovat uvolňování proteoglykanů z kloubní chrupavky po injekci lidského stromelesinu do kolenního kloubu králíka.

Ačkoli výsledky získané v experimentálním modelu osteoartrózy mohou vést k nesprávnému posouzení potenciálních DMOAD, zvířecí modely osteoartrózy hrají důležitou roli v základním výzkumu. Konečné rozhodnutí o účinnosti farmakologických látek v léčbě lidských onemocnění může být učiněno až po provedení klinických studií fáze III na lidech.