Az osteoarthritis kísérleti modellezése állatokon

KRN Pritzker (1994) a betegségek kísérleti állatmodelljét úgy határozta meg, mint "olyan homogén állatcsoportot, amely öröklött, természetes úton szerzett vagy kísérletileg indukált biológiai folyamatot mutat, tudományos vizsgálat tárgyát képezi, amely egy vagy több tekintetben hasonlít az emberi betegséghez". Az osteoarthritis állatmodelljei hasznosak az ízületi szövetek szerkezeti változásainak evolúciójának tanulmányozására, annak meghatározására, hogy a különböző kockázati tényezők hogyan indítják el vagy segítik elő ezeket a változásokat, és a terápiás intézkedések értékelésére. Fontos megjegyezni, hogy az osteoarthritis nem csak egyetlen szövet, az ízületi porc betegsége, hanem az érintett ízület összes szövetéé, beleértve a porc alatti csontot, az ízületi membránt, a meniscusokat, a szalagokat, az ízület körüli izmokat és az afferens idegeket, amelyek az ízületi tokon kívül és belül is végződnek. Az állatmodellekben végzett farmakológiai szerek vizsgálata elsősorban az ízületi porcra gyakorolt hatásaikra összpontosít. Az osteoarthritis fő tünetét emberekben - az ízületi fájdalmat - lehetetlen kísérleti modellekben értékelni. Ugyanakkor az állatok osteoarthrosisának modellezésekor számos fontos tényezőt nem vesznek figyelembe, amelyek hozzájárulnak az osteoarthrosis kialakulásához és progressziójához (például az emberi test függőleges helyzete, a periartikuláris izmok gyengesége stb.).

Természetesen a betegség legszemléletesebb modellje az, amelyik a legnagyobb hasonlóságot mutatja az emberi osteoarthritisben bekövetkező változásokkal. Az osteoarthritis állatmodelljei a legnagyobb érdeklődésre tartanak számot a betegségmódosító OA gyógyszerek (DMOAD) hatékonyságának vizsgálata szempontjából. Bár ebben a csoportban számos gyógyszer megakadályozza a kísérletileg kiváltott vagy spontán osteoarthritis kialakulását vagy lassítja a progresszióját állatokban, mindegyik hatástalannak bizonyult az emberekben gyakorolt hatásuk vizsgálatakor.

Az osteoarthritis állatmodelljei

Modellezési mechanizmus	Állatfajok	Indukáló tényező/ágens	Forrás
Spontán osteoarthritis	Tengerimalacok	Kor/túlsúly	Bendele AM és mtsai., 1989
	Egerek STR/ORT, STR/INS	Genetikai hajlam	Das-Gupta EP és mtsai., 1993 Dunham J. és munkatársai, 1989 Dunham J. és munkatársai, 1990
	Fekete egerek C57	Genetikai hajlam	OkabeT., 1989 StabescyR. etal., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM etal., 1990
	Egerek	Kollagén II mutáció	GarofaloS. és mtsai., 1991
	Egerek	Kollagén IX mutáció	NakataK. és mtsai., 1993
	Kutyák	Csípő diszplázia	SmaleG. és mtsai., 1995
	Főemlősök	Genetikai hajlam	Alexander CJ, 1994 Carlson CS et al., 1994 Chateauvert JM et al., 1990
Kémiailag kiváltott osteoarthritis	Csirkék	Jód-acetát prémium*	Kalbhen DA, 1987
	Nyulak	Papain prémium	Marcelon G. et al., 1976 Coulais Y. etal., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Tengerimalacok	Papain prémium	Tanaka H. és mtsai., 1992
	Kutyák	Kimopapain kontrasztanyag	Leipold HR és mtsai., 1989
	Egerek	Papain prémium	Van der Kraan PM és mtsai., 1989
	Egerek	Kollagenáz prémium	Van der Kraan PM és mtsai., 1989
	Egerek	TFR-R vs.	Van den Berg WB. 1995
	Nyulak	Hipertóniás NaCl-oldat	Vasilev V. és mtsai. 1992
Fizikailag (sebészeti úton) kiváltott osteoarthritis	Kutyák	Elülső keresztszalag átmetszése (egyoldali)	Marshall JL és mtsai., 1971 Brandt KD, 1994
	Kutyák	Elülső keresztszalag átmetszése (kétoldali)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Nyulak	Elülső keresztszalag átmetszése	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Juh	Meniszkusz eltávolítás	Ghosh P. és mtsai., 1993
	Nyulak	Meniszkusz eltávolítás	FamA.G. et al., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Tengerimalacok	Meniszkusz eltávolítás	Bendele AM, 1987
	Tengerimalacok	Miektómia	ArseverC.L., BoleG.G., 1986; LaytonM.W. et al., 1987; Dedrick DK et al., 1991
	Nyulak	Térdkalács zúzódás	Oegema TRJ et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Nyulak	Rögzítés	Langenskiold A. és mtsai., 1979 Videman T., 1982
	Kutyák	Rögzítés	Howell DS és munkatársai, 1992; Ratcliffe A. és munkatársai, 1994; Palmoski M. és Brandt KD, 1981
	Kutyák	Denerváció, majd az elülső keresztszalag átmetszése	VilenskyJA és mtsai., 1994

* intraartikuláris - intraartikuláris.

A fizikailag és kémiailag indukált oszteoarthrosis modellek jelenleg nagyon népszerűek, de inkább az emberekben a másodlagos oszteoarthrosisban megfigyelt folyamatokat tükrözik, mint az idiopátiás oszteoarthrosist. Alternatív megoldást jelentenek a kétlábú főemlősök és négylábúak spontán oszteoarthrosisának modelljei.

Néhány szerző meglehetősen szkeptikus az állatoknál végzett oszteoartrózis modellezésével kapcsolatban. Így MEJ Billingham (1998) szerint a modellek használata az oszteoartrózist módosító gyógyszerek felfedezésére "...drága kockázat".

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

A spontán osteoarthritis modelljei

Szinte az összes beltenyésztett egértörzsben kialakul különböző súlyosságú és lokalizációjú oszteoarthrosis. Az oszteoarthrosis leggyakoribb előfordulása és a betegség legsúlyosabb lefolyása az STR/ORT és STR/INS törzsek egereiben figyelhető meg. Az STR/ORT egerek között a betegség gyakoribb, és súlyosabb a hímeknél, mint a nőstényeknél. Az ízületi porc elsődleges károsodása a sípcsont lemezének mediális részén alakul ki. Feltételezték, hogy a porcban bekövetkező változások megjelenését a térdkalács elmozdulása előzi meg, azonban RG Evans és munkatársai (1994), C. Collins és munkatársai (1994) azt találták, hogy e törzs összes egerében 11 hónapos korra porckárosodás alakul ki, de nem mindegyiknél mutatkozott térdkalács elmozdulás. Ugyanezek a szerzők azt találták, hogy az STR/ORT egerek ízületi porcában bekövetkező változásokat gyakran megelőzi az érintett térdízületek körüli ín- és szalagsejtek kondrocita-oszteoblasztos metapláziája, ami arra utal, hogy ezek a változások elsődlegesek az oszteoarthrosis patogenezisében ebben a modellben. Lehetséges, hogy a szalagok és inak kezdeti meszesedése megváltoztatja az ízületen belüli struktúrákra nehezedő mechanikai terhelést, és hogy az ízületi porcban bekövetkező későbbi változások a normális ízületi terhelés fenntartására irányuló kísérletet tükrözik. A tengerimalac- és makákómodellekkel ellentétben, amelyekben a porc degenerációját a porc alatti csont változásai előzik meg, a porc alatti szklerózis később jelenik meg az STR/ORT és STR/INS egerekben.

Ennek az oszteoarthrosis modellnek az előnye az állatok kis mérete, ami minimális fogyasztást igényel a vizsgált farmakológiai szerből. A méret azonban hátrány is, mivel az egerek porcának biokémiai és patohisztológiai elemzése nehézkes.

AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel és munkatársai (1989), valamint SCR Meacock és munkatársai (1990) tengerimalacok spontán oszteoartrózisának természetes lefolyását vizsgáló tanulmányai felkeltették az érdeklődést a betegség ezen modellje iránt. 13 hónapos kortól kezdődően minden hím Dunkin Hurtley tengerimalacnál az ízületi porc degenerációja alakul ki. A nőstényeknél hasonló változások valamivel később jelentkeznek és enyhébbek. 1 éves korban az ízületi porc teljes elvesztése figyelhető meg a combcsont mediális condylusának és a sípcsontlemeznek a régiójában. A Dunkin Hurtley tengerimalacok testtömegének növekedése súlyosbítja a betegség lefolyását, míg a testtömeg 900 g-ra vagy az alá csökkenése javítja az oszteoartrózis lefolyását. 8 hetes korban ebben a modellben már kimutathatók a porc alatti csont változásai, azaz utóbbiak megelőzik a porckárosodást. A térdízületek keresztszalagjainak változásai felgyorsíthatják a csont átépülését.

Spontán oszteoarthrózis alakul ki rhesus és cynomolgus makákóknál. A főemlősök egyik nagyon fontos előnye a többi, az oszteoarthrózis kísérleti modelljének létrehozására használt állattal szemben a kétlábúságuk. A betegség középkorú/idősebb egyedeknél alakul ki. A korai szövettani leletek közé tartozik a porc alatti csont megvastagodása, majd az ízületi porc rojtosodása a sípcsont mediális lemezének régiójában. Később az oldalsó lemez is részt vesz a folyamatban. Figyelemre méltó, hogy az ízületi porc degenerációja csak akkor kezd kialakulni, ha a porc alatti csont vastagsága eléri a 400 μm-t. Az oszteoarthrózis prevalenciája és súlyossága makákóknál az életkorral növekszik, de ezeket a mutatókat nem befolyásolja a nem és a testtömeg. A mai napig főemlősökön nem vizsgálták az oszteoarthrózis modelljeit a DMOAD-ok hatékonyságának vizsgálatára.

Fizikailag (sebészeti úton) kiváltott osteoarthritis modelljei

A térdízület mechanikai terhelését megváltoztató, műtéti úton kiváltott térdlazaságon alapuló oszteoartritisz modelleket leggyakrabban kutyáknál és nyulakon alkalmazzák. A legszélesebb körben használt modell a kutyáknál a keresztszalag-átmetszés. A nyulaknál az osteoarthritis sebészeti modelljei magukban foglalják a keresztszalagok átmetszését a középső és oldalszalagok kimetszésével vagy anélkül, teljes vagy részleges meniscectomiát, valamint a meniscusok sebészeti szakadását. Leírtak olyan tengerimalacoknál az osteoarthritis sebészeti modelljeit, amelyek a keresztszalagok és oldalszalagok átmetszését és részleges meniscectomiát foglalják magukban. A tengerimalacoknál a részleges meniscectomia 2 héten belül oszteofiton képződést és 6 héten belül az ízületi porc túlzott degenerációját eredményezi.

A közelmúltig a kutyákon végzett elülső keresztszalag-átmetszés utáni osteoarthritis modellt szkeptikusan kezelték, mivel az emberi osteoarthritisben nem figyeltek meg porcfekélyt, és a betegség jelentős progressziója is megfigyelhető volt. JL Marshall és S.-E. Olsson (1971) megállapították, hogy a kutyák térdízületeinek szöveteiben a műtét után 2 évvel bekövetkező változások gyakorlatilag megegyeztek a műtét után közvetlenül regisztráltakkal. A szerzők azt feltételezték, hogy a mechanikai tényezők (pl. az ízületi tok fibrózisa és az osteophyta képződése) stabilizálják a műtét után meglazult térdízületet, és megakadályozzák az ízületi porc pusztulásának további progresszióját. Azt is felvetették, hogy ezt a modellt inkább a porckárosodás és -javulás modelljének tekintsék, mint az osteoarthritis modelljének. KD Brandt és munkatársai (1991) által végzett vizsgálatok eredményei azonban, akik az elülső keresztszalagok metszéspontja által destabilizált térdízületek szöveteiben bekövetkező változások dinamikáját vizsgálták hosszabb ideig, megcáfolták a korábbi szerzők feltételezéseit.

SA McDevitt és munkatársai (1973, 1977) kimutatták, hogy már a keresztszalag-átmetszés utáni első napokban fokozódik az ízületi porc porcsejtjeinek proteoglikán-szintézise. A térdízületi instabilitás műtéti kiváltása utáni 64 hétben az ízületi porc vastagsága nagyobb volt a normálisnál, bár a biokémiai, metabolikus és hisztológiai változások megfeleltek az oszteoartritiszben bekövetkező változásoknak. Ez a porcvastagodás a proteoglikánok fokozott szintézisével és azok magas koncentrációjával volt összefüggésben az ízületi porcban. Mágneses rezonancia képalkotás (MRI) segítségével ME Adams és KD Brandt (1991) kimutatták, hogy a keresztszalag-átmetszés után a porc hipertrófiája 36 hónapig fennmarad, majd progresszív porcveszteség következik be, így 45 hónap elteltével az ízületi felszínek nagy része porcmentes. A porc morfológiai vizsgálata a műtét után 54 hónappal megerősítette az MRI eredményeit. Így ME Adams és KD Brandt (1991) kimutatták, hogy a kutyák térdízületeinek műtéti úton kiváltott instabilitása az oszteoartritisz modelljének tekinthető.

Az ízületi porc hipertrófiás reparációjának jelenségét jól szemlélteti a fent leírt kutyák oszteoarthrosis modellje. Ismert azonban, hogy ez a jelenség nem csak erre a jelenségre jellemző. Az ízületi porc reparatív jellegű hipertrófiáját először EGL Bywaters (1937), majd később LC Johnson írta le oszteoarthrosisos betegeknél. Más oszteoarthrosis modellekben is megfigyelhető - nyulakban részleges meniszkusz eltávolítás után (Vignon E. et al., 1983), rhesus makákókban a porc hipertrófiája spontán kialakul.

A patogenezis modern leírásai főként a porc progresszív „veszteségére” összpontosítanak, de a szerzők gyakran figyelmen kívül hagyják annak megvastagodását és a proteoglikánok fokozott szintézisét, amely a stabilizált oszteoartrózis homeosztatikus fázisának felel meg. Ebben a fázisban a porc reparációja kompenzálja a veszteséget, és hosszú ideig képes fenntartani az ízületet funkcionális állapotban. A reparatív szövet azonban gyakran nem tud ugyanúgy megbirkózni a rá háruló mechanikai terheléssel, mint az egészséges ízületi porc, ami a porcsejtek képtelenségéhez vezet a mátrix normál összetételének fenntartásában, és a proteoglikán szintézis csökkenéséhez. Kialakul az oszteoartrózis utolsó stádiuma.

A Charcot-artropathia vizsgálata egy olyan módszer kifejlesztéséhez vezetett, amely neurogén módon gyorsítja a műtéti úton kiváltott oszteoartrózis modellezését. A Charcot-artropathiát súlyos ízületi károsodás, ízületi "egerek", ízületi folyadékgyülem, szalagok instabilitása, valamint új csont- és porcszövet képződése jellemzi az ízületen belül. A Charcot (neurogén) artropathia patogenezisének általános koncepciója a végtag proprioceptoraiból és nociceptoraiból a központi idegrendszerbe (KIR) érkező érzékszervi jelek megszakadása. A kutyák elülső keresztszalagjainak átmetszése által kiváltott oszteoartrózis progressziójának felgyorsítása érdekében a műtét előtt ganglionectomiát vagy az ízületet beidegző ideg kimetszését végzik, ami már a műtét utáni első héten porceróziók megjelenéséhez vezet. Érdekes módon az új DMOAD diacerein hatékonynak bizonyult egy lassan progresszív (neurológiailag ép) oszteoartritisz modellben, de hatástalannak bizonyult a neurogén módon gyorsított kísérleti oszteoartritiszben.

Összefoglalva meg kell jegyezni, hogy lehetetlen teljes mértékben felmérni az osteoarthrosis és osteoarthrosis kísérleti modelljének azonosságát emberekben, mivel a betegség etiológiája és patogenezisének pontos mechanizmusai még nem tisztázottak. Amint azt korábban említettük, az állatokon végzett osteoarthrosis kísérleti modelljeinek fő célja az új gyógyszerek, főként a "betegséget módosító" csoportba tartozók hatékonyságának felmérése. Annak valószínűsége, hogy az állaton végzett kezelés eredményei mennyire egyeznek meg egy kísérleti farmakológiai szer embereken történő alkalmazásának eredményeivel, szintén lehetetlen meghatározni. NS Doherty és munkatársai (1998) hangsúlyozták az osteoarthrosis modellezésére használt állatfajok közötti jelentős különbségeket a patológia eltérő fejlődése, a különböző mediátorok, receptorok, enzimek tekintetében, ami az állatokon alkalmazott új gyógyszerek terápiás aktivitásának objektív extrapolációjához vezet az emberekre. Példa erre az NSAID-ok magas hatékonysága a gyulladásos ízületi gyulladás modellezésében rágcsálókban. Ez a nem szteroid gyulladáscsökkentők (NSAID-ok) emberekben való hatékonyságának újraértékeléséhez vezetett, akiknél a prosztaglandinok nem játszanak olyan alapvető szerepet a betegség patogenezisében, mint a rágcsálóknál, és a nem szteroid gyulladáscsökkentők klinikai hatékonysága a tünetek kezelésére korlátozódik, nem pedig a betegség módosítására.

Ugyanakkor az új farmakológiai szerek állatmodellekben való hatékonyságának alulbecslése az emberekben potenciálisan hatékony terápiás szerek elvesztéséhez vezethet. Például az aranysók, a penicillamin, a klorokin és a szulfaszalazin, amelyeknek van némi hatásuk a reumatoid artritisz kezelésében, abszolút hatástalanok a reumaellenes gyógyszerek szűrésére használt állatokban.

Az oszteoarthrosis állatmodellje és az oszteoarthrosisban szenvedő beteg közötti DMOAD-kezelésre adott válaszbeli különbség nagymértékben függ a kollagenáztól, egy olyan enzimtől, amelyről úgy vélik, hogy aktívan részt vesz az oszteoarthrosis patogenezisében. Az intersticiális kollagenáz inhibitorai (kollagenáz-1 vagy mátrix metalloproteináz (MMP)-1) gyakran megtalálhatók az oszteoarthrosis modellben szenvedő rágcsálókban, de az emberi kollagenáz-1 homológját nem találták rágcsálókban, és előfordulhat, hogy nem is létezik. Így az emberi kollagenáz-1 specifikus inhibitorai nem mutatnak terápiás hatékonyságot kísérleti oszteoarthrosisban szenvedő rágcsálókban. A ma létrehozott MMP-gátlók többsége nem szelektív, ezért gátolja a kollagenáz-3-at (MMP-13), amely részt vesz a kísérleti oszteoarthrosis patogenezisében rágcsálókban. Továbbá, ahogy NRA Beeley és munkatársai (1994), JMP Freije és munkatársai (1994) tanulmányai kimutatták, az emberi kollagenáz-3 expresszálódik az oszteoarthrosisban szenvedő betegek ízületi porcában, és szerepet játszhat a betegség patogenezisében.

Feltételezhető, hogy ezek a mediátorok, receptorok vagy enzimek hasonló szerepet játszanak a modellezett oszteoartrózis patogenezisében egy adott állatban és emberben. Példa erre a leukotrién B4 kemotaktikus kapacitása, amelyet emberben, egerekben és nyulakban azonosnak tekintenek, de e biológiailag aktív anyag antagonistáinak aktivitása 1000-szeres eltérést mutat az állatfajok között. Az ilyen pontatlanságok elkerülése érdekében a kísérletekben olyan módszereket kell kidolgozni, amelyek lehetővé teszik a farmakodinamika in vivo vizsgálatát. Például lehetséges bármely anyagnak az exogén enzimek vagy mediátorok aktivitására gyakorolt hatását vizsgálni emberekben. Ezt a technikát V. Ganu és munkatársai (1994) alkalmazták az MMP-gátlók aktivitásának felmérésére azáltal, hogy meghatározták a gyógyszerek azon képességét, hogy gátolják a proteoglikánok felszabadulását az ízületi porcból, miután humán stromelesint injektáltak a nyúl térdízületébe.

Bár az oszteoartrózis kísérleti modelljében kapott eredmények a potenciális DMOAD-ok helytelen értékeléséhez vezethetnek, az oszteoartrózis állatmodelljei fontos szerepet játszanak az alapkutatásban. Az emberi betegségek kezelésében alkalmazott farmakológiai szerek hatékonyságáról csak a III. fázisú klinikai vizsgálatok elvégzése után lehet végleges döntést hozni.