Експериментальне моделювання остеоартрозу у тварин

К.Р.Н. Пріцкер (1994) визначив експериментальну тваринну модель будь-якого захворювання як «однорідну групу тварин, які демонструють успадкований, природно набутий або експериментально індукований біологічний процес, що підлягає науковому дослідженню, що є подібним в одному або кількох аспектах до захворювання у людини». Тваринні моделі остеоартриту корисні для вивчення еволюції структурних змін у тканинах суглобів, для визначення того, як різні фактори ризику ініціюють або сприяють цим змінам, та для оцінки терапевтичних заходів. Важливо пам'ятати, що остеоартрит — це захворювання не лише однієї тканини, суглобового хряща, а всіх тканин ураженого суглоба, включаючи субхондральну кістку, синовіальну мембрану, меніски, зв'язки, навколосуглобові м'язи та аферентні нерви із закінченнями як зовні, так і всередині суглобової капсули. Дослідження фармакологічних засобів на тваринних моделях зосереджені переважно на їхньому впливі на суглобовий хрящ. Неможливо оцінити основний симптом остеоартрозу у людей — біль у суглобах — на експериментальних моделях. Водночас, під час моделювання остеоартрозу у тварин не враховується низка важливих факторів, що сприяють розвитку та прогресуванню остеоартрозу (наприклад, вертикальне положення тіла людини, слабкість навколосуглобових м'язів тощо).

Звичайно, найбільш ілюстративною моделлю захворювання є та, яка має найбільшу схожість зі змінами при остеоартрозі у людини. Тваринні моделі остеоартриту представляють найбільший інтерес з точки зору вивчення ефективності препаратів, що модифікують перебіг захворювання (ПМОА). Хоча ряд препаратів цієї групи запобігають розвитку або уповільнюють прогресування експериментально індукованого або спонтанного остеоартриту у тварин, усі вони виявилися неефективними при вивченні їхньої дії на людях.

Тваринні моделі остеоартриту

Механізм моделювання	Види тварин	Індукуючий фактор/агент	Джерело
Спонтанний остеоартрит	Морські свинки	Вік/надмірна вага	Бенделе А.М. та ін., 1989
	Миші STR/ORT, STR/INS	Генетична схильність	Дас-Гупта Е.П. та ін., 1993 Данхем Дж. та ін., 1989 Данхем Дж. та ін., 1990
	Чорні миші C57	Генетична схильність	OkabeT., 1989 StabescyR. та ін., 1993 Такахама А.. 1990 ван дер Краан П. М. та ін., 1990
	Миші	Мутація колагену II	ГарофалоС. та ін., 1991
	Миші	Мутація колагену IX	НакатаК. та ін., 1993
	Собаки	Дисплазія кульшового суглоба	Смейл Г. та ін., 1995
	Примати	Генетична схильність	Александер К.Дж., 1994 Карлсон К.С. та ін., 1994 Шатоверт Дж.М. та ін., 1990
Хімічно індукований остеоартрит	Кури	Йодоацетатна премія*	Калбхен Д.А., 1987
	Кролики	Папаїн преміум	Marcelon G. та ін., 1976 Coulais Y. та ін., 1983 Coulais Y. та ін., 1984
	Морські свинки	Папаїн преміум	Танака Х. та ін., 1992
	Собаки	Хімопапаїн проти	Лейпольд Г.Р. та ін., 1989
	Миші	Папаїн преміум	Ван дер Краан П.М. та ін., 1989
	Миші	Колагеназа преміум-класу	Ван дер Краан П.М. та ін., 1989
	Миші	TFR-R проти	Ван ден Берг, ВБ. 1995
	Кролики	Гіпертонічний розчин NaCl	Васильєв В. та ін., 1992
Фізично (хірургічно) індукований остеоартрит	Собаки	Переріз передньої хрестоподібної зв'язки (односторонній)	Маршалл Дж. Л. та ін., 1971 Брандт К. Д., 1994
	Собаки	Перерізання передньої хрестоподібної зв'язки (двостороннє)	Маршалл К. В. Чан, 1996 р.
	Кролики	Переріз передньої хрестоподібної зв'язки	Christensen SB, 1983 VignonE. та ін., 1991
	Вівці	Меніскектомія	Гхош П. та ін., 1993
	Кролики	Меніскектомія	FamA.G. та ін., 1995 Московіц Р.В., Голдберг В.М., 1987
	Морські свинки	Меніскектомія	Бенделе А.М., 1987
	Морські свинки	Міектомія	Арсевер К.Л., Боле Г.Г., 1986 Лейтон М.В. та ін., 1987 Дедрік Д.К. та ін., 1991
	Кролики	Забій надколінка	Oegema TRJ та ін., 1993 Mazieres B. та ін., 1990
	Кролики	Іммобілізація	Лангеншельд А. та ін., 1979 Відеман Т., 1982
	Собаки	Іммобілізація	Хауелл Д.С. та ін., 1992 Реткліфф А. та ін., 1994 Палмоскі М., Брандт К.Д., 1981
	Собаки	Денервація з подальшим перерізанням передньої хрестоподібної зв'язки	Віленський JA та ін., 1994

* внутрисуставной – внутрішньосуглобовий.

Фізично та хімічно індуковані моделі остеоартрозу зараз дуже популярні, але вони відображають процеси, що спостерігаються при вторинному остеоартрозі у людей, а не при ідіопатичному остеоартрозі. Альтернативою їм є моделі спонтанного остеоартрозу у двоногих приматів та чотириногих.

Деякі автори досить скептично ставляться до моделювання остеоартрозу у тварин загалом. Так, за словами MEJ Billingham (1998), використання моделей для відкриття препаратів, що модифікують остеоартроз, є «...дорогою авантюрою».

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

Моделі спонтанного остеоартриту

Майже всі інбредні лінії мишей розвивають остеоартроз різного ступеня тяжкості та локалізації. Найвища частота остеоартрозу та найважчий перебіг захворювання спостерігаються у мишей ліній STR/ORT та STR/INS. Серед мишей STR/ORT захворювання зустрічається частіше, і воно протікає важче у самців, ніж у самок. Первинне пошкодження суглобового хряща розвивається в медіальній частині великогомілкової пластинки. Передбачалося, що появі змін у хрящі передує зміщення надколінка, проте Р. Г. Еванс та ін. (1994), К. Коллінз та ін. (1994) виявили, що у всіх мишей цього штаму пошкодження хряща розвивається до 11 місяців, але не у всіх спостерігалося зміщення надколінка. Ті ж автори виявили, що змінам у суглобовому хрящі у мишей STR/ORT часто передує хондроцитарно-остеобластична метаплазія клітин сухожиль та зв'язок навколо уражених колінних суглобів, що вказує на те, що ці зміни є первинними в патогенезі остеоартриту в цій моделі. Можливо, що початкова кальцифікація зв'язок і сухожиль змінює механічне навантаження на внутрішньосуглобові структури, і що подальші зміни в суглобовому хрящі відображають спробу підтримувати нормальне навантаження на суглоб. На відміну від моделей морських свинок і макак, у яких дегенерації хряща передують зміни в субхондральній кістці, субхондральний склероз з'являється пізніше у мишей STR/ORT та STR/INS.

Перевагою цієї моделі остеоартрозу є малий розмір тварин, що вимагає мінімального споживання тестованого фармакологічного засобу. Однак розмір є також недоліком, оскільки біохімічний та патогістологічний аналіз хряща у мишей є складним.

Дослідження А.М. Бендела, Дж.Е. Халмана (1988), А.М. Бендела та ін. (1989) та С.К.Р. Мікока та ін. (1990), присвячені вивченню природного перебігу спонтанного остеоартрозу у морських свинок, викликали інтерес до цієї моделі захворювання. Починаючи з 13-місячного віку, у всіх самців морських свинок породи Данкін Хертлі розвивається дегенерація суглобового хряща. Подібні зміни у самок з'являються дещо пізніше та протікають легше. У віці 1 року спостерігається повна втрата суглобового хряща в області медіального виростка стегнової кістки та великогомілкової пластинки. Збільшення маси тіла морських свинок породи Данкін Хертлі посилює перебіг захворювання, а зниження маси тіла до 900 г або менше покращує перебіг остеоартрозу. У віці 8 тижнів у цій моделі вже виявляються зміни в субхондральній кістці, тобто останні передують пошкодженню хряща. Зміни в хрестоподібних зв'язках колінних суглобів можуть прискорити ремоделювання кісток.

Спонтанний остеоартроз розвивається у макак-резусів та яванського макак. Дуже важливою перевагою приматів над іншими тваринами, що використовуються для створення експериментальної моделі остеоартрозу, є їхнє двоногоство. Захворювання розвивається у осіб середнього/старшого віку. Ранні гістологічні знахідки включають потовщення субхондральної кістки з подальшим зношуванням суглобового хряща в області медіальної пластинки великогомілкової кістки. Пізніше до процесу залучається і латеральна пластинка. Примітно, що дегенерація суглобового хряща починає розвиватися лише після того, як товщина субхондральної кістки досягає 400 мкм. Поширеність та тяжкість остеоартрозу у макак зростають з віком, але ці показники не залежать від статі та маси тіла. На сьогоднішній день моделі остеоартрозу у приматів не використовувалися для вивчення ефективності DMOAD.

Моделі фізично (хірургічно) індукованого остеоартриту

Моделі остеоартриту, засновані на хірургічно індукованій слабкості коліна, яка змінює механічне навантаження на колінний суглоб, найчастіше використовуються у собак та кроликів. Найбільш широко використовуваною є модель з пересіченням хрестоподібних зв'язок у собак. Хірургічні моделі остеоартриту у кроликів включають пересічення хрестоподібних зв'язок з видаленням або без видалення медіальної та колатеральних зв'язок, повну або часткову меніскектомію та хірургічний розрив менісків. Описано хірургічні моделі остеоартриту у морських свинок, які включають пересічення хрестоподібних та колатеральних зв'язок та часткову меніскектомію. Часткова меніскектомія у морських свинок призводить до утворення остеофітів протягом 2 тижнів та надмірної дегенерації суглобового хряща протягом 6 тижнів.

Донедавна модель остеоартриту у собак після перетину передньої хрестоподібної зв'язки сприймалася скептично через відсутність виразки хряща та помітного прогресування захворювання, що спостерігалося при остеоартрозі у людей. Дж. Л. Маршалл та С. - Е. Олссон (1971) виявили, що зміни в тканинах колінних суглобів собак через 2 роки після операції були практично ідентичними тим, що були зареєстровані одразу після операції. Автори припустили, що механічні фактори (наприклад, фіброз суглобової капсули та утворення остеофітів) стабілізують післяопераційно розслаблений колінний суглоб та запобігають подальшому прогресуванню руйнування суглобового хряща. Також було запропоновано вважати цю модель моделлю пошкодження та відновлення хряща, а не моделлю остеоартриту. Однак результати досліджень, проведених К. Д. Брандтом та ін. (1991), які вивчали динаміку змін у тканинах колінних суглобів, дестабілізованих перетином передньої хрестоподібної зв'язки протягом тривалішого періоду, спростували припущення попередніх авторів.

С.А. Макдевітт та ін. (1973, 1977) виявили, що вже протягом перших днів після перерізу хрестоподібних зв'язок синтез протеогліканів хондроцитами суглобового хряща збільшується. Протягом 64 тижнів після хірургічної 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 було пов'язане зі збільшенням синтезу протеогліканів та їх високою концентрацією в суглобовому хрящі. За допомогою магнітно-резонансної томографії (МРТ) М.Е. Адамс та К.Д. Брандт (1991) показали, що після перерізу хрестоподібних зв'язок гіпертрофія хряща зберігається протягом 36 місяців, потім відбувається прогресуюча втрата хряща, так що через 45 місяців більшість суглобових поверхонь позбавлені хряща. Морфологічне дослідження хряща через 54 місяці після операції підтвердило дані МРТ. Таким чином, М. Е. Адамс та К. Д. Брандт (1991) продемонстрували, що хірургічно викликана нестабільність колінних суглобів у собак може вважатися моделлю остеоартриту.

Явище гіпертрофічної репарації суглобового хряща добре ілюструється вищеописаною моделлю остеоартрозу у собак. Однак відомо, що це явище не є унікальним для неї. Гіпертрофія суглобового хряща, яка мала репаративний характер, була вперше описана у пацієнтів з остеоартрозом Е.Г.Л. Байвотерсом (1937), а пізніше Л.К. Джонсоном. Вона також зустрічається в інших моделях остеоартрозу - у кроликів після часткової меніскектомії (Vignon E. et al., 1983), у макак-резусів гіпертрофія хряща розвивається спонтанно.

Сучасні описи патогенезу зосереджені переважно на прогресуючій «втраті» хряща, але автори часто не враховують його потовщення та посилення синтезу протеогліканів, що відповідає гомеостатичній фазі стабілізованого остеоартрозу. Під час цієї фази репарація хряща компенсує його втрату та може тривалий час підтримувати суглоб у функціональному стані. Але репаративна тканина часто не може справлятися з механічним навантаженням, що на неї накладається, так само, як здоровий суглобовий хрящ, що призводить до нездатності хондроцитів підтримувати нормальний склад матриксу та зниження синтезу протеогліканів. Розвивається заключна стадія остеоартрозу.

Вивчення артропатії Шарко призвело до розробки методу нейрогенного прискорення моделювання хірургічно індукованого остеоартрозу. Артропатія Шарко характеризується тяжким руйнуванням суглобів, суглобовими "мишами", випотом у суглобі, нестабільністю зв'язок та утворенням нової кісткової та хрящової тканини всередині суглоба. Загальна концепція патогенезу артропатії Шарко (нейрогенної) полягає в перериванні сенсорних сигналів від пропріорецепторів та ноцицепторів кінцівок до центральної нервової системи (ЦНС). Для прискорення прогресування остеоартрозу, індукованого пересіченням передніх хрестоподібних зв'язок у собак, перед операцією проводиться гангліоектомія або видалення нерва, що іннервує суглоб, що призводить до появи ерозій хряща вже в перший тиждень після операції. Цікаво, що новий діацереїн DMOAD був ефективним при використанні в повільно прогресуючій (неврологічно інтактній) моделі остеоартрозу, але був неефективним при нейрогенно прискореному експериментальному остеоартрозі.

На завершення слід зазначити, що повною мірою оцінити ідентичність експериментальної моделі остеоартрозу та остеоартрозу у людей неможливо, оскільки етіологія та точні механізми патогенезу захворювання досі не з'ясовані. Як зазначалося раніше, основною метою використання експериментальних моделей остеоартрозу у тварин є їх використання для оцінки ефективності нових препаратів, переважно групи "модифікуючих захворювання". Ймовірність того, наскільки результати лікування у тварини будуть збігатися з результатами використання експериментального фармакологічного засобу у людей, також визначити неможливо. Н. С. Догерті та ін. (1998) наголошували на суттєвих відмінностях між видами тварин, що використовувалися для моделювання остеоартрозу, щодо різного розвитку патології, різних медіаторів, рецепторів, ферментів, що призводить до об'єктивної екстраполяції терапевтичної активності нових препаратів, що використовуються у тварин, на людей. Прикладом може бути висока ефективність НПЗЗ при моделюванні запального артриту у гризунів. Це призвело до переоцінки ефективності НПЗП у людей, у яких простагландини не відіграють фундаментальної ролі в патогенезі захворювань, яку вони відіграють у гризунів, а клінічна ефективність НПЗП обмежується лікуванням симптомів, а не модифікацією захворювання.

Водночас, недооцінка нових фармакологічних засобів під час вивчення їхньої ефективності на тваринних моделях може призвести до втрати потенційно ефективних терапевтичних засобів у людей. Наприклад, солі золота, пеніциламін, хлорохін та сульфасалазин, які мають певний ефект у лікуванні ревматоїдного артриту, абсолютно неефективні у тварин, що використовуються для скринінгу протиревматичних препаратів.

Різниця у відповіді між тваринною моделлю остеоартрозу та пацієнтом з остеоартрозом на лікування DMOAD значною мірою залежить від колагенази, ферменту, який, як вважається, активно бере участь у патогенезі остеоартрозу. Інгібітори інтерстиціальної колагенази (колагеназа-1 або матриксна металопротеїназа (MMP)-1) часто виявляються у гризунів з модельним остеоартрозом, але гомолог людської колагенази-1 не був виявлений у гризунів і може не існувати. Таким чином, специфічні інгібітори людської колагенази-1 не демонструватимуть терапевтичної ефективності у гризунів з експериментальним остеоартрозом. Більшість інгібіторів MMP, створених на сьогоднішній день, є неселективними і тому інгібують колагеназу-3 (MMP-13), яка бере участь у патогенезі експериментального остеоартрозу у гризунів. Більше того, як показали дослідження NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994), людська колагеназа-3 експресується в суглобовому хрящі пацієнтів з остеоартрозом і може відігравати певну роль у патогенезі захворювання.

Можна припустити, що ці медіатори, рецептори або ферменти відіграють подібну роль у патогенезі модельованого остеоартрозу у конкретної тварини та у людини. Прикладом може бути хемотаксична здатність лейкотрієну B4, яка вважається однаковою у людей, мишей та кроликів, але активність антагоністів цієї біологічно активної речовини відрізняється в 1000 разів між видами тварин. Щоб уникнути таких неточностей в експериментах, необхідно створити методи, що дозволяють вивчати фармакодинаміку in vivo. Наприклад, можна вивчати вплив будь-яких речовин на активність екзогенних ферментів або медіаторів у людини. Цю методику використовували В. Гану та ін. (1994) для оцінки активності інгібіторів ММП шляхом визначення здатності препаратів пригнічувати вивільнення протеогліканів із суглобового хряща після ін'єкції людського стромелезину в колінний суглоб кролика.

Хоча результати, отримані на експериментальній моделі остеоартрозу, можуть призвести до неправильної оцінки потенційних ДМОАД, тваринні моделі остеоартрозу відіграють важливу роль у фундаментальних дослідженнях. Остаточне рішення щодо ефективності фармакологічних засобів у лікуванні захворювань людини може бути прийнято лише після проведення клінічних випробувань III фази на людях.