Eksperimentel modellering af osteoartritis hos dyr

KRN Pritzker (1994) definerede en eksperimentel dyremodel for enhver sygdom som "en homogen gruppe af dyr, der udviser en arvelig, naturligt erhvervet eller eksperimentelt induceret biologisk proces, der er genstand for videnskabelig undersøgelse, og som i en eller flere henseender ligner sygdommen hos mennesker." Dyremodeller af slidgigt er nyttige til at studere udviklingen af strukturelle ændringer i ledvæv, til at bestemme, hvordan forskellige risikofaktorer initierer eller fremmer disse ændringer, og til at evaluere terapeutiske foranstaltninger. Det er vigtigt at huske, at slidgigt ikke er en sygdom i kun ét væv, ledbrusken, men i alt væv i det berørte led, herunder subkondralknoglen, synovialmembranen, meniskerne, ledbåndene, de periartikulære muskler og afferente nerver med ender både uden for og inden i ledkapslen. Studier af farmakologiske midler i dyremodeller fokuserer primært på deres virkninger på ledbrusk. Det er umuligt at evaluere hovedsymptomet på slidgigt hos mennesker - ledsmerter - i eksperimentelle modeller. Samtidig tages der ikke hensyn til en række vigtige faktorer, der bidrager til udviklingen og progressionen af slidgigt hos dyr (for eksempel den menneskelige krops lodrette position, svaghed i de periartikulære muskler osv.), når man modellerer slidgigt hos dyr.

Den mest illustrative model af sygdommen er naturligvis den, der har den største lighed med ændringerne i menneskelig slidgigt. Dyremodeller af slidgigt er af størst interesse med hensyn til at studere effektiviteten af sygdomsmodificerende OA-lægemidler (DMOAD). Selvom en række lægemidler i denne gruppe forhindrer udviklingen eller bremser progressionen af eksperimentelt induceret eller spontan slidgigt hos dyr, var de alle ineffektive, når man undersøgte deres virkninger hos mennesker.

Dyremodeller af slidgigt

Modelleringsmekanisme	Dyrearter	Inducerende faktor/agens	Kilde
Spontan slidgigt	Marsvin	Alder/overvægt	Bendele AM et al., 1989
	Mus STR/ORT, STR/INS	Genetisk prædisposition	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. m.fl., 1989 Dunham J. m.fl., 1990
	Sorte mus C57	Genetisk prædisposition	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Mus	Kollagen II-mutation	Garofalo S. et al., 1991
	Mus	Kollagen IX-mutation	Nakata K. et al., 1993
	Hunde	Hoftedysplasi	SmaleG. et al., 1995
	Primater	Genetisk prædisposition	Alexander CJ, 1994 Carlson CS et al., 1994 Chateauvert JM et al., 1990
Kemisk induceret slidgigt	Kyllinger	Jodacetatpræmie*	Kalbhen DA, 1987
	Kaniner	Papain-præmie	Marcelon G. et al., 1976 Coulais Y. et al., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Marsvin	Papain-præmie	Tanaka H. et al., 1992
	Hunde	Chymopapain vs.	Leipold HR et al., 1989
	Mus	Papain-præmie	Van der Kraan PM et al., 1989
	Mus	Kollagenase-præmie	Van der Kraan PM et al., 1989
	Mus	TFR-R mod s	Van den Berg WB. 1995
	Kaniner	Hypertonisk NaCl-opløsning	Vasilev V. et al.. 1992
Fysisk (kirurgisk) induceret slidgigt	Hunde	Forreste korsbåndstransektion (ensidig)	Marshall JL et al., 1971 Brandt KD, 1994
	Hunde	Forreste korsbåndstransektion (bilateral)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Kaniner	Overskæring af forreste korsbånd	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Får	Meniskektomi	Ghosh P. m.fl., 1993
	Kaniner	Meniskektomi	FamA.G. et al., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Marsvin	Meniskektomi	Bendele AM, 1987
	Marsvin	Myektomi	Arsever C.L, Bole G.G., 1986 Layton M.W. et al., 1987 Dedrick DK et al., 1991
	Kaniner	Knæskallens kontusion	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Kaniner	Immobilisering	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	Hunde	Immobilisering	Howell DS et al., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Hunde	Denervation efterfulgt af transektion af det forreste korsbånd	Vilensky JA et al., 1994

* intraartikulær - intraartikulær.

Fysisk og kemisk inducerede modeller af slidgigt er i øjeblikket meget populære, men de afspejler processer observeret ved sekundær slidgigt hos mennesker snarere end idiopatisk slidgigt. Et alternativ til dem er modeller af spontan slidgigt hos tobenede primater og firbenede dyr.

Nogle forfattere er generelt ret skeptiske over for modellering af slidgigt hos dyr. Ifølge MEJ Billingham (1998) er brugen af modeller til opdagelse af slidgigtmodificerende lægemidler derfor "...et dyrt sats".

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

Modeller af spontan slidgigt

Næsten alle indavlede musestammer udvikler slidgigt af varierende sværhedsgrad og lokalisering. Den højeste forekomst af slidgigt og det mest alvorlige sygdomsforløb observeres hos mus af STR/ORT- og STR/INS-stammerne. Blandt STR/ORT-mus er sygdommen mere almindelig, og den er mere alvorlig hos hanner end hos hunner. Primær skade på ledbrusken udvikles i den mediale del af skinnebenspladen. Det blev antaget, at forekomsten af ændringer i brusken forudgås af forskydning af knæskallen, men RG Evans et al. (1994), C. Collins et al. (1994) fandt, at hos alle mus af denne stamme udvikles bruskskader inden 11 måneder, men ikke alle viste forskydning af knæskallen. De samme forfattere fandt, at ændringer i ledbrusken hos STR/ORT-mus ofte forudgås af kondrocyt-osteoblastisk metaplasi af sene- og ligamentceller omkring de berørte knæled, hvilket indikerer, at disse ændringer er primære i patogenesen af slidgigt i denne model. Det er muligt, at den indledende forkalkning af ledbånd og sener ændrer den mekaniske belastning på intraartikulære strukturer, og at efterfølgende ændringer i ledbrusk afspejler et forsøg på at opretholde normal ledbelastning. I modsætning til marsvin- og makakmodeller, hvor bruskdegeneration forudgås af ændringer i den subkondrale knogle, opstår subkondral sklerose senere hos STR/ORT- og STR/INS-mus.

Fordelen ved denne model for slidgigt er dyrenes lille størrelse, som kræver minimalt forbrug af det testede farmakologiske middel. Størrelsen er dog også en ulempe, da biokemisk og patohistologisk analyse af brusk hos mus er vanskelig.

Studierne af AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) og SCR Meacock et al. (1990), der har fokuseret på det naturlige forløb af spontan slidgigt hos marsvin, har vakt interessen for denne model af sygdommen. Fra 13 måneders alderen udvikler alle hanner af Dunkin Hurtley-marsvin degeneration af ledbrusken. Lignende ændringer hos hunner viser sig noget senere og er mildere. I en alder af 1 år observeres fuldstændigt tab af ledbrusk i regionen omkring lårbenets mediale kondyl og skinnebenspladen. En stigning i kropsvægten hos Dunkin Hurtley-marsvin forværrer sygdomsforløbet, og et fald i kropsvægten til 900 g eller mindre forbedrer slidgigtens forløb. I en alder af 8 uger observeres der allerede ændringer i subkondralen i denne model, dvs. sidstnævnte går forud for bruskskader. Ændringer i knæleddenes korsbånd kan accelerere knogleombygningen.

Spontan slidgigt udvikler sig i rhesus- og cynomolgusmakaker. En meget vigtig fordel ved primater i forhold til andre dyr, der bruges til at skabe en eksperimentel model for slidgigt, er deres tobenethed. Sygdommen udvikler sig hos midaldrende/ældre individer. Tidlige histologiske fund omfatter fortykkelse af den subkondrale knogle efterfulgt af flosning af ledbrusken i regionen af den mediale plade af skinnebenet. Senere er den laterale plade også involveret i processen. Det er værd at bemærke, at degeneration af ledbrusk først begynder at udvikle sig, efter at den subkondrale knogletykkelse når 400 μm. Forekomsten og sværhedsgraden af slidgigt hos makaker stiger med alderen, men disse indikatorer påvirkes ikke af køn og kropsvægt. Indtil videre er primatmodeller af slidgigt ikke blevet brugt til at undersøge effektiviteten af DMOAD'er.

Modeller af fysisk (kirurgisk) induceret slidgigt

Slidgigtmodeller baseret på kirurgisk induceret knælaxitet, der ændrer den mekaniske belastning på knæleddet, anvendes mest almindeligt hos hunde og kaniner. Den mest anvendte model er den med korsbåndstransektion hos hunde. Kirurgiske modeller af slidgigt hos kaniner involverer transektion af korsbåndene med eller uden excision af de mediale og kollaterale ligamenter, total eller delvis meniskektomi og kirurgisk overrivning af meniskerne. Kirurgiske modeller af slidgigt hos marsvin er blevet beskrevet, som involverer transektion af korsbåndene og kollaterale ligamenter og delvis meniskektomi. Delvis meniskektomi hos marsvin resulterer i osteofytdannelse inden for 2 uger og overdreven degeneration af ledbrusk inden for 6 uger.

Indtil for nylig blev hundemodellen for slidgigt efter transektion af det forreste korsbånd set med skepsis på grund af fraværet af brusksår og markant sygdomsprogression observeret ved menneskelig slidgigt. JL Marshall og S. - E. Olsson (1971) fandt, at ændringer i vævet i hunde-knæled 2 år efter operationen var stort set identiske med dem, der blev registreret umiddelbart efter operationen. Forfatterne foreslog, at mekaniske faktorer (f.eks. fibrose i ledkapslen og osteofytdannelse) stabiliserer det postoperativt løsnede knæled og forhindrer yderligere progression af ødelæggelse af ledbrusken. Det blev også foreslået, at denne model betragtes som en model for bruskskade og -reparation snarere end en model for slidgigt. Resultaterne af undersøgelser udført af KD Brandt et al. (1991), som studerede dynamikken i ændringer i vævet i knæleddene, der er destabiliseret af skæringspunktet mellem de forreste korsbånd i en længere periode, afviste imidlertid tidligere forfatteres antagelser.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) fandt, at syntesen af proteoglykaner af chondrocytter i ledbrusken allerede i de første dage efter korsbåndsoverskæringen øges. I løbet af 64 uger efter kirurgisk induktion af knæleddsinstabilitet var tykkelsen af ledbrusken højere end normalt, selvom biokemiske, metaboliske og histologiske ændringer i den svarede til dem ved slidgigt. Denne fortykkelse af brusk var forbundet med øget syntese af proteoglykaner og deres høje koncentration i ledbrusk. Ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) viste ME Adams og KD Brandt (1991), at efter overskæringen af korsbåndene opretholdes bruskhypertrofi i 36 måneder, hvorefter der forekommer progressivt tab af brusk, således at de fleste ledflader efter 45 måneder er blottet for brusk. Morfologisk undersøgelse af brusken 54 måneder efter operationen bekræftede MRI-fundene. ME Adams og KD Brandt (1991) viste således, at kirurgisk induceret ustabilitet i knæleddene hos hunde kan betragtes som en model for artrose.

Fænomenet hypertrofisk reparation af ledbrusk illustreres godt af den ovenfor beskrevne model for slidgigt hos hunde. Det er dog kendt, at dette fænomen ikke er unikt for hunden. Hypertrofi af ledbrusk, som var af reparativ karakter, blev først beskrevet hos patienter med slidgigt af EGL Bywaters (1937) og senere af LC Johnson. Det findes også i andre modeller af slidgigt - hos kaniner efter delvis meniskektomi (Vignon E. et al., 1983), hos rhesusmakaker udvikles bruskhypertrofi spontant.

Moderne beskrivelser af patogenesen fokuserer primært på det progressive "tab" af brusk, men forfattere overser ofte dets fortykkelse og øgede syntese af proteoglykaner, hvilket svarer til den homeostatiske fase af stabiliseret slidgigt. I denne fase kompenserer bruskreparationen for tabet og kan opretholde leddet i en funktionel tilstand i lang tid. Men det reparerende væv kan ofte ikke klare den mekaniske belastning, der påføres det, på samme måde som sund ledbrusk, hvilket fører til, at kondrocytter ikke kan opretholde matrixens normale sammensætning og et fald i proteoglykansyntesen. Det sidste stadie af slidgigt udvikler sig.

Studiet af Charcot-artropati har ført til udviklingen af en metode til neurogen acceleration af kirurgisk induceret slidgigtmodellering. Charcot-artropati er karakteriseret ved alvorlig ledødelæggelse, led-"mus", ledeffusion, ligamentustabilitet og dannelse af nyt knogle- og bruskvæv i leddet. Det generelle koncept for patogenesen af Charcot (neurogen) artropati er afbrydelsen af sensoriske signaler fra lemmernes proprioceptorer og nociceptorer til centralnervesystemet (CNS). For at accelerere progressionen af slidgigt induceret ved transektion af de forreste korsbånd hos hunde udføres ganglionektomi eller excision af den nerve, der innerverer leddet, før operationen, hvilket fører til forekomsten af bruskerosioner allerede i den første uge efter operationen. Interessant nok var den nye DMOAD-diacerein effektiv, når den blev brugt i en langsomt progressiv (neurologisk intakt) model af slidgigt, men var ineffektiv i neurogent accelereret eksperimentel slidgigt.

Afslutningsvis skal det bemærkes, at det er umuligt fuldt ud at vurdere identiteten af den eksperimentelle model for slidgigt og slidgigt hos mennesker, da sygdommens ætiologi og præcise patogenesemekanismer endnu ikke er afklaret. Som tidligere nævnt er hovedformålet med at bruge eksperimentelle modeller for slidgigt hos dyr at bruge dem til at vurdere effektiviteten af nye lægemidler, primært af den "sygdomsmodificerende" gruppe. Sandsynligheden for, hvor meget resultaterne af behandling hos et dyr vil stemme overens med resultaterne af at bruge et eksperimentelt farmakologisk middel hos mennesker, er også umulig at bestemme. NS Doherty et al. (1998) understregede de betydelige forskelle mellem de dyrearter, der anvendes til at modellere slidgigt, med hensyn til forskellig udvikling af patologi, forskellige mediatorer, receptorer, enzymer, hvilket fører til en objektiv ekstrapolering af den terapeutiske aktivitet af nye lægemidler, der anvendes hos dyr, til mennesker. Et eksempel er den høje effektivitet af NSAID'er i modellering af inflammatorisk gigt hos gnavere. Dette har ført til en revurdering af effekten af NSAID'er hos mennesker, hvor prostaglandiner ikke spiller den fundamentale rolle i sygdomspatogenesen, som de gør hos gnavere, og den kliniske effekt af NSAID'er er begrænset til symptombehandling snarere end sygdomsmodifikation.

Samtidig kan undervurdering af nye farmakologiske midler, når man undersøger deres effektivitet i dyremodeller, føre til tab af potentielt effektive terapeutiske midler hos mennesker. For eksempel er guldsalte, penicillamin, chloroquin og sulfasalazin, som har en vis effekt i behandlingen af leddegigt, absolut ineffektive hos dyr, der anvendes til screening af antireumatiske lægemidler.

Forskellen i respons mellem en dyremodel af slidgigt og en patient med slidgigt på DMOAD-behandling afhænger i høj grad af kollagenase, et enzym, der menes at være aktivt involveret i patogenesen af slidgigt. Hæmmere af interstitiel kollagenase (kollagenase-1 eller matrixmetalloproteinase (MMP)-1) findes ofte hos gnavere med model-OA, men en homolog af human kollagenase-1 er ikke fundet hos gnavere og findes muligvis ikke. Således vil specifikke hæmmere af human kollagenase-1 ikke vise terapeutisk effekt hos gnavere med eksperimentel slidgigt. De fleste MMP-hæmmere, der er skabt til dato, er ikke-selektive og hæmmer derfor kollagenase-3 (MMP-13), som er involveret i patogenesen af eksperimentel slidgigt hos gnavere. Desuden, som studier foretaget af NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994) har vist, udtrykkes human kollagenase-3 i ledbrusken hos patienter med slidgigt og kan spille en rolle i sygdommens patogenese.

Det kan antages, at disse mediatorer, receptorer eller enzymer spiller en lignende rolle i patogenesen af modelleret slidgigt hos et bestemt dyr og hos mennesker. Et eksempel er den kemotaktiske kapacitet af leukotrien B4, som anses for at være den samme hos mennesker, mus og kaniner, men aktiviteten af antagonister af dette biologisk aktive stof varierer 1000 gange mellem dyrearter. For at undgå sådanne unøjagtigheder i eksperimenter er det nødvendigt at skabe metoder, der gør det muligt at studere farmakodynamik in vivo. For eksempel er det muligt at studere effekten af ethvert stof på aktiviteten af eksogene enzymer eller mediatorer hos mennesker. Denne teknik blev brugt af V Ganu et al. (1994) til at vurdere aktiviteten af MMP-hæmmere ved at bestemme lægemidlers evne til at hæmme frigivelsen af proteoglykaner fra ledbrusk efter injektion af humant stromelesin i knæleddet hos en kanin.

Selvom resultaterne fra den eksperimentelle model for slidgigt kan føre til en forkert vurdering af potentielle DMOAD'er, spiller dyremodeller for slidgigt en vigtig rolle i grundforskningen. En endelig beslutning om farmakologiske midlers effektivitet i behandlingen af menneskelige sygdomme kan først træffes efter gennemførelse af kliniske fase III-forsøg på mennesker.