Pemodelan eksperimen osteoarthritis dalam haiwan

KRN Pritzker (1994) mendefinisikan model haiwan eksperimen untuk sebarang penyakit sebagai "sekumpulan haiwan homogen yang mempamerkan proses biologi yang diwarisi, diperoleh secara semula jadi, atau akibat eksperimen, tertakluk kepada penyiasatan saintifik, yang serupa dalam satu atau lebih aspek dengan penyakit pada manusia." Model haiwan osteoarthritis berguna untuk mengkaji evolusi perubahan struktur dalam tisu sendi, untuk menentukan bagaimana pelbagai faktor risiko memulakan atau menggalakkan perubahan ini, dan untuk menilai langkah terapeutik. Adalah penting untuk diingat bahawa osteoarthritis bukan penyakit hanya satu tisu, rawan artikular, tetapi semua tisu sendi terjejas, termasuk tulang subkondral, membran sinovial, menisci, ligamen, otot periartikular, dan saraf aferen dengan hujung di luar dan di dalam kapsul sendi. Kajian terhadap agen farmakologi dalam model haiwan tertumpu terutamanya pada kesannya pada rawan artikular. Tidak mustahil untuk menilai gejala utama osteoarthrosis pada manusia - sakit sendi - dalam model eksperimen. Pada masa yang sama, apabila memodelkan osteoarthrosis pada haiwan, beberapa faktor penting yang menyumbang kepada perkembangan dan perkembangan osteoarthrosis tidak diambil kira (contohnya, kedudukan menegak badan manusia, kelemahan otot periartikular, dll.).

Sudah tentu, model yang paling menggambarkan penyakit ini adalah yang mempunyai persamaan terbesar dengan perubahan dalam osteoarthritis manusia. Model haiwan osteoarthritis adalah yang paling diminati dari segi mengkaji keberkesanan ubat OA pengubahsuai penyakit (DMOAD). Walaupun beberapa ubat dalam kumpulan ini menghalang perkembangan atau memperlahankan perkembangan osteoartritis yang disebabkan oleh eksperimen atau spontan pada haiwan, kesemuanya tidak berkesan apabila mengkaji kesannya pada manusia.

Model haiwan osteoarthritis

Mekanisme pemodelan	Spesies haiwan	Faktor pendorong/agen	Sumber
Osteoartritis spontan	Babi Guinea	Umur/berat badan berlebihan	Bendele AM et al., 1989
	Tikus STR/ORT, STR/INS	Kecenderungan genetik	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. etal., 1989 Dunham J. etal., 1990
	Tikus hitam C57	Kecenderungan genetik	OkabeT., 1989 StabescyR. etal., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM etal., 1990
	Tikus	Mutasi kolagen II	GarofaloS. et al., 1991
	Tikus	Mutasi kolagen IX	NakataK. et al., 1993
	Anjing	Displasia pinggul	SmaleG. et al., 1995
	Primata	Kecenderungan genetik	Alexander CJ, 1994 Carlson CS etal., 1994 Chateauvert JM et al., 1990
Osteoartritis yang disebabkan oleh kimia	Ayam	Iodoacetate premium*	Kalbhen DA, 1987
	Arnab	Papain premium	Marcelon G. etal., 1976 Coulais Y. etal., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Babi Guinea	Papain premium	Tanaka H. et al., 1992
	Anjing	Chymopapain v/s	Leipold HR et al., 1989
	Tikus	Papain premium	Van der Kraan PM et al., 1989
	Tikus	Premium kolagenase	Van der Kraan PM et al., 1989
	Tikus	TFR-R v/s	Van den Berg WB. 1995
	Arnab	Larutan NaCI hipertonik	VasilevV. et al.. 1992
Osteoartritis yang disebabkan secara fizikal (pembedahan).	Anjing	Transeksi ligamen cruciate anterior (sepihak)	Marshall JL et al., 1971 Brandt KD, 1994
	Anjing	Transeksi ligamen cruciate anterior (dua hala)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Arnab	Transeksi ligamen cruciate anterior	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Biri-biri	Menisektomi	Ghosh P. et al., 1993
	Arnab	Menisektomi	FamA.G. etal., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Babi Guinea	Menisektomi	Bendele AM, 1987
	Babi Guinea	Myektomi	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. etal., 1987 Dedrick DK etal., 1991
	Arnab	Lebam patella	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Arnab	Imobilisasi	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	Anjing	Imobilisasi	Howell DS etal., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 PalmoskiM., Brandt KD, 1981
	Anjing	Denervation diikuti oleh transeksi ligamen anterior cruciate	VilenskyJA et al., 1994

* intra-artikular - intra-artikular.

Model osteoarthrosis yang disebabkan secara fizikal dan kimia pada masa ini sangat popular, tetapi ia mencerminkan proses yang diperhatikan dalam osteoarthrosis sekunder pada manusia dan bukannya osteoarthrosis idiopatik. Alternatif kepada mereka ialah model osteoarthrosis spontan dalam primata dwipedal dan berkaki empat.

Sesetengah pengarang agak ragu-ragu tentang pemodelan osteoarthrosis dalam haiwan secara umum. Oleh itu, menurut MEJ Billingham (1998), penggunaan model untuk penemuan ubat pengubahsuaian osteoarthrosis adalah "...perjudian yang mahal."

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

Model osteoarthritis spontan

Hampir semua strain tikus baka mengembangkan osteoarthrosis dengan keparahan dan penyetempatan yang berbeza-beza. Insiden tertinggi osteoarthrosis dan perjalanan penyakit yang paling teruk diperhatikan pada tikus strain STR/ORT dan STR/INS. Di kalangan tikus STR/ORT, penyakit ini lebih biasa, dan ia lebih teruk pada lelaki berbanding perempuan. Kerosakan utama pada rawan artikular berkembang di bahagian medial plat tibial. Diandaikan bahawa penampilan perubahan dalam rawan didahului oleh anjakan patela, bagaimanapun, RG Evans et al. (1994), C. Collins et al. (1994) mendapati bahawa dalam semua tikus strain ini, kerosakan tulang rawan berkembang selama 11 bulan, tetapi tidak semua daripada mereka menunjukkan anjakan patela. Penulis yang sama mendapati bahawa perubahan dalam rawan artikular dalam tikus STR / ORT sering didahului oleh metaplasia kondrosit-osteoblastik sel tendon dan ligamen di sekeliling sendi lutut yang terjejas, menunjukkan bahawa perubahan ini adalah utama dalam patogenesis osteoarthritis dalam model ini. Ada kemungkinan bahawa kalsifikasi awal ligamen dan tendon mengubah tekanan mekanikal pada struktur intra-artikular dan perubahan seterusnya dalam rawan artikular mencerminkan percubaan untuk mengekalkan beban sendi yang normal. Tidak seperti model babi guinea dan kera, di mana degenerasi rawan didahului oleh perubahan dalam tulang subkondral, sklerosis subkondral muncul kemudian dalam tikus STR/ORT dan STR/INS.

Kelebihan model osteoarthrosis ini ialah saiz haiwan yang kecil, yang memerlukan penggunaan minimum agen farmakologi yang diuji. Walau bagaimanapun, saiznya juga merupakan kelemahan, kerana analisis biokimia dan patohistologi rawan pada tikus adalah sukar.

Kajian AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989), dan SCR Meacock et al. (1990) menumpukan kepada kajian kursus semula jadi osteoarthrosis spontan dalam babi guinea telah merangsang minat dalam model penyakit ini. Bermula pada usia 13 bulan, semua babi guinea Dunkin Hurtley jantan mengalami degenerasi rawan artikular. Perubahan serupa pada wanita muncul agak lewat dan lebih ringan. Pada usia 1 tahun, kehilangan lengkap rawan artikular diperhatikan di kawasan kondilus medial femur dan plat tibial. Peningkatan berat badan babi guinea Dunkin Hurtley memburukkan perjalanan penyakit, dan penurunan berat badan kepada 900 g atau kurang meningkatkan perjalanan osteoarthrosis. Pada usia 8 minggu, perubahan dalam tulang subkondral sudah dikesan dalam model ini, iaitu yang terakhir mendahului kerosakan rawan. Perubahan pada ligamen cruciate sendi lutut boleh mempercepatkan pembentukan semula tulang.

Ostearthrosis spontan berkembang pada kera rhesus dan cynomolgus. Kelebihan primata yang sangat penting berbanding haiwan lain yang digunakan untuk mencipta model eksperimen osteoarthrosis ialah bipedal mereka. Penyakit ini berkembang pada individu pertengahan umur/lebih tua. Penemuan histologi awal termasuk penebalan tulang subkondral diikuti dengan kerutan rawan artikular di kawasan plat medial tibia. Kemudian, plat sisi juga terlibat dalam proses itu. Terutama, degenerasi rawan artikular mula berkembang hanya selepas ketebalan tulang subkondral mencapai 400 μm. Kelaziman dan keterukan osteoarthrosis dalam kera meningkat dengan usia, tetapi penunjuk ini tidak dipengaruhi oleh jantina dan berat badan. Sehingga kini, model primata osteoarthrosis tidak digunakan untuk mengkaji keberkesanan DMOAD.

Model osteoartritis yang disebabkan secara fizikal (pembedahan).

Model osteoartritis berdasarkan kelonggaran lutut akibat pembedahan yang mengubah tekanan mekanikal pada sendi lutut paling kerap digunakan pada anjing dan arnab. Model yang paling banyak digunakan ialah model yang mempunyai transeksi ligamen cruciate pada anjing. Model pembedahan osteoarthritis dalam arnab melibatkan transeksi ligamen cruciate dengan atau tanpa pemotongan ligamen medial dan cagaran, menissektomi keseluruhan atau separa, dan koyakan pembedahan menisci. Model pembedahan osteoarthritis dalam babi guinea telah diterangkan yang melibatkan transeksi ligamen cruciate dan cagaran dan meniscectomy separa. Menisektomi separa dalam babi guinea mengakibatkan pembentukan osteofit dalam masa 2 minggu dan degenerasi rawan artikular yang berlebihan dalam masa 6 minggu.

Sehingga baru-baru ini, model taring osteoarthritis berikutan transeksi ligamen anterior cruciate dilihat dengan keraguan kerana ketiadaan ulser rawan dan perkembangan penyakit yang ketara diperhatikan dalam osteoarthritis manusia. JL Marshall dan S. - E. Olsson (1971) mendapati bahawa perubahan dalam tisu sendi lutut anjing 2 tahun selepas pembedahan adalah hampir sama dengan yang direkodkan sejurus selepas pembedahan. Penulis mencadangkan bahawa faktor mekanikal (cth, fibrosis kapsul sendi dan pembentukan osteofit) menstabilkan sendi lutut yang longgar selepas pembedahan dan menghalang perkembangan lanjut kemusnahan rawan artikular. Ia juga dicadangkan bahawa model ini dianggap sebagai model kerosakan dan pembaikan rawan, dan bukannya model osteoarthritis. Namun begitu, hasil kajian yang dijalankan oleh KD Brandt et al. (1991), yang mengkaji dinamik perubahan dalam tisu sendi lutut yang tidak stabil oleh persimpangan ligamen cruciate anterior untuk tempoh yang lebih lama, menyangkal andaian penulis terdahulu.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) mendapati bahawa sudah pada hari-hari pertama selepas transeksi ligamen cruciate sintesis proteoglycans oleh kondrosit rawan artikular meningkat. Selama 64 minggu selepas induksi pembedahan ketidakstabilan sendi lutut, ketebalan rawan artikular adalah lebih tinggi daripada biasa, walaupun perubahan biokimia, metabolik dan histologi di dalamnya sepadan dengan yang berlaku dalam osteoarthrosis. Penebalan tulang rawan ini dikaitkan dengan peningkatan sintesis proteoglikan dan kepekatan tingginya dalam rawan artikular. Menggunakan pengimejan resonans magnetik (MRI), ME Adams dan KD Brandt (1991) menunjukkan bahawa selepas transeksi ligamen cruciate hipertrofi rawan dikekalkan selama 36 bulan, maka kehilangan rawan progresif berlaku, sehingga selepas 45 bulan kebanyakan permukaan artikular tidak mempunyai rawan. Pemeriksaan morfologi tulang rawan 54 bulan selepas pembedahan mengesahkan penemuan MRI. Oleh itu, ME Adams dan KD Brandt (1991) menunjukkan bahawa ketidakstabilan yang disebabkan oleh pembedahan pada sendi menyekat pada anjing boleh dianggap sebagai model OA.

Fenomena pembaikan hipertropik rawan artikular digambarkan dengan baik oleh model osteoarthrosis yang diterangkan di atas pada anjing. Walau bagaimanapun, diketahui bahawa fenomena ini tidak unik untuknya. Hipertrofi rawan artikular, yang bersifat reparatif, pertama kali diterangkan pada pesakit dengan osteoarthrosis oleh EGL Bywaters (1937), dan kemudian oleh LC Johnson. Ia juga ditemui dalam model osteoarthrosis yang lain - dalam arnab selepas meniscectomy separa (Vignon E. et al., 1983), dalam kera rhesus, hipertrofi rawan berkembang secara spontan.

Penerangan moden tentang patogenesis tertumpu terutamanya pada "kehilangan" rawan yang progresif, tetapi penulis sering mengabaikan penebalan dan peningkatan sintesis proteoglikan, yang sepadan dengan fasa homeostatik osteoarthrosis yang stabil. Semasa fasa ini, pembaikan tulang rawan mengimbangi kehilangannya dan boleh mengekalkan sendi dalam keadaan berfungsi untuk masa yang lama. Tetapi tisu reparatif selalunya tidak dapat menampung beban mekanikal yang dikenakan ke atasnya dengan cara yang sama seperti tulang rawan artikular yang sihat, yang membawa kepada ketidakupayaan kondrosit untuk mengekalkan komposisi normal matriks dan penurunan sintesis proteoglycan. Peringkat akhir osteoarthrosis berkembang.

Kajian arthropathy Charcot telah membawa kepada pembangunan kaedah untuk pecutan neurogenik pemodelan osteoarthrosis yang disebabkan oleh pembedahan. Artropati Charcot dicirikan oleh kemusnahan sendi yang teruk, "tikus" sendi, efusi sendi, ketidakstabilan ligamen, dan pembentukan tisu tulang dan rawan baru dalam sendi. Konsep umum patogenesis artropati Charcot (neurogenik) ialah gangguan isyarat deria daripada proprioseptor anggota dan nosiseptor kepada sistem saraf pusat (CNS). Untuk mempercepatkan perkembangan osteoarthrosis yang disebabkan oleh pemindahan ligamen anterior cruciate pada anjing, ganglionektomi atau pengasingan saraf yang menyelaraskan sendi dilakukan sebelum pembedahan, yang membawa kepada kemunculan hakisan rawan sudah pada minggu pertama selepas pembedahan. Menariknya, diacerein DMOAD baharu adalah berkesan apabila digunakan dalam model osteoarthritis yang progresif perlahan (utuh dari segi neurologi), tetapi tidak berkesan dalam osteoarthritis eksperimen yang dipercepatkan secara neurogenik.

Sebagai kesimpulan, perlu diingatkan bahawa adalah mustahil untuk menilai sepenuhnya identiti model eksperimen osteoarthrosis dan osteoarthrosis pada manusia, kerana etiologi dan mekanisme tepat patogenesis penyakit itu belum dijelaskan. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, tujuan utama menggunakan model eksperimen osteoarthrosis pada haiwan adalah untuk menggunakannya untuk menilai keberkesanan ubat-ubatan baru, terutamanya kumpulan "pengubahsuaian penyakit". Kemungkinan berapa banyak hasil rawatan dalam haiwan akan bertepatan dengan keputusan menggunakan agen farmakologi eksperimen pada manusia juga mustahil untuk ditentukan. NS Doherty et al. (1998) menekankan perbezaan ketara antara spesies haiwan yang digunakan untuk memodelkan osteoarthrosis dari segi perkembangan patologi yang berbeza, pelbagai mediator, reseptor, enzim, yang membawa kepada ekstrapolasi objektif aktiviti terapeutik ubat baru yang digunakan dalam haiwan kepada manusia. Contohnya ialah keberkesanan tinggi NSAID dalam memodelkan arthritis radang pada tikus. Ini telah membawa kepada penilaian semula keberkesanan NSAID pada manusia, di mana prostaglandin tidak memainkan peranan asas dalam patogenesis penyakit yang mereka lakukan pada tikus, dan keberkesanan klinikal NSAID adalah terhad kepada rawatan gejala dan bukannya pengubahsuaian penyakit.

Pada masa yang sama, memandang rendah ejen farmakologi baharu apabila mengkaji keberkesanannya dalam model haiwan boleh menyebabkan kehilangan agen terapeutik yang berpotensi berkesan pada manusia. Sebagai contoh, garam emas, penicillamine, chloroquine dan sulfasalazine, yang mempunyai beberapa kesan dalam rawatan arthritis rheumatoid, sama sekali tidak berkesan pada haiwan yang digunakan untuk pemeriksaan ubat antirheumatik.

Perbezaan tindak balas antara model haiwan osteoarthrosis dan pesakit osteoarthrosis terhadap rawatan DMOAD sebahagian besarnya bergantung kepada kolagenase, enzim yang dipercayai terlibat secara aktif dalam patogenesis osteoarthrosis. Inhibitor kolagenase interstisial (kolagenase-1 atau matriks metalloproteinase (MMP)-1) sering ditemui dalam tikus dengan model OA, tetapi homolog kolagenase-1 manusia tidak ditemui dalam tikus dan mungkin tidak wujud. Oleh itu, perencat khusus kolagenase-1 manusia tidak akan menunjukkan keberkesanan terapeutik dalam tikus dengan osteoarthrosis eksperimen. Kebanyakan perencat MMP yang dicipta sehingga kini adalah tidak selektif dan oleh itu menghalang kolagenase-3 (MMP-13), yang terlibat dalam patogenesis osteoarthrosis eksperimen dalam tikus. Selain itu, seperti kajian oleh NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994) telah menunjukkan, kolagenase-3 manusia dinyatakan dalam rawan artikular pesakit dengan osteoarthritis dan mungkin memainkan peranan dalam patogenesis penyakit.

Ia boleh diandaikan bahawa mediator, reseptor atau enzim ini memainkan peranan yang sama dalam patogenesis osteoarthrosis yang dimodelkan dalam haiwan tertentu dan pada manusia. Contohnya ialah kapasiti chemotactic leukotriene B4, yang dianggap sama pada manusia, tikus dan arnab, tetapi aktiviti antagonis bahan aktif biologi ini berbeza sebanyak 1000 kali antara spesies haiwan. Untuk mengelakkan ketidaktepatan sedemikian dalam eksperimen, adalah perlu untuk mencipta kaedah yang membolehkan mengkaji farmakodinamik dalam vivo. Sebagai contoh, adalah mungkin untuk mengkaji kesan sebarang bahan terhadap aktiviti enzim atau mediator eksogen pada manusia. Teknik ini digunakan oleh V Ganu et al. (1994) untuk menilai aktiviti perencat MMP dengan menentukan keupayaan ubat untuk menghalang pembebasan proteoglikan daripada rawan artikular selepas suntikan stromelesin manusia ke dalam sendi lutut arnab.

Walaupun keputusan yang diperolehi dalam model eksperimen osteoarthrosis mungkin membawa kepada penilaian yang salah terhadap potensi DMOAD, model haiwan osteoarthrosis memainkan peranan penting dalam penyelidikan asas. Keputusan muktamad mengenai keberkesanan agen farmakologi dalam rawatan penyakit manusia hanya boleh dibuat selepas menjalankan ujian klinikal fasa III pada manusia.