Nivelrikon kokeellinen mallintaminen eläimillä

KRN Pritzker (1994) määritteli minkä tahansa sairauden kokeellisen eläinmallin "homogeeniseksi ryhmäksi eläimiä, joilla on perinnöllinen, luonnollisesti hankittu tai kokeellisesti indusoitu biologinen prosessi, jota tutkitaan tieteellisesti ja joka on yhdessä tai useammassa suhteessa samanlainen kuin ihmisen sairaus". Nivelrikon eläinmallit ovat hyödyllisiä tutkittaessa nivelkudosten rakenteellisten muutosten evoluutiota, sen määrittämiseksi, miten erilaiset riskitekijät käynnistävät tai edistävät näitä muutoksia, ja terapeuttisten toimenpiteiden arvioimiseksi. On tärkeää muistaa, että nivelrikko ei ole vain yhden kudoksen, nivelruston, sairaus, vaan kaikkien sairastuneen nivelen kudosten, mukaan lukien subkondraalisen luun, nivelkalvon, nivelkierukan, nivelsiteiden, niveliä ympäröivien lihasten ja tuovien hermojen, joiden päätteet ovat sekä nivelkapselin ulkopuolella että sisäpuolella, sairaus. Farmakologisten aineiden tutkimukset eläinmalleissa keskittyvät ensisijaisesti niiden vaikutuksiin nivelrustoon. Nivelrikon pääoiretta ihmisillä - nivelkipua - on mahdotonta arvioida kokeellisissa malleissa. Samanaikaisesti, kun mallinnetaan osteoartroosia eläimillä, useita tärkeitä tekijöitä, jotka vaikuttavat osteoartroosin kehittymiseen ja etenemiseen, ei oteta huomioon (esimerkiksi ihmiskehon pystysuora asento, nivelten ympärillä olevien lihasten heikkous jne.).

Havainnollistavin tautimalli on tietenkin se, jolla on suurin samankaltaisuus ihmisen nivelrikon muutosten kanssa. Nivelrikon eläinmallit ovat erittäin kiinnostavia tautia modifioivien nivelrikon lääkkeiden (DMOAD) tehokkuuden tutkimisen kannalta. Vaikka useat tämän ryhmän lääkkeet estävät kokeellisesti indusoidun tai spontaanin nivelrikon kehittymistä tai hidastavat sen etenemistä eläimillä, kaikki ne olivat tehottomia tutkittaessa niiden vaikutuksia ihmisillä.

Nivelrikon eläinmallit

Mallinnusmekanismi	Eläinlajit	Indusoiva tekijä/aine	Lähde
Spontaani nivelrikko	Marsut	Ikä/ylipaino	Bendele AM ym., 1989
	Hiiret STR/ORT, STR/INS	Geneettinen alttius	Das-Gupta EP ym., 1993 Dunham J. ym., 1989 Dunham J. ym., 1990
	Mustat hiiret C57	Geneettinen alttius	OkabeT., 1989 StabescyR. etal., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM etal., 1990
	Hiiret	Kollageeni II -mutaatio	GarofaloS. ym., 1991
	Hiiret	Kollageeni IX -mutaatio	NakataK. ym., 1993
	Koirat	Lonkan dysplasia	SmaleG. ym., 1995
	Kädelliset	Geneettinen alttius	Alexander CJ, 1994 Carlson CS ym., 1994 Chateauvert JM ym., 1990
Kemiallisesti indusoitu nivelrikko	Kanat	Jodoasetaatti premium*	Kalbhen DA, 1987
	Kanit	Papaiinipreemio	Marcelon G. et ai., 1976 Coulais Y. etal., 1983 Coulais Y. et ai., 1984
	Marsut	Papaiinipreemio	Tanaka H. ym., 1992
	Koirat	Kymopapaiini v/s	Leipold HR ym., 1989
	Hiiret	Papaiinipreemio	Van der Kraan PM ym., 1989
	Hiiret	Kollagenaasipremium	Van der Kraan PM ym., 1989
	Hiiret	TFR-R vastaan s	Van den Berg WB. 1995
	Kanit	Hypertoninen NaCl-liuos	Vasilev V. ym. 1992
Fyysisesti (kirurgisesti) aiheuttama nivelrikko	Koirat	Eturistisiteen katkaisu (yksipuolinen)	Marshall JL ym., 1971 Brandt KD, 1994
	Koirat	Eturistisiteen katkaisu (kahdenvälinen)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Kanit	Eturistisiteen katkaisu	Christensen SB, 1983 VignonE. et ai., 1991
	Lampaat	Meniskektomia	Ghosh P. ym., 1993
	Kanit	Meniskektomia	FamA.G. ym., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Marsut	Meniskektomia	Bendele AM, 1987
	Marsut	Myektomia	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. ym., 1987 Dedrick DK ym., 1991
	Kanit	Polvilumpion ruhje	Oegema TRJ, et ai., 1993 Mazieres B. et ai., 1990
	Kanit	Liikkumattomuus	Langenskiold A. ym., 1979 Videman T., 1982
	Koirat	Liikkumattomuus	Howell DS ym., 1992 Ratcliffe A. ym., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Koirat	Denervaatio, jota seuraa etummaisen ristisiteen katkaisu	VilenskyJA ym., 1994

* nivelensisäinen - nivelensisäinen.

Fysikaalisesti ja kemiallisesti indusoidut nivelrikon mallit ovat tällä hetkellä erittäin suosittuja, mutta ne heijastavat pikemminkin ihmisillä toissijaisessa nivelrikossa havaittuja prosesseja kuin idiopaattista nivelrikoa. Vaihtoehtona niille ovat spontaanin nivelrikon mallit kaksijalkaisilla kädellisillä ja nelijalkaisilla.

Jotkut kirjoittajat suhtautuvat yleisesti ottaen melko skeptisesti nivelrikon mallintamiseen eläimillä. Näin ollen MEJ Billinghamin (1998) mukaan mallien käyttö nivelrikon kulkua modifioivien lääkkeiden löytämiseksi on "...kallis uhkapeli".

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

Spontaanin nivelrikon mallit

Lähes kaikki sisäsiittoiset hiirikannat kehittävät vaihtelevan vaikeusasteen ja lokalisaation omaavaa nivelrikkoa. Nivelrikon esiintyvyys on suurin ja taudin vakavin kulku havaitaan STR/ORT- ja STR/INS-kantojen hiirillä. STR/ORT-hiirillä tauti on yleisempi ja vakavampi uroksilla kuin naarailla. Nivelruston primaarinen vaurio kehittyy sääriluun levyn mediaaliosassa. Aiemmin oletettiin, että rustomuutosten ilmaantumista edeltää polvilumpion siirtyminen pois paikaltaan, mutta RG Evans ym. (1994) ja C. Collins ym. (1994) havaitsivat, että kaikilla tämän kannan hiirillä rustovaurio kehittyy 11 kuukauden ikään mennessä, mutta kaikilla ei havaittu polvilumpion siirtymistä pois paikaltaan. Samat kirjoittajat havaitsivat, että STR/ORT-hiirten nivelruston muutoksia edeltää usein jänne- ja nivelsidesolujen kondrosyytti-osteoblastinen metaplasia sairastuneiden polvinivelten ympärillä, mikä osoittaa, että nämä muutokset ovat primaarisia nivelrikon patogeneesissä tässä mallissa. On mahdollista, että nivelsiteiden ja jänteiden alkuperäinen kalkkeutuminen muuttaa nivelten sisäisiin rakenteisiin kohdistuvaa mekaanista rasitusta ja että myöhemmät muutokset nivelrustossa heijastavat pyrkimystä ylläpitää normaalia nivelkuormitusta. Toisin kuin marsu- ja makakimalleissa, joissa ruston rappeutumista edeltävät muutokset subkondraalisessa luussa, subkondraalinen skleroosi ilmenee myöhemmin STR/ORT- ja STR/INS-hiirillä.

Tämän nivelrikkomallin etuna on eläinten pieni koko, mikä vaatii testattavan farmakologisen aineen kulutusta minimaalisesti. Koko on kuitenkin myös haitta, koska hiirten ruston biokemiallinen ja patohistologinen analyysi on vaikeaa.

AM Bendeleen, JE Hulmanin (1988), AM Bendelin ym. (1989) ja SCR Meacockin ym. (1990) tutkimukset, joissa tutkittiin spontaanin nivelrikon luonnollista kulkua marsuilla, ovat herättäneet kiinnostusta tätä tautimallia kohtaan. 13 kuukauden iästä alkaen kaikilla uros Dunkin Hurtley -marsuilla ilmenee nivelruston rappeutumista. Samanlaisia muutoksia naarailla ilmenee jonkin verran myöhemmin ja ne ovat lievempiä. Yhden vuoden iässä nivelruston täydellinen menetys havaitaan reisiluun mediaalisen nivelnastan ja sääriluun alueella. Dunkin Hurtley -marsujen painonnousu pahentaa taudin kulkua, ja painon lasku 900 grammaan tai alle parantaa nivelrikon kulkua. Kahdeksan viikon iässä tässä mallissa havaitaan jo muutoksia subkondraalisessa luussa, eli jälkimmäiset edeltävät rustovaurioita. Polvinivelten ristisiteiden muutokset voivat kiihdyttää luun uudelleenmuodostumista.

Spontaani nivelrikko kehittyy reesus- ja cynomolgus-makakeilla. Kädellisten erittäin tärkeä etu muihin eläimiin verrattuna, joita käytetään nivelrikon kokeellisen mallin luomiseen, on niiden kaksijalkaisuus. Tauti kehittyy keski-ikäisillä/vanhemmilla yksilöillä. Varhaisiin histologisiin löydöksiin kuuluu subkondraalisen luun paksuuntuminen, jota seuraa nivelruston rispaantuminen sääriluun mediaalilevyn alueella. Myöhemmin myös lateraalilevy on osallisena prosessissa. Huomionarvoista on, että nivelruston rappeutuminen alkaa kehittyä vasta, kun subkondraalisen luun paksuus saavuttaa 400 μm. Nivelrikon esiintyvyys ja vaikeusaste makakeilla lisääntyvät iän myötä, mutta sukupuoli ja paino eivät vaikuta näihin indikaattoreihin. Tähän mennessä kädellisten nivelrikon malleja ei ole käytetty DMOAD-lääkkeiden tehokkuuden tutkimiseen.

Fysikaalisesti (kirurgisesti) indusoidun nivelrikon mallit

Kirurgisesti aiheutettuun polven löysyyteen perustuvia nivelrikkomalleja, jotka muuttavat polvinivelen mekaanista rasitusta, käytetään yleisimmin koirilla ja kaneilla. Yleisimmin käytetty malli on koirilla ristisiteen katkaisumalli. Kaneilla esiintyvän nivelrikon kirurgisiin malleihin kuuluu ristisiteen katkaisu joko mediaalisen ja sivusiteen poistolla tai ilman, täydellinen tai osittainen meniskektomia ja meniskin kirurginen repeämä. Marsuilla esiintyvän nivelrikon kirurgisia malleja on kuvattu, joihin liittyy risti- ja sivusiteen katkaisu ja osittainen meniskektomia. Osittainen meniskektomia marsuilla johtaa osteofyyttien muodostumiseen kahden viikon kuluessa ja nivelruston liialliseen rappeutumiseen kuuden viikon kuluessa.

Vielä vähän aikaa sitten koiran etummaisen ristisiteen katkaisun jälkeiseen nivelrikon malliin suhtauduttiin skeptisesti, koska siinä ei havaittu ruston haavaumia ja ihmisen nivelrikossa havaittiin merkittävää taudin etenemistä. JL Marshall ja S.-E. Olsson (1971) havaitsivat, että koiran polvinivelten kudosmuutokset kaksi vuotta leikkauksen jälkeen olivat käytännössä identtiset välittömästi leikkauksen jälkeen havaittujen muutosten kanssa. Kirjoittajat ehdottivat, että mekaaniset tekijät (esim. nivelkapselin fibroosi ja osteofyyttien muodostuminen) stabiloivat leikkauksen jälkeen löystynyttä polviniveltä ja estävät nivelruston tuhoutumisen etenemisen. Ehdotettiin myös, että tätä mallia pidettäisiin rustovaurion ja korjautumisen mallina pikemminkin kuin nivelrikon mallina. KD Brandtin ym. (1991) tekemien tutkimusten tulokset, joissa tutkittiin etummaisten ristisiteiden leikkauksen jälkeisten polvinivelten kudosmuutosten dynamiikkaa pidemmän aikaa, kumosivat aiempien kirjoittajien oletukset.

SA McDevitt ym. (1973, 1977) havaitsivat, että jo ristisiteen katkaisun jälkeisinä päivinä nivelruston kondrosyyttien proteoglykaanien synteesi lisääntyy. 64 viikon ajan polvinivelen instabiliteetin kirurgisen indusoinnin jälkeen nivelruston paksuus oli normaalia suurempi, vaikka sen biokemialliset, metaboliset ja histologiset muutokset vastasivat nivelrikossa havaittuja muutoksia. Tämä ruston paksuuntuminen liittyi proteoglykaanien lisääntyneeseen synteesiin ja niiden korkeaan pitoisuuteen nivelrustossa. Magneettikuvausta (MRI) käyttäen ME Adams ja KD Brandt (1991) osoittivat, että ristisiteen katkaisun jälkeen ruston hypertrofia säilyy 36 kuukautta, minkä jälkeen tapahtuu asteittaista ruston häviämistä, niin että 45 kuukauden kuluttua useimmista nivelpinnoista puuttuu rustoa. Ruston morfologinen tutkimus 54 kuukautta leikkauksen jälkeen vahvisti magneettikuvauksen löydökset. Siten ME Adams ja KD Brandt (1991) osoittivat, että kirurgisesti aiheutettua polvinivelten instabiliteettia koirilla voidaan pitää nivelrikon mallina.

Nivelruston hypertrofisen korjautumisen ilmiötä havainnollistaa hyvin edellä kuvattu koirien nivelrikon malli. On kuitenkin tunnettua, että tämä ilmiö ei ole ainutlaatuinen. Nivelruston hypertrofiaa, joka oli luonteeltaan korjaavaa, kuvasi ensimmäisen kerran nivelrikon omaavilla potilailla EGL Bywaters (1937) ja myöhemmin LC Johnson. Sitä esiintyy myös muissa nivelrikon malleissa - kaneilla osittaisen meniskikirurgian jälkeen (Vignon E. et al., 1983), reesusmakakeilla ruston hypertrofia kehittyy spontaanisti.

Nykyaikaiset patogeneesin kuvaukset keskittyvät pääasiassa ruston progressiiviseen "katoamiseen", mutta kirjoittajat usein unohtavat sen paksuuntumisen ja proteoglykaanien lisääntyneen synteesin, joka vastaa stabiloituneen nivelrikon homeostaattista vaihetta. Tässä vaiheessa ruston korjaus kompensoi sen menetystä ja pystyy ylläpitämään nivelen toimintakykyisenä pitkään. Korjaava kudos ei kuitenkaan usein selviä siihen kohdistuvasta mekaanisesta kuormituksesta samalla tavalla kuin terve nivelrusto, mikä johtaa kondrosyyttien kyvyttömyyteen ylläpitää matriisin normaalia koostumusta ja proteoglykaanien synteesin vähenemiseen. Kehittyy nivelrikon viimeinen vaihe.

Charcot'n artropatian tutkimus on johtanut menetelmän kehittämiseen kirurgisesti indusoidun nivelrikon mallintamisen neurogeeniseen kiihdyttämiseen. Charcot'n artropatialle on ominaista vaikea nivelvaurio, nivel"hiirimäisyys", niveleffuusio, nivelsiteiden epävakaus sekä uuden luu- ja rustokudoksen muodostuminen nivelen sisään. Charcot'n (neurogeenisen) artropatian patogeneesin yleinen käsite on sensoristen signaalien keskeytyminen raajojen proprioseptoreista ja nosireseptoreista keskushermostoon (CNS). Koirilla etummaisten ristisiteiden katkaisun aiheuttaman nivelrikon etenemisen nopeuttamiseksi suoritetaan ennen leikkausta ganglionektomia eli niveltä hermottavan hermon poisto, mikä johtaa rustovaurioiden ilmaantumiseen jo ensimmäisen viikon aikana leikkauksen jälkeen. Mielenkiintoista on, että uusi DMOAD-diasereiini oli tehokas käytettynä hitaasti etenevässä (neurologisesti ehjässä) nivelrikon mallissa, mutta tehoton neurogeenisesti kiihdytetyssä kokeellisessa nivelrikossa.

Yhteenvetona on todettava, että on mahdotonta täysin arvioida nivelrikon kokeellisen mallin ja nivelrikon identiteettiä ihmisillä, koska taudin etiologiaa ja tarkkoja patogeneesimekanismeja ei ole vielä selvitetty. Kuten aiemmin todettiin, kokeellisten nivelrikon mallien käytön päätarkoituksena eläimillä on käyttää niitä uusien lääkkeiden, pääasiassa "sairteen kulkua muokkaavien" lääkkeiden, tehokkuuden arviointiin. On myös mahdotonta määrittää todennäköisyyttä, kuinka paljon eläimen hoitotulokset vastaavat kokeellisen farmakologisen aineen käytön tuloksia ihmisillä. NS Doherty ym. (1998) korostivat nivelrikon mallintamiseen käytettyjen eläinlajien merkittäviä eroja patologian erilaisen kehityksen, erilaisten välittäjäaineiden, reseptorien ja entsyymien suhteen, mikä johtaa eläimillä käytettyjen uusien lääkkeiden terapeuttisen vaikutuksen objektiiviseen ekstrapolointiin ihmisiin. Esimerkkinä tästä on tulehduskipulääkkeiden (NSAID) korkea tehokkuus tulehduksellisen niveltulehduksen mallintamisessa jyrsijöillä. Tämä on johtanut tulehduskipulääkkeiden (NSAID) tehon uudelleenarviointiin ihmisillä, joilla prostaglandiineilla ei ole samaa perustavanlaatuista roolia sairauden patogeneesissä kuin jyrsijöillä, ja tulehduskipulääkkeiden kliininen teho rajoittuu oireiden hoitoon eikä sairauden muuttamiseen.

Samaan aikaan uusien farmakologisten aineiden aliarviointi eläinmalleissa tutkittaessa voi johtaa potentiaalisesti tehokkaiden terapeuttisten aineiden menetykseen ihmisillä. Esimerkiksi kultasuolat, penisillamiini, klorokiini ja sulfasalatsiini, joilla on jonkin verran vaikutusta nivelreuman hoidossa, ovat täysin tehottomia reumalääkkeiden seulontaan käytetyillä eläimillä.

Eläinmallin nivelrikon ja nivelrikosta kärsivän potilaan vasteen ero DMOAD-hoitoon riippuu suurelta osin kollagenaasista, entsyymistä, jonka uskotaan olevan aktiivisesti mukana nivelrikon patogeneesissä. Interstitiaalisen kollagenaasin estäjiä (kollagenaasi-1 tai matriksin metalloproteinaasi (MMP)-1) löytyy usein jyrsijöistä, joilla on malli-OA, mutta ihmisen kollagenaasi-1:n homologia ei ole löydetty jyrsijöiltä eikä sitä välttämättä ole olemassa. Näin ollen ihmisen kollagenaasi-1:n spesifiset estäjät eivät osoita terapeuttista tehoa jyrsijöillä, joilla on kokeellinen nivelriko. Useimmat tähän mennessä kehitetyt MMP-estäjät ovat epäselektiivisiä ja estävät siksi kollagenaasi-3:a (MMP-13), joka osallistuu kokeellisen nivelrikon patogeneesiin jyrsijöillä. Lisäksi, kuten NRA Beeley et al. (1994) ja JMP Freije et al. (1994) tutkimukset ovat osoittaneet, ihmisen kollagenaasi-3:a ilmentyy nivelrikon sairastavien potilaiden nivelrustossa ja sillä voi olla merkitystä taudin patogeneesissä.

Voidaan olettaa, että näillä välittäjäaineilla, reseptoreilla tai entsyymeillä on samanlainen rooli mallinnetun nivelrikon patogeneesissä tietyllä eläimellä ja ihmisellä. Esimerkkinä tästä on leukotrieeni B4:n kemotaktinen kapasiteetti, jota pidetään samana ihmisillä, hiirillä ja kaneilla, mutta tämän biologisesti aktiivisen aineen antagonistien aktiivisuus eroaa 1000 kertaa eläinlajien välillä. Tällaisten epätarkkuuksien välttämiseksi kokeissa on tarpeen luoda menetelmiä, jotka mahdollistavat farmakodynamiikan tutkimisen in vivo. Esimerkiksi on mahdollista tutkia minkä tahansa aineen vaikutusta eksogeenisten entsyymien tai välittäjäaineiden aktiivisuuteen ihmisillä. V Ganu ym. (1994) käyttivät tätä tekniikkaa MMP-estäjien aktiivisuuden arvioimiseksi määrittämällä lääkkeiden kyky estää proteoglykaanien vapautumista nivelrustosta ihmisen stromelesiinin injektoinnin jälkeen kaniinin polviniveleen.

Vaikka kokeellisessa nivelrikon mallissa saadut tulokset saattavat johtaa mahdollisten nivelrikon estäjien (DMOAD) virheelliseen arviointiin, nivelrikon eläinmalleilla on tärkeä rooli perustutkimuksessa. Lopullinen päätös farmakologisten aineiden tehokkuudesta ihmisten sairauksien hoidossa voidaan tehdä vasta, kun ihmisillä on tehty faasi III kliinisiä tutkimuksia.