Experimentele modellering van artrose bij dieren

KRN Pritzker (1994) definieerde een experimenteel diermodel voor een ziekte als "een homogene groep dieren die een erfelijk, natuurlijk verworven of experimenteel geïnduceerd biologisch proces vertonen, onderworpen aan wetenschappelijk onderzoek, dat in één of meer opzichten vergelijkbaar is met de ziekte bij de mens." Diermodellen voor artrose zijn nuttig om de evolutie van structurele veranderingen in gewrichtsweefsels te bestuderen, om te bepalen hoe verschillende risicofactoren deze veranderingen initiëren of bevorderen, en om therapeutische maatregelen te evalueren. Het is belangrijk om te onthouden dat artrose geen ziekte is van slechts één weefsel, het gewrichtskraakbeen, maar van alle weefsels van het aangetaste gewricht, inclusief het subchondrale bot, het synoviaal membraan, de menisci, ligamenten, periarticulaire spieren en afferente zenuwen met uiteinden zowel buiten als binnen het gewrichtskapsel. Studies naar farmacologische middelen in diermodellen richten zich primair op hun effecten op het gewrichtskraakbeen. Het is onmogelijk om het belangrijkste symptoom van artrose bij mensen - gewrichtspijn - te evalueren in experimentele modellen. Bij het modelleren van artrose bij dieren wordt echter geen rekening gehouden met een aantal belangrijke factoren die bijdragen aan de ontwikkeling en progressie van artrose (bijvoorbeeld de verticale positie van het menselijk lichaam, zwakte van de periarticulaire spieren, enz.).

Het meest illustratieve model van de ziekte is natuurlijk het model dat de grootste gelijkenis vertoont met de veranderingen bij menselijke artrose. Diermodellen van artrose zijn van het grootste belang voor het bestuderen van de effectiviteit van ziektemodificerende artrosemedicijnen (DMOAD). Hoewel een aantal medicijnen in deze groep de ontwikkeling van experimenteel geïnduceerde of spontane artrose bij dieren voorkomt of de progressie ervan vertraagt, bleken ze allemaal ineffectief bij het bestuderen van hun effecten bij mensen.

Diermodellen van artrose

Modelleringsmechanisme	Diersoorten	Inducerende factor/middel	Bron
Spontane artrose	Cavia's	Leeftijd/overgewicht	Bendele AM et al., 1989
	Muizen STR/ORT, STR/INS	Genetische aanleg	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. e.a., 1989 Dunham J. e.a., 1990
	Zwarte muizen C57	Genetische aanleg	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Muizen	Collageen II-mutatie	GarofaloS. et al., 1991
	Muizen	Collageen IX-mutatie	Nakata K. et al., 1993
	Honden	Heupdysplasie	SmaleG. et al., 1995
	Primaten	Genetische aanleg	Alexander CJ, 1994 Carlson CS etal., 1994 Chateauvert JM etal., 1990
Chemisch geïnduceerde artrose	Kippen	Jodoacetaat premium*	Kalbhen DA, 1987
	Konijnen	Papaïne premium	Marcelon G. et al., 1976 Coulais Y. et al., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Cavia's	Papaïne premium	Tanaka H. et al., 1992
	Honden	Chymopapaïne v/s	Leipold HR et al., 1989
	Muizen	Papaïne premium	Van der Kraan PM et al., 1989
	Muizen	Collageenase premium	Van der Kraan PM et al., 1989
	Muizen	TFR-R versus	Van den Berg WB. 1995
	Konijnen	Hypertone NaCl-oplossing	Vasilev V. et al.. 1992
Fysiek (chirurgisch) geïnduceerde artrose	Honden	Doorsnijding van de voorste kruisband (unilateraal)	Marshall JL et al., 1971 Brandt KD, 1994
	Honden	Doorsnijding van de voorste kruisband (bilateraal)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Konijnen	Doorsnijding van de voorste kruisband	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Schaap	Meniscectomie	Ghosh P. et al., 1993
	Konijnen	Meniscectomie	FamA.G. etal., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Cavia's	Meniscectomie	Bendele AM, 1987
	Cavia's	Myectomie	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. etal., 1987 Dedrick DK etal., 1991
	Konijnen	Patella kneuzing	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Konijnen	Immobilisatie	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	Honden	Immobilisatie	Howell DS etal., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Honden	Denervatie gevolgd door doorsnijding van de voorste kruisband	VilenskyJA et al., 1994

* intra-articulair - intra-articulair.

Fysisch en chemisch geïnduceerde modellen van artrose zijn momenteel erg populair, maar weerspiegelen de processen die worden waargenomen bij secundaire artrose bij mensen in plaats van idiopathische artrose. Een alternatief zijn modellen van spontane artrose bij tweevoetige primaten en viervoeters.

Sommige auteurs staan nogal sceptisch tegenover het modelleren van artrose bij dieren in het algemeen. Volgens MEJ Billingham (1998) is het gebruik van modellen voor de ontdekking van medicijnen die artrose modificeren "...een dure gok."

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

Modellen van spontane artrose

Bijna alle inteeltmuizenstammen ontwikkelen osteoartrose van verschillende ernst en lokalisatie. De hoogste incidentie van osteoartrose en het ernstigste beloop van de ziekte worden waargenomen bij muizen van de STR/ORT- en STR/INS-stammen. Bij STR/ORT-muizen komt de ziekte vaker voor en is deze ernstiger bij mannetjes dan bij vrouwtjes. Primaire schade aan het gewrichtskraakbeen ontwikkelt zich in het mediale deel van de tibiaplaat. Aangenomen werd dat het optreden van veranderingen in het kraakbeen voorafgaat aan een verplaatsing van de patella. RG Evans et al. (1994) en C. Collins et al. (1994) ontdekten echter dat bij alle muizen van deze stam kraakbeenschade optreedt tegen de leeftijd van 11 maanden, maar dat niet bij alle muizen een verplaatsing van de patella werd waargenomen. Dezelfde auteurs ontdekten dat veranderingen in het gewrichtskraakbeen bij STR/ORT-muizen vaak voorafgegaan worden door chondrocyt-osteoblastische metaplasie van pees- en ligamentcellen rond de aangetaste kniegewrichten, wat erop wijst dat deze veranderingen primair zijn in de pathogenese van artrose in dit model. Het is mogelijk dat de initiële verkalking van ligamenten en pezen de mechanische belasting van intra-articulaire structuren verandert en dat daaropvolgende veranderingen in het gewrichtskraakbeen een poging weerspiegelen om een normale gewrichtsbelasting te handhaven. In tegenstelling tot cavia- en makaakmodellen, waarin kraakbeendegeneratie voorafgaat door veranderingen in het subchondrale bot, treedt subchondrale sclerose later op bij STR/ORT- en STR/INS-muizen.

Het voordeel van dit osteoartrosemodel is de kleine omvang van de dieren, waardoor er een minimale consumptie van het geteste farmacologische middel nodig is. De omvang is echter ook een nadeel, aangezien biochemische en pathohistologische analyse van kraakbeen bij muizen lastig is.

De studies van AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) en SCR Meacock et al. (1990) die zich richtten op het bestuderen van het natuurlijke beloop van spontane artrose bij cavia's, hebben de interesse in dit model van de ziekte aangewakkerd. Vanaf de leeftijd van 13 maanden ontwikkelen alle mannelijke Dunkin Hurtley-cavia's degeneratie van het gewrichtskraakbeen. Soortgelijke veranderingen bij vrouwtjes treden iets later op en zijn milder. Op de leeftijd van 1 jaar wordt volledig verlies van gewrichtskraakbeen waargenomen in het gebied van de mediale condylus van het femur en de tibiaplaat. Een toename van het lichaamsgewicht van Dunkin Hurtley-cavia's verergert het beloop van de ziekte, en een afname van het lichaamsgewicht tot 900 g of minder verbetert het beloop van artrose. Op de leeftijd van 8 weken worden in dit model al veranderingen in het subchondrale bot waargenomen, d.w.z. dit laatste gaat vooraf aan kraakbeenschade. Veranderingen in de kruisbanden van de kniegewrichten kunnen de botremodellering versnellen.

Spontane osteoartrose ontwikkelt zich bij resusapen en cynomolgusapen. Een zeer belangrijk voordeel van primaten ten opzichte van andere dieren die gebruikt worden om een experimenteel model voor osteoartrose te creëren, is hun tweevoetigheid. De ziekte ontwikkelt zich bij individuen van middelbare leeftijd/oudere leeftijd. Vroege histologische bevindingen omvatten verdikking van het subchondrale bot, gevolgd door rafeling van het gewrichtskraakbeen in het gebied van de mediale plaat van de tibia. Later is ook de laterale plaat bij het proces betrokken. Opvallend is dat degeneratie van het gewrichtskraakbeen pas begint te ontwikkelen nadat de dikte van het subchondrale bot 400 μm bereikt. De prevalentie en ernst van osteoartrose bij makaken neemt toe met de leeftijd, maar deze indicatoren worden niet beïnvloed door geslacht en lichaamsgewicht. Tot op heden zijn primatenmodellen voor osteoartrose niet gebruikt om de effectiviteit van DMOAD's te bestuderen.

Modellen van fysiek (chirurgisch) geïnduceerde artrose

Artrosemodellen gebaseerd op chirurgisch geïnduceerde knielaxiteit die de mechanische belasting van het kniegewricht verandert, worden het meest gebruikt bij honden en konijnen. Het meest gebruikte model is dat met kruisbanddoorsnijding bij honden. Chirurgische modellen van artrose bij konijnen omvatten doorsnijding van de kruisbanden met of zonder excisie van de mediale en collaterale ligamenten, totale of partiële meniscectomie en chirurgische scheuring van de meniscus. Er zijn chirurgische modellen van artrose bij cavia's beschreven die doorsnijding van de kruis- en collaterale ligamenten en partiële meniscectomie omvatten. Partiële meniscectomie bij cavia's resulteert in osteofytvorming binnen 2 weken en overmatige degeneratie van gewrichtskraakbeen binnen 6 weken.

Tot voor kort werd het hondenmodel voor artrose na een voorste kruisbanddoorsnijding met scepsis bekeken vanwege de afwezigheid van kraakbeendestructie en de duidelijke ziekteprogressie die bij menselijke artrose werd waargenomen. J.L. Marshall en S.-E. Olsson (1971) ontdekten dat veranderingen in de weefsels van kniegewrichten bij honden twee jaar na de operatie vrijwel identiek waren aan die direct na de operatie. De auteurs suggereerden dat mechanische factoren (bijv. fibrose van het gewrichtskapsel en osteofytvorming) het postoperatief losgeraakte kniegewricht stabiliseren en verdere progressie van gewrichtskraakbeendestructie voorkomen. Er werd ook gesuggereerd dat dit model beschouwd moest worden als een model voor kraakbeenschade en -herstel, in plaats van als een model voor artrose. De resultaten van studies uitgevoerd door K.D. Brandt et al. (1991), die de dynamiek bestudeerden van veranderingen in de weefsels van kniegewrichten die gedestabiliseerd werden door de kruising van de voorste kruisbanden gedurende een langere periode, weerlegden echter de aannames van eerdere auteurs.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) ontdekten dat al in de eerste dagen na de kruisbanddoorsnijding de synthese van proteoglycanen door chondrocyten van het gewrichtskraakbeen toeneemt. Gedurende 64 weken na chirurgische inductie van kniegewrichtsinstabiliteit was de dikte van het gewrichtskraakbeen hoger dan normaal, hoewel biochemische, metabole en histologische veranderingen daarin overeenkwamen met die bij artrose. Deze verdikking van het kraakbeen ging gepaard met een verhoogde synthese van proteoglycanen en hun hoge concentratie in het gewrichtskraakbeen. Met behulp van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) toonden ME Adams en KD Brandt (1991) aan dat na de kruisbanddoorsnijding de hypertrofie van het kraakbeen 36 maanden aanhoudt, waarna progressief kraakbeenverlies optreedt, zodat na 45 maanden de meeste gewrichtsvlakken geen kraakbeen meer bevatten. Morfologisch onderzoek van het kraakbeen 54 maanden na de operatie bevestigde de MRI-bevindingen. Zo hebben ME Adams en KD Brandt (1991) aangetoond dat chirurgisch geïnduceerde instabiliteit van de kniegewrichten bij honden kan worden beschouwd als een model voor artrose.

Het fenomeen van hypertrofische reparatie van gewrichtskraakbeen wordt goed geïllustreerd door het hierboven beschreven model van osteoartrose bij honden. Het is echter bekend dat dit fenomeen niet uniek is. Hypertrofie van gewrichtskraakbeen, die van herstellende aard was, werd voor het eerst beschreven bij patiënten met osteoartrose door EGL Bywaters (1937) en later door LC Johnson. Het wordt ook gevonden in andere modellen van osteoartrose: bij konijnen na een partiële meniscectomie (Vignon E. et al., 1983) en bij resusaapjes ontwikkelt zich spontaan kraakbeenhypertrofie.

Moderne beschrijvingen van de pathogenese richten zich voornamelijk op het progressieve "verlies" van kraakbeen, maar auteurs negeren vaak de verdikking en de toegenomen synthese van proteoglycanen, wat overeenkomt met de homeostatische fase van gestabiliseerde artrose. Tijdens deze fase compenseert kraakbeenherstel het verlies en kan het gewricht langdurig functioneel blijven. Herstellend weefsel kan de mechanische belasting echter vaak niet op dezelfde manier verwerken als gezond gewrichtskraakbeen, wat leidt tot het onvermogen van chondrocyten om de normale samenstelling van de matrix te behouden en een afname van de proteoglycaansynthese. Het laatste stadium van artrose ontwikkelt zich.

De studie van Charcot-artropathie heeft geleid tot de ontwikkeling van een methode voor neurogene versnelling van chirurgisch geïnduceerde osteoartrosemodellering. Charcot-artropathie wordt gekenmerkt door ernstige gewrichtsdestructie, gewrichts"muizen", gewrichtsvochtophoping, ligamentinstabiliteit en de vorming van nieuw bot- en kraakbeenweefsel in het gewricht. Het algemene concept van de pathogenese van Charcot-artropathie (neurogene artropathie) is de onderbreking van sensorische signalen van de proprioceptoren en nociceptoren van de ledematen naar het centrale zenuwstelsel (CZS). Om de progressie van osteoartrose, geïnduceerd door transectie van de voorste kruisbanden bij honden, te versnellen, wordt vóór de operatie een ganglionectomie of excisie van de zenuw die het gewricht innerveert uitgevoerd. Dit leidt al in de eerste week na de operatie tot het optreden van kraakbeenderosie. Interessant is dat de nieuwe DMOAD-diacereïne effectief was in een langzaam progressief (neurologisch intact) model van osteoartrose, maar niet effectief was bij neurogeen versnelde experimentele osteoartrose.

Concluderend moet worden opgemerkt dat het onmogelijk is om de identiteit van het experimentele model voor artrose en artrose bij mensen volledig te beoordelen, aangezien de etiologie en precieze mechanismen van de pathogenese van de ziekte nog niet zijn opgehelderd. Zoals eerder vermeld, is het belangrijkste doel van het gebruik van experimentele modellen voor artrose bij dieren om de effectiviteit van nieuwe geneesmiddelen, met name uit de groep die ziektemodificerende geneesmiddelen, te beoordelen. De waarschijnlijkheid in hoeverre de resultaten van de behandeling bij een dier overeenkomen met de resultaten van het gebruik van een experimenteel farmacologisch middel bij mensen, is eveneens onmogelijk te bepalen. NS Doherty et al. (1998) benadrukten de significante verschillen tussen de diersoorten die worden gebruikt om artrose te modelleren in termen van verschillende ontwikkeling van de pathologie, diverse mediatoren, receptoren en enzymen, wat leidt tot een objectieve extrapolatie van de therapeutische activiteit van nieuwe geneesmiddelen die bij dieren worden gebruikt naar mensen. Een voorbeeld is de hoge effectiviteit van NSAID's bij het modelleren van inflammatoire artritis bij knaagdieren. Dit heeft geleid tot een herwaardering van de werkzaamheid van NSAID's bij mensen, bij wie prostaglandinen niet dezelfde fundamentele rol spelen in de pathogenese van ziekten als bij knaagdieren. Bovendien beperkt de klinische werkzaamheid van NSAID's zich tot symptoombehandeling in plaats van tot het beïnvloeden van de ziekte.

Tegelijkertijd kan onderschatting van nieuwe farmacologische middelen bij onderzoek naar hun effectiviteit in diermodellen leiden tot het verlies van potentieel effectieve therapeutische middelen bij mensen. Zo zijn goudzouten, penicillamine, chloroquine en sulfasalazine, die wel enig effect hebben bij de behandeling van reumatoïde artritis, absoluut niet effectief bij dieren die worden gebruikt voor het screenen van antireumatische middelen.

Het verschil in respons tussen een diermodel voor artrose en een patiënt met artrose op DMOAD-behandeling hangt grotendeels af van collagenase, een enzym waarvan wordt aangenomen dat het actief betrokken is bij de pathogenese van artrose. Remmers van interstitiële collagenase (collagenase-1 of matrixmetalloproteïnase (MMP)-1) worden vaak aangetroffen bij knaagdieren met modelartrose, maar een homoloog van humaan collagenase-1 is niet aangetroffen bij knaagdieren en bestaat mogelijk niet. Specifieke remmers van humaan collagenase-1 zullen dus geen therapeutische werkzaamheid vertonen bij knaagdieren met experimentele artrose. De meeste tot nu toe ontwikkelde MMP-remmers zijn niet-selectief en remmen daarom collagenase-3 (MMP-13), dat betrokken is bij de pathogenese van experimentele artrose bij knaagdieren. Bovendien, zoals blijkt uit studies van NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994) hebben aangetoond dat menselijk collageenase-3 tot expressie komt in het gewrichtskraakbeen van patiënten met artrose en een rol kan spelen in de pathogenese van de ziekte.

Aangenomen kan worden dat deze mediatoren, receptoren of enzymen een vergelijkbare rol spelen in de pathogenese van gemodelleerde osteoartrose bij een bepaald dier en bij mensen. Een voorbeeld is de chemotactische capaciteit van leukotrieen B4, waarvan wordt aangenomen dat deze hetzelfde is bij mensen, muizen en konijnen, maar de activiteit van antagonisten van deze biologisch actieve stof verschilt 1000 keer tussen diersoorten. Om dergelijke onnauwkeurigheden in experimenten te voorkomen, is het noodzakelijk om methoden te ontwikkelen die het mogelijk maken de farmacodynamiek in vivo te bestuderen. Het is bijvoorbeeld mogelijk om het effect van willekeurige stoffen op de activiteit van exogene enzymen of mediatoren bij mensen te bestuderen. Deze techniek werd gebruikt door V. Ganu et al. (1994) om de activiteit van MMP-remmers te beoordelen door het vermogen van geneesmiddelen te bepalen om de afgifte van proteoglycanen uit gewrichtskraakbeen te remmen na injectie van humaan stromelesine in het kniegewricht van een konijn.

Hoewel de resultaten verkregen in het experimentele model voor artrose kunnen leiden tot een onjuiste beoordeling van potentiële DMOAD's, spelen diermodellen voor artrose een belangrijke rol in fundamenteel onderzoek. Een definitieve beslissing over de effectiviteit van farmacologische middelen bij de behandeling van menselijke ziekten kan pas worden genomen na het uitvoeren van fase III klinische studies bij mensen.