Pemodelan eksperimental osteoartritis pada hewan

KRN Pritzker (1994) mendefinisikan model hewan percobaan untuk penyakit apa pun sebagai "sekelompok hewan homogen yang menunjukkan proses biologis yang diwariskan, diperoleh secara alami, atau diinduksi secara eksperimental, yang tunduk pada penyelidikan ilmiah, yang serupa dalam satu atau lebih hal dengan penyakit pada manusia." Model hewan osteoartritis berguna untuk mempelajari evolusi perubahan struktural pada jaringan sendi, untuk menentukan bagaimana berbagai faktor risiko memicu atau mendorong perubahan ini, dan untuk mengevaluasi tindakan terapeutik. Penting untuk diingat bahwa osteoartritis bukanlah penyakit hanya pada satu jaringan, tulang rawan artikular, tetapi pada semua jaringan sendi yang terkena, termasuk tulang subkondral, membran sinovial, meniskus, ligamen, otot periartikular, dan saraf aferen dengan ujung di luar dan di dalam kapsul sendi. Studi agen farmakologis pada model hewan terutama berfokus pada efeknya pada tulang rawan artikular. Tidak mungkin untuk mengevaluasi gejala utama osteoartritis pada manusia - nyeri sendi - dalam model percobaan. Pada saat yang sama, ketika memodelkan osteoartritis pada hewan, sejumlah faktor penting yang berkontribusi terhadap perkembangan dan kemajuan osteoartritis tidak diperhitungkan (misalnya, posisi vertikal tubuh manusia, kelemahan otot periartikular, dll.).

Tentu saja, model penyakit yang paling ilustratif adalah model yang paling mirip dengan perubahan pada osteoartritis manusia. Model osteoartritis pada hewan sangat menarik dalam hal mempelajari efektivitas obat OA yang mengubah penyakit (DMOAD). Meskipun sejumlah obat dalam kelompok ini mencegah perkembangan atau memperlambat perkembangan osteoartritis yang diinduksi secara eksperimental atau spontan pada hewan, semuanya tidak efektif saat mempelajari efeknya pada manusia.

Model hewan osteoartritis

Mekanisme pemodelan	Spesies Hewan	Faktor/agen pemicu	Sumber
Osteoartritis spontan	Babi Guinea	Usia/kelebihan berat badan	Bendele AM dkk., 1989
	Tikus STR/ORT, STR/INS	Predisposisi genetik	Das-Gupta EP dan lainnya, 1993 Dunham J. dkk., 1989 Dunham J. dkk., 1990
	Tikus hitam C57	Predisposisi genetik	OkabeT., 1989 StabescyR. dkk., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM dkk., 1990
	Tikus	Mutasi Kolagen II	Garofalo S. dkk., 1991
	Tikus	Mutasi kolagen IX	Nakata K. dkk., 1993
	Anjing	Displasia pinggul	SmaleG. dkk., 1995
	Primata	Predisposisi genetik	Alexander CJ, 1994 Carlson CS dkk., 1994 Chateauvert JM dkk., 1990
Osteoartritis yang disebabkan oleh bahan kimia	Ayam	Iodoasetat premium*	Kalbhen DA, 1987
	Kelinci	Papain premium	Marcelon G. dkk., 1976 Coulais Y. dkk., 1983 Coulais Y. dkk., 1984
	Babi Guinea	Papain premium	Tanaka H. dkk., 1992
	Anjing	Kimopapain vs.	Leipold HR dan kawan-kawan, 1989
	Tikus	Papain premium	Van der Kraan PM dkk., 1989
	Tikus	Kolagenase premium	Van der Kraan PM dkk., 1989
	Tikus	TFR-R lawan s	Van den Berg WB. 1995
	Kelinci	Larutan NaCl hipertonik	Vasilev V. dkk., 1992
Osteoartritis yang disebabkan secara fisik (pembedahan)	Anjing	Transeksi ligamen anterior cruciatum (unilateral)	Marshall JL dan kawan-kawan, 1971 Brandt KD, 1994
	Anjing	Transeksi ligamen anterior cruciatum (bilateral)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Kelinci	Transeksi ligamen anterior cruciatum	Christensen SB, 1983 VignonE. dkk., 1991
	Domba	Menisektomi	Ghosh P. dan kawan-kawan, 1993
	Kelinci	Menisektomi	FamA.G. dkk., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Babi Guinea	Menisektomi	Bendele AM, 1987
	Babi Guinea	Miomektomi	Arsever C. L, Bole G. G., 1986 Layton M. W. dkk., 1987 Dedrick DK dkk., 1991
	Kelinci	Kontusio patela	Oegema TRJ, dkk., 1993 Mazieres B. dkk., 1990
	Kelinci	Imobilisasi	Langenskiold A. dkk., 1979 Videman T., 1982
	Anjing	Imobilisasi	Howell DS dkk., 1992 Ratcliffe A. dkk., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Anjing	Denervasi diikuti oleh transeksi ligamen anterior cruciatum	Vilensky JA dkk., 1994

* intra-artikular - intra-artikular.

Model osteoartrosis yang diinduksi secara fisik dan kimia saat ini sangat populer, tetapi model tersebut mencerminkan proses yang diamati pada osteoartrosis sekunder pada manusia, bukan osteoartrosis idiopatik. Alternatifnya adalah model osteoartrosis spontan pada primata bipedal dan hewan berkaki empat.

Beberapa penulis cukup skeptis tentang pemodelan osteoartrosis pada hewan secara umum. Jadi, menurut MEJ Billingham (1998), penggunaan model untuk penemuan obat pengubah osteoartrosis adalah "...perjudian yang mahal."

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

Model osteoartritis spontan

Hampir semua galur tikus inbred mengalami osteoartrosis dengan tingkat keparahan dan lokasi yang bervariasi. Insiden osteoartrosis tertinggi dan perjalanan penyakit yang paling parah diamati pada tikus galur STR/ORT dan STR/INS. Di antara tikus STR/ORT, penyakit ini lebih umum, dan lebih parah pada tikus jantan daripada pada tikus betina. Kerusakan primer pada tulang rawan artikular berkembang di bagian medial lempeng tibialis. Diasumsikan bahwa munculnya perubahan pada tulang rawan didahului oleh perpindahan patela, namun, RG Evans et al. (1994), C. Collins et al. (1994) menemukan bahwa pada semua tikus galur ini, kerusakan tulang rawan berkembang pada usia 11 bulan, tetapi tidak semuanya menunjukkan perpindahan patela. Penulis yang sama menemukan bahwa perubahan pada tulang rawan artikular pada tikus STR/ORT sering didahului oleh metaplasia kondrosit-osteoblastik pada sel tendon dan ligamen di sekitar sendi lutut yang terkena, yang menunjukkan bahwa perubahan ini merupakan yang utama dalam patogenesis osteoartritis dalam model ini. Ada kemungkinan bahwa kalsifikasi awal ligamen dan tendon mengubah tekanan mekanis pada struktur intra-artikular dan bahwa perubahan selanjutnya pada tulang rawan artikular mencerminkan upaya untuk mempertahankan beban sendi yang normal. Tidak seperti model marmut dan makaka, di mana degenerasi tulang rawan didahului oleh perubahan pada tulang subkondral, sklerosis subkondral muncul kemudian pada tikus STR/ORT dan STR/INS.

Keuntungan dari model osteoartrosis ini adalah ukuran hewan yang kecil, yang memerlukan konsumsi minimal agen farmakologis yang diuji. Namun, ukuran juga merupakan kerugian, karena analisis biokimia dan histologi tulang rawan pada tikus sulit dilakukan.

Penelitian AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989), dan SCR Meacock et al. (1990) yang ditujukan untuk mempelajari perjalanan alami osteoartrosis spontan pada marmut telah merangsang minat pada model penyakit ini. Dimulai pada usia 13 bulan, semua marmut Dunkin Hurtley jantan mengalami degenerasi tulang rawan artikular. Perubahan serupa pada betina muncul agak kemudian dan lebih ringan. Pada usia 1 tahun, hilangnya tulang rawan artikular lengkap diamati di daerah kondilus medial femur dan lempeng tibialis. Peningkatan berat badan marmut Dunkin Hurtley memperburuk perjalanan penyakit, dan penurunan berat badan hingga 900 g atau kurang memperbaiki perjalanan osteoartrosis. Pada usia 8 minggu, perubahan pada tulang subkondral sudah terdeteksi dalam model ini, yaitu yang terakhir mendahului kerusakan tulang rawan. Perubahan pada ligamen cruciatum sendi lutut dapat mempercepat pembentukan kembali tulang.

Osteoartrosis spontan berkembang pada monyet rhesus dan cynomolgus. Keunggulan primata yang sangat penting dibandingkan hewan lain yang digunakan untuk membuat model eksperimental osteoartrosis adalah bipedalisme mereka. Penyakit ini berkembang pada individu setengah baya/tua. Temuan histologis awal meliputi penebalan tulang subkondral yang diikuti oleh terkikisnya tulang rawan artikular di daerah lempeng medial tibia. Kemudian, lempeng lateral juga terlibat dalam proses tersebut. Khususnya, degenerasi tulang rawan artikular mulai berkembang hanya setelah ketebalan tulang subkondral mencapai 400 μm. Prevalensi dan tingkat keparahan osteoartrosis pada monyet meningkat seiring bertambahnya usia, tetapi indikator ini tidak dipengaruhi oleh jenis kelamin dan berat badan. Sampai saat ini, model primata osteoartrosis belum digunakan untuk mempelajari efektivitas DMOAD.

Model osteoartritis yang diinduksi secara fisik (pembedahan)

Model osteoartritis berdasarkan kelonggaran lutut yang disebabkan oleh pembedahan yang mengubah tekanan mekanis pada sendi lutut paling sering digunakan pada anjing dan kelinci. Model yang paling banyak digunakan adalah model dengan transeksi ligamen krusiatum pada anjing. Model pembedahan osteoartritis pada kelinci melibatkan transeksi ligamen krusiatum dengan atau tanpa eksisi ligamen medial dan kolateral, menisektomi total atau parsial, dan robekan bedah meniskus. Model pembedahan osteoartritis pada marmut telah dijelaskan yang melibatkan transeksi ligamen krusiatum dan kolateral serta menisektomi parsial. Menisektomi parsial pada marmut menyebabkan pembentukan osteofit dalam waktu 2 minggu dan degenerasi berlebihan tulang rawan artikular dalam waktu 6 minggu.

Sampai saat ini, model osteoartritis anjing setelah transeksi ligamen anterior cruciatum dipandang dengan skeptis karena tidak adanya ulserasi tulang rawan dan perkembangan penyakit yang nyata yang diamati pada osteoartritis manusia. JL Marshall dan S. - E. Olsson (1971) menemukan bahwa perubahan pada jaringan sendi lutut anjing 2 tahun setelah operasi hampir identik dengan yang tercatat segera setelah operasi. Para penulis menyarankan bahwa faktor mekanis (misalnya, fibrosis kapsul sendi dan pembentukan osteofit) menstabilkan sendi lutut yang mengendur pascaoperasi dan mencegah perkembangan lebih lanjut dari kerusakan tulang rawan artikular. Disarankan juga agar model ini dianggap sebagai model kerusakan dan perbaikan tulang rawan, daripada model osteoartritis. Namun, hasil penelitian yang dilakukan oleh KD Brandt et al. (1991), yang mempelajari dinamika perubahan pada jaringan sendi lutut yang tidak stabil oleh persimpangan ligamen anterior cruciatum untuk waktu yang lebih lama, membantah asumsi penulis sebelumnya.

SA McDevitt dkk. (1973, 1977) menemukan bahwa selama beberapa hari pertama setelah transeksi ligamen krusiatum, sintesis proteoglikan oleh kondrosit tulang rawan artikular meningkat. Selama 64 minggu setelah induksi bedah ketidakstabilan sendi lutut, ketebalan tulang rawan artikular lebih tinggi dari biasanya, meskipun perubahan biokimia, metabolik, dan histologis di dalamnya sesuai dengan yang terjadi pada osteoartrosis. Penebalan tulang rawan ini dikaitkan dengan peningkatan sintesis proteoglikan dan konsentrasinya yang tinggi dalam tulang rawan artikular. Dengan menggunakan pencitraan resonansi magnetik (MRI), ME Adams dan KD Brandt (1991) menunjukkan bahwa setelah transeksi ligamen krusiatum, hipertrofi tulang rawan dipertahankan selama 36 bulan, kemudian terjadi kehilangan tulang rawan secara progresif, sehingga setelah 45 bulan sebagian besar permukaan artikular tidak memiliki tulang rawan. Pemeriksaan morfologi tulang rawan 54 bulan setelah operasi mengonfirmasi temuan MRI. Dengan demikian, ME Adams dan KD Brandt (1991) menunjukkan bahwa ketidakstabilan sendi lutut yang disebabkan oleh pembedahan pada anjing dapat dianggap sebagai model OA.

Fenomena perbaikan hipertrofik tulang rawan artikular diilustrasikan dengan baik oleh model osteoartrosis pada anjing yang dijelaskan di atas. Akan tetapi, diketahui bahwa fenomena ini tidak hanya terjadi pada model tersebut. Hipertrofi tulang rawan artikular, yang bersifat reparatif, pertama kali dijelaskan pada pasien osteoartrosis oleh EGL Bywaters (1937), dan kemudian oleh LC Johnson. Hal ini juga ditemukan pada model osteoartrosis lainnya - pada kelinci setelah menisektomi parsial (Vignon E. et al., 1983), pada monyet rhesus, hipertrofi tulang rawan berkembang secara spontan.

Deskripsi patogenesis modern berfokus terutama pada "kehilangan" tulang rawan secara progresif, tetapi penulis sering mengabaikan penebalannya dan peningkatan sintesis proteoglikan, yang sesuai dengan fase homeostatis osteoartrosis yang stabil. Selama fase ini, perbaikan tulang rawan mengompensasi kehilangannya dan dapat mempertahankan sendi dalam keadaan fungsional untuk waktu yang lama. Tetapi jaringan reparatif sering kali tidak dapat mengatasi beban mekanis yang dibebankan padanya dengan cara yang sama seperti tulang rawan artikular yang sehat, yang menyebabkan ketidakmampuan kondrosit untuk mempertahankan komposisi matriks yang normal dan penurunan sintesis proteoglikan. Tahap akhir osteoartrosis berkembang.

Studi tentang artropati Charcot telah menghasilkan pengembangan metode untuk percepatan neurogenik pemodelan osteoartrosis yang diinduksi melalui pembedahan. Artropati Charcot ditandai dengan kerusakan sendi yang parah, "tikus" sendi, efusi sendi, ketidakstabilan ligamen, dan pembentukan tulang dan jaringan tulang rawan baru di dalam sendi. Konsep umum patogenesis artropati Charcot (neurogenik) adalah gangguan sinyal sensorik dari proprioseptor tungkai dan nociceptor ke sistem saraf pusat (SSP). Untuk mempercepat perkembangan osteoartrosis yang diinduksi oleh transeksi ligamen anterior cruciatum pada anjing, ganglionektomi atau eksisi saraf yang menginervasi sendi dilakukan sebelum pembedahan, yang menyebabkan munculnya erosi tulang rawan pada minggu pertama setelah pembedahan. Menariknya, diacerein DMOAD baru efektif bila digunakan dalam model osteoartritis yang progresif lambat (secara neurologis utuh), tetapi tidak efektif dalam osteoartritis eksperimental yang dipercepat secara neurogenik.

Sebagai kesimpulan, perlu dicatat bahwa tidak mungkin untuk menilai sepenuhnya identitas model eksperimental osteoartrosis dan osteoartrosis pada manusia, karena etiologi dan mekanisme patogenesis penyakit yang tepat belum dijelaskan. Seperti yang dinyatakan sebelumnya, tujuan utama penggunaan model eksperimental osteoartrosis pada hewan adalah menggunakannya untuk menilai efektivitas obat baru, terutama dari kelompok "pengubah penyakit". Kemungkinan seberapa besar hasil pengobatan pada hewan akan bertepatan dengan hasil penggunaan agen farmakologis eksperimental pada manusia juga tidak mungkin ditentukan. NS Doherty dkk. (1998) menekankan perbedaan signifikan antara spesies hewan yang digunakan untuk memodelkan osteoartrosis dalam hal perkembangan patologi yang berbeda, berbagai mediator, reseptor, enzim, yang mengarah pada ekstrapolasi objektif aktivitas terapeutik obat baru yang digunakan pada hewan ke manusia. Contohnya adalah efektivitas tinggi NSAID dalam memodelkan artritis inflamasi pada hewan pengerat. Hal ini menyebabkan evaluasi ulang mengenai kemanjuran NSAID pada manusia, di mana prostaglandin tidak memainkan peran mendasar dalam patogenesis penyakit seperti pada hewan pengerat, dan kemanjuran klinis NSAID terbatas pada pengobatan gejala daripada modifikasi penyakit.

Pada saat yang sama, meremehkan agen farmakologis baru saat mempelajari efektivitasnya pada model hewan dapat menyebabkan hilangnya agen terapeutik yang berpotensi efektif pada manusia. Misalnya, garam emas, penisilamin, klorokuin, dan sulfasalazin, yang memiliki beberapa efek dalam pengobatan artritis reumatoid, sama sekali tidak efektif pada hewan yang digunakan untuk skrining obat antirematik.

Perbedaan respons antara model hewan osteoartrosis dan pasien dengan osteoartrosis terhadap pengobatan DMOAD sebagian besar bergantung pada kolagenase, enzim yang diyakini terlibat aktif dalam patogenesis osteoartrosis. Inhibitor kolagenase interstisial (kolagenase-1 atau matriks metaloproteinase (MMP)-1) sering ditemukan pada hewan pengerat dengan model OA, tetapi homolog kolagenase-1 manusia belum ditemukan pada hewan pengerat dan mungkin tidak ada. Dengan demikian, inhibitor spesifik kolagenase-1 manusia tidak akan menunjukkan kemanjuran terapeutik pada hewan pengerat dengan osteoartrosis eksperimental. Sebagian besar inhibitor MMP yang dibuat hingga saat ini bersifat non-selektif dan karenanya menghambat kolagenase-3 (MMP-13), yang terlibat dalam patogenesis osteoartrosis eksperimental pada hewan pengerat. Selain itu, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian oleh NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994) telah menunjukkan, kolagenase-3 manusia diekspresikan dalam tulang rawan artikular pasien dengan osteoartritis dan mungkin berperan dalam patogenesis penyakit tersebut.

Dapat diasumsikan bahwa mediator, reseptor atau enzim ini memainkan peran yang sama dalam patogenesis osteoartrosis yang dimodelkan pada hewan tertentu dan pada manusia. Contohnya adalah kapasitas kemotaktik leukotriene B4, yang dianggap sama pada manusia, tikus dan kelinci, tetapi aktivitas antagonis zat aktif biologis ini berbeda 1000 kali antara spesies hewan. Untuk menghindari ketidakakuratan tersebut dalam percobaan, perlu dibuat metode yang memungkinkan mempelajari farmakodinamik in vivo. Misalnya, dimungkinkan untuk mempelajari efek zat apa pun pada aktivitas enzim atau mediator eksogen pada manusia. Teknik ini digunakan oleh V Ganu et al. (1994) untuk menilai aktivitas inhibitor MMP dengan menentukan kemampuan obat untuk menghambat pelepasan proteoglikan dari tulang rawan artikular setelah injeksi stromelesin manusia ke dalam sendi lutut kelinci.

Meskipun hasil yang diperoleh dalam model eksperimental osteoartritis dapat menyebabkan penilaian yang salah terhadap potensi DMOAD, model hewan osteoartritis memainkan peran penting dalam penelitian dasar. Keputusan akhir tentang efektivitas agen farmakologis dalam pengobatan penyakit manusia hanya dapat dibuat setelah melakukan uji klinis fase III pada manusia.