Experimentelle Modellierung von Osteoarthritis bei Tieren

KRN Pritzker (1994) definierte ein experimentelles Tiermodell für jede Krankheit als „eine homogene Gruppe von Tieren, die einen vererbten, natürlich erworbenen oder experimentell induzierten biologischen Prozess aufweisen, der Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen ist und in einem oder mehreren Aspekten der Krankheit beim Menschen ähnelt.“ Tiermodelle der Osteoarthritis eignen sich, um die Entwicklung struktureller Veränderungen im Gelenkgewebe zu untersuchen, zu bestimmen, wie verschiedene Risikofaktoren diese Veränderungen auslösen oder fördern, und um therapeutische Maßnahmen zu evaluieren. Es ist wichtig zu bedenken, dass Osteoarthritis nicht nur eine Erkrankung eines Gewebes, des Gelenkknorpels, ist, sondern alle Gewebe des betroffenen Gelenks betrifft, einschließlich des subchondralen Knochens, der Synovialmembran, der Menisken, der Bänder, der periartikulären Muskeln und der afferenten Nerven mit Endungen sowohl außerhalb als auch innerhalb der Gelenkkapsel. Studien zu pharmakologischen Wirkstoffen in Tiermodellen konzentrieren sich in erster Linie auf deren Wirkung auf den Gelenkknorpel. Es ist unmöglich, das Hauptsymptom der Osteoarthrose beim Menschen – Gelenkschmerzen – in experimentellen Modellen zu untersuchen. Gleichzeitig werden bei der Modellierung der Osteoarthrose bei Tieren eine Reihe wichtiger Faktoren, die zur Entstehung und zum Fortschreiten der Osteoarthrose beitragen, nicht berücksichtigt (z. B. die vertikale Position des menschlichen Körpers, Schwäche der periartikulären Muskulatur usw.).

Das anschaulichste Krankheitsmodell ist natürlich jenes, das den Veränderungen bei menschlicher Arthrose am ähnlichsten ist. Tiermodelle der Arthrose sind von größtem Interesse für die Untersuchung der Wirksamkeit krankheitsmodifizierender OA-Medikamente (DMOAD). Obwohl einige Medikamente dieser Gruppe die Entwicklung experimentell induzierter oder spontaner Arthrose bei Tieren verhindern oder deren Fortschreiten verlangsamen, erwiesen sich alle von ihnen bei Studien zu ihren Auswirkungen auf den Menschen als wirkungslos.

Tiermodelle für Osteoarthritis

Modellierungsmechanismus	Tierarten	Induzierender Faktor/Wirkstoff	Quelle
Spontane Arthrose	Meerschweinchen	Alter/Übergewicht	Bendele AM et al., 1989
	Mäuse STR/ORT, STR/INS	Genetische Veranlagung	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. et al., 1989 Dunham J. et al., 1990
	Schwarze Mäuse C57	Genetische Veranlagung	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Mäuse	Kollagen-II-Mutation	Garofalo S. et al., 1991
	Mäuse	Kollagen-IX-Mutation	Nakata K. et al., 1993
	Hunde	Hüftdysplasie	SmaleG. et al., 1995
	Primaten	Genetische Veranlagung	Alexander CJ, 1994 Carlson CS et al., 1994 Chateauvert JM et al., 1990
Chemisch induzierte Arthrose	Hühner	Jodacetat Premium*	Kalbhen DA, 1987
	Kaninchen	Papain Premium	Marcelon G. et al., 1976 Coulais Y. et al., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Meerschweinchen	Papain Premium	Tanaka H. et al., 1992
	Hunde	Chymopapain vs.	Leipold HR et al., 1989
	Mäuse	Papain Premium	Van der Kraan PM et al., 1989
	Mäuse	Collagenase Premium	Van der Kraan PM et al., 1989
	Mäuse	TFR-R vs.	Van den Berg WB. 1995
	Kaninchen	Hypertone NaCI-Lösung	VasilevV. et al.. 1992
Physikalisch (chirurgisch) induzierte Arthrose	Hunde	Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes (einseitig)	Marshall JL et al., 1971 Brandt KD, 1994
	Hunde	Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes (beidseitig)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Kaninchen	Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes	Christensen SB, 1983 VignonE. et al., 1991
	Schaf	Meniskektomie	Ghosh P. et al., 1993
	Kaninchen	Meniskektomie	FamA.G. et al., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Meerschweinchen	Meniskektomie	Bendele AM, 1987
	Meerschweinchen	Myektomie	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. et al., 1987 Dedrick DK et al., 1991
	Kaninchen	Patellaprellung	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Kaninchen	Immobilisierung	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	Hunde	Immobilisierung	Howell DS et al., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Hunde	Denervierung mit anschließender Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes	VilenskyJA et al., 1994

* intraartikulär - intraartikulär.

Physikalisch und chemisch induzierte Osteoarthrosemodelle erfreuen sich derzeit großer Beliebtheit. Sie spiegeln jedoch eher die Prozesse wider, die bei sekundärer Osteoarthrose beim Menschen beobachtet werden, als bei idiopathischer Osteoarthrose. Eine Alternative dazu sind Modelle der spontanen Osteoarthrose bei zweibeinigen Primaten und Vierbeinern.

Einige Autoren stehen der Modellierung von Osteoarthrose bei Tieren im Allgemeinen skeptisch gegenüber. Laut MEJ Billingham (1998) ist die Verwendung von Modellen zur Entdeckung osteoarthrosemodifizierender Medikamente „... ein teures Glücksspiel“.

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Modelle der spontanen Osteoarthritis

Fast alle Inzuchtmäuse entwickeln Osteoarthrose unterschiedlichen Schweregrades und unterschiedlicher Lokalisation. Die höchste Inzidenz von Osteoarthrose und der schwerste Krankheitsverlauf werden bei Mäusen der Stämme STR/ORT und STR/INS beobachtet. Unter STR/ORT-Mäusen tritt die Krankheit häufiger auf und verläuft bei männlichen Tieren schwerer als bei weiblichen. Der primäre Gelenkknorpelschaden entwickelt sich im medialen Teil der Tibiaplatte. Man nahm an, dass den Knorpelveränderungen eine Patellaverschiebung vorausgeht, jedoch stellten RG Evans et al. (1994) und C. Collins et al. (1994) fest, dass sich bei allen Mäusen dieses Stammes innerhalb von 11 Monaten Knorpelschäden entwickelten, aber nicht alle von ihnen eine Patellaverschiebung aufwiesen. Dieselben Autoren fanden heraus, dass Veränderungen des Gelenkknorpels bei STR/ORT-Mäusen häufig einer chondrozyten-osteoblastischen Metaplasie von Sehnen- und Bänderzellen um die betroffenen Kniegelenke vorausgehen. Dies deutet darauf hin, dass diese Veränderungen in diesem Modell für die Pathogenese der Osteoarthritis maßgeblich sind. Möglicherweise verändert die initiale Verkalkung von Bändern und Sehnen die mechanische Belastung intraartikulärer Strukturen, und nachfolgende Veränderungen des Gelenkknorpels spiegeln den Versuch wider, die normale Gelenkbelastung aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu Meerschweinchen- und Makakenmodellen, bei denen der Knorpeldegeneration Veränderungen im subchondralen Knochen vorausgehen, tritt die subchondrale Sklerose bei STR/ORT- und STR/INS-Mäusen später auf.

Der Vorteil dieses Osteoarthrose-Modells liegt in der geringen Größe der Tiere, die eine minimale Einnahme des getesteten pharmakologischen Wirkstoffs erfordert. Die Größe ist jedoch auch ein Nachteil, da biochemische und pathohistologische Analysen des Knorpels bei Mäusen schwierig sind.

Die Studien von AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) und SCR Meacock et al. (1990) zum natürlichen Verlauf einer spontanen Osteoarthrose bei Meerschweinchen haben das Interesse an diesem Krankheitsmodell geweckt. Ab einem Alter von 13 Monaten entwickeln alle männlichen Dunkin Hurtley-Meerschweinchen eine Degeneration des Gelenkknorpels. Ähnliche Veränderungen treten bei weiblichen Tieren etwas später auf und sind milder. Im Alter von 1 Jahr ist ein vollständiger Verlust des Gelenkknorpels im Bereich des medialen Condylus des Femurs und der Tibiaplatte zu beobachten. Eine Zunahme des Körpergewichts von Dunkin Hurtley-Meerschweinchen verschlimmert den Krankheitsverlauf, und eine Abnahme des Körpergewichts auf 900 g oder weniger verbessert den Verlauf der Osteoarthrose. Im Alter von 8 Wochen sind bei diesem Modell bereits Veränderungen im subchondralen Knochen erkennbar, d.h. letztere gehen Knorpelschäden voraus. Veränderungen an den Kreuzbändern der Kniegelenke können den Knochenumbau beschleunigen.

Spontane Osteoarthrose tritt bei Rhesusaffen und Javaneraffen auf. Ein wesentlicher Vorteil von Primaten gegenüber anderen Tieren, die als experimentelle Osteoarthrosemodelle verwendet werden, ist ihr zweibeiniger Gang. Die Erkrankung tritt bei Tieren mittleren Alters/höheren Alters auf. Frühe histologische Befunde umfassen eine Verdickung des subchondralen Knochens, gefolgt von einer Ausfransung des Gelenkknorpels im Bereich der medialen Tibiaplatte. Später ist auch die laterale Platte in den Prozess involviert. Bemerkenswerterweise beginnt die Degeneration des Gelenkknorpels erst, wenn die Dicke des subchondralen Knochens 400 μm erreicht. Prävalenz und Schwere der Osteoarthrose bei Makaken nehmen mit dem Alter zu, diese Indikatoren werden jedoch nicht von Geschlecht und Körpergewicht beeinflusst. Bislang wurden Primatenmodelle der Osteoarthrose nicht verwendet, um die Wirksamkeit von DMOADs zu untersuchen.

Modelle der physikalisch (chirurgisch) induzierten Osteoarthritis

Osteoarthritis-Modelle, die auf chirurgisch induzierter Knielaxität basieren, welche die mechanische Belastung des Kniegelenks verändert, werden am häufigsten bei Hunden und Kaninchen verwendet. Das am weitesten verbreitete Modell ist das mit einer Kreuzbanddurchtrennung bei Hunden. Chirurgische Osteoarthritis-Modelle bei Kaninchen umfassen die Durchtrennung der Kreuzbänder mit oder ohne Entfernung der Innen- und Seitenbänder, eine vollständige oder teilweise Meniskektomie und einen chirurgischen Riss der Menisken. Es wurden chirurgische Osteoarthritis-Modelle bei Meerschweinchen beschrieben, die die Durchtrennung der Kreuz- und Seitenbänder sowie eine teilweise Meniskektomie umfassen. Eine teilweise Meniskektomie bei Meerschweinchen führt innerhalb von 2 Wochen zur Osteophytenbildung und innerhalb von 6 Wochen zu übermäßiger Degeneration des Gelenkknorpels.

Bis vor kurzem wurde das Hundemodell der Arthrose nach Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes skeptisch betrachtet, da bei menschlicher Arthrose weder Knorpelgeschwüre noch ein ausgeprägter Krankheitsverlauf beobachtet wurden. JL Marshall und S.-E. Olsson (1971) stellten fest, dass die Gewebeveränderungen der Kniegelenke von Hunden zwei Jahre nach der Operation nahezu identisch mit denen unmittelbar nach der Operation waren. Die Autoren vermuteten, dass mechanische Faktoren (z. B. Fibrose der Gelenkkapsel und Osteophytenbildung) das postoperativ gelockerte Kniegelenk stabilisieren und ein weiteres Fortschreiten der Gelenkknorpelzerstörung verhindern. Es wurde auch vorgeschlagen, dieses Modell eher als Modell für Knorpelschäden und -reparatur denn als Modell für Arthrose zu betrachten. Die Ergebnisse von Studien von KD Brandt et al. (1991), die die Dynamik von Gewebeveränderungen in Kniegelenken untersuchten, die über einen längeren Zeitraum durch die Durchtrennung der vorderen Kreuzbänder destabilisiert wurden, widerlegten jedoch die Annahmen früherer Autoren.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) stellten fest, dass bereits in den ersten Tagen nach einer Kreuzbanddurchtrennung die Synthese von Proteoglykanen durch Chondrozyten des Gelenkknorpels zunimmt. Während 64 Wochen nach der chirurgischen Induktion der Kniegelenkinstabilität war die Dicke des Gelenkknorpels höher als normal, obwohl die biochemischen, metabolischen und histologischen Veränderungen denen bei Osteoarthrose entsprachen. Diese Knorpelverdickung war mit einer erhöhten Synthese von Proteoglykanen und ihrer hohen Konzentration im Gelenkknorpel verbunden. Mittels Magnetresonanztomographie (MRI) zeigten ME Adams und KD Brandt (1991), dass nach einer Kreuzbanddurchtrennung die Knorpelhypertrophie 36 Monate lang anhält, dann ein fortschreitender Knorpelverlust eintritt, sodass nach 45 Monaten die meisten Gelenkflächen knorpelfrei sind. Eine morphologische Untersuchung des Knorpels 54 Monate nach der Operation bestätigte die MRI-Befunde. So haben ME Adams und KD Brandt (1991) gezeigt, dass eine chirurgisch induzierte Instabilität der Kniegelenke bei Hunden als Modell für OA angesehen werden kann.

Das Phänomen der hypertrophen Reparatur des Gelenkknorpels wird durch das oben beschriebene Osteoarthrosemodell bei Hunden gut veranschaulicht. Es ist jedoch bekannt, dass dieses Phänomen nicht nur bei Hunden auftritt. Die reparative Hypertrophie des Gelenkknorpels wurde erstmals von E. G. L. Bywaters (1937) und später von L. C. Johnson bei Patienten mit Osteoarthrose beschrieben. Sie findet sich auch bei anderen Osteoarthrosemodellen – bei Kaninchen nach partieller Meniskektomie (Vignon E. et al., 1983) und bei Rhesusaffen entwickelt sich die Knorpelhypertrophie spontan.

Moderne Beschreibungen der Pathogenese konzentrieren sich hauptsächlich auf den fortschreitenden „Verlust“ des Knorpels. Autoren übersehen jedoch häufig dessen Verdickung und erhöhte Proteoglykansynthese, die der homöostatischen Phase einer stabilisierten Osteoarthrose entspricht. In dieser Phase gleicht die Knorpelreparatur den Verlust aus und kann das Gelenk lange funktionsfähig halten. Reparatives Gewebe kann die mechanische Belastung jedoch oft nicht in der gleichen Weise bewältigen wie gesunder Gelenkknorpel. Dies führt dazu, dass Chondrozyten die normale Zusammensetzung der Matrix nicht aufrechterhalten können und die Proteoglykansynthese abnimmt. Das Endstadium der Osteoarthrose entwickelt sich.

Die Untersuchung der Charcot-Arthropathie führte zur Entwicklung einer Methode zur neurogenen Beschleunigung der Modellierung chirurgisch induzierter Osteoarthrose. Die Charcot-Arthropathie ist gekennzeichnet durch schwere Gelenkzerstörung, Gelenkmäusen, Gelenkerguss, Bänderinstabilität und die Bildung von neuem Knochen- und Knorpelgewebe im Gelenk. Das allgemeine Konzept der Pathogenese der Charcot-Arthropathie (neurogene Arthropathie) ist die Unterbrechung sensorischer Signale von den Propriozeptoren und Nozizeptoren der Extremitäten zum zentralen Nervensystem (ZNS). Um das Fortschreiten der durch die Durchtrennung der vorderen Kreuzbänder bei Hunden verursachten Osteoarthrose zu beschleunigen, wird vor der Operation eine Ganglionektomie oder Exzision des das Gelenk innervierenden Nervs durchgeführt. Dies führt bereits in der ersten Woche nach der Operation zu Knorpelerosionen. Interessanterweise war das neue DMOAD-Diacerein in einem langsam fortschreitenden (neurologisch intakten) Osteoarthritis-Modell wirksam, blieb jedoch bei neurogen beschleunigter experimenteller Osteoarthritis wirkungslos.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass es unmöglich ist, die Identität des experimentellen Osteoarthrosemodells und der menschlichen Osteoarthrose vollständig zu beurteilen, da die Ätiologie und die genauen Mechanismen der Pathogenese der Krankheit noch nicht geklärt sind. Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptzweck experimenteller Osteoarthrosemodelle bei Tieren darin, die Wirksamkeit neuer Medikamente, hauptsächlich der Gruppe der „krankheitsmodifizierenden“, zu beurteilen. Die Wahrscheinlichkeit, inwieweit die Behandlungsergebnisse bei einem Tier mit den Ergebnissen der Anwendung eines experimentellen pharmakologischen Wirkstoffs beim Menschen übereinstimmen, lässt sich ebenfalls nicht bestimmen. NS Doherty et al. (1998) betonten die signifikanten Unterschiede zwischen den zur Modellierung von Osteoarthrose verwendeten Tierarten hinsichtlich unterschiedlicher pathologischer Entwicklung, verschiedener Mediatoren, Rezeptoren und Enzyme, was zu einer objektiven Extrapolation der therapeutischen Aktivität neuer, bei Tieren angewendeter Medikamente auf den Menschen führt. Ein Beispiel ist die hohe Wirksamkeit von NSAR bei der Modellierung von entzündlicher Arthritis bei Nagetieren. Dies hat zu einer Neubewertung der Wirksamkeit von NSAR beim Menschen geführt, da bei ihm Prostaglandine nicht die grundlegende Rolle bei der Krankheitsentstehung spielen wie bei Nagetieren und die klinische Wirksamkeit von NSAR eher auf die Behandlung der Symptome als auf eine Veränderung der Krankheit beschränkt ist.

Gleichzeitig kann die Unterschätzung neuer pharmakologischer Wirkstoffe bei der Untersuchung ihrer Wirksamkeit an Tiermodellen zum Verlust potenziell wirksamer Therapeutika für den Menschen führen. Beispielsweise sind Goldsalze, Penicillamin, Chloroquin und Sulfasalazin, die bei der Behandlung von rheumatoider Arthritis eine gewisse Wirkung zeigen, bei Tieren, die zum Screening antirheumatischer Medikamente eingesetzt werden, völlig wirkungslos.

Die Unterschiede im Ansprechen eines Osteoarthrose-Tiermodells und eines Osteoarthrose-Patienten auf eine DMOAD-Behandlung hängen größtenteils von der Kollagenase ab, einem Enzym, das vermutlich aktiv an der Pathogenese der Osteoarthrose beteiligt ist. Inhibitoren der interstitiellen Kollagenase (Kollagenase-1 oder Matrix-Metalloproteinase (MMP)-1) werden häufig bei Nagetieren mit Modell-OA gefunden, aber ein Homolog der menschlichen Kollagenase-1 wurde bei Nagetieren nicht gefunden und existiert möglicherweise nicht. Daher werden spezifische Inhibitoren der menschlichen Kollagenase-1 bei Nagetieren mit experimenteller Osteoarthrose keine therapeutische Wirksamkeit zeigen. Die meisten bisher entwickelten MMP-Inhibitoren sind nicht selektiv und hemmen daher Kollagenase-3 (MMP-13), das an der Pathogenese der experimentellen Osteoarthrose bei Nagetieren beteiligt ist. Darüber hinaus zeigen Studien von NRA Beeley et al. (1994) und JMP Freije et al. (1994) gezeigt haben, wird menschliche Kollagenase-3 im Gelenkknorpel von Patienten mit Osteoarthritis exprimiert und könnte eine Rolle bei der Pathogenese der Krankheit spielen.

Es ist anzunehmen, dass diese Mediatoren, Rezeptoren oder Enzyme in der Pathogenese der modellierten Osteoarthrose bei einem bestimmten Tier und beim Menschen eine ähnliche Rolle spielen. Ein Beispiel ist die chemotaktische Kapazität von Leukotrien B4, die bei Menschen, Mäusen und Kaninchen als gleich angesehen wird, aber die Aktivität der Antagonisten dieser biologisch aktiven Substanz unterscheidet sich zwischen den Tierarten um das Tausendfache. Um solche Ungenauigkeiten in Experimenten zu vermeiden, müssen Methoden entwickelt werden, die es ermöglichen, die Pharmakodynamik in vivo zu studieren. So ist es zum Beispiel möglich, die Wirkung beliebiger Substanzen auf die Aktivität exogener Enzyme oder Mediatoren beim Menschen zu untersuchen. Diese Technik wurde von V Ganu et al. (1994) verwendet, um die Aktivität von MMP-Inhibitoren zu beurteilen, indem sie die Fähigkeit von Medikamenten bestimmten, die Freisetzung von Proteoglykanen aus Gelenkknorpel nach Injektion von menschlichem Stromelesin in das Kniegelenk eines Kaninchens zu hemmen.

Obwohl die im experimentellen Osteoarthrosemodell erzielten Ergebnisse zu einer Fehleinschätzung potenzieller DMOADs führen können, spielen Tiermodelle zur Osteoarthrose eine wichtige Rolle in der Grundlagenforschung. Eine endgültige Entscheidung über die Wirksamkeit pharmakologischer Wirkstoffe bei der Behandlung menschlicher Erkrankungen kann erst nach Durchführung klinischer Phase-III-Studien am Menschen getroffen werden.