Modelización experimental de la artrosis en animales

KRN Pritzker (1994) definió un modelo animal experimental de cualquier enfermedad como «un grupo homogéneo de animales que presentan un proceso biológico heredado, adquirido naturalmente o inducido experimentalmente, sujeto a investigación científica, similar en uno o más aspectos a la enfermedad en el ser humano». Los modelos animales de osteoartritis son útiles para estudiar la evolución de los cambios estructurales en los tejidos articulares, determinar cómo diversos factores de riesgo inician o promueven estos cambios y evaluar medidas terapéuticas. Es importante recordar que la osteoartritis no es una enfermedad de un solo tejido, el cartílago articular, sino de todos los tejidos de la articulación afectada, incluyendo el hueso subcondral, la membrana sinovial, los meniscos, los ligamentos, los músculos periarticulares y los nervios aferentes con terminaciones tanto fuera como dentro de la cápsula articular. Los estudios de agentes farmacológicos en modelos animales se centran principalmente en sus efectos sobre el cartílago articular. Es imposible evaluar el síntoma principal de la osteoartrosis en humanos —el dolor articular— en modelos experimentales. Al mismo tiempo, al modelar la osteoartrosis en animales, no se tienen en cuenta una serie de factores importantes que contribuyen al desarrollo y progresión de la osteoartrosis (por ejemplo, la posición vertical del cuerpo humano, la debilidad de los músculos periarticulares, etc.).

Por supuesto, el modelo más ilustrativo de la enfermedad es el que presenta mayor similitud con los cambios en la osteoartritis humana. Los modelos animales de osteoartritis son de gran interés para estudiar la eficacia de los fármacos modificadores de la enfermedad (FMOAD). Si bien varios fármacos de este grupo previenen el desarrollo o ralentizan la progresión de la osteoartritis inducida experimentalmente o espontánea en animales, ninguno de ellos resultó eficaz al estudiar sus efectos en humanos.

Modelos animales de osteoartritis

Mecanismo de modelado	Especies animales	Factor/agente inductor	Fuente
Osteoartritis espontánea	Conejillos de indias	Edad/sobrepeso	Bendele AM y otros, 1989
	Ratones STR/ORT, STR/INS	Predisposición genética	Das-Gupta EP y otros, 1993 Dunham J. y col., 1989 Dunham J. y col., 1990
	Ratones negros C57	Predisposición genética	OkabeT., 1989 StabescyR. y otros, 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM y otros, 1990
	Ratones	Mutación del colágeno II	Garofalo S. y otros, 1991
	Ratones	Mutación del colágeno IX	Nakata K. y otros, 1993
	Perros	Displasia de cadera	Smale G. y otros, 1995
	Primates	Predisposición genética	Alexander CJ, 1994 Carlson CS y col., 1994 Chateauvert JM y col., 1990
Osteoartritis inducida químicamente	Pollos	Yodoacetato premium*	Kalbhen DA, 1987
	Conejos	Papaína premium	Marcelon G. y otros, 1976 Coulais Y. y otros, 1983 Coulais Y. y otros, 1984
	Conejillos de indias	Papaína premium	Tanaka H. y otros, 1992
	Perros	Quimopapaína vs.	Leipold HR y otros, 1989
	Ratones	Papaína premium	Van der Kraan PM y otros, 1989
	Ratones	Colagenasa premium	Van der Kraan PM y otros, 1989
	Ratones	TFR-R vs.	Van den Berg WB. 1995
	Conejos	Solución hipertónica de NaCl	Vasilev V. y otros, 1992
Osteoartritis inducida físicamente (quirúrgicamente)	Perros	Transección del ligamento cruzado anterior (unilateral)	Marshall JL y otros, 1971 Brandt KD, 1994
	Perros	Transección del ligamento cruzado anterior (bilateral)	Marshall KW Chan, anuncio, 1996
	Conejos	Transección del ligamento cruzado anterior	Christensen SB, 1983 VignonE. y otros, 1991
	Oveja	Meniscectomía	Ghosh P. y otros, 1993
	Conejos	Meniscectomía	FamA.G. y col., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Conejillos de indias	Meniscectomía	Bendele AM, 1987
	Conejillos de indias	Miectomía	ArseverC.L, BoleG.G., 1986 LaytonM.W. y col., 1987 Dedrick DK y col., 1991
	Conejos	Contusión rotuliana	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Conejos	Inmovilización	Langenskiold A. y otros, 1979 Videman T., 1982
	Perros	Inmovilización	Howell DS y col., 1992 Ratcliffe A. y col., 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Perros	Denervación seguida de transección del ligamento cruzado anterior	Vilensky JA y otros, 1994

* intraarticular - intraarticular.

Los modelos de osteoartrosis inducidos física y químicamente gozan de gran popularidad en la actualidad, pero reflejan procesos observados en la osteoartrosis secundaria en humanos, en lugar de la osteoartrosis idiopática. Una alternativa a estos son los modelos de osteoartrosis espontánea en primates bípedos y cuadrúpedos.

Algunos autores se muestran bastante escépticos respecto a la modelización de la osteoartrosis en animales en general. Por ello, según MEJ Billingham (1998), el uso de modelos para el descubrimiento de fármacos modificadores de la osteoartrosis es «una apuesta arriesgada».

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Modelos de osteoartritis espontánea

Casi todas las cepas consanguíneas de ratones desarrollan osteoartrosis de diversa gravedad y localización. La mayor incidencia de osteoartrosis y la evolución más grave de la enfermedad se observan en ratones de las cepas STR/ORT y STR/INS. Entre los ratones STR/ORT, la enfermedad es más común y grave en machos que en hembras. El daño primario del cartílago articular se desarrolla en la parte medial del platillo tibial. Se asumía que la aparición de cambios en el cartílago estaba precedida por el desplazamiento de la rótula; sin embargo, RG Evans et al. (1994) y C. Collins et al. (1994) observaron que, en todos los ratones de esta cepa, el daño del cartílago se desarrolla a los 11 meses, pero no todos mostraron desplazamiento de la rótula. Los mismos autores observaron que los cambios en el cartílago articular en ratones STR/ORT suelen estar precedidos por metaplasia osteoblástica condrocitaria de las células tendinosas y ligamentosas alrededor de las articulaciones de rodilla afectadas, lo que indica que estos cambios son fundamentales en la patogénesis de la osteoartritis en este modelo. Es posible que la calcificación inicial de ligamentos y tendones altere la tensión mecánica sobre las estructuras intraarticulares y que los cambios posteriores en el cartílago articular reflejen un intento de mantener una carga articular normal. A diferencia de los modelos de cobaya y macaco, en los que la degeneración del cartílago está precedida por cambios en el hueso subcondral, la esclerosis subcondral aparece más tarde en los ratones STR/ORT y STR/INS.

La ventaja de este modelo de osteoartrosis reside en el pequeño tamaño de los animales, que requiere un consumo mínimo del fármaco estudiado. Sin embargo, este tamaño también supone una desventaja, ya que el análisis bioquímico e histopatológico del cartílago en ratones resulta difícil.

Los estudios de AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) y SCR Meacock et al. (1990), dedicados al estudio del curso natural de la osteoartrosis espontánea en cobayas, han despertado el interés en este modelo de la enfermedad. A partir de los 13 meses de edad, todos los cobayas machos Dunkin Hurtley desarrollan degeneración del cartílago articular. Cambios similares en las hembras aparecen algo más tarde y son más leves. Al año de edad, se observa una pérdida completa del cartílago articular en la región del cóndilo medial del fémur y la placa tibial. Un aumento de peso corporal en cobayas Dunkin Hurtley agrava el curso de la enfermedad, y una disminución del peso corporal a 900 g o menos mejora el curso de la osteoartrosis. A las 8 semanas de edad, en este modelo ya se detectan cambios en el hueso subcondral, es decir, estos preceden al daño del cartílago. Los cambios en los ligamentos cruzados de las articulaciones de la rodilla pueden acelerar la remodelación ósea.

La osteoartrosis espontánea se desarrolla en macacos rhesus y cinomolgos. Una ventaja muy importante de los primates sobre otros animales utilizados para crear un modelo experimental de osteoartrosis es su bipedalismo. La enfermedad se desarrolla en individuos de mediana edad o mayores. Los primeros hallazgos histológicos incluyen engrosamiento del hueso subcondral seguido de deshilachado del cartílago articular en la región de la placa medial de la tibia. Posteriormente, la placa lateral también participa en el proceso. Cabe destacar que la degeneración del cartílago articular comienza a desarrollarse solo después de que el grosor del hueso subcondral alcanza los 400 μm. La prevalencia y la gravedad de la osteoartrosis en macacos aumentan con la edad, pero estos indicadores no se ven afectados por el sexo ni el peso corporal. Hasta la fecha, no se han utilizado modelos primates de osteoartrosis para estudiar la eficacia de los DMOAD.

Modelos de osteoartritis inducida físicamente (quirúrgicamente)

Los modelos de osteoartritis basados en la laxitud de rodilla inducida quirúrgicamente, que altera la tensión mecánica sobre la articulación, se utilizan con mayor frecuencia en perros y conejos. El modelo más utilizado es el de transección del ligamento cruzado en perros. Los modelos quirúrgicos de osteoartritis en conejos implican la transección de los ligamentos cruzados con o sin escisión de los ligamentos medial y colateral, meniscectomía total o parcial y desgarro quirúrgico de los meniscos. Se han descrito modelos quirúrgicos de osteoartritis en cobayas que implican la transección de los ligamentos cruzado y colateral y una meniscectomía parcial. La meniscectomía parcial en cobayas provoca la formación de osteofitos en dos semanas y una degeneración excesiva del cartílago articular en seis semanas.

Hasta hace poco, el modelo canino de osteoartritis tras la transección del ligamento cruzado anterior se veía con escepticismo debido a la ausencia de ulceración del cartílago y la marcada progresión de la enfermedad observada en la osteoartritis humana. JL Marshall y S. - E. Olsson (1971) encontraron que los cambios en los tejidos de las articulaciones de la rodilla del perro 2 años después de la cirugía eran prácticamente idénticos a los registrados inmediatamente después de la cirugía. Los autores sugirieron que los factores mecánicos (p. ej., fibrosis de la cápsula articular y formación de osteofitos) estabilizan la articulación de la rodilla aflojada posoperatoriamente y previenen una mayor progresión de la destrucción del cartílago articular. También se sugirió que este modelo se considerara un modelo de daño y reparación del cartílago, en lugar de un modelo de osteoartritis. Sin embargo, los resultados de los estudios realizados por KD Brandt et al. (1991), quienes estudiaron la dinámica de los cambios en los tejidos de las articulaciones de la rodilla desestabilizadas por la intersección de los ligamentos cruzados anteriores durante un período más largo, refutaron las suposiciones de autores anteriores.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) encontraron que ya durante los primeros días después de la transección del ligamento cruzado la síntesis de proteoglicanos por los condrocitos del cartílago articular aumenta. Durante 64 semanas después de la inducción quirúrgica de la inestabilidad de la articulación de la rodilla el grosor del cartílago articular fue mayor de lo normal, aunque los cambios bioquímicos, metabólicos e histológicos en él correspondieron a los de la osteoartrosis. Este engrosamiento del cartílago se asoció con el aumento de la síntesis de proteoglicanos y su alta concentración en el cartílago articular. Utilizando imágenes por resonancia magnética (IRM), ME Adams y KD Brandt (1991) demostraron que después de la transección de los ligamentos cruzados la hipertrofia del cartílago se mantiene durante 36 meses, luego ocurre la pérdida progresiva de cartílago, de modo que después de 45 meses la mayoría de las superficies articulares están desprovistas de cartílago. El examen morfológico del cartílago 54 meses después de la cirugía confirmó los hallazgos de la resonancia magnética. Así, ME Adams y KD Brandt (1991) demostraron que la inestabilidad de las articulaciones de la rodilla inducida quirúrgicamente en perros puede considerarse un modelo de artrosis.

El fenómeno de la reparación hipertrófica del cartílago articular queda bien ilustrado por el modelo de osteoartrosis canina descrito anteriormente. Sin embargo, se sabe que este fenómeno no es exclusivo de este grupo. La hipertrofia del cartílago articular, de naturaleza reparativa, fue descrita por primera vez en pacientes con osteoartrosis por EGL Bywaters (1937) y, posteriormente, por LC Johnson. También se observa en otros modelos de osteoartrosis: en conejos tras una meniscectomía parcial (Vignon E. et al., 1983) y en macacos rhesus, la hipertrofia del cartílago se desarrolla espontáneamente.

Las descripciones modernas de la patogénesis se centran principalmente en la pérdida progresiva de cartílago, pero los autores a menudo pasan por alto su engrosamiento y el aumento de la síntesis de proteoglicanos, que corresponde a la fase homeostática de la osteoartrosis estabilizada. Durante esta fase, la reparación del cartílago compensa su pérdida y puede mantener la articulación funcional durante mucho tiempo. Sin embargo, el tejido reparador a menudo no puede soportar la carga mecánica que se le impone de la misma manera que el cartílago articular sano, lo que provoca la incapacidad de los condrocitos para mantener la composición normal de la matriz y una disminución de la síntesis de proteoglicanos. Se desarrolla la etapa final de la osteoartrosis.

El estudio de la artropatía de Charcot ha llevado al desarrollo de un método para la aceleración neurogénica del modelado de la osteoartrosis inducida quirúrgicamente. La artropatía de Charcot se caracteriza por una destrucción articular grave, "ratones" articulares, derrame articular, inestabilidad ligamentosa y la formación de nuevo tejido óseo y cartilaginoso en la articulación. El concepto general de la patogénesis de la artropatía de Charcot (neurogénica) radica en la interrupción de las señales sensoriales de los propioceptores y nociceptores de las extremidades al sistema nervioso central (SNC). Para acelerar la progresión de la osteoartrosis inducida por la transección de los ligamentos cruzados anteriores en perros, se realiza una ganglionectomía o escisión del nervio que inerva la articulación antes de la cirugía, lo que provoca la aparición de erosiones cartilaginosas ya en la primera semana después de la cirugía. Curiosamente, la nueva diacereína DMOAD fue eficaz cuando se utilizó en un modelo de osteoartritis de progresión lenta (neurológicamente intacta), pero fue ineficaz en la osteoartritis experimental acelerada neurogénicamente.

En conclusión, cabe señalar que es imposible evaluar completamente la identidad del modelo experimental de osteoartrosis y la osteoartrosis en humanos, ya que la etiología y los mecanismos precisos de patogénesis de la enfermedad aún no se han esclarecido. Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal del uso de modelos experimentales de osteoartrosis en animales es evaluar la eficacia de nuevos fármacos, principalmente del grupo "modificador de la enfermedad". También es imposible determinar la probabilidad de que los resultados del tratamiento en un animal coincidan con los resultados del uso de un agente farmacológico experimental en humanos. NS Doherty et al. (1998) destacaron las diferencias significativas entre las especies animales utilizadas para modelar la osteoartrosis en términos de diferente desarrollo de la patología, diversos mediadores, receptores y enzimas, lo que permite una extrapolación objetiva de la actividad terapéutica de los nuevos fármacos utilizados en animales a los humanos. Un ejemplo es la alta eficacia de los AINE en el modelado de la artritis inflamatoria en roedores. Esto ha llevado a una reevaluación de la eficacia de los AINE en humanos, en quienes las prostaglandinas no juegan el papel fundamental en la patogénesis de la enfermedad que sí juegan en roedores, y la eficacia clínica de los AINE se limita al tratamiento de los síntomas más que a la modificación de la enfermedad.

Al mismo tiempo, la subestimación de nuevos agentes farmacológicos al estudiar su eficacia en modelos animales puede llevar a la pérdida de agentes terapéuticos potencialmente eficaces en humanos. Por ejemplo, las sales de oro, la penicilamina, la cloroquina y la sulfasalazina, que tienen cierto efecto en el tratamiento de la artritis reumatoide, son absolutamente ineficaces en animales utilizados para el cribado de fármacos antirreumáticos.

La diferencia en la respuesta entre un modelo animal de osteoartrosis y un paciente con osteoartrosis al tratamiento con DMOAD depende en gran medida de la colagenasa, una enzima que se cree que participa activamente en la patogénesis de la osteoartrosis. Los inhibidores de la colagenasa intersticial (colagenasa-1 o metaloproteinasa de matriz (MMP)-1) se encuentran a menudo en roedores con OA modelo, pero no se ha encontrado un homólogo de la colagenasa-1 humana en roedores y es posible que no exista. Por lo tanto, los inhibidores específicos de la colagenasa-1 humana no mostrarán eficacia terapéutica en roedores con osteoartrosis experimental. La mayoría de los inhibidores de MMP creados hasta la fecha no son selectivos y, por lo tanto, inhiben la colagenasa-3 (MMP-13), que participa en la patogénesis de la osteoartrosis experimental en roedores. Además, como estudios de NRA Beeley et al. (1994), JMP Freije et al. (1994) han demostrado que la colagenasa-3 humana se expresa en el cartílago articular de pacientes con osteoartritis y puede desempeñar un papel en la patogénesis de la enfermedad.

Se puede asumir que estos mediadores, receptores o enzimas desempeñan un papel similar en la patogénesis de la osteoartrosis modelada en un animal particular y en humanos. Un ejemplo es la capacidad quimiotáctica del leucotrieno B4, que se considera la misma en humanos, ratones y conejos, pero la actividad de los antagonistas de esta sustancia biológicamente activa difiere 1000 veces entre especies animales. Para evitar tales imprecisiones en los experimentos, es necesario crear métodos que permitan estudiar la farmacodinámica in vivo. Por ejemplo, es posible estudiar el efecto de cualquier sustancia sobre la actividad de enzimas o mediadores exógenos en humanos. Esta técnica fue utilizada por V. Ganu et al. (1994) para evaluar la actividad de los inhibidores de MMP mediante la determinación de la capacidad de los fármacos para inhibir la liberación de proteoglicanos del cartílago articular después de la inyección de estromalesina humana en la articulación de la rodilla de un conejo.

Aunque los resultados obtenidos en el modelo experimental de osteoartrosis pueden llevar a una evaluación incorrecta de posibles fármacos antimicrobianos modificadores de la enfermedad (DMOAD), los modelos animales de osteoartrosis desempeñan un papel importante en la investigación básica. La decisión final sobre la eficacia de los agentes farmacológicos en el tratamiento de enfermedades humanas solo puede tomarse tras la realización de ensayos clínicos de fase III en humanos.