Modelação experimental da osteoartrite em animais

KRN Pritzker (1994) definiu um modelo animal experimental de qualquer doença como "um grupo homogêneo de animais que apresentam um processo biológico herdado, adquirido naturalmente ou induzido experimentalmente, sujeito à investigação científica, que é semelhante em um ou mais aspectos à doença no homem". Modelos animais de osteoartrite são úteis para estudar a evolução das alterações estruturais nos tecidos articulares, para determinar como vários fatores de risco iniciam ou promovem essas alterações e para avaliar medidas terapêuticas. É importante lembrar que a osteoartrite não é uma doença de apenas um tecido, a cartilagem articular, mas de todos os tecidos da articulação afetada, incluindo o osso subcondral, a membrana sinovial, os meniscos, os ligamentos, os músculos periarticulares e os nervos aferentes com terminações tanto externas quanto internas à cápsula articular. Estudos de agentes farmacológicos em modelos animais concentram-se principalmente em seus efeitos na cartilagem articular. É impossível avaliar o principal sintoma da osteoartrose em humanos – a dor articular – em modelos experimentais. Ao mesmo tempo, ao modelar a osteoartrose em animais, uma série de fatores importantes que contribuem para o desenvolvimento e a progressão da osteoartrose não são levados em consideração (por exemplo, a posição vertical do corpo humano, fraqueza dos músculos periarticulares, etc.).

É claro que o modelo mais ilustrativo da doença é aquele que apresenta maior semelhança com as alterações da osteoartrite humana. Modelos animais de osteoartrite são de grande interesse para o estudo da eficácia de medicamentos modificadores da doença da osteoartrite (DMOAD). Embora vários medicamentos desse grupo previnam o desenvolvimento ou retardem a progressão da osteoartrite induzida experimentalmente ou espontânea em animais, todos eles se mostraram ineficazes no estudo de seus efeitos em humanos.

Modelos animais de osteoartrite

Mecanismo de modelagem	Espécies animais	Fator/agente indutor	Fonte
Osteoartrite espontânea	Porquinhos-da-índia	Idade/excesso de peso	Bendele AM e outros, 1989
	Camundongos STR/ORT, STR/INS	Predisposição genética	Das-Gupta EP et al., 1993 Dunham J. e outros, 1989 Dunham J. e outros, 1990
	Ratos pretos C57	Predisposição genética	OkabeT., 1989 StabescyR. et al., 1993 Takahama A.. 1990 van der Kraan PM et al., 1990
	Ratos	Mutação do colágeno II	Garofalo S. et al., 1991
	Ratos	Mutação do colágeno IX	Nakata K. et al., 1993
	Cães	Displasia da anca	Smale G. e outros, 1995
	Primatas	Predisposição genética	Alexander CJ, 1994 Carlson CS e outros, 1994 Chateauvert JM e outros, 1990
Osteoartrite induzida quimicamente	Galinhas	Prêmio de iodoacetato*	Kalbhen DA, 1987
	Coelhos	Prêmio de papaína	Marcelon G. et al., 1976 Coulais Y. et al., 1983 Coulais Y. et al., 1984
	Porquinhos-da-índia	Prêmio de papaína	Tanaka H. e outros, 1992
	Cães	Quimopapaína v/s	Leipold HR e outros, 1989
	Ratos	Prêmio de papaína	Van der Kraan PM e outros, 1989
	Ratos	Colagenase premium	Van der Kraan PM e outros, 1989
	Ratos	TFR-R v/s	Van den Berg WB. 1995
	Coelhos	Solução hipertônica de NaCl	Vasilev V. et al.. 1992
Osteoartrite induzida fisicamente (cirurgicamente)	Cães	Transecção do ligamento cruzado anterior (unilateral)	Marshall JL e outros, 1971 Brandt KD, 1994
	Cães	Transecção do ligamento cruzado anterior (bilateral)	Marshall KW Chan AD, 1996
	Coelhos	Transecção do ligamento cruzado anterior	Christensen SB, 1983 VignonE. e outros, 1991
	Ovelha	Meniscectomia	Ghosh P. e outros, 1993
	Coelhos	Meniscectomia	FamA.G. etal., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	Porquinhos-da-índia	Meniscectomia	Bendele AM, 1987
	Porquinhos-da-índia	Miectomia	Arsever C. L, Bole G. G., 1986 Layton M. W. e outros, 1987 Dedrick DK e outros, 1991
	Coelhos	Contusão da patela	Oegema TRJ, et al., 1993 Mazieres B. et al., 1990
	Coelhos	Imobilização	Langenskiold A. e outros, 1979 Videman T., 1982
	Cães	Imobilização	Howell DS etal., 1992 Ratcliffe A. e outros, 1994 Palmoski M., Brandt KD, 1981
	Cães	Desnervação seguida de transecção do ligamento cruzado anterior	VilenskyJA et al., 1994

* intra-articular - intra-articular.

Modelos de osteoartrose induzidos física e quimicamente são atualmente muito populares, mas refletem processos observados na osteoartrose secundária em humanos, e não na osteoartrose idiopática. Uma alternativa a eles são os modelos de osteoartrose espontânea em primatas bípedes e quadrúpedes.

Alguns autores são bastante céticos quanto à modelagem da osteoartrose em animais em geral. Assim, segundo MEJ Billingham (1998), o uso de modelos para a descoberta de fármacos modificadores da osteoartrose é "...uma aposta cara".

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Modelos de osteoartrite espontânea

Quase todas as linhagens consanguíneas de camundongos desenvolvem osteoartrose de gravidade e localização variadas. A maior incidência de osteoartrose e o curso mais grave da doença são observados em camundongos das linhagens STR/ORT e STR/INS. Entre os camundongos STR/ORT, a doença é mais comum e mais grave em machos do que em fêmeas. O dano primário à cartilagem articular se desenvolve na parte medial da placa tibial. Supôs-se que o aparecimento de alterações na cartilagem é precedido pelo deslocamento da patela; no entanto, RG Evans et al. (1994) e C. Collins et al. (1994) descobriram que, em todos os camundongos dessa linhagem, o dano à cartilagem se desenvolve em 11 meses, mas nem todos apresentaram deslocamento da patela. Os mesmos autores descobriram que alterações na cartilagem articular em camundongos STR/ORT são frequentemente precedidas por metaplasia osteoblástica condrocítica de células tendíneas e ligamentares ao redor das articulações do joelho afetadas, indicando que essas alterações são primárias na patogênese da osteoartrite neste modelo. É possível que a calcificação inicial de ligamentos e tendões altere o estresse mecânico nas estruturas intra-articulares e que alterações subsequentes na cartilagem articular reflitam uma tentativa de manter a carga articular normal. Ao contrário dos modelos com cobaias e macacos, nos quais a degeneração da cartilagem é precedida por alterações no osso subcondral, a esclerose subcondral aparece mais tarde em camundongos STR/ORT e STR/INS.

A vantagem deste modelo de osteoartrose é o pequeno tamanho dos animais, que requer consumo mínimo do agente farmacológico testado. No entanto, o tamanho também é uma desvantagem, visto que a análise bioquímica e histopatológica da cartilagem em camundongos é difícil.

Os estudos de AM Bendele, JE Hulman (1988), AM Bendel et al. (1989) e SCR Meacock et al. (1990) dedicados ao estudo do curso natural da osteoartrose espontânea em porquinhos-da-índia estimularam o interesse neste modelo da doença. A partir dos 13 meses de idade, todos os porquinhos-da-índia machos Dunkin Hurtley desenvolvem degeneração da cartilagem articular. Alterações semelhantes nas fêmeas aparecem um pouco mais tarde e são mais brandas. Com 1 ano de idade, observa-se perda completa da cartilagem articular na região do côndilo medial do fêmur e da placa tibial. Um aumento no peso corporal dos porquinhos-da-índia Dunkin Hurtley agrava o curso da doença, e uma diminuição no peso corporal para 900 g ou menos melhora o curso da osteoartrose. Com 8 semanas de idade, alterações no osso subcondral já são detectadas neste modelo, ou seja, estas últimas precedem o dano à cartilagem. Alterações nos ligamentos cruzados das articulações do joelho podem acelerar a remodelação óssea.

A osteoartrose espontânea se desenvolve em macacos rhesus e cynomolgus. Uma vantagem muito importante dos primatas sobre outros animais usados para criar um modelo experimental de osteoartrose é seu bipedalismo. A doença se desenvolve em indivíduos de meia-idade/idosos. Os primeiros achados histológicos incluem espessamento do osso subcondral seguido por desgaste da cartilagem articular na região da placa medial da tíbia. Posteriormente, a placa lateral também é envolvida no processo. Notavelmente, a degeneração da cartilagem articular começa a se desenvolver somente após a espessura do osso subcondral atingir 400 μm. A prevalência e a gravidade da osteoartrose em macacos aumentam com a idade, mas esses indicadores não são afetados pelo sexo e pelo peso corporal. Até o momento, modelos primatas de osteoartrose não foram usados para estudar a eficácia dos DMOADs.

Modelos de osteoartrite induzida fisicamente (cirurgicamente)

Modelos de osteoartrite baseados em frouxidão do joelho induzida cirurgicamente que altera o estresse mecânico na articulação do joelho são mais comumente usados em cães e coelhos. O modelo mais amplamente utilizado é aquele com transecção do ligamento cruzado em cães. Modelos cirúrgicos de osteoartrite em coelhos envolvem transecção dos ligamentos cruzados com ou sem excisão dos ligamentos medial e colateral, meniscectomia total ou parcial e ruptura cirúrgica dos meniscos. Modelos cirúrgicos de osteoartrite em cobaias foram descritos envolvendo transecção dos ligamentos cruzado e colateral e meniscectomia parcial. A meniscectomia parcial em cobaias resulta na formação de osteófitos em 2 semanas e degeneração excessiva da cartilagem articular em 6 semanas.

Até recentemente, o modelo canino de osteoartrite após transecção do ligamento cruzado anterior era visto com ceticismo devido à ausência de ulceração da cartilagem e à progressão acentuada da doença observada na osteoartrite humana. JL Marshall e S. - E. Olsson (1971) descobriram que as alterações nos tecidos das articulações do joelho de cães 2 anos após a cirurgia eram virtualmente idênticas às registradas imediatamente após a cirurgia. Os autores sugeriram que fatores mecânicos (por exemplo, fibrose da cápsula articular e formação de osteófitos) estabilizam a articulação do joelho solta no pós-operatório e previnem a progressão adicional da destruição da cartilagem articular. Também foi sugerido que este modelo fosse considerado um modelo de dano e reparo da cartilagem, em vez de um modelo de osteoartrite. No entanto, os resultados dos estudos conduzidos por KD Brandt et al. (1991), que estudaram a dinâmica das alterações nos tecidos das articulações do joelho desestabilizadas pela intersecção dos ligamentos cruzados anteriores por um período mais longo, refutaram as suposições de autores anteriores.

SA McDevitt et al. (1973, 1977) descobriram que já durante os primeiros dias após a transecção do ligamento cruzado a síntese de proteoglicanos pelos condrócitos da cartilagem articular aumenta. Durante 64 semanas após a indução cirúrgica da instabilidade da articulação do joelho, a espessura da cartilagem articular era maior que o normal, embora as alterações bioquímicas, metabólicas e histológicas correspondessem às da osteoartrose. Esse espessamento da cartilagem estava associado ao aumento da síntese de proteoglicanos e sua alta concentração na cartilagem articular. Usando ressonância magnética (RM), ME Adams e KD Brandt (1991) mostraram que após a transecção dos ligamentos cruzados a hipertrofia da cartilagem é mantida por 36 meses, então ocorre perda progressiva de cartilagem, de modo que após 45 meses a maioria das superfícies articulares estão desprovidas de cartilagem. O exame morfológico da cartilagem 54 meses após a cirurgia confirmou os achados da RM. Assim, ME Adams e KD Brandt (1991) demonstraram que a instabilidade induzida cirurgicamente das articulações do joelho em cães pode ser considerada um modelo de OA.

O fenômeno da reparação hipertrófica da cartilagem articular é bem ilustrado pelo modelo de osteoartrose em cães descrito acima. No entanto, sabe-se que esse fenômeno não é exclusivo desse animal. A hipertrofia da cartilagem articular, de natureza reparadora, foi descrita pela primeira vez em pacientes com osteoartrose por E. G. L. Bywaters (1937) e, posteriormente, por L. C. Johnson. Também é encontrada em outros modelos de osteoartrose – em coelhos após meniscectomia parcial (Vignon E. et al., 1983); em macacos rhesus, a hipertrofia da cartilagem se desenvolve espontaneamente.

As descrições modernas da patogênese concentram-se principalmente na "perda" progressiva da cartilagem, mas os autores frequentemente ignoram seu espessamento e o aumento da síntese de proteoglicanos, que correspondem à fase homeostática da osteoartrose estabilizada. Durante essa fase, a reparação da cartilagem compensa sua perda e pode manter a articulação em um estado funcional por um longo período. Mas o tecido reparador frequentemente não consegue lidar com a carga mecânica imposta a ele da mesma forma que a cartilagem articular saudável, o que leva à incapacidade dos condrócitos de manter a composição normal da matriz e à diminuição da síntese de proteoglicanos. Desenvolve-se o estágio final da osteoartrose.

O estudo da artropatia de Charcot levou ao desenvolvimento de um método para aceleração neurogênica da modelagem da osteoartrose induzida cirurgicamente. A artropatia de Charcot é caracterizada por destruição articular grave, "ratos" articulares, derrame articular, instabilidade ligamentar e formação de novo tecido ósseo e cartilaginoso dentro da articulação. O conceito geral da patogênese da artropatia de Charcot (neurogênica) é a interrupção dos sinais sensoriais dos proprioceptores e nociceptores dos membros para o sistema nervoso central (SNC). Para acelerar a progressão da osteoartrose induzida pela transecção dos ligamentos cruzados anteriores em cães, a ganglionectomia ou excisão do nervo que inerva a articulação é realizada antes da cirurgia, o que leva ao aparecimento de erosões da cartilagem já na primeira semana após a cirurgia. Curiosamente, a nova diacereína DMOAD foi eficaz quando usada em um modelo de osteoartrite lentamente progressiva (neurologicamente intacta), mas foi ineficaz na osteoartrite experimental acelerada neurogenicamente.

Em conclusão, deve-se notar que é impossível avaliar completamente a identidade do modelo experimental de osteoartrose e da osteoartrose em humanos, uma vez que a etiologia e os mecanismos precisos da patogênese da doença ainda não foram esclarecidos. Como mencionado anteriormente, o principal objetivo do uso de modelos experimentais de osteoartrose em animais é utilizá-los para avaliar a eficácia de novos fármacos, principalmente do grupo "modificador da doença". A probabilidade de os resultados do tratamento em um animal coincidirem com os resultados do uso de um agente farmacológico experimental em humanos também é impossível de determinar. N. S. Doherty et al. (1998) enfatizaram as diferenças significativas entre as espécies animais utilizadas para modelar a osteoartrose em termos de diferentes desenvolvimentos da patologia, vários mediadores, receptores e enzimas, o que leva a uma extrapolação objetiva da atividade terapêutica de novos fármacos utilizados em animais para humanos. Um exemplo é a alta eficácia dos AINEs na modelagem da artrite inflamatória em roedores. Isso levou a uma reavaliação da eficácia dos AINEs em humanos, nos quais as prostaglandinas não desempenham o papel fundamental na patogênese da doença que desempenham em roedores, e a eficácia clínica dos AINEs é limitada ao tratamento dos sintomas e não à modificação da doença.

Ao mesmo tempo, a subestimação de novos agentes farmacológicos ao estudar sua eficácia em modelos animais pode levar à perda de agentes terapêuticos potencialmente eficazes em humanos. Por exemplo, sais de ouro, penicilamina, cloroquina e sulfassalazina, que apresentam algum efeito no tratamento da artrite reumatoide, são absolutamente ineficazes em animais utilizados para triagem de medicamentos antirreumáticos.

A diferença na resposta entre um modelo animal de osteoartrose e um paciente com osteoartrose ao tratamento com DMOAD depende em grande parte da colagenase, uma enzima que se acredita estar ativamente envolvida na patogênese da osteoartrose. Inibidores da colagenase intersticial (colagenase-1 ou metaloproteinase da matriz (MMP)-1) são frequentemente encontrados em roedores com modelo de osteoartrose, mas um homólogo da colagenase-1 humana não foi encontrado em roedores e pode não existir. Assim, inibidores específicos da colagenase-1 humana não mostrarão eficácia terapêutica em roedores com osteoartrose experimental. A maioria dos inibidores de MMP criados até o momento não são seletivos e, portanto, inibem a colagenase-3 (MMP-13), que está envolvida na patogênese da osteoartrose experimental em roedores. Além disso, como estudos de NRA Beeley et al. (1994) demonstraram que a colagenase-3 humana é expressa na cartilagem articular de pacientes com osteoartrite e pode desempenhar um papel na patogênese da doença.

Pode-se presumir que esses mediadores, receptores ou enzimas desempenham um papel semelhante na patogênese da osteoartrose modelada em um animal específico e em humanos. Um exemplo é a capacidade quimiotática do leucotrieno B4, que é considerada a mesma em humanos, camundongos e coelhos, mas a atividade dos antagonistas dessa substância biologicamente ativa difere em 1000 vezes entre as espécies animais. Para evitar tais imprecisões em experimentos, é necessário criar métodos que permitam estudar a farmacodinâmica in vivo. Por exemplo, é possível estudar o efeito de quaisquer substâncias na atividade de enzimas ou mediadores exógenos em humanos. Essa técnica foi usada por V. Ganu et al. (1994) para avaliar a atividade de inibidores de MMP, determinando a capacidade dos fármacos de inibir a liberação de proteoglicanos da cartilagem articular após a injeção de estromelesina humana na articulação do joelho de um coelho.

Embora os resultados obtidos no modelo experimental de osteoartrose possam levar a uma avaliação incorreta de potenciais DMOADs, modelos animais de osteoartrose desempenham um papel importante na pesquisa básica. Uma decisão final sobre a eficácia dos agentes farmacológicos no tratamento de doenças humanas somente poderá ser tomada após a realização de ensaios clínicos de fase III em humanos.