CC BY
101
УДК 576.54: 576.53: 573.7: 59.084: 59.085: 617.3: 611.728.3: 611.018.36: 611.018.3
DOI: 10.15372/SSMJ20190203
ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПАТОГЕНЕЗА ОСТЕОАРТРОЗА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
Елена Игоревна ЩЕЛКУНОВА, Анастасия Александровна ВОРОПАЕВА, Татьяна Васильевна РУСОВА, Ионас С. Витаса ШТОПИС
Новосибирский НИИ травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна Минздрава России 630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 17
Остеоартроз - хроническое дегенеративно-воспалительное заболевание суставов, которое сопровождается разрушением суставного хряща, приводит к нарушению функций и, на поздних стадиях, появлению контрактур, мышечной атрофии и скелетных деформаций. Основным клиническим проявлением остеоартроза являются хроническая боль различной интенсивности и ограничение подвижности суставов, что значительно ухудшает качество жизни пациентов. Современные исследования указывают на многофакторный характер развития остеоартроза. При развитии заболевания происходят существенные изменения на всех уровнях организации, в том числе изменения молекулярных процессов в хряще, сопровождающиеся нарушениями его структуры и функциональных свойств, а также регуляции синтеза компонентов хрящевого матрикса хондроцитами. Изучение патогенеза остеоартроза явилось основой разработки новых лекарственных препаратов. Обязательным условием является этап доклинических испытаний, включающий in vitro и in vivo исследования на модельных животных и/ или клеточных культурах, а для этого необходимы адекватные экспериментальные модели. В настоящее время в мире нет единого мнения о наиболее подходящей универсальной модели остеоартроза, поскольку каждая имеет собственные механизмы для индукции общего дегенеративного процесса и пределы применимости. Проблема надежности альтернативного моделирования, эффективности, биоэквивалентности или токсичности веществ для человека требует их полной валидации и качественной верификации с использованием животных моделей. Существует ряд международных документов, регламентирующих проведение исследований и экспериментов на животных, к числу основных относятся разработанные и принятые Международным советом медицинских научных обществ (CIOMS) «Международные рекомендации по проведению биомедицинских исследований с использованием животных». Одним из главных положений данного документа является минимизация использования экспериментальных животных и стремление к их замене за счет математических моделей и in vitro биологических систем. Цель данного обзора - сравнительное описание in vivo и in vitro экспериментальных моделей, используемых для изучения патологических процессов остеоартроза, и анализ пределов их применимости.
Ключевые слова: остеоартроз, суставной хрящ, экспериментальное моделирование, in vivo модели, in vitro модели, культура клеток.
Моделирование является эффективным инструментом анализа и прогнозирования в различных прикладных исследованиях. Сегодня трудно представить научно-исследовательскую и проектную деятельность без использования методологии и современных средств моделирования. Модель - это материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект - оригинал, сохраняя при этом все его важные для данного исследования свойства [4]. Наиболее распространенным моти-
вом для построения модели сложной динамической системы является прогнозирование поведения этой системы в будущем. На примере модели можно отработать алгоритм управления и регулирования определенного процесса [14].
Экспериментальное моделирование патологических процессов играет важную роль в изучении механизмов развития различных заболеваний [20]. Этот метод является ключевым в исследовательских работах морфологов и клиницистов. Формальных приемов, позволяющих
Щелкунова Е.И. - научный сотрудник лабораторно-экспериментального отдела, e-mail: elena-shelkunova@mail.ru
Воропаева А.А. - к.б.н., научный сотрудник лабораторно-экспериментального отдела, e-mail: venediktovaa@bk.ru
Русова Т.В. - к.б.н., старший научный сотрудник лабораторно-экспериментального отдела, e-mail: TRusova@niito.ru
Штопис И.С.В. - врач-травматолог-ортопед второй категории, e-mail: ishtopis@mail.ru
создавать адекватные модели, не существует. Окончательное суждение о сообразности модели дает практика, т.е. сопоставление модели с объектом-оригиналом [4]. Для анализа адекватности экспериментальных моделей остеоартроза (ОА), представленных в данном обзоре, далее описан патогенез данного заболевания.
Остеоартроз. Нарушение целостности суставного хряща и/или метаболические нарушения в организме различного генеза приводят к ОА - хроническому дегенеративно-воспалительному заболеванию суставов, которое сопровождается разрушением суставного хряща, приводит к нарушению функций суставов и на поздних стадиях - к появлению контрактур, мышечной атрофии и скелетных деформаций [15, 24]. Основным клиническим проявлением ОА являются хроническая боль различной интенсивности и ограничение подвижности суставов, что значительно ухудшает качество жизни пациентов. У 25 % больных старше 50 лет интенсивность боли так высока, что приводит не только к ограничению функциональной активности, но и к полной потере трудоспособности [19]. Во всем мире ОА страдает более 250 миллионов человек [22].
Дегенеративный процесс при ОА развивается локально в местах повреждения ткани, где происходит разрушение клеток, увеличение активности катаболических ферментов в матриксе, что вызывает лизис белков и протеогликанов и, как следствие, - дезорганизацию фибрилл коллагена и гидратацию ткани [23]. Это приводит к снижению биомеханической прочности ткани, запуская цикл разрушения хряща, окружающей очаг поражения, углубляя и расширяя его. Такие поражения развиваются от поверхности хряща до субхондральной кости. Одновременно в хряще развиваются восстановительные процессы, в которых участвуют прогениторные клетки как самого хряща, так и мигрирующие из околосуставных тканей, например, из синовиальной оболочки. Однако эти клетки способны синтезировать матрикс только фиброзного хряща, и, таким образом, участки поврежденного гиалинового хряща замещаются фиброзным, главным компонентом которого является коллаген I типа, который не способен противостоять физиологическим нагрузкам, оказываемым на хрящевую поверхность сустава [23]. Изменение синтетической активности клеток в монослойной культуре может быть использовано при моделировании дегенеративного процесса.
При развитии ОА происходят существенные изменения молекулярных процессов в хряще, сопровождающиеся нарушениями его структуры
и функциональных свойств [16], а также нарушениями регуляции синтеза компонентов хрящевого матрикса хондроцитами. Представляя собой сложный комплекс различных макромолекул, внеклеточный матрикс обеспечивает передачу сигналов, поддержание формы и миграцию клеток [8]. Функционирование хондроцитов регулируется многими биологически активными медиаторами. При ОА увеличивается выработка провоспалительных медиаторов: ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-17, ИЛ-18, оксида азота, циклооксиге-назы. Поскольку повышение их генерации происходит и на фоне различных провоспалительных заболеваний, в том числе остеопороза [3], ухудшается питание субхондральной кости и замедляется диффузия в хрящ питательных веществ и кислорода. Многие из этих медиаторов индуцируют активацию синовиоцитов и повреждение субхондральной кости, а также изменяют гомео-стаз хряща [27]. Важная роль в деградации хряща принадлежит матриксным металлопротеазам (ММП) и катепсину К, основными мишенями которых являются компоненты матрикса хряща -протеогликаны и коллаген II типа [19, 39].
ОА чаще развивается у пожилых людей, поэтому ранее его определяли как болезнь «возрастного изнашивания хряща». В настоящее время ОА рассматривается как гетерогенная группа заболеваний различной этиологии со сходными биологическими, морфологическими, клиническими проявлениями и исходами, при которых в патологический процесс вовлекаются суставной хрящ, субхондральная кость, связки, капсула, синовиальная оболочка и околосуставные мышцы [19, 32]. Однако поражение хрящевой ткани является ключевым в развитии этого заболевания
[19].
Консервативные методы лечения ОА и тестирование разрабатываемых против него лекарственных средств. За последние годы выявлен рост оборота лекарственных препаратов и продуктов регенеративной медицины, а также общего объема инвестиций в эту индустрию со стороны крупных фармацевтических и биотехнологических компаний [10]. Изучение патогенеза ОА явилось основой разработки новых лекарственных препаратов [19]. В инициации изменений при первичном заболевании и его прогрессировании решающее значение имеет гиперпродукция хон-дроцитами ММП, включая коллагеназы (ММП-1, -8, -13), аггреканазы (ADAMTS4 и ADAMTS5), стромелизин-1 (ММП-3) и желатиназы (ММП-2, -9). Большое значение в этом процессе придается ИЛ-1Р, который экспрессируется в пораженном хряще и стимулирует выработку ММП [1, 3, 33, 39]. Эти изменения способствуют ингибированию
синтеза протеогликанов внеклеточного матрикса. Для уменьшения темпов прогрессирования ОА предложено большое количество различных препаратов [1]. Новые лекарства проходят обязательный этап доклинических испытаний. Для оценки воздействия одного лекарственного препарата необходимо провести серию экспериментов не менее чем на 430 животных [6]. Таким образом, необходимость в разработке новых препаратов и способов лечения остается актуальной, а для этого необходимы адекватные экспериментальные модели [18].
В экспериментальной биологии и медицине наиболее популярными и востребованными являются натуральные модели: in vivo и in vitro, а также математические и имитационные (компьютерные) модели. В данном обзоре будут рассмотрены примеры натуральных моделей ОА.
In vivo модели. Животное-модель - лабораторное животное, используемое в эксперименте с целью построения демонстративных или любых других адекватных моделей функционирования человека или других животных для последующего описания и анализа изучаемых процессов [7]. Разработаны различные in vivo модели, которые позволяют исследователям изучать развитие ОА в течение ограниченного времени [12, 44].
Существует несколько методик, позволяющих получить экспериментальную модель остео-артроза [12, 21]. Факторы, вызывающие патологические изменения суставного хряща, условно можно разбить на три группы:
- введение в сустав химических веществ (стероидных препаратов, дексаметазона, папаина [11, 12], гидрокортизона ацетата [21]);
- физическое воздействие на сустав парожид-костной струей азота [12, 21];
- механическое воздействие (нагрузка на сустав [21], компрессия, иммобилизация сустава [8, 30]) и травматические повреждения (дырчатый дефект, рассечение передней крестообразной связки, скарификация участка суставного хряща и др. [12, 21]).
Выбор той или иной модели зависит от цели исследования [21]. Ниже приведены примеры моделирования ОА у экспериментальных животных под действием различных факторов.
В 1973 г. Э.Н. Беллендир и Г.Д. Наконечный предложили способ моделирования гонартроза у кроликов путем вскрытия сустава и обработки поверхности хряща тампоном с 5%-м раствором азотнокислого серебра, в 2006 г. этот способ был модифицирован: в сустав, в верхний заворот, шприцем вводили 0,2-0,3 мл 5%-го раствора азотнокислого серебра без оперативного вмешательства и иммобилизации сустава [11]. Способ
легко воспроизводится, не травмирует и не стрес-сирует животное. В 1997 г. Н.В. Корниловым и соавторами разработан малоинвазивный способ моделирования гонартроза путем введения в коленный сустав под надколенник 0,5 мл 10%-й взвеси хирургического талька на физиологическом растворе. Внешней иммобилизации конечности не применяли. Гонартроз развивался через 2,5 месяца [11]. При моделировании ОА в коленном суставе у половозрелых крыс линии Wistar возникают грубые структурные изменения в суставном хряще, вплоть до его полного разрушения, сопровождающегося сосудистой пролиферацией и гранулематозным воспалением [5].
Способ моделирования ОА путем введения в сустав 0,5 мл дексаметазона (2 мг) и через 24 ч -взвеси хирургического талька (0,3 мг в 1 мл физиологического раствора) позволил сформировать экспериментальный артроз более равномерного, мягкого характера и в более короткие сроки [11] (табл. 1). Критериями оценки развития остеоартроза служили макроскопические изменения гиалинового хряща и прилежащих тканей капсулы сустава. Способ моделирования ОА путем введения химических веществ, по мнению Г.П. Котельникова и соавторов, достаточно эффективен и прост. Введение химического вещества в заворот капсулы ведет к развитию воспаления и изменений именно в завороте сустава. Изменения в структуре гиалинового хряща и тканей капсулы носят преимущественно вторичный характер [11].
При моделировании ОА путем локального приложения низких температур воздействуют парожидкостной струей азота под давлением 0,20,6 атмосферы на протяжении 4-8 с. При этом возникают дистрофические процессы в хрящевой ткани, что объясняется нарушением трофики сустава [17]. Недостатками данного метода являются высокая стоимость азота, необходимость определенных условий и специального оборудования для его хранения.
Известен способ моделирования экспериментального ОА у животных путем перерезания передних крестообразных связок обоих коленных суставов [16, 41, 44]. Передняя крестообразная связка (А^) является одним из четырех основных стабилизаторов колена, ее перерезка приводит к симптоматической боли в суставах и изменениям структуры тканей сустава. Модель перерезки ACL может быть разработана и воспроизведена на многих видах животных, включая крыс, мышей, морских свинок, кроликов, кошек, собак, овец и обезьян. Она демонстрирует изменения, подобные тем, которые наблюдаются при развитии ОА у человека, включая суставную де-
со о
Таблица 1
Сравнительная характеристика in vivo моделей остеоартроза
а Макроскопические изменения тканей сустава Морфофункциональные изменения тканей сустава
Факторы, вызывающие патологические изменения Экспериментальное животное Способ моделирования Травматично сть способа для животного Иммобилизация конечност] Период развития ОА, сут Помутнение хряща Узурация суставной поверхности Заполнение сустава соединительной и жировой тканью Отек капсулы Ишемия капсулы Отсутствие границ тканей Вакуолизация цитоплазмы Пикноз ядер Замещение матрикса грубыми волокнами коллагена Замещение клеток хряща клетками соединительной ткани Истончение костных балок Лизис клеток
Введение в сустав химических веществ Кролики породы шиншилла Введение 5%-го раствора азотнокислого серебра Инъекция — 75 + + + + * * * * * * * *
Кролики породы шиншилла Введение 0,5 мл 10%-го раствора хирургического талька Инъекция 75 * + + + +++ + + * *
Кролики породы шиншилла Введение 0,5 мл дексаметазона и талька Инъекция 60 + + + + ++ + + +
Белые беспородные крысы Введение 0,1 мл 0,1%-го раствора трипсина Инъекция 14- 28 + + + + + +
Механическое воздействие Крысы линии \Vistar Моделирование хронической сердечной недостаточности (введение подкожно 0,1 мл 1%-го раствора ме затона) + физическая нагрузка Подкожная инъекция + физическая нагрузка 14 + + + + +
О S СП S TI
о
I
-С I сг
m ti
i
о
<
TI
I
>
со со
м
W
о
Примечание. * - данный вид исследования авторами модели не проводился.
градацию хряща, склероз субхондральной кости и образование остеофитов [44]. У крыс на поздних сроках эксперимента (12 недель) степень развития ОА по морфологической шкале V.B. Kraus составляла от 5 до 11 баллов [16]. В хряще сустава обнаружены истинные кластеры, единичные остеофиты в базальной зоне хряща, повреждение остеохондральной линии. Авторы относят эти изменения к умеренным признакам ОА. Перерезка ACL не сопровождалась изменениями радиальной толщины хряща. В динамике синтеза аггрека-на наблюдали незначительное снижение до 81 % от величины показателя у интактных животных к 12-й неделе эксперимента. Индекс синтетической активности клеток в отношении лубрицина монотонно снижался в течение 12 недель эксперимента и составил 42,2 % от величины показателя у интактных животных [16].
Макушиным В.Д. и соавторами предложен метод моделирования ОА у собак с учетом значимости изменения кровоснабжения, статистической нагрузки и иммобилизации, определяющих диффузное питание хряща. У взрослых беспородных собак массой 12-15 кг через прямолинейный разрез мягких тканей выделяли бедренную артерию на уровне средней части бедренной кости, лигировали в двух местах и пересекали между лигатурами. Операционную рану ушивали послойно. После этого коленный сустав иммобилизовали аппаратом Илизарова на 28 суток, после чего у животных наблюдалась разгибательная контрактура коленного сустава в пределах 45 градусов. На рентгенограммах определяли сужение суставной щели, остеопороз дистального метафи-за, очаговый атеросклероз субхондральной зоны. Макроскопически суставной хрящ был истончен, неоднородного цвета, с фиолетовыми, красноватыми и синюшными пятнами, глянцевость отсутствовала. Выявлено снижение высоты хряща, численной плотности хондроцитов. Данная модель предусматривает создание условий гипоксии и ухудшение трофики субхондральной зоны (пересечение бедренной артерии). Таким образом, предложенная модель является патогенетически адекватной клинической картине ОА [12]. Однако полное прекращение регионального кровоснабжения обеспечивает развитие деформирующего ОА поздних стадий. Симуляция острой локальной ишемии не только не соответствует патогенезу нетравматичного ОА у человека, но и не позволяет изучать доклинические этапы его развития. Для получения начальных дегенеративных процессов в суставе необходимо обеспечить не острое хирургическое, а длительное постепенно прогрессирующее несоответствие реального и должного уровня его структур [9].
Классическими биологическими моделями являются лабораторные животные. Адекватность моделирования и надежность экстраполяции результатов обусловливают сходство параметров реакции метаболических процессов у человека и лабораторных животных - моделей при воздействии факторов эксперимента [7, 12]. Испытания in vivo важны для сохранения здоровья человека, но эти исследования являются трудоемкими, длительными и дорогостоящими, они травмируют экспериментальных животных и приводят к их гибели [6]. Однако ни одна модель не достаточна для воспроизведения всех аспектов патологии ОА у человека [43].
In vitro модели. В 1965 г. A. Smith впервые удалось получить культуру хондроцитов in vitro [13]. C 70-х годов объектом исследования хондроцитов in vitro являлись хрящи птиц. Эмбриональные хондроциты цыплят широко использовались для изучения процесса хондрогенной дифферен-цировки и особенностей синтеза конкретных компонентов матрикса, особенно коллагена и протео-гликанов. В 1979 г. von der K. Mark [48] показал возможность изучения дифференцировки хряща на биохимическом уровне. Исследования на культурах хондроцитов птиц дали многое для понимания механизмов хондрогенеза и процессов биосинтеза матрично-специфических макромолекул и фенотипической стабильности [34]. Исследования хондроцитов хрящевой ткани человека затруднены сложностью хирургического доступа и малым количеством биологического материала [31]. В настоящий момент используется много протоколов выделения, экспансии и дифференци-ровки клеток, специфика которых может варьировать в различных лабораториях [25].
В исследованиях оценки веществ все чаще применяются альтернативные модели второго порядка (культуры клеток) [7]. Монослойная (2D) культура хондроцитов - первый этап и основа методологии всех других культуральных систем. Для ее получения ткань суставного хряща подвергают ферментативному разрушению коллагеназой 2-го типа, хондроциты изолируют и фильтруют для удаления частиц ткани, отмывают в буферном растворе и помещают в среду на основе эмбриональной сыворотки, содержащую также L-аскорбиновую кислоту, антибиотик (гентамицин, пенициллин, стрептомицин). Инкубация хондроцитов проходит при температуре 37 °С в увлажненной атмосфере, содержащей 95 % кислорода и 5 % углекислого газа, среду меняют каждые 2-3 дня. В настоящее время моно-слойная культура остается основным способом получения клеток хондрогенного ряда в виде суспензии. Главным недостатком монослойной
культуры признается утрата фенотипа хондроци-тами во время пассажей [13].
Разработка и внедрение в практику новых способов разработки лекарственных препаратов, таких как компьютерное моделирование лиганд-рецепторных взаимодействий, методов системной биологии, получения гуманизированных животных, тестирование на клеточных культурах и т.д., позволяют снизить стоимость продукта [10]. На сегодняшний день используются несколько систем культивирования хондроцитов in vitro, в том числе монослойных и суспензионных культур, 3D-культур хондронов, эксплантатов, ко-культур [31, 32].
В монослойной культуре хондроциты адге-зированы к пластику сосудов. При длительном культивировании клеток в монослое, а также после нескольких повторных пассажей хондроциты утрачивают свои сферические очертания, приобретают удлиненную, фибробластоподобную форму. При такой метаплазии модифицируется синтетическая функция клеток, характеризующаяся прогрессирующим снижением синтеза коллагенов типа II, IX и XI и повышением синтеза коллагенов типа I, III [27, 38, 43, 45].
Ко-культура - сокультивирование хондроцитов с другими типами клеток сустава. ОА является заболеванием, которое поражает несколько взаимодействующих тканей [28]. Вплоть до последнего времени исследования в области патогенеза и терапии ОА были сосредоточены на патологии суставного хряща. Теперь стало очевидно, что изменения метаболизма субхондральной кости не просто вторичны по отношению к ОА, а являются интегральным проявлением заболевания. В пораженных OA суставах роль эффектора воспаления играют главным образом клетки синовиальной мембраны. Именно синовиоциты макрофагального типа секретируют протеазы и медиаторы воспаления. Среди них в патогенезе OA в наибольшей мере участвуют ИЛ-ф, ФНОа, ИЛ-6, ингибирующий лейкемию фактор (LIF), и ИЛ-17 [26]. Поэтому актуальными и более адекватно воспроизводящими изучаемые процессы являются эксперименты с ко-культурами, позволяющими исследовать взаимодействия между разными типами клеток in vitro [28, 32, 47].
При 3D-культивировании изолированные хондроциты помещаются в псевдоестественный матрикс, такой как мягкий агар, агароза, коллаге-новый гель, гиалуроновая кислота, фибриновый клей, бусины альгината или синтетический ма-трикс. В таких условиях хондроциты сохраняют свой нормальный фенотип и синтезируют компоненты внеклеточного матрикса, характерные для суставного хряща [1, 29, 37, 40].
Хондрон - структурная, функциональная и метаболическая единица суставного хряща, состоящая из хондроцитов, их околоклеточного матрик-са и компактной филаментной капсулы, которая поддерживает и сохраняет гомеостаз матрикса. Хондроны механическим путем экстрагируют из хряща и собирают с помощью нескольких последовательных низкоскоростных гомогенизаций. Хондроны иммобилизируют в прозрачной ага-розе, что позволяет проводить исследования их структуры, молекулярного состава и метаболической активности. Систему «хондрон - агароза» рассматривают как микромодель хряща, которая отличается от традиционной системы «хондро-цит - агароза» тем, что сохраняется естественное микроокружение клеток без необходимости осуществлять его синтез и сборку.
Культура эксплантатов - in vitro модель для исследования влияния изолированных внешних факторов на хондроциты и окружающий их ма-трикс. Культура эксплантата сохраняет структурную организацию хряща, а также взаимодействия между хондроцитами и окружающей их внеклеточной средой [35]. Модели на основе эксплантатов просты и легки в изготовлении и могут быть использованы для изучения ответа клеток в их естественном внеклеточном матриксе. Такую модель также используют для изучения влияния механического стресса, фармакологических агентов, факторов роста, цитокинов, гормонов на метаболизм хряща. Еще одним преимуществом эксплантатов хряща является отсутствие повреждения хондроцитов под действием протеолити-ческих ферментов или механических факторов, которые неизбежны при изоляции клеток. Использование эксплантата также позволяет наблюдать деградацию матрикса [30, 32].
Монослойная культура низкой плотности необходима для изучения процесса дифференци-ровки клеток, 3D-культура - модель для анализа адаптационного ответа хондроцитов на механический стресс. Хрящевые эксплантаты - прекрасная модель для изучения оборота элементов матрикса, для чего требуются подлинные рецепторы клеточной поверхности и нормальные взаимодействия «клетка - матрикс», чего не обеспечивают монослойные и суспензионные культуры. Преимущества и недостатки in vitro моделей, основанных на виде культивирования, представлены в табл. 2.
Клеточные модели разработаны на основе молекулярных механизмов патогенеза первичного ОА. В целом in vitro модели позволяют контролировать следующие параметры функционирования клеток (цитотоксичности): морфология клеток, их жизнеспособность, пролиферация,
Таблица 2
Преимущества и недостатки некоторых из наиболее часто используемых видов культивирования
для разработки in vitro моделей
Вид культивирования Преимущества Недостатки
Монослойная культура Активная пролиферация позволяет увеличивать клеточную популяцию, полученную из одного образца Доступно исследование путей диффе-ренцировки клеток в изоляции Для моделирования можно применять как первичную культуру изолированных клеток, так и клеточную линию Изменение фенотипа и метаболизма изолированных клеток Изменение качественного и количественного состава синтезируемого клетками in vitro внеклеточного матрикса
Ко-культура Позволяет рассматривать взаимодействие клеток разных типов и продуктов их синтетической активности Изменение фенотипа и метаболизма изолированных клеток Изменение качественного и количественного состава синтезируемого клетками in vitro внеклеточного матрикса Различные типы клеток требуют различных условий культивирования, в случае совместной культуры - компромисса
3D-культура Обеспечивает трехмерную структуру Клетки сохраняют способность к синтезу компонентов внеклеточного матрикса хрящевой ткани Сохранение фенотипа клеток Возможность комбинировать материалы скаффолда, его размер и форму Не разработан универсальный скаффолд, способный заменить внеклеточный матрикс хряща Требуется выделение и увеличение количества типов клеток, что может изменить их фенотип Необходимость управления клеточным заселением скаффолда Высокая стоимость модели
Эксплантаты (образцы ткани) Низкая стоимость модели Модель легко воспроизводится Клетки поддерживаются естественной внеклеточной матрицей Гибель клеток на границе эксплантата при заборе биологического материала Эксплантаты мало доступны из одного источника Физические характеристики могут измениться в культуре Модель предназначена для краткосрочных экспериментов, так как в процессе культивирования разрушается внеклеточный матрикс и клетки выходят за пределы эксплантата
влияние воспалительных процессов, окислительного стресса [24]. Модели, как правило, не дороги и ими легко управлять. Возможность увеличения количества клеток in vitro позволяет создать несколько повторностей. In vitro модели ОА являются жизненно важными для исследования причин заболевания и последующего проектирования и тестирования потенциальных терапевтических препаратов.
Факторы управления in vitro моделями ОА. Для того чтобы наиболее достоверно отражать процессы, при моделировании используют факторы патогенеза ОА. К ним относятся биохимические сдвиги в хрящевой ткани процессов катаболизма и анаболизма. Реакции, вызывающие деградацию хряща под действием таких ферментов и субстанций, как протеазы, цитокины, аггре-
каназы, субстанция Р, оксид азота, преобладают над реакциями, направленными на сохранение целостности хряща (с участием тканевого ингибитора матриксных металлопротеиназ, кинино-генов, ингибитора активатора плазминогена-1, TGFP, IGF-1, №N7) [26]. PGE2 - один из главных катаболических факторов развития ОА, через активацию матриксных металлопротеиназ приводящих к деградации хряща. При нарушении биомеханической нагрузки на хрящ сдавливание вызывает повышение активности микросомаль-ной PGE-синтетазы и, соответственно, увеличение продукции PGE2 [27, 46], что приводит к про-грессированию ОА. TGFp, IGF-1 и FGF-2, будучи факторами анаболизма хрящевой ткани и потенциальными хондропротекторными агентами, могут быть использованы в терапии ОА [26].
Таблица 3
Эффект воздействия факторов управления in vitro моделями
Вид культивирования Цитокиновая стимуляция Механическая стимуляция
Монослойная культура Синтез воспалительных молекул хондро-цитами Высвобождение активных форм кислорода Усиление апоптоза Снижение экспрессии коллагена типа 2 и аггрекана Увеличение экспрессии ММП-13 Нарушения цитоскелета Высвобождение провоспалительных цито-кинов, РвБ2 Высвобождение активных форм кислорода
Ко-культура Сокультивирование с остеобластами: Увеличение активности РвБ2 Созревание остеокластов Нарушения цитоскелета Высвобождение провоспалительных цито-кинов, РвБ2 Высвобождение активных форм кислорода
Сокультивирование с синовиоцитами: Увеличение экспрессии ИЛ-1, ИЛ-4, ИЛ-7, ИЛ-8, ИЛ-10, ИЛ-13 и остеопротегерина Уменьшение синтеза гликозаминогликанов в хряще
3D-культура Высвобождение активных форм кислорода Усиление апоптоза Активация металлопротеаз и деградация тканей эксплантов Увеличение синтеза гликозаминогликанов и пролиферации клеток
Эксплантаты (образцы ткани) Активация металлопротеаз и деградация тканей эксплантатов Снижение синтеза коллагена типа II и про-теогликанов Активация металлопротеаз и деградация тканей эксплантатов
Эффекты воздействия факторов управления in vitro моделей зависят от вида культивирования (табл. 3). Нагрузка на хрящ считается важным фактором для метаболизма хондроцитов и обмена молекул внеклеточного матрикса. Естественная нагрузка на сустав непосредственно влияет на инициацию, прогрессирование и окончательное восстановление повреждений хряща. Метаболизм хряща in vivo зависит от многих механических факторов. Переменное давление жидкости поддерживает фенотип дифференцированных хондроцитов, тогда как легкое растяжение (или смещение) стимулирует рост клеток и оссифика-цию. Эти наблюдения побудили исследователей включить механическую стимуляцию клеток in vitro в процесс конструирования ткани и моделирования [23]. Для максимального приближения условий in vitro к естественным разрабатываются биореакторы. Функции этих приборов направлены не только на поддержание гомеостаза клеток, но и на обеспечение физиологической нагрузки, улучшение питания клеток, транспорта газов и выведения продуктов обмена веществ. Большинство существующих биореакторов для создания хрящевой ткани имитируют биомеханические нагрузки в суставе in vivo, основанные на действии силы сдвига, гидростатического давления, растяжения, сжатия, перфузии, воздействии электри-
ческого поля, ультразвука и центробежной силы и их комбинации [2]. Биореактор позволяет использовать трехмерную 3D-культуру клеток и многообразие природы, формы и размеров скаффолдов. Понимание динамических процессов, происходящих в хряще под воздействием механических факторов, необходимо для поддержания структуры и функции ткани и ее воспроизведения в искусственных условиях. Таким образом, ткане-инженерные конструкции, разрабатываемые для замещения дефектов хрящевой ткани, при подборе условий воздействия биореактора могут быть использованы в качестве моделей ОА.
Преимущества и недостатки животных и клеточных моделей ОА. В связи с недостаточным знанием факторов патогенеза ОА его модели на животных могут быть использованы для изучения показателей, которые не доступны при исследовании системы in vitro (распределение в органах и тканях, выделение из организма, метаболизм и др.). Системы in vitro могут использоваться в качестве индикаторов токсичности и для изучения механотрансдукции [24]. Экстраполяция полученных результатов на человека - обязательный, сложный и неоднозначный этап любого экспериментального моделирования. Наиболее полно принципы экстраполяции разработаны в области оценки острой и хрони-
Таблица 4
Сравнение необходимых условий и стоимостных характеристик проведения доклинических испытаний in vivo и in vitro
Параметр In vivo модели In vitro модели
Целостная картина состояния сустава при ОА Точно Не точно из-за исключения ряда факторов
Этический вопрос Травмирование и гибель животных Не приводит к гибели животных
Исходный материал, влияющий на экстраполяцию данных Мышь, крыса, кролик, собака, мини-пиг Биологический материал тканей человека и/или животных
Необходимое количество животных/тестов для проведения испытаний 430 100
Наличие сертифицированной GLP-лаборатории Требуется Требуется
Наличие сертифицированного GLP-вивария Требуется Не требуется
Время с начала эксперимента до получения результатов От 28 суток до 3 лет с учетом формирования ОА у животного До 6 месяцев
Стоимость Стоимость животных + стоимость их содержания в виварии в зависимости от сроков эксперимента Монослойные модели, ко-культуры и культуры эксплантатов - не дороги; 3D-культуры - высокая стоимость (стоимость материалов скаффолдов, их изготовление и использование биореактора)
ческой токсичности веществ на лабораторных животных. Используется либо прямой перенос данных с животных на человека, либо вводятся корректирующие коэффициенты. Модели in vitro могут с большей или меньшей полнотой представить грани отображения от молекулярного до клеточного уровня максимально. При экстраполяции данных биотестирования in vitro моделей на человека отмечается высокая чувствительность биотест-объектов к веществам [7].
Основным преимуществом применения систем in vitro является получение научно-обоснованных результатов, которые могут применяться не только на практике, но и в развитии фундаментальных исследований. Кроме того, использование методов in vitro является идеальным способом быстрого и недорогого получения точных результатов, минуя стадию экспериментов над лабораторными животными, что позволяет соблюдать этические нормы [33, 42]. К недостаткам моделей in vitro следует отнести их несостоятельность для оценки рисков для последующих поколений клеток или всего организма [42]. Преимущества и недостатки in vitro моделей в зависимости от вида культивирования отражены в табл. 4. Несомненно, выбор модели должен определяться задачами конкретного эксперимента.
Перспективы in vivo и in vitro моделирования. Несмотря на развитие новых методов мо-
делирования, полностью отказаться от испытаний на экспериментальных животных невозможно. Использование животных в медицине - одна из важных проблем в биоэтике. При разработке новых in vivo моделей ОА и использовании в научных исследованиях, описанных в литературе, новых in vivo моделей необходимо в первую очередь руководствоваться международными документами, регламентирующими проведение экспериментов и исследований на животных. В 2003 г. были приняты Правила лабораторной практики в Российской Федерации (GLP) (утв. Приказом Министерства здравоохранения Российской Федерации от 19.06.2003 № 267). Этот документ содержит основные правила обращения с животными в наиболее актуальной сфере их использования: оценка эффективности и безопасности лекарственных средств; объект правового регулирования указан в целом (тест-системы, экспериментальные модели). На практике большинство из них - это экспериментальные животные.
В соответствии с ФЗ РФ «Об ответственном обращении с животными» запрещается использование животных в учебных, научных и медицинских целях способами, причиняющими гибель или боль животным. ГОСТ 33216-2014 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными» устанавливает общие требования к размещению, содержанию и уходу за
лабораторными грызунами и кроликами, используемыми в учебных, экспериментальных и иных научных целях. Доклинические исследования лекарственных средств на животных проводятся в соответствии с международными правилами, с максимальной гуманностью умерщвления и проведения самих экспериментов. Контроль за соблюдением правовых и этических норм возложен на Минздрав России и территориальные органы контроля.
Разнообразие методов моделирования экспериментального ОА у животных свидетельствует о необходимости получения моделей, соответствующих различным стадиям деформирующего артроза у больных пациентов. Макроскопические и морфологические изменения в суставе должны соответствовать ранним (I и II) стадиям артроза у людей для тестирования препаратов, предназначенных для консервативного лечения ОА. Для получения начальных дегенеративных процессов в суставе необходимо обеспечить не острое хирургическое, а длительное постепенно прогрессирующее несоответствие реального и должного уровней его структур [9]. Моделирование экспериментального ОА у животных позволяет учитывать многофакторность данного заболевания, а также управлять некоторыми критериями моделирования, такими как биомеханическая нагрузка, период и степень иммобилизации. Перспективы развития in vivo моделирования ОА заключаются в повышении качества содержания животных -создании GLP-вивариев не только для мелких лабораторных животных (крысы, мыши, хомяки), но и для крупных (кролики, беспородные собаки). В соответствии с основными положениями рекомендаций по проведению биомедицинских исследований с использованием животных необходимо минимизировать количество животных, используемых при моделировании.
Широкое разнообразие клеточных моделей свидетельствует об отсутствии адекватных in vitro систем, для которых невозможна прямая экстраполяция данных на человека. Дальнейшее развитие клеточного моделирования направлено на разработку трехмерных моделей, учитывающих не только влияние цитокинов и осмотического давления, но и морфологическую структуру, расположение хондроцитов в хряще [1]. Структурные особенности многокомпонентного внеклеточного матрикса хряща позволяют ему выдерживать высокие биомеханические нагрузки. Для формирования такой организации in vitro необходимы условия, включающие определенные механические воздействия, которые можно обеспечить только в упомянутых выше специализированных устройствах - биореакторах [2, 36].
Многофакторный характер ОА следует учитывать при проектировании модели для воспроизведения болезни, даже если это только тестирование одного параметра, такого как ответ на нагрузку или катаболический стимул [1]. При планировании исследования для оценки эффективности терапии необходимо использовать модель (или несколько моделей), наиболее полно соответствующую задачам исследования. Поэтому в настоящее время для максимально всестороннего исследования механизмов воспроизведения заболевания и влияния на его течение следует использовать различные виды как in vitro, так и in vivo моделей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бадокин В.В. Результаты многоцентрового исследования по оценке эффективности и переносимости Пиаскледина // Эффектив. фармакотерапия. 2011. (3). 4-10.
2. Басок Ю.Б., Севастьянов В.И. Технологии тканевой инженерии и регенеративной медицины в лечении дефектов хрящевой ткани суставов // Вестн. трансплантологии и искусств. органов. 2016. 18. (4). 102-122.
3. Венедиктова A.A., Фаламеева О.В., Колосова Н.Г., Садовой М.А., Короленко Т.А. Активность катепсина К и матриксных металлопротеаз в костной ткани крыс OXYS при развитии остеопороза // Биомед. химия. 2010. 56. (2). 274-282.
4. Вьюненко Л.Ф., Михайлов М.В., Первозванная Т.Н. Имитационное моделирование. Учебник и практикум для академического бакалавриата. М., 2016.
5. Демкин С.А., Маланин Д.А., РоговаЛ.Н., Сни-гур Г.Л., Григорьева Н.В., Байдова К.В. Экспериментальная модель остеоартроза коленного сустава у крыс на фоне внутрисуставного введения обогащенной тромбоцитами аутологичной плазмы // Вол-гогр. науч.-мед. журн. 2016. 1. (49). 28-32.
6. Дмитруха Н.Н. Культура клеток как in vitro модель в токсикологических исследованиях // Medix Anti-Aging. 2013. (3). 50-55.
7. Каркищенко Н.Н. Альтернативы биомедицины. Том 1. Основы биомедицины и фармакомодели-рования. М.: ВПК, 2007. 320 с.
8. КимЛ.Б., БелишеваН.К., ПутятинаА.Н. Русских Г.С., Кожин П.М., Цыпышева О.Б. Возрастная динамика основных компонентов внеклеточного матрикса у жителей Российской Арктики // Успехи геронтологии. 2017. 30. (3). 332-340.
9. Корочина К.В., Полякова В.С., Корочина И.Э. Реорганизация структур коленных суставов крыс с хронической сердечной недостаточностью // Фундамент. исслед. 2014. (10, Ч. 7). 1335-1340.
10. КорсаковИ.Н., НаделяеваИ.И., ЕреминИ.И., Пулин А.А., Котенко К.В., Зорин В.Л. Анализ рын-
ка продуктов регенеративной медицины // Гены и клетки. 2017. XII. (1). 72-89.
11. Котельников Г.П., ЛарцевЮ.В., Махова А.Н. Сравнительная оценка структурных изменений тканей сустава при различных моделях экспериментального артроза // Казан. мед. журн. 2006. 86. (1). 31-35.
12. Макушин В.Д., СтепановМ.А., Ступина Т.А. Экспериментальное моделирование остеоартроза коленного сустава у собак // Биомедицина. 2012. (3). 108-115.
13. Маланин Д.А., Новочадов В.В., Самусев С.Р., Тетерин О.Г., Сучилин И.А., Жуликов А.Л. Инновационные технологии в восстановлении коленного сустава при его повреждениях и заболеваниях // Вестн. ВолгГМУ. 2009. 2. (30). 7-13.
14. Меншуткин В.В. Искусство моделирования (экология, физиология, эволюция). Петрозаводск; СПб., 2010.
15. Мустафин Р.Н., Хуснутдинова Э.К. Молекулярные механизмы развития остеоартроза // Лечеб. дело. 2015. (3). 86-92.
16. Новочадов В.В., Крылов П.А., Зайцев В.Г. Неоднородность строения гиалинового хряща коленного сустава у интактных крыс и при экспериментальном остеоартрозе // Вестн. ВолгГМУ. 2014. 4. 7-16.
17. Орел К.С., Савицкий К.С., Якимчук Н.В. Кузьменко И.А., Мястковская И.В. Сравнительная характеристика моделей экспериментального остеоартроза // Актуал. пробл. сучасн. мед. 2017. 17. (4, Ч. 2). 325-329.
18. Рудаков В.С., Восканян С.Э., Еремин И.И., Деев Р.В. Экспериментальные модели острой печеночной недостаточности // Рос. мед.-биол. вестн. 2015.4.138-144.
19. Сайковский Р.С., Савенкова Н.А., Аверьянов А.В., Лисица А.В. Эффективность применения препарата сферогель для лечения гонартроза // Клин. практика. 2013. (3). 4-10.
20. Сапаева Ш.А., Рузибаев Р.Ю., Рузме-тов У.А., Абдуллаева У.С., Джуманиязова Г.С. Ги-стоморфологическая характеристика бедренной кости крыс при моделировании резекции желудка по методу Бильрот-II // Вюн. пробл. бюл. i мед. 2013. 1. (1). 199-201.
21. Севастьянов В.И., Духина Г.А., Григорьев А.М., Перова Н.В., Кирсанова Л.А., Скалец-кий Н.Н., Ахаладзе Д.Г., Готье С.В. Функциональная эффективность биомедицинского клеточного продукта для регенерации суставного хряща (экспериментальная модель остеоартроза) // Вестн. трансплантологии и искусств. органов. 2015. XVII. (1). 86-96.
22. Смышляев И.А., Гильфанов С.И., Копылов В.А., Гильмутдинов Р.Г., Петрикина А.П., Еремин П.С., Крючкова О.В., Абельцев В.П., Загород-ний Н.В., Зорин В.Л., Васильев В.С., Пупынин Д.Ю.,
Еремин И.И. Оценка безопасности и эффективности внутрисуставного введения стромально-васку-лярной фракции жировой ткани для лечения гонар-троза: промежуточные результаты клинического исследования // Травматология и ортопедия России. 2017. 23. (3). 17-31.
23. Советников Н.Н., Кальсин В.А., Конопляников М.А., Муханов В.В. Клеточные технологии и тканевая инженерия в лечении дефектов суставной поверхности // Клин. практика. 2013. (1). 52-66.
24. Хитров Н.А. Остеоартроз. Совокупность клинических форм и сопутствующих заболеваний // Рус. мед. журн. 2015. (7). 363-369.
25. Чернова О.Н., Корсаков И.Н., Самчук Д.П., Пулин А.А., Мавликеев М.О., Деев Р.В., Еремин И.И. Экспериментальные модели для изучения регенерации поперечнополосатой скелетной мышечной ткани // Гены и клетки. 2015. X. (4). 127-140.
26. Широкова Л.Ю., Носков С.М., Паруля О.М., Козлова О.Г., Нагибин Р.М., Долгова Л.Н., Абросимова Е.Б. Роль цитокинов в патогенезе остеоартроза // Цитокины и воспаление. 2010. 9. (4). 16-19.
27. Щелкунова Е.И., Воропаева А.А., Руссо-ва Т.В., Баитов В.С. Синтез агрекана и коллагена II типа хондроцитами из разных зон коленного сустава больных гонартрозом in vitro // Соврем. пробл. науки и образования. 2016. (6). 212.
28. Beekhuizen M., Bastiaansen-Jenniskens Y.M., Koevoet W., Saris D.B., Dhert W.J., Creemers L.B., van Osch G.J. Osteoarthritic synovial tissue inhibition of proteoglycan production in human osteoarthritic knee cartilage: Establishment and characterization of a long-term cartilage-synovium coculture // Arthritis Rheum. 2011. (63). 1918-1927.
29. Bougault C., Aubert-Foucher E., Paumier A., Perrier-Groult E., Huot L., Hot D., Duterque-Coquillaud M., Mallein-Gerin F. Dynamic compression of chondrocyte-agarose constructs reveals new candidate mechanosensitive genes // PLoS One. 2012. (7). e36964.
30. Gabriel N., Innes J.F., Caterson B., Vaughan-Thomas A. Development of an in vitro model of feline cartilage degradation // J. Feline Med. Surg. 2010. (12). 614-620.
31. Heidari M., Tahmasebi M.N., Etemad S., Salehkhou S., Heidari-Vala H., Akhondi M.M. In vitro human chondrocyte culture; a modified protocol // Middle-East J. Sci. Res. 2011 9. (1). 102-109.
32. Johnson C.I., Argyle D.J., Clements D.N. In vitro models for the study of osteoarthritis // Vet. J. 2016. (209). 40-49.
33. Korolenko T.A., Johnston T.P., Kisarova Y.A. Cherkanova M.S. Up-regulation of matrix metallopro-teases in cancer and atherosclerosis, role of inflammation // Matrix Metalloproteinases (MMPs): Classification, Molecular Mechanisms and Roles in Diseases / Ed. J. Sullivan. N.Y.: Nova Publishers, 2015. 1-32.
34. KuettnerK.E., PauliB.U., GallG.,Memoli V.A., Schenk R.K. Synthesis of cartilage matrix by mammalian chondrocytes in vitro I. Isolation, culture characteristics, and morphology // J. Cell. Biol. 1982. 93. (3). 743-750.
35. Lin Y.-Y., Tanaka N., Ohkuma S., Iwabuchi Y., Tanne Y., Kamiya T., Kunimatsu R., Huang Y.C., Yoshioka M., Mitsuyoshi T., Tanimoto K., Tanaka E., Tanne K. Applying an excessive mechanical stress alters the effect of subchondral osteoblasts on chondrocytes in a co-culturesystem // Eur. J. Oral. Sci. 2010. 118. 151-158.
36. Mahmoudifar N., Doran P.M. Effect of seeding and bioreactor culture conditions on the development of human tissue-engineered cartilage // Tissue Eng. 2006. 12. (6). 1675-1685.
37. Mizuno S., Ogava R. Using changes in hydrostatic and osmotic pressure to manipulate metabolic function in chondrocytes // Am. J. Physiol. Cell Physiol.
2011. 300. 1234-1245.
38. Novakofski K.D., Torre C.J., Fortier L.A. Inerleukin-1a, -6, and -8 decrease Cdc42 activity resulting in loss of articular chondrocyte phenotype // J. Orthop. Res. 2012. 30. 246-251.
39. Paiva K.B., Granjeiro J.M. Bone tissue remodeling and development: focus on matrix metallopro-teinase functions // Arch. Biochem. Biophys. 2014. 561. 74-87.
40. Pingguan-Murphy B., Nawi I. Upregulation of matrix synthesis in chondrocyte-seeded agarose following sustained bi-axial cyclic loading // Clinics.
2012. 67. 939-944.
41. Shen J., Chen D.J. Recent progress in osteoarthritis research // Am. Acad. Orthop. Surg. 2014. 22. (7). 467-468.
42. Sobbioni E., Fortaner S., Farina M., del Torchio R., Olivato I., Petrarca C., Bernardini G., Mariani-Costantini R., Perconti S., di Giampaolo L., Gornati R., di Gioacchino M. Cytotoxicity and morphological transforming potential of cobalt nanoparticles, microparticles and ions in Balb/3T3 mouse fibroblasts: an in vitro model // Nanotoxicology. 2014. 8. (4). 455-464.
43. Sylvester J., MabroukM., Ahmad R., Chaudry A., Zafarullah M. Interleukin-1 induction of aggrecanase gene expression in human articular chondrocytes is mediated by mitogen-activated protein kinases // Cell. Physiol. Biochem. 2012. 30. 563-574.
44. Tawonsawatruk T., Sriwatananukulkit O., Himakhun W., Hemstapat W. Comparison of pain behaviour and osteoarthritis progression between anterior cruciate ligament transection and osteochondral injury in rat models // Bone Joint Res. 2018. 7. (3). 244-251.
45. TekariA., LuginbuehlR., Hofstetter W., EgliR.J. Chondrocytes expressing intracellular collagen type II enter the cell cycle and co-express collagen type I in monolayer culture // J. Orthop. Res. 2014. 32. (11). 1503-1511.
46. Torzilli P.A., BhargavaM., Park S., Chen C.T. Mechanical load inhibits IL-1 induced matrix degradation in articular cartilage // Osteoarthritis Cartilage. 2010. 18. (1). 97-105.
47. Vazquez M., Evans B.A.J., Riccardi D. A new method to investigate how mechanical loading of osteocytes controls osteoblasts // Front. Endocrinol. 2014. 5. 208.
48. Von der Mark K., Conrad G. Cartilage cell differentiation: review // Clin. Orthop. Relat. Res. 1979. (139). 185-205.
THE APPLICATION OF EXPERIMENTAL MODELING TO THE STUDY OF THE OSTEOARTHROSIS PATHOGENESIS (REvIEw)
Elena Igorevna SHCHELKUNOVA, Anastasiya Aleksandrovna VOROPAEVA, Tatyana Vasilievna RUSOVA, Jonas S. Vitas SHTOPIS
Novosibirsk Research Institute of Traumatology and Ortopedics n.a. Ya.L. Tsivyan of Minzdrav of Russia 630091, Novosibirsk, Frunze str., 17
Osteoarthritis is chronic degenerative-inflammatory disease of the joints accompanied by destruction of the articular cartilage and leads to disruption of joint function and at later stages - to the appearance of contractures, muscular atrophy and skeletal deformities. The main clinical manifestation of osteoarthritis is chronic pain of varying intensity and limitation of joint mobility, which significantly worsens the quality of life of patients. Modern research points to the multifactorial nature of the osteoarthritis development. With the development of the disease, significant changes occur at all levels of the organization, including changes in molecular processes in the cartilage, accompanied by disturbances in its structure and functional properties, as well as violations of the regulation of the synthesis of cartilage matrix components by chondrocytes. The study of the pathogenesis of osteoarthritis was the basis for the development of new drugs. A precondition is a pre-clinical trial involving in vitro and in vivo studies on model animals and / or cell cultures. Therefore adequate experimental models are needed. Currently, there is no consensus in the world on the most appropriate universal model of osteoarthritis, since each model has its own mechanisms for inducing a common degenerative process and limits of its applicability. The problem of reliability of alternative modeling, efficacy, bioequivalence or toxicity of substances for humans requires their full validation and qualitative verification, using animal models. Toughening ethical norms and banning preclinical studies in animals stimulates the development of in vitro models. There are international documents describing experiments with animals. It is called «International recommendations on biomedical research with animals» and is developed by international medical scientific societies (CIOMS). One thesis reduced the use of experimental animals and substitution to mathematic models and in vitro biological systems. The purpose of this review is a comparative description of experimental models, in vivo and in vitro, used to study pathological processes in osteoarthritis and the limits of their applicability.
Key words: osteoarthrosis, articular cartilage, experimental modeling, in vivo models, in vitro models, cell culture.
Shchelkunova E.I. - researcher of the laboratory experimental department, e-mail: elena-shelkunova@mail.ru Voropaeva A- candidate of biological sciences, researcher of the laboratory experimental department, e-mail: venediktovaa@bk.ru
Rusova T.V. - candidate of biological sciences, senior researcher of the laboratory experimental department, e-mail: TRusova@niito.ru
Shtopis I.C.V. - trauma orthopedist, e-mail: ishtopis@mail.ru
