動物を用いた変形性関節症の実験的モデリング

KRN Pritzker (1994) は、あらゆる疾患の実験動物モデルを「科学的調査の対象となる、遺伝性、自然発生性、または実験的に誘発された生物学的プロセスを示し、ヒトの疾患と一つ以上の点で類似する均質な動物群」と定義しました。変形性関節症の動物モデルは、関節組織の構造変化の進化を研究し、様々な危険因子がこれらの変化をどのように誘発または促進するかを明らかにし、治療法を評価するのに役立ちます。変形性関節症は、関節軟骨という単一の組織だけでなく、軟骨下骨、滑膜、半月板、靭帯、関節周囲筋、そして関節包の内外に終末を持つ求心性神経など、罹患関節のすべての組織に関係する疾患であることを覚えておくことが重要です。動物モデルにおける薬理学的薬剤の研究は、主に関節軟骨への影響に焦点を当てています。ヒトにおける変形性関節症の主な症状である関節痛を、実験モデルで評価することは不可能です。さらに、動物における変形性関節症のモデル化においては、変形性関節症の発症と進行に寄与するいくつかの重要な要因（例えば、人体の垂直姿勢、関節周囲筋の筋力低下など）が考慮されていません。

もちろん、この疾患を最もよく表すモデルは、ヒトの変形性関節症の変化と最も類似しているモデルです。変形性関節症の動物モデルは、疾患修飾性OA薬（DMOAD）の有効性を研究する上で最も興味深いものです。このグループの薬剤の中には、動物において実験的に誘発された、あるいは自然発生した変形性関節症の発症を予防したり、進行を遅らせたりする効果を持つものがありますが、ヒトにおける効果を研究した際には、いずれも効果がありませんでした。

変形性関節症の動物モデル

モデリングメカニズム	動物種	誘発因子/薬剤	ソース
特発性変形性関節症	モルモット	年齢/太りすぎ	ベンデレAM他、1989
	マウス STR/ORT、STR/INS	遺伝的素因	Das-Gupta EP他、1993 ダンハム J. 他、1989 ダンハム J. 他、1990
	黒マウスC57	遺伝的素因	岡部T.、1989 StabescyR.他、1993 高浜 A.. 1990 ファン デル クラーン PM 他、1990
	マウス	コラーゲンIIの変異	GarofaloS. et al., 1991
	マウス	コラーゲンIXの変異	中田K他、1993
	犬	股関節形成不全	SmaleG. et al., 1995
	霊長類	遺伝的素因	Alexander CJ, 1994 Carlson CS et al., 1994 Chateauvert JM et al., 1990
化学的に誘発された変形性関節症	鶏	ヨード酢酸プレミアム*	カルベンDA、1987年
	ウサギ	パパインプレミアム	Marcelon G. 他、1976 Coulais Y. 他、1983 Coulais Y. 他、1984
	モルモット	パパインプレミアム	田中 浩他、1992
	犬	キモパパインv/s	ライポルドHR他、1989
	マウス	パパインプレミアム	ファン・デル・クラーン PM 他、1989
	マウス	コラーゲナーゼプレミアム	ファン・デル・クラーン PM 他、1989
	マウス	TFR-R vs/s	ヴァン・デン・ベルグ WB. 1995
	ウサギ	高張NaCl溶液	VasilevV. et al.. 1992
物理的（外科的）誘発性変形性関節症	犬	前十字靭帯断裂（片側）	マーシャル JL 他、1971 ブラント KD、1994
	犬	前十字靭帯断裂（両側）	マーシャル KW チャン AD、1996
	ウサギ	前十字靭帯断裂	クリステンセン SB、1983 ヴィニョンE。他、1991
	羊	半月板切除術	Ghosh P. 他、1993
	ウサギ	半月板切除術	FamA.G. et al., 1995 Moskowitz RW, Goldberg VM, 1987
	モルモット	半月板切除術	ベンデレAM、1987
	モルモット	筋切除術	ArseverC.L、BoleG.G.、1986 LaytonM.W.他、1987 Dedrick DK他、1991
	ウサギ	膝蓋骨挫傷	Oegema TRJ 他、1993 Mazieres B. 他、1990
	ウサギ	固定	Langenskiold A. et al., 1979 Videman T., 1982
	犬	固定	Howell DS et al., 1992 Ratcliffe A. et al., 1994 PalmoskiM., Brandt KD, 1981
	犬	神経を除去し、続いて前十字靭帯を切断する	VilenskyJAら、1994

* 関節内 - 関節内。

物理的および化学的に誘発された変形性関節症モデルは現在非常に普及していますが、これらは特発性変形性関節症ではなく、ヒトの二次性変形性関節症に観察される過程を反映しています。これに代わるモデルとして、二足歩行霊長類および四足動物における自然発生的変形性関節症モデルがあります。

一部の研究者は、動物における変形性関節症のモデル化全般に非常に懐疑的です。そのため、MEJ Billingham (1998) によれば、変形性関節症を改善する薬剤の発見にモデルを用いることは「…高価な賭け」です。

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自発性変形性関節症のモデル

ほぼすべての近交系マウスは、重症度と部位は異なるものの、変形性関節症を発症します。変形性関節症の発症率が最も高く、病状も最も重篤なのは、STR/ORTおよびSTR/INS系のマウスです。STR/ORTマウスでは、この疾患はより一般的であり、オスの方がメスよりも重症です。関節軟骨への主な損傷は、脛骨板の内側部分で発生します。軟骨の変化の出現は膝蓋骨の変位に先行すると考えられていましたが、RG Evansら (1994)、C. Collinsら (1994) は、この系統のすべてのマウスで11ヶ月齢までに軟骨損傷が発生するものの、すべてのマウスで膝蓋骨の変位がみられるわけではないことを発見しました。同じ著者らは、STR/ORTマウスにおける関節軟骨の変化は、罹患膝関節周囲の腱および靭帯細胞の軟骨細胞-骨芽細胞性化生に先行することが多いことを発見し、これらの変化がこのモデルにおける変形性関節症の病態形成において主要な役割を担っていることを示唆しています。靭帯および腱の初期石灰化が関節内構造への機械的ストレスを変化させ、その後の関節軟骨の変化は正常な関節負荷を維持しようとする試みを反映している可能性があります。軟骨変性に先行して軟骨下骨の変化が起こるモルモットおよびマカクモデルとは異なり、STR/ORTマウスおよびSTR/INSマウスでは軟骨下骨硬化症が後から現れます。

この変形性関節症モデルの利点は、動物のサイズが小さいため、試験対象薬剤の消費量が最小限で済むことです。しかし、マウスの軟骨の生化学的および病理組織学的分析が困難であるという欠点もあります。

AM Bendele、JE Hulman (1988)、AM Bendel ら (1989)、および SCR Meacock ら (1990) による、モルモットにおける特発性変形性関節症の自然経過に関する研究により、この疾患モデルへの関心が高まりました。13 か月齢から、すべてのオスの Dunkin Hurtley モルモットで関節軟骨の変性が進行します。メスでの同様の変化はやや遅れて現れ、症状もより軽度です。1 歳になると、大腿骨内側顆および脛骨板の領域で関節軟骨の完全な喪失が観察されます。Dunkin Hurtley モルモットの体重が増加すると疾患の経過が悪化し、900 g 以下に体重が減少すると変形性関節症の経過が改善します。このモデルでは、生後8週齢で既に軟骨下骨の変化が検出されており、これは軟骨損傷に先行するものです。膝関節の十字靭帯の変化は、骨のリモデリングを加速させる可能性があります。

アカゲザルおよびカニクイザルでは、自然発生的な変形性関節症が発症します。変形性関節症の実験モデルを作成するために使用される他の動物に対する霊長類の非常に重要な利点は、その二足歩行です。この疾患は中高年の個体で発症します。初期の組織学的所見には、脛骨内側板領域の軟骨下骨の肥厚に続いて関節軟骨の擦り減りが含まれます。後に、外側板もこの過程に関与します。特に、関節軟骨の変性は、軟骨下骨の厚さが400 μmに達して初めて発症し始めます。マカクにおける変形性関節症の有病率と重症度は加齢とともに増加しますが、これらの指標は性別や体重の影響を受けません。現在まで、変形性関節症の霊長類モデルは、DMOADの有効性の研究に使用されていません。

物理的（外科的）に誘発された変形性関節症のモデル

膝関節への機械的ストレスを変化させる外科的に誘発された膝の弛緩に基づく変形性関節症モデルは、イヌとウサギで最も一般的に使用されています。最も広く使用されているモデルは、イヌにおける十字靭帯切断モデルです。ウサギの変形性関節症の外科的モデルには、内側靭帯と側副靭帯の切除の有無にかかわらず十字靭帯の切断、半月板の完全または部分切除、および半月板の外科的断裂が含まれます。モルモットの変形性関節症の外科的モデルには、十字靭帯と側副靭帯の切断と半月板の部分切除が含まれることが報告されています。モルモットで半月板の部分切除を行うと、2週間以内に骨棘形成が起こり、6週間以内に関節軟骨の過度の変性が起こります。

最近まで、前十字靭帯切断後の変形性関節症のイヌモデルは、ヒトの変形性関節症で観察される軟骨潰瘍や顕著な病気の進行が見られないことから、懐疑的に見られていました。JL Marshall と S. - E. Olsson (1971) は、術後 2 年目のイヌの膝関節の組織の変化が、術直後に記録されたものと実質的に同一であることを発見しました。著者らは、機械的因子 (関節包の線維化や骨棘形成など) が術後に緩んだ膝関節を安定させ、関節軟骨の破壊がさらに進行するのを防ぐと示唆しました。また、このモデルは変形性関節症のモデルではなく、軟骨の損傷と修復のモデルとみなすとも示唆されました。しかし、KD Brandt らによる研究の結果は、変形性関節症のモデルよりも、軟骨の損傷と修復のモデルである可能性があることを示しています。 （1991）は、前十字靭帯の交差によって不安定になった膝関節の組織の変化のダイナミクスを長期間研究し、以前の著者の仮説を反駁しました。

SA McDevitt ら (1973、1977) は、十字靭帯切断後の最初の数日間で、関節軟骨の軟骨細胞によるプロテオグリカンの合成が増加することを発見しました。膝関節不安定性の外科的誘発後 64 週間、関節軟骨の厚さは正常より高かったものの、その生化学的、代謝的および組織学的変化は変形性関節症のそれらに対応していました。この軟骨の肥厚は、プロテオグリカンの合成の増加と関節軟骨中の高濃度と関連していました。ME Adams と KD Brandt (1991) は、磁気共鳴画像法 (MRI) を使用して、十字靭帯切断後、軟骨の肥大が 36 か月間維持され、その後、軟骨が徐々に失われ、45 か月後には関節面のほとんどで軟骨が消失していることを示しました。術後54ヶ月における軟骨の形態学的検査により、MRI所見が裏付けられました。このように、ME AdamsとKD Brandt（1991）は、犬の膝関節における外科的不安定性がOAのモデルとして考えられることを実証しました。

関節軟骨の肥大性修復という現象は、前述のイヌの変形性関節症モデルによってよく示されています。しかし、この現象はイヌに特有のものではないことが知られています。修復的な性質を持つ関節軟骨の肥大は、EGL Bywaters (1937) によって変形性関節症患者において初めて報告され、後にLC Johnsonによっても報告されました。この現象は他の変形性関節症モデルでも認められており、ウサギの部分半月板切除術後（Vignon E. et al., 1983）やアカゲザルでは、軟骨肥大が自然に発生します。

現代の病態生理学的説明は、主に軟骨の進行性の「喪失」に焦点を当てていますが、著者はしばしば、安定した変形性関節症の恒常性維持期に相当する、軟骨の肥厚とプロテオグリカンの合成増加を見落としています。この段階では、軟骨の修復が損失を補い、関節を長期間機能的な状態に維持することができます。しかし、修復組織は健康な関節軟骨と同様に、加えられる機械的負荷に耐えられないことが多く、その結果、軟骨細胞は基質の正常な組成を維持できなくなり、プロテオグリカンの合成が低下します。こうして変形性関節症の最終段階が進行します。

シャルコー関節症の研究は、外科的に誘発された変形性関節症のモデル化における神経性促進法の開発につながりました。シャルコー関節症は、重度の関節破壊、関節の「マウス」化、関節液貯留、靭帯不安定性、そして関節内における新たな骨および軟骨組織の形成を特徴とします。シャルコー（神経性）関節症の病態の一般的な概念は、四肢の固有受容器および痛覚受容器から中枢神経系（CNS）への感覚信号の遮断です。犬の前十字靭帯切断によって誘発される変形性関節症の進行を促進するために、手術前に関節を支配する神経のガングリオン切除または切除が行われ、その結果、術後1週間で既に軟骨びらんが出現します。興味深いことに、新しい DMOAD ジアセレインは、ゆっくり進行する（神経学的に無傷の）変形性関節症モデルでは効果的でしたが、神経学的に促進された実験的変形性関節症では効果がありませんでした。

結論として、変形性関節症の実験モデルとヒトの変形性関節症の同一性を完全に評価することは不可能であることに留意すべきである。なぜなら、この疾患の病因と正確な発症メカニズムは未だ解明されていないからである。前述のように、動物における変形性関節症の実験モデルを用いる主な目的は、主に「疾患修飾」群の新薬の有効性を評価することである。動物における治療結果が、ヒトにおける実験薬理学的薬剤の使用結果とどの程度一致するかを判断することも不可能である。NS Dohertyら（1998）は、変形性関節症のモデル化に用いられる動物種間で、病態の進行、様々なメディエーター、受容体、酵素といった点で大きな違いがあることを強調し、動物で用いられる新薬の治療効果をヒトに客観的に外挿することを可能にするとしている。一例として、げっ歯類における炎症性関節炎のモデル化におけるNSAIDsの高い有効性があげられる。これにより、プロスタグランジンはげっ歯類のように疾患の発症に根本的な役割を果たさないヒトにおける NSAID の有効性が再評価され、NSAID の臨床的有効性は疾患の改善ではなく症状の治療に限定されるようになりました。

同時に、動物モデルにおける新規薬理学的薬剤の有効性を過小評価すると、ヒトにおいて潜在的に有効な治療薬を見落とす可能性があります。例えば、関節リウマチの治療にある程度の効果を示す金塩、ペニシラミン、クロロキン、スルファサラジンは、抗リウマチ薬のスクリーニングに用いられる動物では全く効果がありません。

変形性関節症の動物モデルと変形性関節症患者における DMOAD 治療への反応の差は、主にコラーゲナーゼに依存します。この酵素は、変形性関節症の病因に積極的に関与していると考えられています。間質性コラーゲナーゼ (コラーゲナーゼ-1 またはマトリックスメタロプロテアーゼ (MMP)-1) の阻害剤は、モデル OA のげっ歯類でよく見られますが、ヒトコラーゲナーゼ-1 の相同体はげっ歯類では見つかっておらず、存在しない可能性があります。そのため、ヒトコラーゲナーゼ-1 の特異的阻害剤は、実験的変形性関節症のげっ歯類では治療効果を示さないでしょう。これまでに作成されたほとんどの MMP 阻害剤は非選択的であるため、げっ歯類の実験的変形性関節症の病因に関与するコラーゲナーゼ-3 (MMP-13) を阻害します。さらに、NRA Beeley ら (1994) (1994) は、ヒトコラーゲナーゼ-3 が変形性関節症患者の関節軟骨で発現しており、この疾患の発症に役割を果たしている可能性があることを示しています。

これらのメディエーター、受容体、または酵素は、特定の動物とヒトにおけるモデル化変形性関節症の病因において同様の役割を果たしていると推測できます。一例として、ロイコトリエンB4の走化性はヒト、マウス、ウサギで同じであると考えられていますが、この生理活性物質の拮抗薬の活性は動物種間で1000倍も異なります。実験におけるこのような不正確さを回避するには、in vivoで薬力学を研究できる方法を開発する必要があります。例えば、ヒトにおける外因性酵素またはメディエーターの活性に対する任意の物質の影響を研究することが可能です。この手法は、V Ganuら（1994）によって、ウサギの膝関節にヒトストロメレシンを注入した後に、関節軟骨からのプロテオグリカンの放出を阻害する薬剤の能力を決定することにより、MMP阻害剤の活性を評価するために使用されました。

変形性関節症の実験モデルで得られた結果は、潜在的なDMOADの誤った評価につながる可能性がありますが、変形性関節症の動物モデルは基礎研究において重要な役割を果たします。ヒト疾患の治療における薬理学的薬剤の有効性に関する最終判断は、ヒトを対象とした第III相臨床試験を実施した後にのみ行うことができます。