Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ

НЕВРОЛОГИ, НЕЙРОХІРУРГИ, ЛІКАРІ ЗАГАЛЬНОЇ ПРАКТИКИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"Pain. Joints. Spine." Том 11, №3, 2021

Back to issue

Experimental Modeling of Osteoporosis in Animals

Authors: Дєдух Н.В. (1), Яковенчук Н.М. (2), Нікольченко О.А. (3)
(1) — ДУ «Інститут геронтології імені Д.Ф. Чеботарьова НАМН України», м. Київ, Україна
(2) — КНП СОР «Сумська обласна клінічна лікарня», м. Суми, Україна
(3) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів імені проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Categories: Rheumatology, Traumatology and orthopedics

Sections: Specialist manual

print version


Summary

Експериментальне дослідження на тваринах в умовах моделювання остеопенії й остеопорозу знач­но розширює погляд на механізми розвитку первинного та вторинного остеопорозу, дає змогу визначити вплив різних факторів, які порушують стан кісткової тканини, оцінити дію медикаментозних засобів, нових біоматеріалів тощо. Остеопороз є багатофакторним захворюванням, його клінічні прояви залежать від складного взаємозв’язку факторів довкілля, способу життя та генетичних факторів. В огляді літератури проаналізовані дані щодо використання тварин для вивчення особливостей перебігу остеопорозу за моделювання хірургічними та нехірургічними методами цієї патології. Наведені моделі остеопорозу, що відтворюють на щурах і мишах, як найбільш доступні й найчастіше використовувані для експериментів. Детально розкриті особливості моделювання перебігу таких типів остеопорозу, як постменопаузальний, сенільний, викликаний дефіцитом тестостерону (орхіектомія), глюкокортикоїд-індукований, іммобілізаційний, після гіпотермії, радіації та ін. Особливістю останніх досягнень у моделюванні остеопорозу є створення трансгенних і нокаутних мишей, на моделях яких можливо виявити складові генетичних уражень, що, безумовно, сприятиме розробленню нових методів профілактики та терапії цієї тяжкої патології. Відзначено схожість і відмінності експериментальних моделей остеопорозу до патофізіологічних змін у людини внаслідок остеопорозу. Зроблено акцент на біоетичних нормах роботи з експериментальними тваринами.

Experimental studies on animals under conditions of osteopenia and osteoporosis modeling significantly expand the view of the mechanisms of primary and secondary osteoporosis development, help determining the effect of various factors affecting the bone tissue, evaluate the effect of medications, new biomaterials, etc. Osteoporosis is a multifactorial disease; its clinical manifestations depend on a complex interplay of environmental, lifestyle and genetic factors. The review of the literature analyzes the data on the use of animals to assess the features of osteoporosis course when modeling this pathology by surgical and non-surgical methods. The article features the models of osteoporosis which are reproduced on rats and mice being the most accessible objects and the most frequently used by experimenters. The details of modeling the course of such types of osteoporosis as postmenopausal, senile, glucocorticoid-induced, testosterone deficiency (orchiectomy)-induced, immobilization, hypothermia, radiation-induced, etc. are explored. A specific aspect of recent advances in modeling osteoporosis is the creation of transgenic and knockout mice, whose models may be used to detect components of genetic lesions and will certainly contribute to the development of new methods of prevention and therapy of this severe pathology. The similarity and difference of experimental models of osteoporosis describing the pathophysiological changes in humans due to osteoporosis are noted. Emphasis is placed on bioethical norms of working with experimental animals.


Keywords

остеопороз; остеопенія; моделювання на тваринах; щури; миші; патоморфологія кістки

osteoporosis; osteopenia; animal modeling; rats; mice; bone pathomorphology


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Поворознюк В.В., Дедух Н.В., Григорьева Н.В., Гопкалова И.В. Экспериментальный остеопороз. К., 2012. 238 с.
2. Barré-Sinoussi F., Montagutelli X. Animal models are essential to biological research: issues and perspectives. Future Sci OA. 2015. 1(4). FSO 63. doi: 10.4155/fso.15.63.
3. Ferreira G.S., Veening-Griffioen D.H., Boon W.P.C. et al. A standardised framework to identify optimal animal models for efficacy assessment in drug development. PLoS One. 2019. 14. e0218014. doi: 10.1371/journal.pone.0218014.
4. Дедух Н.В., Малышкина С.В., Бенгус Л.М. Экспериментальное моделирование на животных как ступень познания патогенеза остеопороза. Под ред. Корж Н.А., Поворознюк В.В., Дедух Н.В., Зупанец И.А. В кн.: Остеопороз: эпидемиология, клиника, диагностика и лечение. Х.: Золотые страницы, 2002. 236-240.
5. Фролькис В.В., Поворознюк В.В., Евтушенко О.А. Экспериментальный остеопороз (модели, механизмы развития возрастного остеопороза). Под ред. Корж Н.А., Поворознюк В.В., Дедух Н.В., Зупанец И.А. В кн.: Остеопороз: эпидемиология, клиника, диагностика и лечение. Х.: Золотые страницы, 2002. 236-240.
6. Brent M.B., Brüel A., Thomsen J.S. Animal models of disuse-induced bone loss: study protocol for a systematic review. Syst. Rev. 2020. 9(1). 185. doi: 10.1186/s13643-020-01441-3.
7. Фролькис В.В., Поворознюк В.В., Евтушенко О.А. Экспериментальный остеопороз. Здоровье Украины. 2004. 86. 22-25.
8. Iwaniec U.T., Turner R.T. Animal models for osteoporosis. Osteoporosis (Fourth Edition). 2013. Ch. 39. 939-961.
9. Komrakova M., Stuermer E.K., Tezval M. et al. Evaluation of twelve vibration regimes applied to improve spine properties in ovariectomized rats. Bone Reports. 2017. 7. 172-180. doi: 10.1016/j.bonr.2014.12.001.
10. Дєдух Н.В., Нікольченко О.А. Регенерація кістки при аліментарному остеопорозі (експериментальне дослідження). Ортопедия, травматология и протезирование. 2009. 2. 34-40.
11. Turner S.A. Animal models of osteoporosis necessity and limitations. Eur. Pean. Cell. Mater. 2001. 1. 66-81. PMID: 14562261.
12. Sophocleous A., Idris A.I. Rodent models of osteoporosis. Bonekey Rep. 2014. 3. 614. doi: 10.1038/bonekey.2014.109. 
13. Ström J.O., Theodorsson A., Ingberg E. et al. Ovariectomy and 17β-estradiol replacement in rats and mice: a visual demonstration. J. Vis. Exp. 2012. 64. e4013. doi: 10.3791/4013.
14. Bonucci E., Ballanti P. Osteoporosis – bone remodeling and animal models. Toxicologic Pathology. 2014. 42. 957-969. doi: 10.1177/0192623313512428. 
15. Яковенчук Н.Н., Дедух Н.В. Морфология суставного хряща и субхондральной кости после моделирования остеопороза. Вісник проблем біології і медицини. 2017. 4(3). 324-327. DOI: 10.29254/2077-4214-2017-4-3-141-324-327.
16. Komori T. Animal models for osteoporosis. Eur. J. Pharmacol. 2015. 759. 287-294. doi: 10.1016/j.ejphar.2015.03.028.
17. Song L., Bi Y.N., Zhang P.N. et al. Optimization of the Time Window of Interest in Ovariectomized Imprinting Control Region Mice for Antiosteoporosis Research. BioMed Research. International. 2017. 2017 (Article ID 8417814). 1-10. doi: 10.1155/2017/8417814.
18. Rocabado J.M.R., Kaku M., Nozaki K. et al. A multi-factorial analysis of bone morphology and fracture strength of rat femur in response to ovariectomy. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 2018. 13(318). 1-10. doi: 10.1186/s13018-018-1018-4.
19. Ruosi C., Querques F., Granata F. et al. Cellular and Animal Models for the Identification of Osteoporosis Determinants Increasing Vertebral Compression Fractures Risk. J. Osteopor. Phys. Act. 2015. 3. 159. doi: 10.4172/2329-9509.1000159.
20. Eastell R., Szulc P. Use of bone turnover markers in postmenopausal osteoporosis. Lancet Diabetes Endocrinology. 2017. 5(11). 908-923. doi: 10.1016/S2213-8587(17)30184-5. 
21. Kaveh K., Ibrahim R., Zuki M. et al. Osteoporosis Induction in Animal Model. American Journal of Animal and Veterinary Sciences 2010. 5(2). 139-145. Available from: https://healthdocbox.com/Arthritis/80472693-Osteoporosis-induction-in-animal-model.html.
22. Govindarajan P., Khassawna T., Kampschulte M. et al. Implications of combined ovariectomy and glucocorticoid (dexamethasone) treatmenton mineral, microarchitectural, biomechanical and matrix properties of rat bone. Int. J. Exp. Pathol. 2013. 94(6). 387-398. doi: 10.1111/iep.12038.
23. Tou J.C., Foley A., Yuan Y.V. et al. The effect of ovariectomy combined with hindlimb unloading and reloading on the long bones of mature Sprague-Dawley rats. Menopause. 2008. 15(3). 494-502. doi: 10.1097/gme.0b013e318148bbad.
24. Islam N., Chanda S., Ghosh T.K., Mitra C. Cold stress facilitates calcium mobilization from bone in an ovariectomized rat model of osteoporosis. Jpn. J. Physiol. 1998. 48(1). 49-55. PMID: 9538289.
25. Van Kempen T.A., Milner T.A., Waters E.M. Accelerated ovarian failure: a novel, chemically induced animal model of menopause. Brain. Res. 2011. 1379. 176-187. doi: 10.1016/j.brainres.2010.12.064.
26. Wright L.E., Christian P.J., Rivera Z. et al. Comparison of skeletal effects of ovariectomy versus chemically induced ovarian failure in mice. J. Bone Miner. Res. 2008. 23(8). 1296-303. doi: 10.1359/jbmr.080309.
27. Liu W., Wang L.Y., Xing X.X., Fan G.W. Conditions and possible mechanisms of VCD-induced ovarian failure. Altern. Lab. Anim. 2015. 43(6). 385-392. PMID: 26753941.
28. Поворознюк В.В., Гопкалова И.В. Особенности минеральной плотности костной ткани при моделировании разных вариантов вторичного остеопороза у самцов репродуктивного возраста. Проблеми ендокринної патологiї. 2010. 3. 75-82.
29. Гопкалова И.В., Дедух Н.В., Ашукина Н.А., Бенгус Л.М. Морфология костной ткани тел позвонков у самцов крыс после орхиэктомии и введения l-тироксина. Проблеми ендокринної патологiї. 2009. 4. 94-102.
30. Креслов Є.О., Поворознюк В.В., Гопкалова І.В., Караченцев Ю.І. Спосіб моделювання вторинного остеопорозу у самців-щурів репродуктивного віку. Номер патенту: 23141.Опубліковано: 10.05.2007.
31. McGee-Lawrence M.E., Syed F.A. Animal Models of Bone Disease-B. Ed. by P.M. Conn. In: Animal Models for the Study of Human Disease. 2013. 391-417.
32. Glatt V., Canalis E., Stadmeyer L., Bouxsein M.L. Age-related changes in trabecular architecture differ in female and male C57BL/6J mice. J. Bone Miner. Res. 2007. 22. 1197-1207. doi: 10.1359/jbmr.070507.
33. Matsushita M., Tsuboyama T., Kasai R. et al. Age-related changes in bone mass in the senescence-accelerated mouse (SAM). SAM-R/3 and SAM-P/6 as new murine models for senile osteoporosis. Am. J. Pathol. 1986. 125. 276-283. PMID: 3789087.
34. Chen H., Kubo K.Y. Segmental variations in trabecular bone density and microstructure of the spine in senescence-accelerated mouse (SAMP6): A murine model for senile osteoporosis. Exp. Gerontol. 2012. 47(4). 317-322. doi: 10.1016/j.exger.2012.01.005.
35. Zhang N., Chow S., Leung K.S. et al. An animal model of co-existing sarcopenia and osteoporotic fracture in senescence accelerated mouse prone 8 (SAMP8). Experimental gerontology, 2017. 97. 1-8. doi: 10.1016/j.exger.2017.07.008.
36. Histing T., Stenger D., Kuntz S. et al. Increased osteoblast and osteoclast activity in female senescence-accelerated, osteoporotic SAMP6 mice during fracture healing. J. Surg. Res. 2012. 175(2). 271-277. doi: 10.1016/j.jss.2011.03.052.
37. Yuan R., Tsaih S.W., Petkova S.B. et al. Aging in inbred strains of mice: study design and interim report on median lifespans and circulating IGF1 levels. Aging cell. 2009. 8(3). 277-287. doi: 10.1111/j.1474-9726.2009.00478.x.
38. Sakai A. Animal models for bone and joint disease. Animal models of immobilization and unloading. Clin. Calcium. 2011. 21(2). 181-188. doi: CliCa1102181188.
39. Atmaca H., Aydin A., Musaoğlu R. Experimental model of osteoporosis: comparison between ovariectomy and botulinum toxin A. Acta Ortop. Bras. 2013. 21(6). 340-343. doi: 10.1590/S1413-78522013000600009.
40. Нікольченко О.А. Морфологічні особливості репаративного остеогенезу в умовах аліментарного дефіциту кальцію (експериментальне дослідження): автореф. дис... канд. біол. наук: 03.00.11. Київ, 2009. 20. 
41. Weinstein R.S., Jilka R.L., Parfitt A.M., Manolagas S.C. Inhibition of osteoblastogenesis and promotion of apoptosis of osteoblasts and osteocytes by glucocorticoids. Potential mechanisms of their deleterious effects on bone. J. Clin. Invest. 1998. 102(2). 274-282. doi: 10.1172/JCI2799.
42. Пошелок Д.М., Дедух Н.В., Малышкина С.В. Вплив охолодження та гіпотермії на структурно-метаболічні характеристики кістки (літературний огляд). Проблемы криобиологи и криомедицины. 2014. 24(4). 1-13.
43. Дмитренко А.С., Cаган О.В., Перцович В., Жураківський В.М. Зміни ангіоархітектоніки литкового м’язу щура після дії загальної глибокої гіпотермії. Світ медицини та біології. 2010. 3. 67-70. Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/S_med_2010_3_20.
44. Пошелок Д.М. Ремоделювання кісткової тканини після гіпотермії (експериментальне дослідження). Автореф. дис... канд. біол. наук за спеціальністю 03.00.19 — кріобіологія. Харків, 2015. 16.
45. Пошелок Д.М., Дедух Н.В., Малышкина С.В. Влияние гипотермии на ремоделирование трабекулярной кости крыс. Современная медицина: актуальные вопросы. 2014. 33(7). 70-85.
46. Riesenfeld A. Compact bone changes in cold-exposed rats. Am. J. Phys. Anthrop. 2005. 4. 111-112. doi: 10.1002/ajpa.1330440115.
47. Маркевич О.В. Морфофункціональні зміни скелета в умовах впливу низьких доз іонізуючого опромінення у віковому аспекті (анатомо-експериментальне дослідження) [Текст]: дис... канд. мед. наук. Суми: СумДУ, 2015. 186. Режим доступу: http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/42772.
48. Willey J. Radiation-induced osteoporosis: bone quantity, architecture, and increased resorption following exposure to ionizing radiation. Dissertations. 2008. 181. Available from: https://tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/181.
49. Mohamad N.V., Che Zulkepli M.A.A., May Theseira K. et al. Establishing an Animal Model of Secondary Osteoporosis by Using a Gonadotropin-releasing Hormone Agonist. Int. J. Med. Sci. 2018. 15(4). 300-308. doi: 10.7150/ijms.22732.
50. Sakamoto S., Sassa S., Kudo H. et al. Preventive effects of a herbal medicine on bone loss in rats treated with a GnRH agonist. Eur. J. Endocrinol. 2000. 143(1). 139-142. doi: 10.1530/eje.0.1430139. PMID: 10870043.
51. Утко А., Лабунец И.Ф., Бутенко Г.М. Трансгенные мыши в медико-биологических иccледованиях (обзор литературы). Журнал НАМН України. 2014. 20(1). 11-24.
52. Kawaguchi H. Molecular backgrounds of age-related osteoporosis from mouse genetics approaches. Rev. Endocr. Metab. Disord. 2006. 7(1–2). 17-22. doi: 10.1007/s11154-006-9011-3.
53. Hiramatsu K., Asaba Y., Takeshita S. et al. Overexpression of gamma-glutamyltransferase in transgenic mice accelerates bone resorption and causes osteoporosis. Endocrinology. 2007. 148(6). 2708-2715. PMID: 17363454.
54. Onodera S., Sasaki S., Ohshima S. et al. Transgenic mice overexpressing macrophage migration inhibitory factor (MIF) exhibit high-turnover osteoporosis. J. Bone Miner. Res. 2006. 21(6). 876-85. PMID: 16753018.
55. Morris J.A., Kemp J.P., Youlten S.E. et al. An atlas of genetic influences on osteoporosis in humans and mice. Nat. Genet. 2019. 51(2). 258-266. doi: 10.1038/s41588-018-0302-x.
56. Yamaguchi M. Regucalcin and metabolic disorders: Osteoporosis and hyperlipidemia are induced in regucalcin transgenic rats. Mol. Cell. Biochem. 2010. 341(1–2). 119-133. doi: 10.1007/s11010-010-0443-4.
57. Bohlooly Y.M., Mahlapuu M., Andersén H. et al. Osteoporosis in MCHR1-deficient mice. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004. 318(4). 964-969. PMID: 15147966.
58. Kemp J.P., Morris J.A., Medina-Gomez C. et al. Identification of 153 new loci associated with heel bone mineral density and functional involvement of GPC6 in osteoporosis. Nat. Genet. 2017. 49(10). 1468-1475. doi: 10.1038/ng.3949.
59. Jilka R.L. The Relevance of Mouse Models for Investigating Age-Related Bone Loss in Humans. J. Gerontol. Series A. Biol. Sci. Med. Sci. 2013. 68(10). 1209-1217. doi: 10.1093/gerona/glt046.
60. Seeman E. Pathogenesis of bone fragility in women and men. Lancet. 2002. 359. 1841-1850. doi: 10.1016/S0140-6736(02)08706-8.
61. Atmaca H., Aydin A., Musaoğlu R. Experimental model of osteoporosis: comparison between ovariectomy and botulinum toxin A. Acta Ortop. Bras. 2013. 21(6). 340-343. doi: 10.1590/S1413-78522013000600009.
62. Верховна Рада України. Європейська конвенція про захист хребетних тварин, що використовуються для дослідних та інших наукових цілей. Страсбург, 18 березня 1986 року: офіційний переклад. К.: Парламентське видавництво, 2000. Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/994_137.
63. Верховна Рада України. Закон України № 3447-ИВ від 21.02.2006 «Про захист тварин від жорстокого поводження». К.: Відомості Верховної Ради України, 2006, оновлено 2017 серп. 04. Режим доступу: http://zakon5.rada.gov.ua/laws/show/3447-15.
64. Верховна Рада. Наказ Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України № 249 від 01.03.2012 «Про затвердження Порядку проведення науковими установами дослідів, експериментів на тваринах». К.: Офіційний вісник України, 2019. 24. 82. Режим доступу: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0416-12.

Back to issue