Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Critical evaluation of sleep analyses in rodent models of induced osteoarthritis

Havel, Daniel

In three studies two different osteoarthritis (OA) models in rats have been investigated for the occurrence of OA-induced sleep disturbance using the Neurologger® (NL), a wireless onboard EEG recording system. EEG electrodes were implanted into the rat skull using acrylic bone cement. The anterior cruciate ligament transection and medial meniscus extraction (ACLT+tMx) induces OA-like cartilage degradation by destabilization of the joint. The injection of monosodium-iodoacetate (MIA) into the knee joint leads to cartilage degradation by chondrocyte death. After the induction of OA, joint diameter of the affected joint increased and animals developed behavioral alterations. Using the Catwalk® gait analysis method, gait disturbance was observed in both models. In the MIA model, impaired weight bearing could be shown additionally. In histology or gross morphology, both models were proven to induce OA-like lesions in the right knee joint. Sleep analyses included the determination of sleep efficiency (SE = ratio of total sleep time (TST) to measured period), sleep fragmentation (SF) and REM/NREM ratio. Drug effects on sleep were detectable with the EEG system. Thalidomide increased and buprenorphine reduced sleep efficiency in these experiments. However, no effect of experimentally induced OA on sleep was detected in the surgical ACLT+tMx model. Accordingly, MIA injection resulted in sleep disturbance only in the pilot (n=4), but not in the main study with increased sample size (n=9). A reduced bodyweight, a worsened general condition score, and a higher home cage activity in animals that carried a NL compared to animals without NL hinted towards a significant impact of the implant itself on the animals. Although an OA-related sleep disturbance may be present in rat ACLT+tMx and MIA models, it may have been masked by an effect of the NL implants themselves. After the occurrence of implant loosening, rat skulls were analyzed by µCT. A direct correlation of bone mineral density (BMD) and implant loosening was found. Animals that lost the implant had a decreased BMD, while animals that did not lose the implant had an increased BMD compared to healthy animals of the same age. In any case, the bone under the implant was significantly altered. Which factor determined demineralization or hyper-mineralization was not investigated. Wireless devices offer great opportunities for observer independent quality measures of sleep in animals under standard laboratory conditions. However, the impairment of the animals by the EEG system is crucial to outcomes and data validity. Whether the OA models used here induce sleep disturbance and if that is translatable to human OA-induced night pain needs further investigation.

In drei Studien wurden zwei verschiedene Osteoarthrose(OA)-Modelle in Ratten hinsichtlich des Auftretens von Schlafstörungen untersucht. Für die EEG-basierten Schlafanalysen wurde der Neurologger®, ein kabelloses Miniatur-EEG-System mit internem Datenspeicher, verwendet. Die EEG-Elektroden wurden dauerhaft in den Schädel der Tiere implantiert. In dem ersten verwendeten Modell wurde die Entwicklung osteoarthroseartiger Veränderungen durch Destabilisierung des Gelenks mittels einer chirurgischen Durchtrennung des kranialen Kreuzbandes kombiniert mit der Resektion des medialen Meniskus (ACLT+tMx) erzielt. Beim zweiten Model führte eine intraartikuläre Injektion von Natriummonojodacetat (MIA) zum Untergang von Chondrozyten und damit zur Schädigung der Gelenkknorpel. Nach der OA-Induktion entwickelten die Tiere eine Schwellung in dem betroffenen Gelenk und Veränderungen des Verhaltens. Mit Hilfe der „Catwalk®“- Methode konnten Gangstörungen in beiden OA-Modellen nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte im MIA Modell eine Störung der symmetrischen Gewichtsbelastung der Hinterbeine festgestellt werden. Mit Hilfe histologischer oder großmorphologischer Untersuchungen konnten osteoarthroseartige Läsionen in den Gelenkknorpeln nachgewiesen werden. Die Schlafanalysen erstreckten sich sowohl auf die Bestimmung des Verhältnisses der Gesamtschlafzeit (TST) zum Messzeitraum, definiert als Schlafeffizienz (SE), als auch auf die Bestimmung der Schlaffragmentierung (SF) und des REM/NREM-Quotienten. Die Wirkung von Medikamenten auf das Schlafverhalten wurde zur Validierung der NL-Methode untersucht. Übereinstimmend mit der zugrundeliegenden Pharmakologie der eingesetzten Stoffe erhöhte Thalidomid die SE, wohingegen Buprenorphin die SE verringerte. Im chirurgischen ACLT+tMx-Model konnte kein Effekt der OA auf das Schlafverhalten nachgewiesen werden. Im ersten MIA-Versuch wurde eine Schlafveränderung beobachtet. Diese konnte im zweiten Versuch mit einer größeren Tierzahl jedoch nicht reproduziert werden. Nach der Implantation der EEG-Elektroden zeigten die Tiere ein reduziertes Körpergewicht, einen schlechteren Punktewert in der Gesundheitsprüfung und eine erhöhte Aktivität im Heimkäfig im Vergleich zu Tieren, die nur eine ACLT+tMx-Operation erhalten hatten. Dies weist auf eine schwerere Belastung der Tiere durch die Implantation der EEG-Elektroden hin als bisher angenommen. Es besteht die Möglichkeit, dass eine eventuell vorhandene OA-bedingte Schlafstörung von den Auswirkungen der Elektrodenimplantation überlagert wurde. Die Frage, warum mit dieser Methode keine Auswirkungen der OA auf den Schlaf beobachtet werden konnte, kann somit nicht abschließend geklärt werden. Nachdem Implantatverluste beobachtet wurden, wurden Rattenschädel mittels µCT untersucht. In der Analyse konnte ein direkter Zusammenhang zwischen Implantatverlust und Knochendichte (BMD) hergestellt werden. In Tieren, die das Implantat verloren hatten, konnte eine reduzierte BMD gefunden werden, wohingegen Tiere, die das Implantat bis zum Versuchsende getragen haben, verglichen mit gesunden Tieren eine erhöhte BMD aufwiesen. In jedem Fall hatte das Implantat einen deutlichen Effekt auf die Knochenstruktur. Welche Faktoren bedingen, ob der Knochen demineralisiert oder hypermineralisiert, wurde nicht untersucht. Kabellose EEG-Systeme bieten gute Möglichkeiten für die untersucherunabhängige qualitative Schlafanalyse in Labortieren unter standardisierten Haltungsbedingungen. Die Beeinträchtigung der Tiere durch das EEG-System ist von entscheidender Bedeutung für die Ergebnisse und die Validität der Daten. Ob die hier verwendeten OA-Modelle Schlafstörungen verursachen, und ob diese übertragbar sind auf die nächtlichen Schmerzen, ausgelöst durch humane OA, bedarf weiterer Untersuchungen.

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Havel, D., 2020. Critical evaluation of sleep analyses in rodent models of induced osteoarthritis. Hannover.
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