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Organismo modelo

Escherichia coli es unorganismo modelo procariota gramnegativo. Drosophila melanogaster , uno de los sujetos más famosos paraexperimentos genéticos . Saccharomyces cerevisiae , ...

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Escherichia coli es unorganismo modelo procariota gramnegativo.
Drosophila melanogaster , uno de los sujetos más famosos paraexperimentos genéticos .
Saccharomyces cerevisiae , uno de los organismos modelo eucariotas más estudiadosen biología molecular y celular.

Un organismo modelo es una especie no humana que se estudia exhaustivamente para comprender fenómenos biológicos específicos , con la expectativa de que los descubrimientos realizados en el organismo modelo aporten información sobre el funcionamiento de otros organismos. [ 1 ] [ 2 ] Los organismos modelo se utilizan ampliamente para investigar enfermedades humanas cuando la experimentación en humanos sería inviable o poco ética . [ 3 ] Esta estrategia es posible gracias al origen común de todos los organismos vivos y a la conservación de las vías metabólicas y de desarrollo , así como del material genético, a lo largo de la evolución . [ 4 ]

La investigación con modelos animales ha sido fundamental para la mayoría de los logros de la medicina moderna. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Ha contribuido con la mayor parte del conocimiento básico en campos como la fisiología humana y la bioquímica , y ha desempeñado papeles importantes en campos como la neurociencia y las enfermedades infecciosas . [ 8 ] [ 9 ] Los resultados han incluido la casi erradicación de la polio y el desarrollo del trasplante de órganos , y han beneficiado tanto a humanos como a animales. [ 5 ] [ 10 ] De 1910 a 1927, el trabajo de Thomas Hunt Morgan con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster identificó los cromosomas como el vector de herencia de los genes, [ 11 ] [ 12 ] y Eric Kandel escribió que los descubrimientos de Morgan "ayudaron a transformar la biología en una ciencia experimental". [ 13 ] La investigación en organismos modelo condujo a nuevos avances médicos, como la producción de la antitoxina diftérica [ 14 ] [ 15 ] y el descubrimiento de la insulina en 1922 [ 16 ] y su uso en el tratamiento de la diabetes, que anteriormente significaba la muerte. [ 17 ] Los anestésicos generales modernos, como el halotano, también se desarrollaron a través de estudios en organismos modelo y son necesarios para las operaciones quirúrgicas complejas modernas. [ 18 ] Otros avances y tratamientos médicos del siglo XX que se basaron en la investigación realizada en animales incluyen las técnicas de trasplante de órganos , [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] la máquina de circulación extracorpórea, [ 23 ] los antibióticos , [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] y la vacuna contra la tos ferina . [ 27 ]

En la investigación de enfermedades humanas , los organismos modelo permiten comprender mejor el proceso de la enfermedad sin el riesgo adicional de dañar a un ser humano real. La especie del organismo modelo se suele elegir de manera que reaccione a la enfermedad o a su tratamiento de una forma que se asemeje a la fisiología humana , aunque se debe tener cuidado al generalizar de un organismo a otro. [ 28 ] Sin embargo, muchos fármacos, tratamientos y curas para enfermedades humanas se desarrollan en parte con la guía de modelos animales. [ 29 ] [ 30 ] También se han desarrollado tratamientos para enfermedades animales, incluyendo para la rabia , [ 31 ] ántrax , [ 31 ] muermo , [ 31 ] virus de la inmunodeficiencia felina (VIF), [ 32 ] tuberculosis , [ 31 ] fiebre bovina de Texas, [ 31 ] peste porcina clásica (cólera porcino), [ 31 ] dirofilariasis y otras infecciones parasitarias . [ 33 ] La experimentación con animales sigue siendo necesaria para la investigación biomédica, [ 34 ] y se utiliza con el objetivo de resolver problemas médicos como la enfermedad de Alzheimer, [ 35 ] el SIDA, [ 36 ] la esclerosis múltiple, [ 37 ] la lesión de la médula espinal, muchos dolores de cabeza, [ 38 ] y otras afecciones en las que no hay un sistema modelo in vitro útil disponible.

Los organismos modelo provienen de los tres dominios de la vida, así como de los virus . Uno de los primeros sistemas modelo para la biología molecular fue la bacteria Escherichia coli ( E. coli ), un componente común del sistema digestivo humano. El protista T. brucei se ha convertido en un organismo modelo. [ 39 ] El ratón ( Mus musculus ) se ha utilizado ampliamente como organismo modelo y está asociado con muchos descubrimientos biológicos importantes de los siglos XX y XXI. [ 40 ] Otros ejemplos incluyen la levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ), el virus del fago T4 , la mosca de la fruta Drosophila melanogaster , la planta con flores Arabidopsis thaliana y los conejillos de indias ( Cavia porcellus ). Varios de los virus bacterianos ( bacteriófagos ) que infectan a E. coli también han sido muy útiles para el estudio de la estructura y regulación de los genes (por ejemplo, los fagos Lambda y T4 ). [ 41 ] Los modelos de enfermedades se dividen en tres categorías: los animales homólogos tienen las mismas causas, síntomas y opciones de tratamiento que los humanos que tienen la misma enfermedad, los animales isomórficos comparten los mismos síntomas y tratamientos, y los modelos predictivos son similares a una enfermedad humana particular solo en un par de aspectos, pero son útiles para aislar y hacer predicciones sobre los mecanismos de un conjunto de características de la enfermedad. [ 42 ]

Historia

El uso de animales en la investigación se remonta a la antigua Grecia , con Aristóteles (384-322 a. C.) y Erasístrato (304-258 a. C.) entre los primeros en realizar experimentos con animales vivos. [ 43 ] Entre los descubrimientos de los siglos XVIII y XIX se incluyen el uso que hizo Antoine Lavoisier de un conejillo de indias en un calorímetro para demostrar que la respiración era una forma de combustión, y la demostración de Louis Pasteur de la teoría microbiana de las enfermedades en la década de 1880 utilizando ántrax en ovejas. [ 44 ]

La investigación con modelos animales ha sido fundamental para la mayoría de los logros de la medicina moderna. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Ha contribuido con la mayor parte del conocimiento básico en campos como la fisiología humana y la bioquímica , y ha desempeñado papeles importantes en campos como la neurociencia y las enfermedades infecciosas . [ 8 ] [ 9 ] Por ejemplo, los resultados han incluido la casi erradicación de la polio y el desarrollo del trasplante de órganos , y han beneficiado tanto a humanos como a animales. [ 5 ] [ 10 ] De 1910 a 1927, el trabajo de Thomas Hunt Morgan con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster identificó los cromosomas como el vector de herencia de los genes. [ 11 ] [ 12 ] Drosophila se convirtió en uno de los primeros organismos modelo, y durante algún tiempo el más utilizado, [ 45 ] y Eric Kandel escribió que los descubrimientos de Morgan "ayudaron a transformar la biología en una ciencia experimental". [ 13 ] D. melanogaster sigue siendo uno de los organismos modelo eucariotas más utilizados. Durante el mismo período, los estudios sobre genética de ratones en el laboratorio de William Ernest Castle, en colaboración con Abbie Lathrop, llevaron a la generación de la cepa de ratón endogámica DBA ("diluido, marrón y no agutí") y a la generación sistemática de otras cepas endogámicas. [ 46 ] [ 47 ] Desde entonces, el ratón se ha utilizado ampliamente como organismo modelo y está asociado con muchos descubrimientos biológicos importantes de los siglos XX y XXI. [ 40 ]

A finales del siglo XIX, Emil von Behring aisló la toxina diftérica y demostró sus efectos en cobayas. Posteriormente, desarrolló una antitoxina contra la difteria en animales y luego en humanos, lo que dio lugar a los métodos modernos de inmunización y prácticamente acabó con la difteria como enfermedad amenazante. [ 14 ] La antitoxina diftérica se conmemora en la famosa carrera Iditarod, que se inspira en la entrega de la antitoxina durante la carrera de suero a Nome en 1925. El éxito de los estudios en animales para la producción de la antitoxina diftérica también se ha atribuido a la disminución de la oposición a la experimentación con animales a principios del siglo XX en Estados Unidos. [ 15 ]

Las investigaciones posteriores en organismos modelo condujeron a nuevos avances médicos, como la investigación de Frederick Banting en perros, que determinó que los aislados de secreción pancreática podían usarse para tratar a perros con diabetes . Esto llevó al descubrimiento de la insulina en 1922 (junto con John Macleod ) [ 16 ] y su uso en el tratamiento de la diabetes, que anteriormente había significado la muerte. [ 17 ] La ​​investigación de John Cade en cobayas descubrió las propiedades anticonvulsivas de las sales de litio, [ 48 ] lo que revolucionó el tratamiento del trastorno bipolar , reemplazando los tratamientos anteriores de lobotomía o terapia electroconvulsiva. Los anestésicos generales modernos, como el halotano y compuestos relacionados, también se desarrollaron a través de estudios en organismos modelo y son necesarios para las operaciones quirúrgicas complejas modernas. [ 18 ] [ 49 ]

En la década de 1940, Jonas Salk utilizó estudios con monos rhesus para aislar las formas más virulentas del virus de la polio , [ 50 ] lo que lo llevó a crear una vacuna contra la polio . La vacuna, que se puso a disposición del público en 1955, redujo la incidencia de la polio 15 veces en los Estados Unidos durante los siguientes cinco años. [ 51 ] Albert Sabin mejoró la vacuna al hacer pasar el virus de la polio a través de huéspedes animales, incluidos monos; la vacuna de Sabin se produjo para consumo masivo en 1963 y había erradicado prácticamente la polio en los Estados Unidos para 1965. [ 52 ] Se ha estimado que el desarrollo y la producción de las vacunas requirieron el uso de 100 000 monos rhesus, con 65 dosis de vacuna producidas de cada mono. Sabin escribió en 1992: «Sin el uso de animales y seres humanos, habría sido imposible adquirir el conocimiento importante necesario para prevenir mucho sufrimiento y muerte prematura no solo entre los humanos, sino también entre los animales». [ 53 ]

Otros avances y tratamientos médicos del siglo XX que se basaron en investigaciones realizadas en animales incluyen técnicas de trasplante de órganos , [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] la máquina de corazón-pulmón, [ 23 ] antibióticos , [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] y la vacuna contra la tos ferina . [ 27 ] También se han desarrollado tratamientos para enfermedades animales, incluyendo para la rabia , [ 31 ] ántrax , [ 31 ] muermo , [ 31 ] virus de la inmunodeficiencia felina (VIF), [ 32 ] tuberculosis , [ 31 ] fiebre bovina de Texas, [ 31 ] peste porcina clásica (cólera porcino), [ 31 ] dirofilariasis y otras infecciones parasitarias . [ 33 ] La experimentación con animales sigue siendo necesaria para la investigación biomédica, [ 34 ] y se utiliza con el objetivo de resolver problemas médicos como la enfermedad de Alzheimer, [ 35 ] el SIDA, [ 36 ] [ 54 ] [ 55 ] la esclerosis múltiple, [ 37 ] la lesión de la médula espinal, muchos dolores de cabeza, [ 38 ] y otras afecciones en las que no hay un sistema modelo in vitro útil disponible.

Selección

Los organismos modelo poseen una gran cantidad de datos biológicos que los hacen atractivos para estudiar como ejemplos de otras especies o fenómenos naturales más difíciles de estudiar directamente. La investigación continua sobre estos organismos se centra en una amplia variedad de técnicas y objetivos experimentales de diversos niveles biológicos, desde la ecología , el comportamiento y la biomecánica , hasta la minúscula escala funcional de tejidos , orgánulos y proteínas individuales . Las investigaciones sobre el ADN de los organismos se clasifican como modelos genéticos (con tiempos de generación cortos, como la mosca de la fruta y el nematodo ), modelos experimentales y modelos de parsimonia genómica , que investigan la posición clave en el árbol evolutivo. [ 56 ] Históricamente, los organismos modelo incluyen un puñado de especies con extensos datos de investigación genómica, como los organismos modelo del NIH. [ 57 ]

A menudo, los organismos modelo se eligen por su facilidad para la manipulación experimental. Esto suele incluir características como un ciclo de vida corto , técnicas para la manipulación genética ( cepas endogámicas , líneas de células madre y métodos de transformación ) y requisitos de vida no especializados. En ocasiones, la organización del genoma facilita la secuenciación del genoma del organismo modelo, por ejemplo, al ser muy compacto o tener una baja proporción de ADN basura (p. ej. , levadura , Arabidopsis o pez globo ). [ 58 ]

Cuando los investigadores buscan un organismo para sus estudios, consideran diversas características. Entre ellas se encuentran el tamaño, el tiempo de generación , la accesibilidad, la manipulación, la genética, la conservación de mecanismos y el potencial beneficio económico. A medida que la biología molecular comparada se ha vuelto más común, algunos investigadores han buscado organismos modelo de una gama más amplia de linajes en el árbol de la vida.

Filogenia y parentesco genético

La razón principal para el uso de organismos modelo en la investigación es el principio evolutivo de que todos los organismos comparten cierto grado de parentesco y similitud genética debido a un ancestro común . El estudio de los parientes taxonómicos humanos, por lo tanto, puede proporcionar mucha información sobre mecanismos y enfermedades dentro del cuerpo humano que puede ser útil en medicina. [ 59 ]

Se han construido varios árboles filogenéticos para vertebrados utilizando proteómica comparativa , genética, genómica, así como el registro geoquímico y fósil. [ 60 ] Estas estimaciones nos dicen que los humanos y los chimpancés compartieron un ancestro común por última vez  hace unos 6 millones de años (mya). Como nuestros parientes más cercanos, los chimpancés tienen un gran potencial para informarnos sobre los mecanismos de las enfermedades (y qué genes pueden ser responsables de la inteligencia humana). Sin embargo, los chimpancés rara vez se utilizan en la investigación y están protegidos de procedimientos altamente invasivos. Los roedores son los modelos animales más comunes. Los árboles filogenéticos estiman que los humanos y los roedores compartieron un ancestro común por última vez hace ~80-100mya. [ 61 ] [ 62 ] A pesar de esta separación distante, los humanos y los roedores tienen muchas más similitudes que diferencias. Esto se debe a la estabilidad relativa de grandes porciones del genoma, lo que hace que el uso de animales vertebrados sea particularmente productivo. [ 63 ]

Los datos genómicos se utilizan para realizar comparaciones detalladas entre especies y determinar su parentesco. Los humanos comparten aproximadamente el 99 % de su genoma con los chimpancés [ 64 ] [ 65 ] (98,7 % con los bonobos) [ 66 ] y más del 90 % con el ratón. [ 62 ] Con una gran cantidad de genoma conservado entre especies, resulta relativamente impresionante que las diferencias entre humanos y ratones se puedan explicar con unos pocos miles de genes, menos del 1 % (de un total de aproximadamente 19 000). Los científicos han podido aprovechar estas similitudes para generar modelos experimentales y predictivos de enfermedades humanas. [ 67 ]

Usar

Existen numerosos organismos modelo. Uno de los primeros sistemas modelo para la biología molecular fue la bacteria Escherichia coli , un componente común del sistema digestivo humano. Varios virus bacterianos ( bacteriófagos ) que infectan a E. coli también han sido muy útiles para el estudio de la estructura y la regulación genética (por ejemplo, los fagos Lambda y T4 ). Sin embargo, se debate si los bacteriófagos deben clasificarse como organismos, ya que carecen de metabolismo y dependen de las funciones de las células huésped para su propagación. [ 68 ]

En eucariotas , varias levaduras, en particular Saccharomyces cerevisiae (levadura de panadero o levadura de gemación), se han utilizado ampliamente en genética y biología celular , principalmente porque son rápidas y fáciles de cultivar. El ciclo celular en una levadura simple es muy similar al ciclo celular en humanos y está regulado por proteínas homólogas . La mosca de la fruta Drosophila melanogaster se estudia, nuevamente, porque es fácil de cultivar para ser un animal, tiene varios rasgos congénitos visibles y posee un cromosoma politénico (gigante) en sus glándulas salivales que puede examinarse bajo un microscopio óptico. El nematodo Caenorhabditis elegans se estudia porque tiene patrones de desarrollo muy definidos que involucran un número fijo de células, y puede analizarse rápidamente para detectar anomalías. [ 69 ]

modelos de enfermedades

Los modelos animales utilizados en la investigación pueden presentar una enfermedad o lesión preexistente, congénita o inducida, similar a una afección humana. Estas condiciones de prueba se denominan a menudo modelos animales de enfermedad . El uso de modelos animales permite a los investigadores estudiar estados patológicos de maneras que serían inaccesibles en un paciente humano, realizando procedimientos en el animal que implican un nivel de daño que no se consideraría ético infligir a un ser humano. [ 70 ]

Los mejores modelos de enfermedad son similares en etiología (mecanismo de causa) y fenotipo (signos y síntomas) a su equivalente humano. Sin embargo, las enfermedades humanas complejas a menudo se comprenden mejor en un sistema simplificado donde se aíslan y examinan partes individuales del proceso de la enfermedad. Por ejemplo, los análogos conductuales de la ansiedad o el dolor en animales de laboratorio pueden usarse para evaluar y probar nuevos fármacos para el tratamiento de estas afecciones en humanos. Un estudio de 2000 encontró que los modelos animales coincidían (coincidían en verdaderos positivos y falsos negativos) con la toxicidad humana en el 71% de los casos, con un 63% para los animales no roedores solos y un 43% para los roedores solos. [ 71 ]

En 1987, Davidson et al. sugirieron que la selección de un modelo animal para la investigación se basara en nueve consideraciones. Estas incluyen:

1) idoneidad como análogo, 2) transferibilidad de la información, 3) uniformidad genética de los organismos, cuando corresponda, 4) conocimiento previo de las propiedades biológicas, 5) costo y disponibilidad, 6) generalización de los resultados, 7) facilidad y adaptabilidad a la manipulación experimental, 8) consecuencias ecológicas y 9) implicaciones éticas. [ 72 ]

Los modelos animales pueden clasificarse como homólogos, isomórficos o predictivos. Los modelos animales también pueden clasificarse de forma más general en cuatro categorías: 1) experimentales, 2) espontáneos, 3) negativos, 4) huérfanos. [ 73 ]

Los modelos experimentales son los más comunes. Estos se refieren a modelos de enfermedades que se asemejan a las afecciones humanas en fenotipo o respuesta al tratamiento, pero que se inducen artificialmente en el laboratorio. Algunos ejemplos incluyen:

Los modelos espontáneos se refieren a enfermedades análogas a afecciones humanas que ocurren de forma natural en el animal estudiado. Estos modelos son raros, pero informativos. Los modelos negativos se refieren esencialmente a animales de control, que son útiles para validar un resultado experimental. Los modelos huérfanos se refieren a enfermedades para las que no existe un análogo humano y que ocurren exclusivamente en la especie estudiada. [ 73 ]

El aumento del conocimiento de los genomas de primates no humanos y otros mamíferos genéticamente cercanos a los humanos está permitiendo la producción de tejidos, órganos e incluso especies animales genéticamente modificados que expresan enfermedades humanas, proporcionando un modelo más robusto de enfermedades humanas en un modelo animal. [ 88 ]

Los modelos animales observados en las ciencias de la psicología y la sociología suelen denominarse modelos animales de comportamiento . Es difícil construir un modelo animal que reproduzca a la perfección los síntomas de la depresión en los pacientes. La depresión, al igual que otros trastornos mentales , consta de endofenotipos [ 89 ] que pueden reproducirse de forma independiente y evaluarse en animales. Un modelo animal ideal ofrece la oportunidad de comprender los factores moleculares , genéticos y epigenéticos que pueden conducir a la depresión. Mediante el uso de modelos animales, se pueden examinar las alteraciones moleculares subyacentes y la relación causal entre las alteraciones genéticas o ambientales y la depresión, lo que proporcionaría una mejor comprensión de la patología de la depresión. Además, los modelos animales de depresión son indispensables para identificar nuevas terapias para la depresión. [ 90 ] [ 91 ]

Organismos modelo importantes

Los organismos modelo provienen de los tres dominios de la vida, así como de los virus . El organismo modelo procariota más estudiado es Escherichia coli ( E. coli ), que ha sido objeto de intensas investigaciones durante más de 60 años. Se trata de una bacteria intestinal común, gramnegativa , que puede cultivarse de forma fácil y económica en un laboratorio. Es el organismo más utilizado en genética molecular y una especie importante en los campos de la biotecnología y la microbiología , donde ha servido como organismo huésped para la mayoría de los trabajos con ADN recombinante . [ 92 ]

Entre los eucariotas modelo simples se incluyen la levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ) y la levadura de fisión ( Schizosaccharomyces pombe ), ambas comparten muchas características con células superiores, incluidas las humanas. Por ejemplo, se han descubierto en levaduras muchos genes de división celular que son cruciales para el desarrollo del cáncer . Chlamydomonas reinhardtii , un alga verde unicelular con una genética bien estudiada, se utiliza para estudiar la fotosíntesis y la motilidad . C. reinhardtii tiene muchos mutantes conocidos y mapeados y etiquetas de secuencia expresada, y existen métodos avanzados para la transformación genética y la selección de genes. [ 93 ] Dictyostelium discoideum se utiliza en biología molecular y genética , y se estudia como ejemplo de comunicación celular , diferenciación y muerte celular programada .

Ratones de laboratorio , ampliamente utilizados en la investigación médica.

Entre los invertebrados, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster es famosa por ser objeto de experimentos genéticos realizados por Thomas Hunt Morgan y otros. Se crían fácilmente en el laboratorio, con generaciones rápidas, alta fecundidad , pocos cromosomas y mutaciones observables fácilmente inducidas. [ 94 ] El nematodo Caenorhabditis elegans se utiliza para comprender el control genético del desarrollo y la fisiología. Fue propuesto por primera vez como modelo para el desarrollo neuronal por Sydney Brenner en 1963, y se ha utilizado ampliamente en muchos contextos diferentes desde entonces. [ 95 ] [ 96 ] C. elegans fue el primer organismo multicelular cuyo genoma fue secuenciado completamente, y hasta 2012, el único organismo con su conectoma (diagrama de cableado neuronal) completo. [ 97 ] [ 98 ]

Arabidopsis thaliana es actualmente la planta modelo más popular. Su pequeño tamaño y su corto tiempo de generación facilitan los estudios genéticos rápidos, [ 99 ] y se han mapeado muchos mutantes fenotípicos y bioquímicos. [ 99 ] A. thaliana fue la primera planta cuyo genoma fue secuenciado . [ 99 ]

Entre los vertebrados , los conejillos de indias ( Cavia porcellus ) fueron utilizados por Robert Koch y otros bacteriólogos pioneros como huéspedes para infecciones bacterianas, convirtiéndose en sinónimo de "animal de laboratorio", pero su uso es menos común hoy en día. El modelo clásico de vertebrado es actualmente el ratón ( Mus musculus ). Existen muchas cepas endogámicas, así como líneas seleccionadas por rasgos particulares, a menudo de interés médico, por ejemplo, tamaño corporal, obesidad, musculatura y comportamiento de correr voluntariamente en la rueda . [ 100 ] La rata ( Rattus norvegicus ) es particularmente útil como modelo toxicológico y como modelo neurológico y fuente de cultivos celulares primarios, debido al mayor tamaño de los órganos y estructuras suborganelares en relación con el ratón, mientras que los huevos y embriones de Xenopus tropicalis y Xenopus laevis (rana de uñas africana) se utilizan en biología del desarrollo, biología celular, toxicología y neurociencia. [ 101 ] [ 102 ] Asimismo, el pez cebra ( Danio rerio ) tiene un cuerpo casi transparente durante el desarrollo temprano, lo que proporciona un acceso visual único a la anatomía interna del animal durante este período. El pez cebra se utiliza para estudiar el desarrollo, la toxicología y la toxicopatología, [ 103 ] la función de genes específicos y los roles de las vías de señalización.

Otros organismos modelo importantes y algunos de sus usos incluyen: fago T4 (infección viral), Tetrahymena thermophila (procesos intracelulares), maíz ( transposones ), hidras ( regeneración y morfogénesis ), [ 104 ] gatos (neurofisiología), pollos (desarrollo), perros (sistemas respiratorio y cardiovascular), Nothobranchius furzeri (envejecimiento), [ 105 ] primates no humanos como el macaco rhesus y el chimpancé ( hepatitis , VIH , enfermedad de Parkinson , cognición y vacunas ), y hurones ( SARS-CoV-2 ) [ 106 ]

Organismos modelo seleccionados

Los organismos que se describen a continuación se han convertido en organismos modelo porque facilitan el estudio de ciertas características o debido a su accesibilidad genética. Por ejemplo, E. coli fue uno de los primeros organismos para los que se desarrollaron técnicas genéticas como la transformación o la manipulación genética . [ 107 ]

Se han secuenciado los genomas de todas las especies modelo , incluidos sus genomas mitocondriales y cloroplásticos . Existen bases de datos de organismos modelo que proporcionan a los investigadores un portal desde el cual descargar secuencias (ADN, ARN o proteínas) o acceder a información funcional sobre genes específicos, por ejemplo, la localización subcelular del producto génico o su función fisiológica. [ 108 ]

Limitaciones

Muchos modelos animales que sirven como sujetos de prueba en la investigación biomédica, como ratas y ratones, pueden ser selectivamente sedentarios , obesos e intolerantes a la glucosa . Esto puede confundir su uso para modelar procesos metabólicos y enfermedades humanas, ya que estos pueden verse afectados por la ingesta de energía dietética y el ejercicio . [ 126 ] De manera similar, existen diferencias entre los sistemas inmunitarios de los organismos modelo y los humanos que conducen a respuestas significativamente alteradas a los estímulos, [ 127 ] [ 128 ] [ 129 ] aunque los principios subyacentes de la función del genoma pueden ser los mismos. [ 129 ] Los entornos empobrecidos dentro de las jaulas de laboratorio estándar privan a los animales de investigación de los desafíos mentales y físicos necesarios para un desarrollo emocional saludable. [ 130 ] Sin variedad diaria, riesgos y recompensas, y entornos complejos, algunos han argumentado que los modelos animales son modelos irrelevantes de la experiencia humana. [ 131 ]

Los ratones difieren de los humanos en varias propiedades inmunitarias: los ratones son más resistentes a algunas toxinas que los humanos; tienen una fracción total de neutrófilos más baja en la sangre , una capacidad enzimática de neutrófilos más baja , una actividad más baja del sistema del complemento y un conjunto diferente de pentraxinas involucradas en el proceso inflamatorio ; y carecen de genes para componentes importantes del sistema inmunitario, como IL-8 , IL-37 , TLR10 , ICAM-3 , etc. [ 81 ] Los ratones de laboratorio criados en condiciones libres de patógenos específicos (SPF) generalmente tienen un sistema inmunitario bastante inmaduro con un déficit de células T de memoria . Estos ratones pueden tener una diversidad limitada de la microbiota , lo que afecta directamente al sistema inmunitario y al desarrollo de condiciones patológicas. Además, las infecciones virales persistentes (por ejemplo, herpesvirus ) se activan en humanos, pero no en ratones SPF , con complicaciones sépticas y pueden cambiar la resistencia a las coinfecciones bacterianas . Los ratones "sucios" son posiblemente más adecuados para imitar patologías humanas. Además, en la gran mayoría de los estudios se utilizan cepas de ratones endogámicos, mientras que la población humana es heterogénea, lo que subraya la importancia de los estudios en ratones híbridos entre cepas, exogámicos y no lineales. [ 81 ]

Sesgo no intencionado

Algunos estudios sugieren que la información publicada insuficiente en pruebas con animales puede dar lugar a investigaciones irreproducibles, con detalles faltantes sobre cómo se realizan los experimentos que se omiten en los artículos publicados o diferencias en las pruebas que pueden introducir sesgos. Ejemplos de sesgo oculto incluyen un estudio de 2014 de la Universidad McGill en Montreal, Canadá , que sugiere que los ratones manipulados por hombres en lugar de mujeres mostraron niveles de estrés más altos. [ 132 ] [ 133 ] [ 134 ] Otro estudio en 2016 sugirió que los microbiomas intestinales en ratones pueden tener un impacto en la investigación científica. [ 135 ]

Alternativas

Las preocupaciones éticas, así como el costo, el mantenimiento y la relativa ineficiencia de la investigación con animales, han impulsado el desarrollo de métodos alternativos para el estudio de enfermedades. El cultivo celular, o estudios in vitro , proporciona una alternativa que preserva la fisiología de la célula viva, pero no requiere el sacrificio de un animal para estudios mecanísticos. Las células madre pluripotentes humanas inducibles también pueden dilucidar nuevos mecanismos para comprender el cáncer y la regeneración celular. [ 136 ] Los estudios de imagen (como la resonancia magnética o la tomografía por emisión de positrones ) permiten el estudio no invasivo de sujetos humanos. Los avances recientes en genética y genómica pueden identificar genes asociados a enfermedades, que pueden ser objetivo de terapias.

Muchos investigadores biomédicos sostienen que no hay sustituto para un organismo vivo cuando se estudian interacciones complejas en la patología de enfermedades o tratamientos. [ 137 ] [ 138 ]

Ética

El debate sobre el uso ético de animales en la investigación se remonta al menos a 1822, cuando el Parlamento británico, presionado por intelectuales británicos e indios, promulgó la primera ley de protección animal que prevenía la crueldad hacia el ganado. [ 139 ] A esta le siguieron la Ley de Crueldad contra los Animales de 1835 y la Ley de Crueldad contra los Animales de 1849 , que penalizaban el maltrato, el exceso de trabajo y la tortura de animales. En 1876, bajo la presión de la Sociedad Nacional Antivivisección , la Ley de Crueldad contra los Animales de 1849 fue enmendada para incluir regulaciones que regulaban el uso de animales en la investigación. Esta nueva ley estipulaba que: 1) los experimentos debían demostrarse absolutamente necesarios para la instrucción, o para salvar o prolongar la vida humana; 2) los animales debían ser anestesiados adecuadamente; y 3) los animales debían ser sacrificados tan pronto como terminara el experimento. Hoy en día, estos tres principios son fundamentales para las leyes y directrices que rigen el uso de animales y la investigación. En Estados Unidos, la Ley de Bienestar Animal de 1970 (véase también Ley de Bienestar de los Animales de Laboratorio ) estableció normas para el uso y cuidado de los animales en la investigación. Esta ley es aplicada por el programa de Cuidado Animal de APHIS. [ 140 ]

En los entornos académicos donde se utilizan fondos de los NIH para la investigación con animales, las instituciones se rigen por la Oficina de Bienestar Animal de Laboratorio (OLAW) de los NIH. En cada centro, las directrices y normas de la OLAW son respetadas por un comité de revisión local denominado Comité Institucional para el Cuidado y Uso de Animales (IACUC). Todos los experimentos de laboratorio que involucran animales vivos son revisados ​​y aprobados por este comité. Además de demostrar el potencial beneficio para la salud humana, la minimización del dolor y el sufrimiento, y la eutanasia oportuna y humanitaria, los experimentadores deben justificar sus protocolos basándose en los principios de Reemplazo, Reducción y Refinamiento. [ 141 ]

El término "sustitución" se refiere a los esfuerzos por emplear alternativas al uso de animales. Esto incluye el uso de modelos informáticos, tejidos y células no vivos, y la sustitución de animales de "orden superior" (primates y mamíferos) por animales de "orden inferior" (por ejemplo, animales de sangre fría, invertebrados) siempre que sea posible. [ 142 ]

La reducción se refiere a los esfuerzos por minimizar el número de animales utilizados en los experimentos, lo que incluye evitar la replicación innecesaria y determinar el tamaño de la muestra mediante cálculos de potencia estadística para que el menor número de animales necesario produzca resultados científicamente válidos. [ 143 ]

El refinamiento se refiere a los esfuerzos por hacer que el diseño experimental sea lo menos doloroso y más eficiente posible —para minimizar el dolor, el sufrimiento, la angustia o el daño duradero— mediante la mejora de los procedimientos, el manejo, la analgesia, los criterios de valoración humanitarios y el cuidado de los animales. [ 144 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Fields, S.; Johnston, M (2005-03-25). "BIOLOGÍA CELULAR: ¿Hacia dónde se dirige la investigación con organismos modelo?". Science . 307 (5717): 1885– 1886. doi : 10.1126/science.1108872 . PMID 15790833 . 
  2. ↑ Griffiths, EC (2010) ¿Qué es un modelo? Archivado el 12 de marzo de 2012 en Wayback Machine .
  3. ↑ Fox, Michael Allen (1986). El caso de la experimentación animal: una perspectiva evolutiva y ética . Berkeley y Los Ángeles, California: University of California Press. ISBN 978-0-520-05501-8OCLC 11754940 – vía Google Books . 
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    • Jann Hau; Steven J. Schapiro (2011). Manual de Ciencia de Animales de Laboratorio, Volumen II, Tercera Edición: Modelos Animales . CRC Press. pág.  1. ISBN 978-1-4200-8458-0La mayor parte de nuestro conocimiento básico sobre bioquímica, fisiología, endocrinología y farmacología humanas se ha derivado de estudios iniciales de mecanismos en modelos animales.
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  • Modelos de vertebrados del Programa de Medicina Comparada de los Institutos Nacionales de Salud
  • Los NIH utilizan organismos modelo para estudiar enfermedades humanas.
  • Política de intercambio de organismos modelo de los Institutos Nacionales de Salud
  • ¿Por qué se utilizan animales en la investigación de los NIH?
  • Modelos animales de enfermedades – BSRC Alexander Fleming
  • Emice – Instituto Nacional del Cáncer
  • Proyecto Ratón Noqueado – KOMP
  • Programa de Biología del Ratón
  • Los Centros de Investigación y Recursos para Ratones Mutantes de los Institutos Nacionales de Salud apoyaron el Repositorio de Ratones.
  • Centro de Investigación y Recursos para Ratas – Institutos Nacionales de Salud , con el apoyo del Repositorio de Ratas.
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