ENFOQUES INNOVADORES PARA LA EXPERIMENTACIÓN CON ANIMALES

Experimentación con animales en su forma actual

La cantidad de animales utilizados en la investigación ha aumentado con el avance de la investigación y el desarrollo de la tecnología médica. Cada año se utilizan millones de animales de experimentación en todo el mundo. El dolor, la angustia y la muerte que experimentan los animales durante los experimentos científicos han sido un tema debatido durante mucho tiempo. Además de la principal preocupación ética, la experimentación con animales tiene algunas desventajas más, como la necesidad de mano de obra calificada, protocolos que requieren mucho tiempo y altos costos. Se propusieron varias alternativas a las pruebas con animales para superar los inconvenientes asociados con los experimentos con animales y evitar procedimientos poco éticos. Se está aplicando una estrategia de las 3 R (es decir, reducción, refinamiento y reemplazo) para el uso de animales en laboratorio. Se aplican diferentes métodos y organismos alternativos para implementar esta estrategia. Estos métodos proporcionan un medio alternativo para realizar pruebas de fármacos y sustancias químicas, hasta algunos niveles. Una aplicación integrada de estos enfoques daría una idea del uso mínimo de animales en experimentos científicos.

Tres R: Reducción, Refinamiento y Reemplazo

• Reducción

Con la ayuda del apoyo estadístico y una cuidadosa selección del diseño del estudio, se pueden producir resultados científicos significativos de un experimento. Por ejemplo, el cultivo celular in vitro es una buena forma de detectar compuestos en etapas tempranas. El cultivo de hepatocitos humanos explica cómo se metabolizaría y eliminaría un fármaco del organismo. Se utilizan animales vivos y embriones para estudiar los efectos de algunos compuestos en el desarrollo embrionario. Las pruebas de cultivo de células madre embrionarias in vitro ayudan a reducir la cantidad de embriones vivos y los compuestos tóxicos utilizados para desarrollar embriones.

• Refinamiento

Refinar las instalaciones para animales reduce el dolor, la incomodidad y la angustia durante la vida animal y los procedimientos científicos. Además, bajo estrés y malestar, puede producirse un desequilibrio en los niveles hormonales de los animales, lo que provoca fluctuaciones en los resultados. Por lo tanto, es necesario repetir los experimentos, lo que provoca un aumento en el número de animales de experimentación. Por lo tanto, es necesario perfeccionarlo para mejorar la vida de los animales de laboratorio y la calidad de la investigación.

• Reemplazo

Se han sugerido varias alternativas al uso de animales, como modelos in vitro , cultivos celulares, modelos informáticos y nuevas técnicas de análisis y obtención de imágenes. Los modelos in vitro permiten estudiar la respuesta celular en un sistema cerrado, donde se mantienen las condiciones experimentales (por ejemplo, modelos informáticos, cultivos de células y tejidos, etc.).

• Métodos alternativos a la experimentación con animales.

Se han sugerido varios métodos para evitar el uso de animales en la experimentación. Estos métodos se describen en detalle a continuación:

a) Modelos informáticos

Los modelos informáticos y los programas de software especializados ayudan a diseñar nuevos medicamentos. Las simulaciones generadas por computadora predicen los posibles efectos biológicos y tóxicos de una sustancia química o un posible fármaco candidato sin disección de animales. Sólo las moléculas más prometedoras obtenidas del cribado primario se utilizan para la experimentación in vivo .

Algunos de estos modelos/dispositivos de software se incluyen a continuación:

• Diseño de fármacos asistido por computadora (CADD)

El método CADD predice el sitio de unión al receptor de una posible molécula de fármaco. Otra herramienta popular es el programa informático Estructura Actividad Relación (SAR). Predice la actividad biológica de un fármaco candidato en función de la presencia de restos químicos unidos al compuesto original. La relación cuantitativa estructura-actividad (QSAR) es la descripción matemática de la relación entre las propiedades fisicoquímicas de una molécula de fármaco y su actividad biológica. El reciente software QSAR muestra resultados más apropiados al predecir la carcinogenicidad de cualquier molécula.

• Modelado in silico

Otro método de modelado es el modelado in silico. El modelado in silico, en el que se desarrollan modelos informáticos para modelar un proceso farmacológico o fisiológico, es una extensión lógica de la experimentación in vitro controlada . El modelado in silico combina las ventajas de la experimentación in vivo e in vitro sin someterse a consideraciones éticas y a la falta de control asociadas con los experimentos in vivo .^[1]

• Bioimpresión 3D

La bioimpresión 3D utiliza técnicas similares a la impresión 3D para combinar células, factores de crecimiento y/o biomateriales para fabricar piezas biomédicas, a menudo para imitar las características naturales de los tejidos. Tiene el potencial de proporcionar un marco unificado para la fabricación de modelos de tejidos para la investigación biomédica, incluido el descubrimiento de fármacos, el modelado de enfermedades y la medicina regenerativa.^[2]

• biochip

Biochip es un dispositivo de biomicroarrays ampliamente estudiado y desarrollado para permitir análisis genómicos, proteómicos y genómicos funcionales a gran escala. Un biochip comprende tres tipos: microarrays de ADN, microarrays de proteínas y chips de microfluidos. Con la integración de sistemas de microarrays y microfluidos, se produce un sistema de análisis micro total, a menudo llamado sistema de laboratorio en un chip (LOC). Debido a los beneficios de bajo costo, alto rendimiento y miniaturización, esta tecnología tiene un gran potencial para ser una herramienta crucial y poderosa para la investigación clínica, el diagnóstico, el desarrollo de fármacos, los estudios de toxicología y la selección de pacientes para ensayos clínicos.^[3]

b) Cultivos de células y tejidos.

El cultivo in vitro de células animales/humanas incluye su aislamiento entre sí y su crecimiento como una monocapa sobre la superficie de placas/matraces de cultivo. También se pueden utilizar componentes celulares como fragmentos de membrana y enzimas celulares. Se utilizan varios tipos de cultivos, como cultivos de células, callos, tejidos y órganos, para diversos fines.

Tradicionalmente se han implementado cultivos celulares 2D y modelos animales preclínicos para investigar los mecanismos celulares subyacentes de la progresión de enfermedades humanas. Sin embargo, la creciente importancia del cultivo celular 3D frente al 2D ha iniciado una nueva era en la investigación de cultivos celulares en la que los modelos 3D  in vitro  están surgiendo como un puente entre el cultivo celular 2D tradicional y  los modelos animales in vivo  . La fabricación aditiva (AM, también conocida como impresión 3D), definida como la fabricación capa por capa de piezas dirigidas por información digital a partir de un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD) 3D, ofrece también las ventajas de la creación simultánea de prototipos rápidos y la biofuncionalización. como la colocación precisa de células y matriz extracelular con alta resolución.^[4]

Además, los organoides y los esferoides son diferentes modelos de cultivo celular en 3D que se pueden cultivar con diferentes técnicas. Estas unidades de cultivo celular en 3D establecidas a partir del tumor de un paciente tienen similitudes con el tejido tumoral original y poseen varias ventajas a la hora de realizar investigaciones básicas y clínicas sobre el cáncer.^[5]

Recientemente, se ha descubierto que los órganos en chips (OoC) contienen tejidos en miniatura naturales o diseñados cultivados dentro de chips de microfluidos. Para imitar mejor la fisiología humana, los chips están diseñados para controlar los microambientes celulares y mantener funciones específicas de los tejidos. Combinando avances en ingeniería de tejidos y microfabricación, los OoC han ganado interés como plataforma experimental de próxima generación para investigar la fisiopatología humana y el efecto de la terapéutica en el cuerpo.^[6]

c) Organismos alternativos

A continuación se enumeran algunos organismos alternativos que se pueden utilizar:

• Vertebrados inferiores

Los vertebrados inferiores son una opción atractiva debido a su relación genética con los vertebrados superiores, incluidos los mamíferos. (por ejemplo, pez cebra).

• Invertebrados

Diversas enfermedades como la enfermedad de Parkinson, disfunción endocrina y de la memoria, distrofia muscular, cicatrización de heridas, envejecimiento celular, muerte celular programada, biología de retrovirus, diabetes y pruebas toxicológicas. Tienen numerosos beneficios, como un ciclo de vida breve, tamaño pequeño y anatomía simple, de modo que muchos invertebrados pueden estudiarse en un solo experimento en un período corto con menos problemas éticos y, por ejemplo, Drosophila melanogaster (mosca de la fruta), Caenorhabditis elegans. (nematodo eucariota).

• Microorganismos

Por ejemplo, Saccharomyces cerevisiae (levadura cervecera) es el organismo modelo más popular e importante debido a su rápido crecimiento, facilidad de replicación en placas y aislamiento de mutantes, células dispersas, sistema genético bien definido y sistema de transformación de ADN altamente versátil.

El futuro de la experimentación con animales en fase preclínica

Reemplazar las pruebas con animales no significa poner en riesgo a los pacientes humanos. Tampoco significa detener el progreso médico. En cambio, reemplazar los animales utilizados en las pruebas mejorará la calidad y la humanidad de nuestra ciencia. Afortunadamente, el desarrollo de métodos sin animales está creciendo rápidamente. Debido a las innovaciones científicas, las pruebas con animales están siendo reemplazadas en áreas como las pruebas de toxicidad, la neurociencia y el desarrollo de fármacos. Pero es necesario hacer mucho más.

Se necesitan herramientas bioinformáticas, cultivos celulares in vitro, pantallas enzimáticas y organismos modelo para integrar varios modelos informáticos. El uso de técnicas analíticas modernas, adquisición de datos y procedimientos estadísticos para analizar los resultados de protocolos alternativos puede proporcionar resultados confiables. Estos enfoques integrados darían como resultado una participación mínima de los animales en los procedimientos científicos.

El grupo de vida del producto puede brindar un valioso apoyo a la hora de diseñar estrategias para métodos alternativos apropiados para las pruebas con animales planificadas, considerando las posibilidades regulatorias.

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Referencias:

1. Colquitt RB, Colquhoun DA, Thiele RH. Modelado in silico de sistemas fisiológicos. Mejores prácticas e investigación Anestesiología clínica. 1 de diciembre de 2011; 25 (4): 499-510.
2. Pless CJ, Radeke C, Cakal SD, Kajtez J, Pasqualini FS, Lind JU. Estrategias emergentes en modelos de tejidos impresos en 3D para investigación biomédica in vitro. InBioprinting 2022 1 de enero (págs. 207-246). Prensa académica.
3. Zhang X, Ju H, Wang J, editores. Sensores electroquímicos, biosensores y sus aplicaciones biomédicas. Prensa académica; 28 de abril de 2011.
4. Vanderburgh J, Sterling JA, Guelcher SA. Impresión 3D de construcciones diseñadas con tejidos para el modelado in vitro de la progresión de enfermedades y la detección de fármacos. Anales de ingeniería biomédica. Enero de 2017; 45: 164-79.
5. Gunti S, Hoke AT, Vu KP, London Jr NR. Modelos de tumores organoides y esferoides: Técnicas y aplicaciones. Cánceres. 19 de febrero de 2021; 13 (4): 874.
6. Leung CM, De Haan P, Ronaldson-Bouchard K, Kim GA, Ko J, Rho HS, Chen Z, Habibovic P, Jeon NL, Takayama S, Shuler ML. Una guía para el órgano en un chip. Imprimaciones de métodos de reseñas de la naturaleza. 2022 12 de mayo;2(1):33.