Organismo modelo
Organismos utilizados para estudiar la biología en todas las especies
Escherichia coli es unorganismo modelo procariota gramnegativo .
Drosophila melanogaster , uno de los sujetos más famosos deexperimentos 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 ampliamente para comprender fenómenos biológicos particulares , con la expectativa de que los descubrimientos realizados en el organismo modelo proporcionarán información sobre el funcionamiento de otros organismos. [1] [2] Los organismos modelo se utilizan ampliamente para investigar enfermedades humanas cuando la experimentación humana sería inviable o poco ética . [3] Esta estrategia es posible gracias a la descendencia común de todos los organismos vivos y la conservación de las vías metabólicas y de desarrollo y el 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 aportado 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 modernas y complejas. [18] 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 corazón-pulmón, [23] antibióticos , [24] [25] [26] y la vacuna contra la tos ferina . [27]

En la investigación de enfermedades humanas , los organismos modelo permiten una mejor comprensión del proceso de la enfermedad sin el riesgo añadido de dañar a un ser humano real. La especie del organismo modelo suele elegirse de forma 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, entre ellas la rabia , [31] el ántrax , [31] el muermo , [31] el virus de la inmunodeficiencia felina (VIF), [32] la tuberculosis , [31] la fiebre del ganado de Texas, [31] la peste porcina clásica (cólera porcino), [31] el gusano del corazón 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] las lesiones de la médula espinal, muchos dolores de cabeza, [38] y otras afecciones en las que no hay disponible un sistema modelo in vitro útil .

Los organismos modelo se extraen 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 constituyente común del sistema digestivo humano. 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. [39] 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 la regulación genética (por ejemplo, los fagos Lambda y T4 ). [40] 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 isomorfos comparten los mismos síntomas y tratamientos, y los modelos predictivos son similares a una enfermedad humana particular en solo un par de aspectos, pero son útiles para aislar y hacer predicciones sobre los mecanismos de un conjunto de características de la enfermedad. [41]

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. [42] Los descubrimientos de los siglos XVIII y XIX incluyeron el uso de un conejillo de indias en un calorímetro por parte de Antoine Lavoisier para demostrar que la respiración era una forma de combustión, y la demostración de Louis Pasteur de la teoría de los gérmenes de la enfermedad en la década de 1880 utilizando ántrax en ovejas. [43]

La investigación con modelos animales ha sido fundamental para la mayoría de los logros de la medicina moderna. [5] [6] [7] Ha aportado 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, [44] 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 de tiempo, los estudios sobre la genética del ratón en el laboratorio de William Ernest Castle en colaboración con Abbie Lathrop condujeron a la generación de la cepa endogámica del ratón DBA ("diluido, marrón y no agutí") y a la generación sistemática de otras cepas endogámicas. [45] [46] 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. [39]

A finales del siglo XIX, Emil von Behring aisló la toxina de la difteria y demostró sus efectos en cobayas. Luego desarrolló una antitoxina contra la difteria en animales y luego en humanos, lo que dio lugar a los métodos modernos de inmunización y terminó en gran medida con la difteria como enfermedad amenazante. [14] La antitoxina de la difteria se conmemora célebremente en la carrera Iditarod, que se basa en la entrega de antitoxina en la carrera de suero de 1925 a Nome . El éxito de los estudios con animales en la producción de la antitoxina de la difteria también se ha atribuido como una causa del declive de la oposición a la investigación con animales a principios del siglo XX en los Estados Unidos. [15]

Investigaciones posteriores en organismos modelo condujeron a avances médicos adicionales, como la investigación de Frederick Banting en perros, que determinó que los aislados de la secreción pancreática podían usarse para tratar perros con diabetes . Esto condujo al descubrimiento de la insulina en 1922 (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, [47] que revolucionaron 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 modernas y complejas. [18] [48]

En la década de 1940, Jonas Salk utilizó estudios con monos rhesus para aislar las formas más virulentas del virus de la polio , [49] lo que condujo a su creación de 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. [50] Albert Sabin mejoró la vacuna al pasar el virus de la polio a través de huéspedes animales, incluidos los monos; la vacuna Sabin se produjo para el consumo masivo en 1963, y prácticamente había erradicado la polio en los Estados Unidos en 1965. [51] 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 a partir de cada mono. Sabin escribió en 1992: "Sin el uso de animales y seres humanos, habría sido imposible adquirir el importante conocimiento necesario para prevenir mucho sufrimiento y muerte prematura no solo entre los humanos, sino también entre los animales". [52]

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 corazón-pulmón, [23] antibióticos , [24] [25] [26] y la vacuna contra la tos ferina . [27] También se han desarrollado tratamientos para enfermedades animales, incluyendo la rabia , [31] ántrax , [31] muermo , [31] virus de inmunodeficiencia felina (VIF), [32] tuberculosis , [31] fiebre del ganado de Texas, [31] peste porcina clásica (cólera porcino), [31] dirofilariosis 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] [53] [54] la esclerosis múltiple, [37] las lesiones de la médula espinal, muchos dolores de cabeza, [38] y otras afecciones en las que no hay disponible un sistema modelo in vitro útil .

Selección

Los modelos son aquellos organismos con una riqueza de datos biológicos que los hacen atractivos para estudiar como ejemplos para otras especies y/o fenómenos naturales que son más difíciles de estudiar directamente. La investigación continua sobre estos organismos se centra en una amplia variedad de técnicas y objetivos experimentales desde muchos niveles diferentes de la biología, desde la ecología , el comportamiento y la biomecánica , hasta la pequeña escala funcional de tejidos individuales , orgánulos y proteínas . 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 gusano nematodo ), modelos experimentales y modelos de parsimonia genómica , que investigan la posición fundamental en el árbol evolutivo. [55] Históricamente, los organismos modelo incluyen un puñado de especies con amplios datos de investigación genómica, como los organismos modelo del NIH. [56]

A menudo, los organismos modelo se eligen sobre la base de que son susceptibles de manipulación experimental. Esto generalmente incluirá características como un ciclo de vida corto , técnicas de manipulación genética ( cepas endogámicas , líneas de células madre y métodos de transformación ) y requisitos de vida no especializados. A veces, la disposición del genoma facilita la secuenciación del genoma del organismo modelo, por ejemplo, al ser muy compacto o tener una baja proporción de ADN basura (por ejemplo, levadura , arabidopsis o pez globo ). [57]

Cuando los investigadores buscan un organismo para utilizar en sus estudios, buscan varias características, entre ellas el tamaño, el tiempo de generación , la accesibilidad, la manipulación, la genética, la conservación de mecanismos y el beneficio económico potencial. A medida que la biología molecular comparativa se ha vuelto más común, algunos investigadores han buscado organismos modelo de una variedad 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 una ascendencia común . El estudio de los parientes taxonómicos humanos, por lo tanto, puede proporcionar una gran cantidad de información sobre los mecanismos y las enfermedades dentro del cuerpo humano que puede ser útil en medicina. [ cita requerida ]

Se han construido varios árboles filogenéticos para vertebrados utilizando proteómica comparativa , genética, genómica, así como el registro geoquímico y fósil. [58] Estas estimaciones nos dicen que los humanos y los chimpancés compartieron por última vez un ancestro común hace unos 6 millones de años (mya). Como nuestros parientes más cercanos, los chimpancés tienen mucho potencial para decirnos sobre los mecanismos de la enfermedad (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 por última vez un ancestro común hace unos 80-100mya. [59] [60] A pesar de esta lejana división, los humanos y los roedores tienen muchas más similitudes que diferencias. Esto se debe a la relativa estabilidad de grandes porciones del genoma, lo que hace que el uso de animales vertebrados sea particularmente productivo. [ cita requerida ]

Los datos genómicos se utilizan para hacer comparaciones estrechas entre especies y determinar el parentesco. Los humanos comparten aproximadamente el 99% de su genoma con los chimpancés [61] [62] (98,7% con los bonobos) [63] y más del 90% con el ratón. [60] Con tanta parte del genoma conservado entre especies, es relativamente impresionante que las diferencias entre humanos y ratones puedan explicarse en aproximadamente seis mil genes (de un total de ~30.000). Los científicos han podido aprovechar estas similitudes para generar modelos experimentales y predictivos de enfermedades humanas. [ cita requerida ]

Usar

Existen muchos organismos modelo. Uno de los primeros sistemas modelo para la biología molecular fue la bacteria Escherichia coli , un constituyente común del sistema digestivo humano. Varios de los virus bacterianos ( bacteriófagos ) que infectan a E. coli también han sido muy útiles para el estudio de la estructura y regulación genética (por ejemplo, los fagos Lambda y T4 ). Sin embargo, se debate si los bacteriófagos deben clasificarse como organismos, porque carecen de metabolismo y dependen de funciones de las células huésped para su propagación. [64]

En eucariotas , varias levaduras, particularmente Saccharomyces cerevisiae (levadura "de panadería" o "en ciernes"), han sido ampliamente utilizadas en genética y biología celular , en gran parte 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 un animal, tiene varios rasgos congénitos visibles y tiene un cromosoma politénico (gigante) en sus glándulas salivales que se puede examinar con un microscopio óptico. El gusano redondo Caenorhabditis elegans se estudia porque tiene patrones de desarrollo muy definidos que involucran un número fijo de células, y se puede analizar rápidamente para detectar anomalías. [65]

Modelos de enfermedades

Los modelos animales que se utilizan en la investigación pueden tener una enfermedad o lesión existente, consanguínea o inducida , similar a una afección humana. Estas condiciones de prueba suelen denominarse modelos animales de enfermedad . El uso de modelos animales permite a los investigadores investigar estados patológicos de formas que serían inaccesibles en un paciente humano, realizando procedimientos en el animal no humano que implican un nivel de daño que no se consideraría ético infligir a un ser humano.

Los mejores modelos de enfermedades son similares en etiología (mecanismo de causa) y fenotipo (signos y síntomas) a sus equivalentes humanos. Sin embargo, las enfermedades humanas complejas a menudo se pueden entender mejor en un sistema simplificado en el que se aíslan y examinan partes individuales del proceso patológico. Por ejemplo, los análogos conductuales de la ansiedad o el dolor en animales de laboratorio se pueden utilizar para examinar y probar nuevos medicamentos 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 no roedores solamente y un 43% para los roedores solamente. [66]

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

1) idoneidad como análogo, 2) transferibilidad de la información, 3) uniformidad genética de los organismos, cuando sea aplicable, 4) conocimiento previo de las propiedades biológicas, 5) coste y disponibilidad, 6) generalización de los resultados, 7) facilidad y adaptabilidad a la manipulación experimental, 8) consecuencias ecológicas, y 9) implicaciones éticas. [67]

Los modelos animales pueden clasificarse como homólogos, isomorfos o predictivos. Los modelos animales también pueden clasificarse de forma más amplia en cuatro categorías: 1) experimentales, 2) espontáneos, 3) negativos, 4) huérfanos. [68]

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

Los modelos espontáneos se refieren a enfermedades análogas a las afecciones humanas que se dan de forma natural en el animal estudiado. Estos modelos son poco frecuentes, 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 se dan exclusivamente en la especie estudiada. [68]

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 animales, órganos e incluso especies animales genéticamente modificados que expresan enfermedades humanas, proporcionando un modelo más robusto de enfermedades humanas en un modelo animal.

Los modelos animales observados en las ciencias de la psicología y la sociología a menudo se denominan modelos animales de comportamiento . Es difícil construir un modelo animal que reproduzca perfectamente los síntomas de la depresión en los pacientes. La depresión, como otros trastornos mentales , consiste en endofenotipos [83] 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. Al utilizar 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. [84] [85]

Organismos modelo importantes

Los organismos modelo proceden 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. Es una bacteria intestinal gramnegativa común que se puede cultivar de forma sencilla y económica en un entorno de laboratorio. Es el organismo más utilizado en genética molecular y es 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 . [86]

Los eucariotas modelo simples incluyen la levadura de panadería ( Saccharomyces cerevisiae ) y la levadura de fisión ( Schizosaccharomyces pombe ), ambas comparten muchos caracteres con células superiores, incluidas las de los humanos. Por ejemplo, se han descubierto en la levadura muchos genes de división celular que son críticos para el desarrollo del cáncer . Chlamydomonas reinhardtii , un alga verde unicelular con genética bien estudiada, se utiliza para estudiar la fotosíntesis y la motilidad . C. reinhardtii tiene muchos mutantes conocidos y mapeados y etiquetas de secuencia expresadas, y existen métodos avanzados para la transformación genética y la selección de genes. [87] Dictyostelium discoideum se utiliza en biología molecular y genética , y se estudia como un ejemplo de comunicación celular , diferenciación y muerte celular programada .

Ratones de laboratorio , ampliamente utilizados en investigación médica.

Entre los invertebrados, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster es famosa por ser objeto de experimentos genéticos de Thomas Hunt Morgan y otros. Se crían fácilmente en el laboratorio, con generaciones rápidas, alta fecundidad , pocos cromosomas y mutaciones observables fácilmente inducidas. [88] 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. [89] [90] C. elegans fue el primer organismo multicelular cuyo genoma fue completamente secuenciado y, a partir de 2012, el único organismo que tenía su conectoma (diagrama de cableado neuronal) completo. [91] [92]

Arabidopsis thaliana es actualmente la planta modelo más popular. Su pequeña estatura y su corto tiempo de generación facilitan estudios genéticos rápidos, [93] y se han mapeado muchos mutantes fenotípicos y bioquímicos. [93] A. thaliana fue la primera planta cuyo genoma fue secuenciado . [93]

Entre los vertebrados , Robert Koch y otros bacteriólogos de los primeros tiempos utilizaron a los conejillos de indias ( Cavia porcellus ) como hospedadores de infecciones bacterianas, convirtiéndose en sinónimo de "animal de laboratorio", pero hoy en día se utilizan con menos frecuencia. El vertebrado modelo clásico 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 voluntario de correr en rueda . [94] 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 suorganulares en relación con el ratón, mientras que los huevos y embriones de Xenopus tropicalis y Xenopus laevis (rana africana con garras) se utilizan en biología del desarrollo, biología celular, toxicología y neurociencia. [95] [96] 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 de tiempo. El pez cebra se utiliza para estudiar el desarrollo, la toxicología y la toxicopatología, [97] la función genética específica 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 ), [98] gatos (neurofisiología), pollos (desarrollo), perros (sistemas respiratorio y cardiovascular), Nothobranchius furzeri (envejecimiento), [99] primates no humanos como el macaco rhesus y el chimpancé ( hepatitis , VIH , enfermedad de Parkinson , cognición y vacunas ) y hurones ( SARS-CoV-2 ) [100]

Organismos modelo seleccionados

Los organismos que se muestran a continuación se han convertido en organismos modelo porque facilitan el estudio de determinados caracteres o por 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 .

Se han secuenciado los genomas de todas las especies modelo , incluidos los genomas mitocondriales y de cloroplastos . Las bases de datos de organismos modelo existen para proporcionar a los investigadores un portal desde el que 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.

Organismo modeloNombre comúnClasificación informalUso (ejemplos)
VirusFi X 174ΦX174Virusevolución [101]
ProcariotasEscherichia coliE. coliBacteriagenética bacteriana, metabolismo
Pseudomonas fluorescensP. fluorescensBacteriaevolución, radiación adaptativa [102]
Eucariotas, unicelularesDictyostelium discoideumAmebaInmunología, interacciones huésped-patógeno [103]
Saccharomyces cerevisiaeLevadura de cerveza
Levadura de panadería		Levaduradivisión celular, organelos, etc.
Schizosaccharomyces pombeLevadura de fisiónLevaduraciclo celular, citocinesis, biología cromosómica, telómeros, metabolismo del ADN, organización del citoesqueleto, aplicaciones industriales [104] [105]
Chlamydomonas reinhardtiiAlgasProducción de hidrógeno [106]
Tetrahymena thermophila , T. pyriformisCiliadoeducación, [107] investigación biomédica [108]
Emiliania huxleyiPlanctontemperatura superficial del mar [109]
PlantasArabidopsis thalianaBerro de ThalePlanta con floresgenética de poblaciones [110]
Physcomitrella patensEl musgo de tierra se extiendeMusgoagricultura molecular [111]
Populus trichocarpaÁlamo balsámicoÁrbolTolerancia a la sequía, biosíntesis de lignina, formación de madera, biología de las plantas, morfología, genética y ecología [112]
Animales no vertebradosCaenorhabditis elegansNematodo, gusano redondoGusanodiferenciación, desarrollo
Drosophila melanogasterMosca de la frutaInsectoBiología del desarrollo, enfermedad degenerativa del cerebro humano [113] [114]
Callosobruchus maculatusGorgojo del caupíInsectoBiología del desarrollo
Animales vertebradosDanio rerioPez cebraPezdesarrollo embrionario
Fondo heteroclitoMummichogPezEfecto de las hormonas sobre el comportamiento [115]
Nothobranchius furzeriPez killi turquesaPezenvejecimiento, enfermedad, evolución
Oryzias latipesPescado con arroz japonésPezBiología de los peces, determinación del sexo [116]
Anolis carolinensisAnole de CarolinaReptilBiología de los reptiles, evolución
Músculo musculosoRatón domésticoMamíferomodelo de enfermedad para humanos
Gallo galloGallina roja de la selvaPájaroDesarrollo embriológico y organogénesis
Taeniopygia castanotisPinzón cebra australianoPájaroaprendizaje vocal, neurobiología [117]
Xenopus laevis
Xenopus tropicalis [118]		Rana africana con garras
Rana occidental con garras		Anfibiodesarrollo embrionario

Limitaciones

Muchos modelos animales que sirven como sujetos de prueba en la investigación biomédica, como las ratas y los ratones, pueden ser selectivamente sedentarios , obesos e intolerantes a la glucosa . Esto puede confundir su uso para modelar los procesos metabólicos y las enfermedades humanas, ya que estos pueden verse afectados por la ingesta de energía dietética y el ejercicio . [119] De manera similar, existen diferencias entre los sistemas inmunológicos de los organismos modelo y los humanos que conducen a respuestas significativamente alteradas a los estímulos, [120] [121] [122] aunque los principios subyacentes de la función del genoma pueden ser los mismos. [122] Los entornos empobrecidos dentro de las jaulas de laboratorio estándar niegan a los animales de investigación los desafíos mentales y físicos que son necesarios para un desarrollo emocional saludable. [123] Sin variedad diaria, riesgos y recompensas, y entornos complejos, algunos han argumentado que los modelos animales son modelos irrelevantes de la experiencia humana. [124]

Los ratones se diferencian de los humanos en varias propiedades inmunológicas: 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 menor actividad del sistema del complemento y un conjunto diferente de pentraxinas involucradas en el proceso inflamatorio ; y carecen de genes para componentes importantes del sistema inmunológico, como IL-8 , IL-37 , TLR10 , ICAM-3 , etc. [76] Los ratones de laboratorio criados en condiciones libres de patógenos específicos (SPF) generalmente tienen un sistema inmunológico 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 inmunológico 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" posiblemente sean 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 indica la importancia de los estudios en ratones híbridos entre cepas, exogámicos y no lineales. [76]

Sesgo no intencionado

Algunos estudios sugieren que la falta de datos publicados sobre las pruebas con animales puede dar lugar a una investigación irreproducible, con detalles faltantes sobre cómo se realizan los experimentos omitidos en los artículos publicados o diferencias en las pruebas que pueden introducir sesgos. Entre los ejemplos de sesgos ocultos se incluye 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 más altos de estrés. [125] [126] [127] Otro estudio de 2016 sugirió que los microbiomas intestinales en ratones pueden tener un impacto en la investigación científica. [128]

Alternativas

Las preocupaciones éticas, así como el coste, el mantenimiento y la relativa ineficiencia de la investigación con animales han fomentado el desarrollo de métodos alternativos para el estudio de las enfermedades. El cultivo celular, o los estudios in vitro , proporcionan 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 inducibles humanas también pueden [ cita requerida ] dilucidar nuevos mecanismos para comprender el cáncer y la regeneración celular. Los estudios de imagen (como la resonancia magnética o las tomografías 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 el objetivo de las terapias.

Muchos investigadores biomédicos sostienen que no hay sustituto para un organismo vivo cuando se estudian interacciones complejas en la patología o los tratamientos de enfermedades. [129] [130]

Ética

El debate sobre el uso ético de animales en la investigación se remonta al menos a 1822, cuando el Parlamento británico, bajo la presión de los intelectuales británicos e indios, promulgó la primera ley de protección animal que impedía la crueldad hacia el ganado. [131] A esto le siguió la Ley de Crueldad hacia los Animales de 1835 y 1849, que penalizaba el maltrato, la conducción excesiva y la tortura de los animales. En 1876, bajo la presión de la Sociedad Nacional Antivivisección , se modificó la Ley de Crueldad hacia los Animales para incluir regulaciones que regulaban el uso de animales en la investigación. Esta nueva ley estipulaba que 1) los experimentos debían demostrar que eran absolutamente necesarios para la instrucción o para salvar o prolongar la vida humana; 2) los animales debían estar adecuadamente anestesiados; 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 los Estados Unidos, la Ley de Bienestar Animal de 1970 (véase también la Ley de Bienestar Animal de Laboratorio ) establece normas para el uso y cuidado de los animales en la investigación. Esta ley se hace cumplir a través del programa de Cuidado Animal del APHIS. [132]

En los entornos académicos en los que se utilizan fondos del NIH para la investigación con animales, las instituciones están regidas por la Oficina de Bienestar de los Animales de Laboratorio (OLAW) del NIH. En cada sitio, las pautas y normas de la OLAW son respaldadas por una junta de revisión local llamada 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 de beneficio para la salud humana, la minimización del dolor y la angustia y la eutanasia oportuna y humanitaria, los experimentadores deben justificar sus protocolos basándose en los principios de Reemplazo, Reducción y Refinamiento. [133]

El término "reemplazo" se refiere a los esfuerzos por encontrar alternativas al uso de animales, lo que incluye el uso de modelos informáticos, tejidos y células no vivos y el reemplazo de animales de "orden superior" (primates y mamíferos) por animales de orden "inferior" (por ejemplo, animales de sangre fría, invertebrados) siempre que sea posible. [134]

"Reducción" se refiere a los esfuerzos por minimizar el número de animales utilizados durante el transcurso de un experimento, así como a la prevención de la repetición innecesaria de experimentos anteriores. Para satisfacer este requisito, se emplean cálculos matemáticos de potencia estadística para determinar el número mínimo de animales que se pueden utilizar para obtener un resultado experimental estadísticamente significativo.

"Refinamiento" se refiere a los esfuerzos por hacer que el diseño experimental sea lo menos doloroso y eficiente posible para minimizar el sufrimiento de cada sujeto animal.

Véase también

Referencias

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    • Jann Hau; Steven J. Schapiro (2011). Manual de ciencia animal de laboratorio, volumen II, tercera edición: modelos animales. CRC Press. pág. 1. ISBN 978-1-4200-8458-0La mayor parte de nuestro conocimiento básico de la bioquímica, la fisiología, la endocrinología y la farmacología humanas se ha derivado de estudios iniciales de mecanismos en modelos animales.
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  • Descripción de los organismos modelo por parte de Wellcome Trust
  • Modelos de vertebrados del Programa de Medicina Comparativa 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 las investigaciones del NIH?
  • Modelos animales de enfermedades – BSRC Alexander Fleming
  • Emice – Instituto Nacional del Cáncer
  • Proyecto Knock Out Mouse – KOMP
  • Programa de biología del ratón
  • Centros de investigación y recursos sobre ratones mutantes, Institutos Nacionales de Salud, respaldado por el repositorio de ratones
  • Centro de recursos e investigación sobre ratas – Institutos Nacionales de Salud , repositorio de ratas con apoyo
  • Reproducibilidad y rigor de la investigación sobre organismos modelo del NIH
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