¿Biología virtual? | Métodos alternativos

Tras haber hablado con Laika os traemos la respuesta a la pregunta de nuestra última entrada. 

Sí, podemos estudiar diversas vías y funciones biológicas sin emplear animales.  Uno de los objetivos que plantea la Unión Europea es reducir la experimentación animal a largo plazo. Aquí os traemos algunas de las opciones actuales barajadas para conseguirlo. 

Algunos de los métodos alternativos son los modelos de células, tejidos y órganos derivados de animales, consistentes en la extracción de los mismos y su mantenimiento en un medio adecuado. Pero… ¿no habíamos dejado de hablar de animales? Sí y no. Este procedimiento se puede aplicar a células humanas mediante su aislamiento de tejidos accesibles (sangre, mucosas, piel)  y crecimiento en monocapa sobre la superficie de una placa. 

Cultivo celular en placa Petri Fuente de la imagen

Entre sus aplicaciones, destaca la predicción de la respuesta clínica a fármacos, identificación de mecanismos que influyen en esta respuesta, eficiencia de medicamentos y respuesta a terapias, principalmente anticancerígenas. Como todo proceso pre-clínico necesita una validación posterior en humanos a nivel clínico (3).  Su uso principal es la reproducción de enfermedades partiendo de células que derivan del paciente o modificadas genéticamente. También se emplea para comprobar la toxicidad de los cosméticos.

Estos métodos presentan muchas ventajas, entre ellas el empleo de un menor tiempo y dinero. Son fáciles de manejar y permiten un estudio a nivel molecular sobre la patogénesis*, aunque no reproducen totalmente la enfermedad (a veces hay más de un tejido afectado). Una práctica muy de moda en neurología actualmente es el concepto de la reprogramación: obtención de células madre pluripotentes* a partir de células diferenciadas*. De esta manera se puede obtener cualquier tipo celular, sin  la problemática que supone la baja accesibilidad para extraer ciertos tejidos como el neuronal. Futuras perspectivas podrían incluir el uso de células madre pluripotentes específicas de pacientes, así como modelos de cultivos 3D que son más completos(4).

Reprogramación celular Fuente de la imagen

El desarrollo de los modelos 3D se basa en la capacidad de autoorganización* de las células. A partir de tejidos primarios (5) pueden surgir mini-órganos, denominados organoides (6). No estamos hablando de jugar a ser Frankestein. En vez de robar órganos se busca desarrollar modelos tridimensionales que reproducen parcialmente las características de sus tejidos de origen (7). Se pueden obtener a partir de células madre* de un tejido adulto, de células madre pluripotentes o de células madre embrionarias* (9). Están considerados una opción prometedora a la hora de reducir la utilización de animales y son útiles en terapias regenerativas o farmacología (6). Destaca su empleo en enfermedades genéticas, infecciosas y modelaje de tumores. Se presentan como una herramienta útil para estudiar la función génica y el desarrollo celular (8). 

Organoide de cerebro humano Fuente de la imagen

¿Y si la respuesta estuviese en los ordenadores? La ciencia está en constante evolución, no solo por los nuevos conocimientos que se adquieren sino también por las nuevas técnicas que se desarrollan. La computación cada vez tiene más aplicaciones en biociencias. Obtener datos cada vez es más fácil, el nuevo reto es encontrar algoritmos que nos permitan procesarlos. El Centro Nacional para la Información Biotecnológica "National Center for Biotechnology Information" define la bioinformática como:

"Un campo de la ciencia en el cual confluyen varias disciplinas tales como: biología, computación y tecnología de la información. El fin último de este campo es facilitar el descubrimiento de nuevas ideas biológicas así como crear perspectivas globales a partir de las cuales se puedan discernir principios unificadores en biología. Al comienzo de la revolución genómica."(10)

Este campo está en pleno auge, continuamente se están publicando artículos explicando nuevos modelos computacionales*. Potencialmente todos los procesos biológicos se pueden definir con un modelo; por ejemplo se ha modelizado el comportamiento neurológico de astrocitos (11), procesos del alzheimer (12) y procesos del cáncer como la angiogénesis (13). La UE confía en el desarrollo bioinformático como herramienta para eliminar la experimentación animal en el estudio de químicos potencialmente dañinos. Por eso puso en funcionamiento el Proyecto Toxoma Humano. El objetivo de este proyecto es conocer todas las vías moleculares implicadas en la toxicología de células humanas para poder hacer estudios predictivos (14, 15). El primer problema que encontraron fue la dificil colaboración entre instituciones. Parece que los bioinformáticos son tan solitarios como los informáticos. Para arreglar esta situación se ha formado el Consorcio del Toxoma Humano.

Lo cierto es que esto no está muy lejos de mi proyecto de TFG. Yo, Bárbara, tuve curiosidad por este campo desde segundo carrera. A partir de enero me voy a dedicar al estudio bioinformático de las vías de la hipoxia (mencionamos este concepto en la entrada de levaduras). Espero que esto me sirva de formación para en un futuro contribuir al Proyecto Toxoma Humano.

Estos son algunos modelos alternativos que se están desarrollando; otro que nos parece muy interesante es órganos-en-chip, por si tenéis curiosidad aquí os dejamos un estudio reciente (16). Tras conocer todos estos métodos alternativos es lógico preguntarse por qué aún se practica la experimentación animal. ¿Tenéis alguna hipótesis? La discutiremos en la próxima entrada. 

Un saludo, las embajadoras de Laika :)

CONCEPTOS CLAVE:

1. Patogénesis: parte de la patología que estudia las causas y el desarrollo de enfermedades.
2. Células madre pluripotentes: no pueden formar un organismo completo, pero sí cualquier otro tipo de célula correspondiente a los tres linajes embrionarios (endodermo, ectodermo y mesonero).
3. Células diferenciadas: células especializadas en llevar a cabo una determinada función y no pueden transformarse en en otro tipo celular de diferente estirpe. 
4. Capacidad de autoorganización: capacidad que tienen las células de, al dividirse, organizarse en diferentes tejidos.
5. Células madre: células que tienen la capacidad de diferenciarse a otras células más específicas.
6. Células madre embrionarias: células pluripotentes, lo que significa que pueden fabricar cualquier otra célula del cuerpo. Están formadas a partir de blastocistos, células encontradas en embriones humanos en sus primeras fases de desarrollo.
7. Modelo computacional: un modelo es una construcción artificial en lenguaje matemático que representa un proceso o fenómeno. Ej.: Leyes de Newton.
8. Toxicología: Parte de la medicina que se ocupa del estudio y los efectos de los productos tóxicos o venenosos sobre el organismo.

REFERENCIAS:

1. Métodos alternativos y complementarios en experimentación animal. Pérez García CC, Diez Prieto MI, García Partida P. Introducción a la experimentación y protección animal León: Univ. León, 1999: 215-223, ISBN: 84-7719-708-3
2. Alternatives to animal testing: A review. Author links open overlay panel. Sonali K.DokeShashikant C.Dhawale. School of Pharmacy, SRTM University, Nanded 431 606, MS, India
3. Niu, N., & Wang, L. (2015). In vitro human cell line models to predict clinical response to anticancer drugs. Pharmacogenomics, 16(3), 273–285. doi:10.2217/pgs.14.170 
4. Dolan ME, Newbold KG, Nagasubramanian R, et al. Heritability and linkage analysis of sensitivity to cisplatin-induced cytotoxicity. Cancer Res. 2004;64(12):4353–4356. 
5. At Cell Biol. 2016 Mar;18(3):246-54. doi: 10.1038/ncb3312. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Fatehullah A1, Tan SH1, Barker N1,2,3.
6. Genotipia - Consideraciones éticas sobre la generación de organoides humanos. Link 
7. "Organoides: qué son y para qué sirven. Organoides colónicos y cáncer" Resumen de la conferencia imparida por el Dr. Alberto Muñoz (IIB, CSIC/UAM, Madrid). 
8. Benedetta Artegiani, Hans Clevers, Use and application of 3D-organoid technology, Human Molecular Genetics, Volume 27, Issue R2, 01 August 2018, Pages R99–R107, Link
9. Avances en el desarrollo de organoides como modelo de estudio en medicina regenerativa. Paula Calvache Aguilar. Grau de Bioquímica. Universitat de les Illes Balears.    Link
10. Solo ciencia. ¿Qué es bioinformática? Link
11. Sajedinia, Z. and Hélie, S. (2018). A New Computational Model for Astrocytes and Their Role in Biologically Realistic Neural Networks. Computational Intelligence and Neuroscience, 2018, pp.1-10.
12. Vosoughi, A., Sadigh-Eteghad, S., Ghorbani, M., Shahmorad, S., Farhoudi, M., Rafi, M. and Omidi, Y. (2019). Mathematical Models to Shed Light on Amyloid-Beta and Tau Protein Dependent Pathologies in Alzheimer’s Disease. Neuroscience.
13. Zhang, Y., Kontos, C., Annex, B. and Popel, A. (2019). Angiopoietin-Tie Signaling Pathway in Endothelial Cells: A Computational Model. iScience, 20, pp.497-511.
14. Bouhifd, M. (2015). The Human Toxome Project. ALTEX, pp.112-124.
15. The Human Toxome Project. Link 
16. Kratz, Höll, Schuller, Ertl and Rothbauer (2019). Latest Trends in Biosensing for Microphysiological Organs-on-a-Chip and Body-on-a-Chip Systems. Biosensors, 9(3), p.110.